DE2123066C3 - Vorrichtung zum Bestrahlen einer Probe mit Elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere für ein Elektronenstrahlspektrometer, zum Bestrahlen einer Probe mit Elektronen, die eine vorgegebene Anzahl diskreter kinetischer Energien aufweisen.

Bei der Analyse und Identifikation der Moleküle oder Atome in einer Probe können die Energien der verschiedenen Elektronenumlaufbahnen in den Molekülen der Probe untersucht werden. Es ist beispielsweise möglich, die Ionisierung der Atome und Moleküle mit Hilfe der photoelektronischen Spektrometrie zu untersuchen. Die Probe wird dann mit Röntgenstrahlquanten oder ultraviolettem Licht bestrahlt. Auf Grund dieser Bestrahlung werden Photoelektronen einer bestimmten kinetischen Energie von den Atomen gelöst. Die kinetische Energie der Photoelektronen wird dann durch den Unterschied zwischen der Strahlungsenergie und der Bindungsenergie ermittelt. Die kinetische Energie der Photoelektronen wird in der Weise bestimmt, daß die Elektronen einem Analysator (einer Vorrichtung, durch die nur Elektronen einer vorgegebenen Energie hindurchtreten können) zugeführt werden. Der Analysator kann aus zwei konzentrischen sphärischen oder zylindrischen Elektroden bestehen, zwischen denen die Photoelektronen durchwandern. Wenn die an den Elektroden angelegte Spannung entsprechend gewählt wird und am Eingang und Ausgang des Analysators Öffnungen vorgesehen werden, wandern nur Elektronen einer bestimmten kinetischen Energie durch den Analysator. Durch Variieren des Elektrodenpotentials läßt sich diese Energie ändern, und die Anzahl der Elektronen kann in Abhängigkeit von ihren kinetischen Energien ermittelt werden. Ein derartiges Photoelektronenspektrometer ist beispielsweise in »Analytical Chemistry«, 42, No. 1, Januar 1970,

S. 2OA bis 4OA beschrieben.

Weitere Untersuchungen der Struktur der Atome und Moleküle kann mittels Erregung durchgeführt werden. Die Erregung kann optisch dadurch beobachtet werden, daß die Absorption von ultravioiet-

ao tem Licht unterschiedlicher Wellenlänge in der Probe untersucht oder Elektronenstrahl-Spektrometrie verwendet wird. Optische Untersuchungen haben den Vorteil, daß eine sehr hohe Energieauflösung erzielt werden kann; sie haben jedoch den Nachteil, daß die

»5 Intensität schwtr definiert werden kann und Untersuchungen mit Erregerenergien, die größer als 7 eV sind, teure und komplizierte Vakuumspektrographen erfordern. Elektronische Untersuchungen, bei denen die Elektronenstrahl-Spektrometrie eingesetzt wird, haben diese Nachteile nicht. Die Emittierung der Intensität ist sehr zuverlässig, und der gesamte Ene: giebereich kann in einem Schritt ohne Einschränkung untersucht werden. Bei chemischen und molekularphysikalischen Untersuchungen ist das Elektronenstrahl-Spektrometer somit ein sehr nützliches Hilfsmittel. Der einzige wesentüch·* Nachteil dieses Geräts bestand bisher darin, daß das Energieauflösungsvermögen nicht so gut wie bei den optischen Spektrometern ist.

Bei einem Eickuuücnslrah! Spektrometer wird die Probe durch Elektronen erregt, die eine bestimmte kinetische Energie haben. Wenn die Elektronen auf die Probe auftreffen, verlieren sie einen Teil ihrer kinetischen Energie und erregen das Atom. Durch Ermitteln des Energieverlustes der Elektronen lassen sich die Erregerenergien der Probe bestimmen. Um monoenergetische Elektronen zu erhalten, wurde bisher eine herkömmliche Elektronenkanone verwendet, die aus einer Glühkathode und einer Beschleunigungselektrode besteht und somit Elektronen erzeugt, deren kinetische Energien in einem bestimmten Bereich Hegen. Dieser Bereich beträgt mindestens 250 meV. Um monoenergetische Elektronen zu erhalten, muß somit ein Monochromator verwendet werden. Diese Vorrichtung besteht beispielsweise aus zwei konzenirischen zylindrischen oder sphärischen Elektroden, und sie kann wie der oben beschriebene Elektroneneneigie-Analysator aufgebaut sein. Da ein Monochromator mit einem hohen Auflösungsvermögen sehr schlechte Übertragungseigenschaften hat, nimmt die Anzahl der vom Monochromator abgegebenen Elektronen mit kleiner werdender Bandbreite des Monochromator sehr rasch ab.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die Probe mit Elektronen bestrahlt wird, die sowohl eine große Intensität als auch eine möglichst hohe Energiegleichheit haben. Dies wird durch die

im Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Hlektronenquelle eine Quelle mono- oder dichromatischen Lichtes, beispielsweise ein Neonplasma, auf, deren Lichi auf ein Gas, vorzugsweise ein Edelgas, auftrifFt, um Photoelektronen mit einer begrenzten Anzahl diskreter kinetischer Energien zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Elektronenquelle ist in der Lage, Elektronen niedriger Energie zu erzeugen, die einen hohen Grad an Energiegleichheit aufweisen. Die Verwendung einer solchen Elektronenquelle ist niilürlich nicht auf ein Elektronenstrahl-Spektrorneter beschränkt. Monochromatische Elektronen könnten beispielsweise in einem Massenspektrometer verwende! werden, in dem durch Elektronenbeschuß gebildeie ionisierte Moleküle oder Partikeln untersucht werden. Monochromatische Elektnr en können beispielsweise auch bei Diffraktionsuntersuchungen an Kristallen verwendet werden.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielshalber näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein an sich bekanntes Elektronenstrahl-Spektrometer,

F i g. 2 eine Elektronenquelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Elektronenstrahl-Spektromcter, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.

Fig. 1 zeigt ein Elektronenst.-ahl-Spektrometer, wie es beispielsweise in J. Chem. Phys., 48, 5066 (1968) beschrieben ist. Das Spektrometer besteht aus einer Elektronenquelle, die eine Glühkathode 1 und eine Beschleunigungselektrode 2 aufweist. In der Elektronenquelle werden die Elektronen, die von der Glühkathode emittiert werden, von der Elektrode 2 auf eine Energie beschleunigt, die für die Analyse in einem Monochromator geeignet ist. Auf Grund der Tatsache, daü die Aniaiigueneigic üci von der Glühkathode emittierten Elektronen innerhalb eines ziemlich breiten Bandbereiches liegt, erhält man eine entsprechende Streuung der beschleunigten Elektronen. Um die monoenergetischen Elektronen zu erhalten, werden die Elektronen von der Elektronenquelle einem Monochromator zugeführt, der aus zwei zylindrischen oder sphärischen Elektroden 3, 4 besteht. Die Elektrode 3 ist negativ und die Elektrode 4 positiv bezüglich der Elektrode 2. Elektronen, die zum Monochromator wandern, werden somit in den Raum zwischen den Elektroden abgelenkt. Am Eingang und Ausgang des Monochromators ist jeweils eine öffnung 5 bzw. 6 angeordnet, was zur Folge hat, daß nur Elektronen innerhalb eines bestimmten Energiebereichs durch den Monochromator hindurchtreten. Der Monochromator kann derart ausgelegt werden, daß dieser Energiebereich so klein wie erforderlich ist. Wenn jedoch der Energiebereich im Monochromator abnimmt, nimmt der Übertragungswert ebenfalls ab, d. h., die Anzahl der Elektronen, die durch den Monochromator hindurchtreten, ist sehr klein. Die von dem Monochromator abgegebenen Elektronen werden mit Hilfe einer Elektrode 7 auf eine zweckmäßige Geschwindigkeit beschleunigt und einer Aufprallkamme. R zugeführt, in der sich die zu untersuchende Probe befindet. Die Elektronen verlieren dann einen Teil der Energie, wenn sie auf die Gasmoleküle in der Kammer auftreffen, und sie verlassen somit die Kammer mit verringerter Energie. Die Elektronen, die die Kammer verlas i, treten dann durch eine öffnung in eine Elektrode ^kA deren Potential die Geschwindigkeit der Elektronen festlegt. Die Elektronen werden einem Analysator zugeführt, der den gleichen Aufbau wie der Monochromator hat und aus zwei Elektroden 10, 11 besteht. Durch Ändern des Potentials der Elektroden des Analysator treten Elektronen unterschiedlicher kinetischer Energie durch die Elektroden hindurch. Der Ausgang des ίο Analysalors ist an einem Detektor 12, vorzugsweise einem Elektronenvervielfacher, angeschlossen, der mit einer öffnung 13 versehen ist. Der Ausgang des Elektronenvervielfachers ist mit einem Aufzeichnungsgerät 14, beispielsweise einem Kurvenschreiber, verbunden. Ein solcher Kurvenschreiber könnte somit eine Kurve liefern, die die Anzahl der Elektronen in Abhängigkeit von dem Energieverlust festlegt, und auf diese Weise kann d^; Probe in der Kammer 8 hinsichtlich Menge wie auch Zusammensetzung analysiert werden. Der Nachteil dieses Geräts besteht darin, daß das Auflösungsvermögen von der Energiestreuung der Elektronen, die der Probe zugeführt werden, begrenzt ist. Es wäre somit äußerst wünschenswert, eine Elektronenquelle zu schaffen, die Elektronen innerhalb eines sehr schmalen Energiebereichs liefert.

In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer ernndungsgemäßen Elektronenquelle dargestellt, die Elektronen innerhalb eines wesentlich schmaleren Energiespektrums als die oben beschriebene Elektronenquelle liefern kann. Die Elektronenquelle weist einen Be halter 15 auf, der beispielsweise Neon enthält. Das Neon wird über ein Druckminderventil 16 einem Mikrowellenraum 17 zugeführt, der an einem Mikrowellengenerator 18, beispielsweise einem Magnetron, angeschlossen ist. Das Magnetron erzeugt elektromagnetische Wellen einer Frequenz von beispielsweise 2,5 GHz. Das Neon wird dadurch erregt und Pr₇PUOt Photonen, deren Energie 17,85 und 16,67 eV beträgt. Die Energiegleichheit der erzeugten Strahlung ist dann außergewöhnlich groß. Der Mikrowellenraum 17 ist über ein Rohr 19 an einem Vakuumraum 20 angeschlossen, der seinerseits über ein Rohr 21 mit einem Behälter 22 in Form eines Messing-Zylinders verbunden ist. Das Neon wird aus dem Vakuumraum 20 abgesaugt, wogegen die Strahlung in den Messingzylinder gelangt. Das andere Ende des Messingzylinders ist über ein Reduzierventil 23 mit einem Gasbehälter 24 verbunden, der beispielsweise Argon enthält. Das an den Messingzylinder abgegebene Neonlicht erzeugt dann aus dem Argon Photoclektronen, die extrem genau definierte Energiepegel aufweisen. Auf diese Weise erhält man Photoelektronen, deren Energie 0,73 eV, 0,91 eV und 1,9OcV beträgt. Die Streuung innerhalb der entsprechenden Energiepegel beträgt etwa 2 meV, d. h. es liegt eine sehr große Energiegleichheit vor. Die Elektronen verlassen den Messingzylinder durch eine öffnung 25, die von einer Messingplatte 26 umgeben wird. Außerhalb der Messingplatte 26 ist eine weitere Messingplatte 27 angeordnet, an der eine Verzögerungsspannung angelegt wird. Von einer Spannungsquelle 28, deren positive Klemme an der Messingplatte 26 anliegt, wird eine Spannung abgegeben, die vorzugsweise etwas größer als 1 eV ist, so daß nur die Elektronen, deren Energie 1,9 eV beträgt, durch die Platte hindurchtreten. Die Energie dieser Elektronen wird son.it auf 0,09 eV verringert.

Bei Verwendung dieser Vorrichtung erhält man herrührt. Es ist somit notwendig, daß der Energiesomit extrem monoenergetische Elektronen. Es läßt verlust der durch die Kammer hindurchtretenden sich beispielsweise ohne Schwierigkeiten eine für Elektronen kleiner als 20 eV ist, da sonst die Elekcincn Spektrometer ausreichende Intensität erzielen, tronen nicht durch die Messingplatte 29 hindurchwobei die Elektronenenergien innerhalb eines Be- 5 gelangen. Die meisten Substanzen haben jedoch Erreiches bleiben, der kleiner als 5 meV ist. Um die regerenergien, die unter 15 eV liegen, und somit ist obenerwähnte Energiegleichförmigkeit zu erreichen, 20 V eine geeignete Spannung, da sie ein sehr hohes ist es jedoch äußerst wichtig, daß in dem Behälter 22 Auflösungsvermögen der verschiedenen Energiepegel keine Störfelder vorhanden sind. Es ist daher not- der Probe ergibt. Nachdem die Elektronen die öffwendig, daß auf der Innenseite des Behälters keine io nung 30 verlassen haben, gelangen sie zu einem Oberflächenladungen vorhanden sind. Bei Versuchen Analysator, der aus zwei sphärischen oder zylindriwurde festgestellt, daß diese Oberflächenladungen sehen Elektroden 10,11 besteht; der Analysator hat vermieden werden, wenn die Oberfläche mit einer im wesentlichen ■ den gleichen Aufbau wie der in dünnen Schicht aus kolloidalem Graphit überzogen F i g. 1 gezeigte Analysator. Die Elektronen, die den wird. Es ist ferner offensichtlich, daß der Monochro- 15 Analysator verlassen, treten durch eine öffnung 13 mator entsprechend dem in F i g. 1 gezeigten Mono- hindurch, die das gleiche Potential wie die öffnung 30 chromator ausgebildet werden könnte, jedoch mit besitzt, d. h., in dem Analysator erfolgt keine weitere einem geringeren Auflösungsvermögen (0,1 eV) und Beschleunigung. Die Elektronen gelangen dann zu somit besseren Übertragungseigenschaften. Ein ma- einem Anzeigegerät 12, das zweckmäßigerweise ein gnetischer Monochromator könnte möglicherweise ao Elektronenvervielfacher ist. Der Ausgang des Anebenfalls verwendet werden; ein solcher Monochro- zeigegerätes ist an einem Aufzeichnungsgerät 14, beimator würde jedoch vermutlich Störfelder im Messing- spielsweise einem Kurvenschreiber, angeschlossen, zylinder hervorrufen. Die Potentiale der Elektroden 10 und 11 sind vor-

In F i g. 3 ist ein Elektronenstrahl-Spektrometer zu^weise symmetrisch bezüglich des Potentials der

dargestellt, bei dem eine Elektronenquelle gemäß 25 öffnung 30, und außerdem können diese Potentiale

F i g. 2 verwendet wird. Das Spektrometer enthält den verändert werden, um in dem Kurvenschreiber 14 ein

Messingzylinder 22, die öffnung 25, die Messing- Spektrum von Elektronen unterschiedlicher Energie

platte 26 und die Verzögerungselektrode 11. Die zu erhalten. Zur Erzielung eines Spektrums ist es

Elektrode 27 wird geerdet, wogegen der Behälter 22 ebenfalls möglich, das Potential der Platte 29 zu ver-

und die öffnung 26 das Potential 1 V haben. Das 30 ändern. Der Potentialabfall zwischen der Platte 29

Spektrometer weist ferner eine Aufprallkammer 8 und den Elektroden 10,11 und 13 sollte dann kon-

auf, in der sich die zu analysierende Probe befindet. stant sein.

Die Aufprallkammer hat ein Potential von +300V. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, daC

Demgemäß haben die aus der Elektronenquelle aus- es nicht notwendig ist, die in dem Messingzylindei

tretenden Elektronen eine große Geschwindigkeit 35 erzeugten Elektronen durch einen Monochromator zt

innerhalb der Kammer, in der sie auf die Moleküle führen, ehe sie an die Kammer 8 abgegeben werden

der Probe auftreffen. Einige Elektronen verlieren Die Energieverluste der Elektronen können nämlicl

dann einen Teil ihrer Energie, entsprechen der Er- auch dann ermittelt werden, wenn sie ursprünglicl

regerenergie der Probe. Hinter der Kammer ist eine mehr als eine diskrete kinetische Energie besitzen

Messingplatte 29 mit einer Öffnung 30 angeordnet, 40 Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die obei

die ein Potential von f 20 V besitzt. Die kinetische beschriebene Vorrichtung auch als Photoelektronen

Energie der Elektronen, die durch die Öffnung 30 Spektrometer verwendet werden kann, indem dii hindurchtreten, beträgt somit 20 eV weniger dem Kammer 8 entfernt und die Probe in dem Messing

Energicvcrlust, der von der Erregung in der Kammer zylinder angeordnet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung, insbesondere für ein Elektronenstrahlspektrometer, zum Bestrahlen einer Probe mit Elektronen, die eine vorgegebene Anzahl diskreter kinetischer Energien aufweisen, mit einer Elektronenquelle und einer die Probe enthaltenden Kammer, der die Elektronen zügeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (F i g. 2) eine Lichtquelle (IS bis 18) zur Erzeugung einer vorgegebenen Anzahl diskreter Spektrallinien und einen ein Gas enthaltenden Behälter (22) aufweist, daß der Gasbehälter (22) mit dem Licht der Lichtquelle beschickbar ist, um durch Auftreffen des Lichts auf die Gasmoleküle Photoelektror.en zu erzeugen, ü<id daß der Gasbehälter mit einer für den Austritt der Photoelektronen geeigneten öffnung (25) versehen ist, vor der die die Probe enthaltende Kammer (8) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Gasbehälters (22) mit einer Schicht aus kolloidalem Graphit versehen ist, um die Bildung von felderzeugenden Oberflächenladungen zu verhindern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Neonplasma ist.

4. Vorrichtung nach eü.em der vorhergehenden Ansprüche, daduich gekennzeichnet, daß das Gas Argon ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Öffnung (25) und der die Probe enthaltenden Kammer (8) ein Energiediskriminator (27) angeordnet ist, der nur Elektronen einer bestimmten kinetischen Energie durchläßt.