DE2241613C3 - Elektronenanalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenanalysator mit einer ersten und zweiten elektrisch leitenden Röhre, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die innere Röhre auf ihrem Umfang in der Nähe der beiden Enden öffnungen für den Durchgang der zu analysierenden Elektronen aufweist, mit Abstandselementen zwischen den Röhren in der Nähe beider Röhrenenden, mit einer Bestrahlungsquelle, die an einem ersten Ende der beiden Röhren außerhalb derselben angeordnet ist und die zur Erzeugung einer Sekundärelektronenemission an einer zu analysierende Probe eine Hochenergie-Strahlung zum Bestrahlen der Probe aussendet, die in der Nähe der einen öffnung, die durch das erste Ende der inneren

ίο Röhre festgelegt ist, so angeordnet ist, daß die Normale der zu bestrahlenden Probenoberfläche gegen die Röhrenachse geneigt ist, und mit Nachweismitteln am entgegengesetzten Ende der inneren Röhre zum Nachweis der zu analysierenden Elektronen.

Derartige Elektronenanalysatoren sind grundsätzlich bekannt (Applied Physics Letters, Vol. 15, Nr. 8 [1969], Seiten 254 und 255). Die bei diesen Analysatoren zwischen den Röhren in der Nähe der Röhrenenden angeordneten Abstandselemente dienen zum Verrin-

gern der elektrischen Randfelder. Auf das Problem des gestörten Feldverlaufes bei derartigen Elektronenanalysatoren ist im Handbuch der Physik, Band 45 (1958), Seiten 178—180, hingewiesen, und es werden entsprechende Lösungsvorschläge in Form der vorstehend erwähnten Abstandselemente bzw. Begrenzungsscheiben unterbreitet, die den gewünschten Feldverlauf erzwingen.

Es ist des weiteren bereits aus der US-PS 29 45 124 eine Anordnung bekannt, gemäß der ein leitfähiger Belag auf einer Unterlage aus isolierendem Material zur Erzeugung eines bestimmten Feldverlaufes dient. Dabei wird ausgeführt, daß die Homogenität des leitfähigen Belages für manche Anwendungszwecke, wie beispielsweise Spektrometer, nicht ausreicht. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, Leiter mit geringer Breite, die in elektrischem Kontakt, mit dem leitfähigen Belag hohen elektrischen Widerstandes stehen, anzuordnen. Die Anwendung der aus der US-PS 29 45 124 bekannten Lehre auf einen eingangs beschriebenen Elektronenanalysator führt somit zu einer Verbesserung desselben bezüglich der Verringerung bzw. des Vermeidens von elektrischen Randfeldern. Darüber hinaus können jedoch diesen Veröffentlichungen keinerlei Hinweise auf eine optimale konstruktive Ausgestaltung der Abstandselemente in bezug auf einen möglichst wirkungsvollen Einsatz der äußeren Bestrahlungsquelle entnommen werden. So ist es beispielsweise erwünscht, die Bestrahlungsquelle möglichst nahe an der zu analysierenden Probe anzuordnen und auch die zu analysierende Probe selbst möglichst nahe an eine öffnung der inneren Röhre heranzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenanalysator der bekannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei gleichzeitiger möglichst vollständiger Vermeidung von Randfeldern an den Röhrenenden die Bestrahlungsquelle möglichst nahe an die zu analysierende Probe, die wiederum möglichst nahe der einen öffnung der inneren Röhre angeordnet ist, herangeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem eingangs erwähnten Elektronenanalysator dadurch gelöst, daß die zur Erzeugung des gewünschten Feldverlaufes am Ende der koaxialen Röhren angeordneten Abstandselemente, die in an sich bekannter Weise so aufgebaut sind, daß sie aus einem Teil aus isolierendem Material bestehen, dessen dem Röhreninnenraum zugewandte Fläche mit einem elektrisch leitenden Material hohen elektrischen Widerstandes beschichtet ist, das an den inneren und äußeren

Rändern mit der inneren und äußeren Röhre im Kontakt steht, wobei eine Anzahl ringförmiger Leiter geringer Dicke auf der dem Röhreninnenraum zugewandten Fläche angeordnet ist, die in elektrischem Kontakt mit der Schicht aus dem Material mit hohem elektrischen Widerstand stehen und konzentrisch um die Achse der Abstandselemente angeordnet sind, die Form eines hohlen Kegelstumpfes, dessen breiteres Ende in Richtung auf das Röhreninnere weist, besitzen und daß die äußere Form der Bestrahlungsquelle auf ihrer dem Kegelstumpf zugewandten Seite dem Kegelmantel angepaßt ist

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Abstandselemente aus Tonerde. Die ringförmigen Leiter sollten vorzugsweise aus Metall bestehen, wobei sich die Ausbildung dieser Leiter in der Form einer Zerstäubungs-Auflage von Goid und Chrom als besonders geeignet erwiesen hat

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht auf dem Material mit hohem elektrischen Widerstand ein Cermet, das vorzugsweise eine Zerstäubungs-Auflage von Tonerde und Nickel ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Querschnitts-Ansieht, die einen Teil der Zylinder-Röhren des Analysators enthält.

In der Figur ist in schematischer Querschnitts-Darstellung ein Elektronenanalysator mit konzentrischen Zylindern dargestellt.

Der Analysator besteht aus einem äußeren Zylinder 34 und einem inneren Zylinder 33, die zueinander konzentrisch sind. Diese Röhren 33 und 34 werden zueinander durch elektrisch isolierende Abstiandselemente 32 an jedem Ende der Röhre in einem bestimmten räumlichen Abstand gehalten. In der Figur ist nur dasjenige Ende der Röhren 33 und 34 gezeigt, an dem die zu analysierende Probe 20 und die Bestrahlungsquelle 35 angeordnet sind, nicht dagegen das entgegengesetzte Ende mit den Nachweismitteln für die zu analysierenden Elektronen. Die Röhren 33 und 34 werden vorzugsweise aus einem leitenden Material, wie etwa Edelstahl, hergestellt, während die Abstandselemente 32 aus Tonerde oder anderen Keramiken bestehen können. An voneinander getrennten Stellen sind entlang der Röhre 33 die öffnungen 15 angebracht, die sich im wesentlichen um die ganze Periphery der Röhre 33 erstrecken. Enge Streifen werden belassen, um den inneren Teil der Röhre zu haltern Über den öffnungen 15 ist ein Drahtraster von etwa 100 Linien pro 2,5 cm angebracht, die der elektrischen Abschirmung dienen, den Elektronen jedoch ermöglichen, durch sie hindurch zu treten, da dieses Raster etwa 80 Prozent Durchlässigkeit aufweist.

Die Bestrahlungsquelle 35 ist außerhalb der Röhren in der sogenannten Anbringung mit streifendem Einfall bezüglich der zu analysierenden Probe angeordnet. Die zu analysierende Probe 20 ist durch nicht dargestellte Mittel in der Nähe der öffnung der Röhre 33 angebracht

Wenn die Probe 20 mit Hochenergie-Strahlung bombardiert wird, werden. Sekundär-Elektronen aus dem Probe-Material emittiert. Einige dieser emittierten Elektronen sind als Auger-Elektronen bekannt. Einige dieser Elektronen laufen durch den Raum zwischen den Zylindern 33 und 34. Die innere Röhre 33 liegt auf Erd-Potential, während die Röhre 34 auf einem erhöhten negativen Wert von etwa 100 Voll: gehalten wird. Die Elektronen, die durch die öffnung 15 hindurchtreten, werden durch die Elektrodenanordnung abgelenkt und treffen in Abhängigkeit ihrer Energie auf eine Ausgangs-Apertur, die an der Stelle der kleinsten Bahnbreite der Elektronen angeordnet ist, für die man sich interessiert. Nachdem die analysierten Elektronen durch den Analysator hindurchgetreten sind, werden sie daraufhin durch einige Mittel, etwa durch einen Elektronenmultiplizierer, detektiert, und das davon herrührende Signal wird in bekannter Weise weiter verarbeitet

Wird die Spannung, die zwischen die Röhren 33 und 34 angelegt ist, verändert, so kann durch Spannungs-Abtastung das ganze Spektrum der Elektronen, die die Quelle 20 emittiert, analysiert werden. Durch Oberlagerung einer zeitabhängigen Spannung über die Haupt-Spannung kann man das Signal differenzieren, um mit einem größeren Genauigkeitsgrad die Auger-Elektronen von anderen konstanten Quellen-Elektronen, die aufgefangen werden, zu unterscheiden. Derartige Techniken sind bereits bekannt

Der Feld-Gradient zwischen Zylinder 33 und Zylinder 34 ist im mittleren Teil längs der Röhren randfeldfrei, der Feld-Gradient neigt jedoch dazu, in der Nähe der Enden infolge der Abschlüsse der Röhren 33 und 34 Randfelder zu bilden. Um die Neigung zur Randfeldbildung zu verringern, wird eine Cermet-Schicht mit hohem Widerstand auf die innere Oberfläche der Abstandselemente 32 aus Keramik aufgebracht. Die Natur des Cermet-Materials sowie anderer Widerstands-Materialien, die benutzt werden können, ist derart, daß vollständige Gleichförmigkeit des Widerstandes über die Oberfläche des Abstandsteils hinweg schwer zu erreichen ist. Wenn auf den Abstandselementen 32 Wege mit niederem Widerstand vorhanden wären, wäre ein gewisser Grad eines Randfeld-Auftretens unvermeidlich.

Es wurde nun festgestellt, daß der Effekt, der auf die Ungleichförmigkeit der Widerstandsschicht auf den Oberflächen der Keramik-Abstandsteile 32 zurückgeht, wesentlich verringert werden kann. Das Abstandselement kann aus einem von vielen isolierenden Materialien hergestellt sein. Da das Element unter Hochvakuum-Bedingungen benutzt wird, wo oft thermische Mittel zum Ausgasen des ganzen Systems verwendet werden, ist es wünschenswert, daß das Abstandselement 32 gute Temperatur-Stabilität und hinsichtlich der Gasaufnahme eine niedere Qualität aufweist. Es wurde herausgefunden, daß es von Vorteil ist, ein Keramikmaterial, etwa Tonerde oder Quarz in Form von Siliciumdioxid für die Abstandsteile zu verwenden. Typische Abmessungen für die Röhren, aus denen der Analysator besteht, sind etwa 2,5 cm Innendurchmesser für den inneren Zylinder und etwa 6,25 cm Innendurchmesser für den äußeren Zylinder.

Als Äqui-Potential-Stelien weist die Anordnung eine Anzahl konzentrischer Ringe geringer Dicke und Breite auf, die in gleichmäßigem Abstand über die Oberfläche des Abstandteils angebracht sind. Diese Ringe sind jeweils mit 26' bis 30' numeriert. Die Ringe haben vorzugsweise eine Breite von 0,125 mm, obwohl breitere oder engere Ringe auch verwendet werden können.

Die Anzahl der Ringe kann ebenfalls variieren. Während eine Vielzahl von Materialien für die Bildung der Ringe benutzt werden können, wurde herausgefunden, daß ein Gold-Chrom-Ring infolge seiner Verträglichkeit mit anderen Materialien besonders geeignet ist.

Das Hauptkriterium, das dabei beachtet werden muß, ist, daß die Ringe eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu dem Widerstandsmaterial aufweisen sollten, wie weiter unten noch beschrieben werden wird. Die Ringe sollten weiterhin aus einem Material bestehen, das bei Benutzung im wesentlichen stabil bleibt, so daß es nicht mit dem Material mit hohem Widerstand oder mit den Ring-Eigenschaften reagiert.

Die Ringe 26' bis 30' können in verschiedener Weise hergestellt werden. Vorzugsweise wird Goldchrom über die innere Oberfläche der Keramikplatte im Vakuum aufgedampft, und dann werden durch photolithographische Maskierung und Ätzung die endgültigen Ringe erzeugt. Die Dicke des aufgebrachten Materials ist nicht kritisch, sollte jedoch dick genug sein, um einen relativ niedrigen Widerstand im Vergleich zu dem Material mit hohem Widerstand zu erhalten.

Über die Oberfläche der Ringe 26' bis 30' wird danach ein Material mit hohem Widerstand derart aufgebracht, daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem Material und jedem der Ringe erzeugt wird. Als Widerstands-Material ist ein Cermet vorzuziehen, obwohl dies nicht unbedingt nötig ist. Es wurde herausgefunden, daß die thermische Stabilität eines Cermet, soweit es den Widerstand betrifft, für die Erfindung vorteilhaft ist. Ein geeignetes Cermet liegt dann vor, wenn es durch Vakuum-Aufdampfung aus Tonerde und Nickelmetall gebildet ist, um eine dünne Schicht darzustellen, die den gewünschten Widerstand aufweist. Ein Widerstand von etwa 30 Megaohm vom Mittelpunkt bis an die äußere Ecke der Platte ist vorzuziehen, obwohl Widerstände von 10 bis 100 Megaohm auch geeignet sind.

Alternativ dazu kann man auch das Cermet-Wider-

standsmaterial zuerst auftragen und danach die Ringe 26' bis 30' auf die äußere Oberfläche des Cermet aufbringen. Es ist jedoch vorzuziehen, die Ringglieder unter der Cermetschicht anzubringen.

Es sei bemerkt, daß die Ringe 26' und 30' in elektrischem Kontakt mit dem entsprechenden Röhren 33 und 34 stehen.

ίο Infolge der Ringe 26' bis 30' ist eine Anzahl äquipotentialer Gebiete auf der Oberfläche des Keramik-Abstandteils vorhanden. Treten jetzt örtliche Widerstands-Änderungen der Schicht 31 auf, so sind sie nicht kumulativ, da die einzelnen Ringe einen ausgleichenden Effekt auf die Widerstands-Wege bewirken. Bei jedem Ring wird das Potential um die gesamte Peripherie der Scheibe herum bei diesem Radius dasselbe sein.

Das Abstandselement 32 hat eine Hohl-Kegelstumpf-Form. Das Element 32 ist vorteilhafterweise aus Tonerde, wie dies auch bei der vorherigen Beschreibung der Fall ist. Es ist ersichtlich, daß die innere zylindrische Röhre 33 hinter dem äußersten Ende der Röhre 34 endet.

Wenn man beispielsweise die Probe 20 mit Röntgenstrahlen bestrahlen will, deren Quelle 35 außerhalb der beiden Röhren 33, 34 angeordnet ist, so erlaubt die Form des Abstandsstückes 32 aufgrund des Hohlkegelstumpfes, daß die Röntgenquelle 35 hinsichtlich der zv analysierenden Probe sehr nahe angebracht werder kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronenanalysator mit einer ernten und zweiten elektrisch leitenden Röhre, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die innere Röhre auf ihrem Umfang in der Nähe der beiden Enden öffnungen für den Durchgang der zu analysierenden Elektronen aufweist, mit Abstandselementen zwischen den Röhren in der Nähe beider Röhrenenden, mit einer Bestrahlungsquelle, die an einem ersten Ende der beiden Röhren außerhalb derselben angeordnet ist und die zur Erzeugung einer Sek.undärelektronenemission an einer zu analysierenden Probe eine Hochenergie-Strahlung zum Bestrahlen der Probe aussendet, die in der Nähe der einen öffnung, die durch das erste Ende der inneren Röhren festgelegt ist, so angeordnet ist, daß die Normale der zu bestrahlenden Probenoberfläche gegen die Röhrenachse geneigt ist, und mit Nachweismitteln am entgegengesetzten Ende der inneren Röhre zum Nachweis der zu analysierenden Elektronen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des gewünschten Feldverlaufes am Ende der koaxialen Röhren (33, 34) angeordneten Abstandselemente, die in an sich bekannter Weise so aufgebaut sind, daß sie aus einem Teil (32) aus isolierendem Material bestehen, dessen dem Röhreninnenraum zugewandte Fläche mit einem elektrisch leitenden Material (31) hohen elektrischen Widerstandes beschichtet ist, das an den inneren und äußeren Rändern mit der inneren (33) und äußeren (34) Röhre in Kontakt steht, wobei eine Anzahl ringförmiger Leiter (26', 28', 27', 29', 30') geringer Dicke auf der dem Röhreninnenraum zugewandten Fläche angeordnet ist, die in elektrischen Kontakt mit der Schicht (31) aus dem Material mit hohem elektrischen Widerstand stehen und konzentrisch um die Achse der Abstandselemente angeordnet sind, die Form eines hohlen Kegelstumpfes, dessen breiteres Ende in Richtung auf das Röhreninnere weist, besitzen und daß die äußere Form der Bestrahlungsquelle (35) auf ihrer dem Kegelstumpf zugewandten Seite dem Kegelmantel angepaßt ist.

2. Elektronenanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente aus Tonerde bestehen.

3. Elektronenanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Leiter (26', 27', 28', 29', 30') aus Metall bestehen.

4. Elektronenanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Leiter eine Zerstäubungs-Auflage von Gold und Chrom sind.

5. Elektronenanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (31) aus dem Material mit hohem elektrischen Widerstand ein Cermet ist.

6. Elektronenanalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Cermet eine Zerstäubungs-Auflage von Tonerde und Nickel ist.