DE2424848A1

DE2424848A1 - Roentgenstrahlenquelle fuer elektronenspektroskope

Info

Publication number: DE2424848A1
Application number: DE19742424848
Authority: DE
Inventors: Paul Edwin Larson
Original assignee: GCA Corp
Current assignee: GCA Corp
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1974-05-22
Publication date: 1974-12-19
Also published as: GB1448298A; US3870882A; JPS5042790A

Description

Patenten wftlta -^

Manchen i2, il^inädorfstr. Ii

65-22.656P(22.657H) ' 22. 5. 1974

GCA Corporation, Bedford (Mass.) V. St. A.

Röntgenstrahlenquelle für Elektronenspektroskope

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) und insbesondere auf eine im wesentlichen monochromatische Röntgenstrahlenquelle zum Bestrahlen von zu analysierenden Proben.

Die Erfindung ₍betrifft eine Röntgenstrahlenquelle für Elektronenspektroskope zum Bestrahlen einer Probe zur Erzeugung von Photoelektronen, deren Energieverteilung analysiert wird.

Die Analyse des Energiespektrums von Elektronen von einer be-

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65-(363 14l)-Me-r (8)

strahlten Probe hat sich als nützlich für chemische Analysen erwiesen. Im allgemeinen können brauchbare Elektronenspektren erhalten werden durch:

(1) Elektronenstoß, wobei die Probe mit Elektronen bestrahlt wird, so daß ein Absorptionsspektrum oder ein Sekundärelektronenspektrum erzeugt wird;

(2) Ultraviolettbestrahlung, die Elektronen aus der Valenzschale der Probe herausschlägt; und

(3) Röntgenstrahleninduzierte Photoelektronenspektroskopie, wobei die Bestrahlung das Aussenden von Elektronen von Innenschalen der Probenatome hervorruft. Die Erfindung bezieht sich auf die letztere Art der Elektronenspektroskopie.

Offensichtlich ist die Auflösung des Photoelektronen-Energiespektrums, das durch Röntgenbestrahlung erhalten wird, nicht nur durch die Eigenauflösung des Elektronenanalysators begrenzt, sondern auch durch die Monochromatizität der Quelle, die die Probe mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Bisher verwenden die meisten Röntgenstrahlenquellen für Elektronenspektroskopie herkömmliche Metall-Targets mit anschließendem Filter zum Vermindern der Hintergrundstrahlung und zum Auswählen der hauptsächlich interessierenden charakteristischen Röntgenlinie.

Zum Erhalten größerer Monochromatizität von Röntgenstrahlen zur Bestrahlung von Proben wurden bereits Bauformen verwendet, bei denen ein Röntgenstrahlen-Monochromator zwischen der Röntgenstrahl-

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lenquelle und der Probe angeordnet ist. Solche Monochromatoren können z. B. Kristallgitterbeugung verwenden, um Röntgenstrahlen verschiedener Energien räumlich zu trennen. Die Verwendung eines Monochromators hat jedoch notwendigerweise einen wesentlichen Verlust der Quellenintensität zur Folge, so daß die Empfindlichkeit des Systems entsprechend darunter leidet, selbst wenn wesentlich höhere Ausgangsleistungen verwendet werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Röntgenstrahlenquelle mit geringen Verlusten bei der Erzeugung monochromatischer Röntgenstrahlen . zu entwickeln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Targetkammer,

eine Einrichtung zum Versorgen der Targetkammer mit einem Targetgas unter vorgegebenem erheblichejaft Druck,

einen Elektronenstrahlerzeuger in einer von der Targetkammer getrennten Kammer zum Richten eines dünnen Elektronenstrahls durch eine enge Blende zwischen den Kammern in die Targetkammer auf einem Energieniveau, das über dem zum Abgeben von Elektronen aus einer Nicht-Valenzschale der Targetgasatome nötigen liegt,

eine Pumpe zum Evakuieren der Elektronenstrahlerzeugerkammer zum Halten eines Vakuums in Gegenwart eines Gasstroms durch die Blende und

ein Röntgenstrahlen-Fenster in der Targetkammer zum Bestrahlen der Probe am Eintrittsende des Elektronenspektroskops mittels der vom Gas emittierten Röntgenstrahlen.

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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine wesentlich verbesserte Auflösung erreichbar durch Verwenden eines Targets in Gasphase in der Röntgenstrahlenquelle. In der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenquelle wird ein Gas durch einen Elektronenstrahl auf ein ausreichendes Energieniveau angeregt zur Abgabe von Elektronen von einer Innenschale des Targetgasatoms. Vorzugsweise ist das Target-

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gas Neon unter einem Druck von 10 bis 10 atm, wobei der Elektronenstrahl ausreichende Energie aufweist, um die KoC-Emissionslinie anzuregen.

Um Elektronen mit ausreichend hohem Energieniveau und damit das gewünschte Ergebnis zu erhalten, sieht die Erfindung weiterhin einen in einer von der Targetgaskammer getrennten Kammer angeordneten Elektronenstrahlerzeuger vor, wobei die Elektronen durch eine kleine oder enge Öffnung oder Blende zwischen dem Strahlerzeuger und der Targetkammer stark fokussiert werden, und wobei ein ausreichendes Ausgleichs-Pumpen vorgesehen wird, um ein Vakuum um den Elektronenstrahlerzeuger zu halten, z. B. in der Größenordnung

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von 10 Torr.

Unter den verschiedenen Vorteilen der Erfindung sind bemerkenswert, daß ein Elektronenspektroskop oder -meter mit verbesserter Auflösung vorgesehen ist, daß bei einem solchen Spektroskop eine Röntgenstrahlenquelle mit im wesentlichen monochromatischer Eigenschaft verwendet wird, und daß ein hoch zuverlässiges und ein relativ einfaches und billiges Spektroskop vorgesehen ist.

Mit anderen Worten ist die Röntgenstrahlenquelle der Erfindung vorgesehen zum Bestrahlen einer Probe in einem Elektronenspektro-

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skop, das die Energieverteilung von Photoelektronen analysiert, die von der Probe aufgrund der Bestrahlung abgegeben werden. Die Quelle enthält eine Targetkammer zur Aufnahme eines Gases unter bestimmtem beträchtlichem Druck und in einer von der Targetkammer getrennten Kammer einen Elektronenstrahlerzeuger, der einen dünnen Elektronenstrahl in die Targetkammer richtet, wobei die Strahlungsenergie über der liegt, die zum Aussenden von Elektronen von einer Innenschale der Targetgasatome nötig ist. Der Elektronenstrahl tritt durch eine relativ kleine Öffnung oder enge Blende zwischen den Kammern hindurch, und die Elektronenstrahlerzeugerkammer wird evakuiert, um ein Vakuum zu halten, in dem die Elektronen auf die benötigte Energie beschleunigt werden können. Von dem Targetgas abgegebene Röntgenstrahlen treten durch ein Fenster in der Targetkammer und bestrahlen eine Probe am Eingangsende des Elektronenspektroskops.

Die Erfindung gibt also an eine Röntgenstrahlenquelle, die im wesentlichen monochromatische Röntgenstrahlen vorsieht, zum Bestrahlen einer Probe bei Elektronenspektroskopen. Die Röntgenstrahlen werden durch den Aufprall eines hochenergetischen Elektronenstrahls auf ein Gas unter beträchtlichem Druck erzeugt, wobei abgepumpt oder evakuiert wird zum Halten eines Vakuums in der Elektronenstrahl-Quelle in Gegenwart von entweichendem Targetgas.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 schematisch ein die erfindungsgemäße Röntg enstrahlquelle verwendendes ESCA-Gerät;

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Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht mit Einzelheiten des Aufbaus der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenquelle.

In Fig. 1 ist ein Elektronenenergie-Spektroskopie-Analysator von im wesentlichen herkömmlichem Aufbau dargestellt. Das gesamte Gerät kann z. B. ein Photoelektronenspektroskop oder -meter des Typs ESCA 360 der Firma McPherson Instrument Corporation, Acton, Massachusetts, USA, sein (vgl. z. B. J. F. Rendina, Electron Spectroscopy For Chemical Analysis, American Laboratory, Februar 1972). Ein Paar konzentrischer sphärischer Elektroden 11 und 13 bildet einen doppeltfokussierenden Elektronenenergie-Analysator. Durch Anlegen von entgegengesetzt gepolten Potentialen an die Elektroden 11 und 13 können Elektronen, die in den Raum zwischen den Krümmungen durch einen Eintrittsspalt 15 eintreten auf einen Austritts spalt 17 fokussiert werden, vorausgesetzt, daß die Energien der Elektronen den angelegten Potentialen entsprechen. Ein Aufnehmer oder Fühler 19 mißt den Elektronenstrom am Austritts spalt 17. Durch Versorgen der Elektroden 11, 13 mittels einer geeigneten Abtaststromversorgung 21 wird ein Energiespektrum erhalten, das die Verteilung der Elektronenenergien wiedergibt. Das vom Fühler 19 erhaltene Ausgangssignal wird in herkömmlicher Weise angezeigt und aufgezeichnet, z. B. mittels einer Datenausgabe 29, als Funktion der Elektronenenergie, wobei das Abtasten und Aufzeichnen mittels einer geeigneten Steuereinheit 31 in gegenseitige Beziehung gebracht sind.

Für chemische Analysen sind die Elektronen, die durch den Eintrittsspalt 15 in den Analysator eingebracht werden, solche, die von einer Probe 25 erhalten werden, die bestrahlt wird, um das Elektronenspektrum zu erzeugen. Gemäß der Erfindung werden die Photoelek-

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tronen erhalten durch Bestrahlen der Probe 25 mit von einer erfindungsgemäßen Quelle 27 erhaltenen Röntgenstrahlen. Die Probenkammer wird in herkömmlicher Weise evakuiert, um ein relativ hohes

_7 Vakuum zu halten, z. B. in der Größenordnung von 10 Torr.

Gemäß Fig. 2 enthält die Röntgenstrahlenquelle 27 ein relativ massives Metallgehäuse 35, das eine im wesentlichen zylindrische Targetkammer 37 enthält. Zur zylindrischen Targetkammer 37 ausgerichtet ist ein in einer eigenen Kammer 40 angeordneter hochenergetischer Elektronenstrahlerzeuger 39 angeordnet. Die Erzeuger kammer 40 ist mit einem Anschluß 42 versehen, durch den die Erzeugerkammer 40 evakuiert wird, um das notwendige Vakuum um den Erzeuger 39 zu halten. Der Elektronenstrahlerzeuger 39 kann z. B. von der für das Elektronenschweißen üblichen Art sein, d. h. einen relativ stark fokussierten Elektronenstrahl von bis zu 50 mA mit Energien bis zu 20 kV erzeugen. Eine Leuchtfleckgröße von 0,508 mm (0,020") ist dabei üblich.

Der vom Erzeuger 39 erzeugte Elektronenstrahl wird in die Targetkammer 37 durch eine Ausgleichs-Pumpkammer 41 gerichtet, wobei der Strahl durch kleine Blenden 43, 45 (enge Öffnungen) in Wänden 47, 49 zwischen den verschiedenen Kammern hindurchtritt. Vorzugsweise sind beide Wände 47, 49, wie dargestellt, als dünne Membranen ausgeführt. Bei einem derartigen Aufbau können die Blenden 43, 45 von dem Elektronenstrahlerzeuger 39 selbst geschnitten werden, wodurch eine Eigenausrichtung erreicht wird. Die obere Endwand der Targetkammer 37. bildet vorzugsweise, wie dargestellt, eine Elektronenfalle und Wärmesenke mit geeigneten Kühlwasseranschlüssen 51 und 53 und einem Flansch 55, mittels dem die gesamte Targetanordnung befestigt werden kann.

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Ein Einlaß 57 ist in der Targetkammer 37 vorgesehen. Durch

den Einlaß 57 wird ein geeignetes Targetgas unter einem Druck von

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etwa 10 bis 10 atm zugeführt, d. h. unter einem sehr beträchtlichen Druck im Vergleich zum Vakuum, das normalerweise in fast allen Teilen des Elektronenspektroskops vorgesehen ist. Aus noch zu erläuternden Gründen ist ein bevorzugtes Targetgas Neon, wobei die Anregung des Neons durch den Elektronenstrahl auf ein Energieniveau erfolgt, um den K«C -Übergang des Neonatoms anzuregen. Verständlicherweise ruft dieser Übergang das Herausschlagen oder die Entfernung von Elektronen aus der Innenschale des Gasatoms hervor.

Da der Druck in der Targetkammer 37 wesentlich höher ist als der in der Erzeugerkammer 40 gehaltene, wird kontinuierlich etwas von dem Targetgas aus der Targetkammer 37 durch die Blende 43 lekken. Während die Umgebung des Elektronenstrahlerzeugers 39, wie zuvor beschrieben, kontinuierlich evakuiert wird, wird vorzugsweise auch die Ausgleichs-Pumpkammer 41 unabhängig davon, d. h. durch einen geeigneten Anschluß 61, evakuiert, um das Entweichen von Targetgas in die Probenkammer herabzusetzen und um Zusammenstöße zwischen dem Elektronenstrahl und dem Targetgas herabzusetzen, außer denen, die innerhalb der Targetkammer 37 selbst erfolgen. Ein Abpumpen oder Evakuieren auf etwa 10 Torr ist ausreichend. Selbstverständlich muß der Elektronenstrahlerzeuger 39 9n einer im wesentlichen evakuierten Umgebung arbeiten, z. B. bei 10 Torr, um Elektronen auf das gewünschte Energieniveau zu beschleunigen, d. h. auf bis zu 20 kV. Ein beträchtlicher Gasdruck um den Elektronenstrahlerzeuger 39 würde es unmöglich machen, solche Energien zu erhalten, da dazwischenliegende Zusammenstöße Energie absorbieren, Lichtbogen erzeugen und einen sauberen Betrieb des Strahlerzeugers

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verhindern würden, weshalb die Erzeugerkammer 40 getrennt von der Ausgleichs-Pumpkammer 41 evakuiert wird. In manchen Fällen kann der Elektronenstrahlerzeuger 39 in der Probenkammer angeordnet werden, wo ein Hochvakuum gehalten wird.

Aus dem vorhergehenden ist ersichtlich, daß durch diesen Aufbau ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf ein geeignetes Targetgas aufprallen kann, während das Gas unter relativ hohem Druck gehalten ist. Da die Elektronen, die den durch den Strahlerzeuger 39 erzeugten Strahlen bilden, ausreichende Energie besitzen, um den KoC-Übergang des bevorzugten Targetgases, nämlich Neon, anzuregen, werden Röntgenstrahlen durch das Auftreffen des Elektronenstrahls auf das Targetgas abgegeben. Weiterhin werden, da das Aufprallen hauptsächlich in der Targetkammer 37 vor sich geht, wo das Gas unter im Vergleich zur Probenkammer beträchtlichem Druck ist, die meisten Röntgenstrahlen in der Kammer 37 erzeugt. Ein dünnes Fenster 63 aus einem Werkstoff wie z.B. Aluminium oder Beryllium läßt die Röntgenstrahlen aus der Kammer 37 austreten und die Probe 25 bestrahlen, die neben der Targetkammer 37 angeordnet ist. Selbstverständlich wird das Fenster 63 so gewählt, daß Sekundär linien und Hintergrundstrahlungen absorbiert werden, die vorhanden sein könnten, obwohl mit dem gasförmigen Neontarget diese Anteile im Vergleich zu herkömmlichen Metalltargets vermindert sind. Wie bereits erläutert, gibt die Probe Photoelektronen aufgrund der Röntgenbestrahlung ab, wobei das Energiespektrum der Photoelektronen-Emission, wie in Fig. 1 dargestellt, analysiert wird.

Im Vergleich zum herkömmlichen metallischen Röntgenstrahl-Target erzeugt das Gastarget gemäß der Erfindung Röntgenstrahlen

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relativ hoher Monochromatizität. Die verbesserte Monochromatizität der Röntgenstrahlen-Energie, die zur Bestrahlung der Probe 25 verwendet wird, ermöglicht wesentlich bessere Auflösung bei der Photoelektronenenergie-Spektralanalyse, die anschließend durchgeführt wird, weshalb eine größere Genauigkeit bei der chemischen Analyse erzielt werden kann durch Verwenden des gesamten Systems gemäß der Erfindung .

Obwohl die KcC-Linie des Neons hier die bevorzugte Emission der Quelle ist, können selbstverständlich auch andere Gase und andere Übergänge bei der Durchführung der Erfindung verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

( Ij Röntgenstrahlenquelle für Elektronenspektroskope zum Bestrahlen einer Probe zur Erzeugung von Photoelektronen, deren Energieverteilung analysiert wird,

gekennzeichnet durch .
eine Targetkammer (37),

eine Einrichtung zum Versorgen der Targetkammer (37) mit einem Targetgas unter vorgegebenem erheblichem Druck,

einen Elektronenstrahlerzeuger (39) in einer von der Targetkammer (37) getrennten Kammer (40) zum Richten eines dünnen Elektronenstrahls durch eine enge Blende (43, 45) zwischen den Kammern (37, 40) in die Targetkammer (37) auf einem Energieniveau, das über dem zum Abgeben von Elektronen aus einer Nicht-Valenzschale der Targetgasatome nötigen liegt,

eine Pumpe zum Evakuieren der Elektronenstrahlerzeugerkammer (40) zum Halten eines Vakuums in Gegenwart eines Gasstroms durch die Blende (43, 45) und

ein Röntgenstrahlen-Fenster (63) in der Targetkammer (37) zum Bestrahlen der Probe (25) am Eintrittsende des Elektronenspektroskops mittels der vom Gas emittierten Röntgenstrahlen.
2. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetgas Neon ist.

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3. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Elektronenstrahls bei 20 kV liegt.
4. Röntgenstrahlenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausgleichs-Pumpkammer (41) zwischen der Targetkammer (37) und dem Elektronenstrahlerzeuger (39) zum Herabsetzen des Entweichens von Elektrodengas in die Erzeugerkammer (40).
5. Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das Energieniveau des Elektronenstrahls über dem zum Emittieren der K.t-Emissionslinie des Neons nötigen liegt,

daß enge Blenden (43, 45) an jedem Ende einer Ausgleichs-Pumpkammer (41) vorgesehen ist,

daß die Ausgleichs-Pumpkammer (41) auf einem Vakuum von etwa 10 Torr gehalten ist, und

daß die Elektronenstrahler ze ugerkammer (40) auf einem Vakuum von

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etwa 10 Torr gehalten ist.
6. Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zugeführte Neongas unter einem Druck

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von etwa 10 bis 10 atm steht.
7. Röntgenstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine wassergekühlte Elektronenfalle an einem Ende der Targetkammer (37).

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8. Röntg enstrahlenquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichs-Pumpkammer (41) an jedem Ende ein membranartiges Glied (47, 49) mit jeweils einer der kleinen Blenden (43, 45) enthält, die von dem Elektronenstrahlerzeuger (39) gebildet sind.
9. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (63) aus Aluminium besteht.
10. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (63) aus Beryllium besteht.

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