DE2752547B2

DE2752547B2 - Teilchenoptisches Spektrometer mit zwei zu einer Teilchenquelle konkaven Netzelektroden und einer durchbrochenen dritten Elektrode

Info

Publication number: DE2752547B2
Application number: DE19772752547
Authority: DE
Inventors: Philippe Dr. 8046 Garching Staib
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2752547C3; DE2752547A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein teilchenoptisches Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Spektrometer ist aus der DE-OS 21 03 306 und der Veröffentlichung »Journal of Physics E: w Scientific Instruments«, 1972, Band 5, Nr. 5, Seiten 484 bis 487 bekannt. Die ersten beiden, zur Teilchenquelle konkaven Gitterelektroden, die die Form konzentrischer Kugelkalotten haben, in deren Mittelpunkt die Teilchenquelle liegt, dienen zur Erzeugung eines τ> Abbremsfeldes, das nur von Teilchen einer bestimmten Mindestenergie überwunden werden kann und daher als Energie-Hochpaßfilter wirkt. Die dritte Elektrode und eine in nahem Abstand von dieser angeordnete vierte Elektrode haben bei dem bekannten elektronenopti- «) sehen Spektrometer ebenfalls die Form von kugelkalottenförmigen, konzentrischen Gittern in oder bei deren Mittelpunkt die Teilchennachwciseinrichtung, z. B. ein Sekundärelektronenvervielfacher angeordnet ist. Der Raum zwischen den beiden Gittersätzen ist von einem M zylindrischen Reflexionsgitier umschlossen, das auf einem etwas höheren, die Teilchen reflektierenden Potential liegt als die einander benachbarten Gittcrelektroden des ersten und zweiten Satzes. An die Gitterelektroden des zweiten Satzes werden Potentiale angelegt, die zwischen diesen Elektroden ein die Teilchen beschleunigendes Feld erzeugen. Dieses Feld fokussiert die es erreichenden Teilchen mit den niedrigsten kinetischen Energien, z. B. Energien bis zu wenigen eV, auf die Teilchennachweiseinrichtung, die eine begrenzte Eintrittsapertur hat Teilchen höherer Energien werden durch das beschleunigende und fokussierende Feld nicht ausreichend abgelenkt und können die Eingangsapertur nicht erreichen. Dieser letzterwähnte Teil wirkt also als Tiefpaß, so daß das Spektrometer als Ganzes die erwünschte Bandfiltercharakteristik hat

Da die Teilchen, die schließlich nachgewiesen werden, in dem von der Reflektorelektrode umschlossenen Raum zwischen den bdden Sätzen von Gitterelektroden sehr niedrige Energien haben, ist es für ein einwandfreies Arbeiten des bekannten Spektrometer wesentlich, daß dieser Raum frei von Störfeldern ist In der Praxis muß sogar das Erdmagnetfeld kompensiert werden, wenn man auf höchste Genauigkeit Wert legt. Bei dem bekannten Spektrometer müssen außerdem sehr enge mechanische Toleranzen eingehalten werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronenoptisches Spektrometer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß es eine gleiche, wenn nicht sogar noch höhere Meßgenauigkeit mit geringeren Anforderungen an die Freiheit von Störfeldern sowie die mechanischen Toleranzen ergibt.

Diese Aufgabe wird bei einem teilchenoptischen Spektrometer der eingangs genannten Art gemäß der vorliegenden Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst.

Bei dem so ausgebildeten teilchenoptischen Spektrometer werden die Teilchen eines bestimmten Energiebereiches durch das Abbremsfeld in Verbindung mit einer elektronenoptischen Fokussierung mittels eines elektrischen Feldes in dem von der Reflektorelektrode umschlossenen Raum zwischen den zur Teilchenquelle konkaven Elektroden des ersten Satzes und der zur Teilchenquelle konvexen dritten Elektrode bewirkt, die nicht wie bei dem bekannten elektronenoptischen Spektrometer eine Gitterelektrode ist sondern aus einer undurchlässigen Blende mit einer spaltförmigen, im Abstand von der Achse angeordneten öffnung besteht.

Die Teilchen brauchen nicht so weit abgebremst zu werden, wie im bekannten Falle, so daß hierdurch und durch die andere Art der Realisierung des Tiefpaßbereiches eine wesentlich größere Unempfindlichkeit gegen Störfelder bei gleichzeitiger hoher Empfindlichkeit erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. I eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines teilchenoptischen Spektrometers,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines teilchenoptischen Spektrometers und

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Weiterbildung der Ausführungsform nach F i g. 2.

Das elektronenoptische Spektrometer gemäß F^: i g. 1 enthält zwei kugelkalouenförmige, konzentrische Netzelektroden 2 und 3, in deren Zentrum eine Teilchenquelle 1 angeordnet ist, welche Teilchen mit einer Ladung q

emittiert, deren kinetische Energie E gemessen werden solL Der längs einer Symmetrieachse A gemessene Abstand d\ der Netzelektroden 2 und 3 ist klein im Verhältnis zum Radius R\ der Netzelektrode 2.

In einem gewissen Abstand di längs der Achse A ist eine dritte Elektrode 5 angeordnet, dio bis auf einen zur Achse A konzentrischen Ringspalt 6 für die Teilchen undurchlässig ist. Die Elektrode 5 hat im achsnahen Teil die Form eine zur Teilchenquelle konvexen Kugelkalot te, an deren Außenrand sich ein scheibenförmiger Teil anschließt, der in einer zur Achse A senkrechten Ebene liegt Hinter dem Ringspalt 6 ist eine Nachweisvorrichtung 7 mit ringförmiger Eintrittsöffnung angeordnet z. B. ein Auffange;· oder ein entsprechend ausgebildeter Sekundärelektronenvervielfacher.

Der Raum zwischen den Elektroden 3 und 5 ist durch eine zylindrische vierte Elektrode 4 begrenzt, die aus einem Blech oder einem Netz bestehen kann.

Im Betrieb wird zwischen die Netzelektroden 2 und 3 ein die Teilchen abbremsendes Potential Vr gelegt, so daß die von der Teilchenquelle 1 emittierten Teilchen mindestens die kinetische Energie q Vr haben müssen, um durch die beiden Netzelektroden 2 und 3 fliegen zu können. Danach ist ihre kinetische Energie auf EX — E—q Vr reduziert.

Die abgebremsten Teilchen werden nun in dem Raum 8 zwischen den Elektroden 3,4 und 5 durch ein in erster Linie mittels der Elektroden 4 und 5 e./.eugtes elektrisches Feld auf den Ringspalt 6 fokussiert. Die unter verschiedenen Winkeln θ emittierten Teilchen werden vom elektrischen Potential im Raum 8 unterschiedlich abgelenkt. Teilchen bestimmter Energien erreichen bei einem bestimmten, die Teilchen reflektierenden Potential an der Elektrode 4 und einem bestimmten Potential an der Elektrode 5 den Spal¹ 6 und werden von der Nachweisvorrichtung 7 erfaßt. Schnelle Teilchen werden hinter der Netzelektrode 3 nicht genügend abgeisnkl und treffen den Ringspalt 6 daher nicht, während langsame Teilchen entweder das Gegenpotential Vr nicht überwinden können oder von der dritten Elektrode 5 oder der Reflexionselektrode 4 so stark abgelenkt werden, daß sie den Ringspalt 6 ebenfalls nicht erreichen.

Der erfaßte Energiebereich läßt sich durch Änderung der Feldverhältnisse im Raum 8 ändern.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die sich von der nach F i g. 1 dadurch unterscheidet, daß die durch den Ringspalt 6 hindurchtretenden Teilchen auf die optische Achse A des Spektrometer fokussiert werden. Dies geschieht mit einer sphärischen Netzelektrode 9, welche konzentrisch zum kartenförmigen Teil der Elektrode 5 und im nahen Absland hinter diesem angeordnet ist. Zwischen den Elektroden 5 und 9 wird ein die Teilchen beschleunigendes elektrisches Feld erzeugt, das kugelsymmetrisch ist die Teilchenbaiinen zur Achse hin ablenkt und die Teilchen auf eine zur Achse A konzentrische öffnung einer vor der Teilchennachweiseinrichtung T liegenden Austrittsblende 10 fokussiert. Geeignete Potentiale für die Analyse der Energien von

ίο Elektronen im obengenannten Energiebereich sind in F i g. 2 angegeben.

Wie F i g. 3 zeigt, kann die Ausführungsform nach F i g. 2 dadurch noch weiter verbessert werden, die Austrittsblende 10 durch zwei kugelkalottenförmige.

konzentrische Netzelektroden 11 und 12 zu ersetzen. Zwischen den Netzelektroden 11 und 12 kann ein die Teilchen abbremsendes Feld erzeugt werden, das die Intensität des transmittierten Teilchenstroms zu steuern gestattet Insbesondere kann das Feld zwischen den Netzelektroden 11 und 12 zum periodischen Zerhacken des Teilchenstroms verwendet werden, um die Weiterverarbeitung des von der Nachweisvorrichtung T erzeugten elektrischen Ausgangssignais zu erleichtern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind

2> bezüglich der Achse A im wesentlichen rotationssymmetrisch, di? gewölbten Elektroden 2, 3, 5, 9, 11 und 12 haben die Form von Kugelkalotten, die vierte, Elektrode 4 ist zylindrisch. Ein solcher Aufbau ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Das Spektrometer kann z. B. eine Zylindergeometrie aufweisen und die gewölbten Elektroden können z. B. die Form von kartesischen Ovalflächen haben, wie es in der obenerwähnten DE-OS 21 03 306 beschrieben ist. Es ist ferner auch nicht notwendig, daß die Elektrode 4 zylindrisch ist, sie kann

r> z. B. auch kegelstumpfförmig sein.

Bei entsprechender Änderung der Polarität und Beträge der verwendeten Potentiale läßt sich das vorliegende Spektrometer selbstverständlich auch zur Energieanalyse positiver Ionen verwenden.

4(i Zwei praktische Ausführungsbeispiele der Ausführungsform gemäß Fig.2 hatten die in der folgenden Tabelle angegebenen Parameter, wobei die Abmessungsparameter R\, /?2, Si, 52, 53 und c/i bis ds in Millimetern angegeben sind. ΔΘ ist der Akzeptanzwin-

v> kelbereich, /?2 der Krümmungsradius der Elektrode 5, S\ bzw. S2 der innere bzw. äußere Spaltradius, 53 der äußere Radius dieser Elektrode, di der axiale Abstand der Elektroden 5 und 9, (U der Absland der Elektrode 9 von der Austrittsblende 10 und ds der Durchmesser der

w letzteren.

Tabelle

Bei- Δθ
spiel

24-38°
13-25°

«1

50 70

d^

<h

5,

52

10
20

40 10

30 25

33
28

50 40

d₃

50 50

10 10

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Akzeptanzwinkelbereich ΔΘ von 24 — 38° hat die l,4fachen Abmessungen des Beispiels 1.

Bei den erwähnten drei praktischen Ausführungsbeispielen wurden folgende Betriebsspannungen verwendet, wobei mit U„ die Spannung zwischen der Elektrode χ und der Elektrode.)'bedeutet:

L/23 liegt bei der Analyse der Energie von Teilchen mit Energien zwischen t eV und 3000 eV im entsprechenden Spannungsbereich, d. h. zwischen etwa 1 V und 3 kV.

Un wird zwischen 1 V und 2O0 V gewählt. Diese Spannung bestimmt das Auflösungsvermögen AE, wobei sich aus Teilchenbahnberechnungen ergibt,

daß

ΔΕ= O,1bisO,2ei7₃4

ist.
t/35 = O, d.h. die Elektroden 3 und 5 liegen auf

demselben Potential.
t/59 ist eine Fokussierungsspannung, sie wird so gewählt, daß das Signal sein Maximum erreicht und

liegt im Bereich von 2 V bis 400 V.
iAiobzw. H,. 11 (Fig. 3) = 0.

Für die Ausführungsformen gemäß F i g. 1 und F i g. 3 gelten entsprechende Werte, wobei sich in F i g. 2 und 3 die Elektroden 10 und 11 entsprechen.

Die N'achwcisvorrichtung 7' ist ein Auffänger, der über eine Strommeßanordnung mit Masse verbunden ist.

Die Netzelektrode 2 liegt im allgemeinen auf dem Potential der Teilchenquelle bzw. der Austritts- oder Beschleunigungselektrode der Teilchenquelle, wenn in dieser eine Teilchenbeschleunigung stattfindet.

Das Potential LZ₂₃ ist so gepolt, daß die emittierten Teilchen abgebremst werden. Das Potential L/34 hat eine solche Polarität, daß die Teilchen von der Elektrode ' reflektiert werden, während das Potential L/59 die durct den Ringspalt 6 hindurchtretenden Teilchen beschleu nigt.

■5 Im Zerhackerbetrieb wird das Potential der Netzelek trode 12 (Fig.3) periodisch zwischen dem de Elektrode 4 und dem der Elektrode 11 umgeschaltet.

Als weiterer Vorteil des beschriebenen Spektrome ters ist noch sein hoher Störabstand zu erwähnen. Be dem eingangs genannten bekannten Spektromete können die zur Teilchenquelle konvexen gitterförmigei Fokussierelektroden von schnellen Teilchen getroffei werden. Sekundärelektronen, die dabei an diesel gitterförmigen Fokussierelektroden ausgelöst werden werden wegen ihrer geringen Energie fokussiert und π Form eines Störsignales nachgewiesen. Bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Spektrometer dagegei ist das der Teilchenquelle 1 zugewandte konvexi Fokussierungsgitter durch die massive Elektrode !

ersetzt und nur das gewünschte abgelenkte Strahlen bündel wird vom Ringspalt 6 durchgelassen. De störende Einfluß der Sekundärelektronenemission win dadurch vermieden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Teilchenoptisches Spektrometer zum Bestimmen der Energie geladener Teilchen, die von einer Teilchenquelle ausgehen, welche sich auf einer Achse befindet, mit zwei im Abstand voneinander angeordneten, zur Teilchenquelle konkaven Netzelektroden, einer in Teilchenstrahlrichtung als nächste Elektrode hinter den beiden Netzelektroden angeordneten durchbrochenen dritten Elektrode, einer den Raum zwischen den Netzelektroden und der dritten Elektrode begrenzenden vierten Elektrode und einer Teilchennachweiseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (5) bis auf eine Durchbrechung in Form eines sich in gleichmäßigem Aostand von der Achse (A) erstreckenden Spaltes (6) für die Teilchen undurchlässig und in bezug auf die vierte Elektrode (4) elektrisch so vorgespannt ist, daß sich ein die Teilchenstrahlen auf den Spalt (6) fokussierendes Feld ergibt.

2. Teilchenoptisches Spektrometer nach Anspruch 1 mit zur Achse rotationssymmetrischen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (6) der 2Ί dritten Elektrode (5) Dezüglich der Achse (A) rotationssymmetrisch ist.

3. Teilchenoptisches Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchennachweiseinrichtung (7) unmittelbar hinter m dem Spalt (6) angeordnet ist (F i g. 1).

4. Teilchenoptisches Spektrometer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dessen dritte Elektrode in ihrem der Achse näheren Teil die Form einer zur Teilchenquelle hin konvexen Kugelkalotte hat, an r> die sich nach außen hin ein scheibenförmiger, zur Achse senkrecht stehender Teil anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (6) nach innen durch den kugelkalottenförmigen und nach außen durch den ringförmigen Teil der dritten Elektrode (5) in begrenzt ist.