RU176329U1

RU176329U1 - ELECTROSTATIC CHARGED PARTICLE ENERGY ANALYZER

Info

Publication number: RU176329U1
Application number: RU2017115587U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Яковлевна Фишкова
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-01-17

Abstract

Электростатический анализатор энергии заряженных частиц включает источник (8) заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний электрод (1) и внутренний цилиндрический электрод (3), передний и задний защитные электроды (6), (7), детектор (8), первый и второй источники питания. Внешний электрод (1) содержит n=(12-20) электрически изолированных частей (2) и выполнен из переднего конусного сегмента (4) длиной H, равной (0,55-0,65)⋅L, расширяющегося по ходу заряженных частиц под углом β=(5-20)° относительно оси Z анализатора, и заднего цилиндрического сегмента (5), последняя изолированная часть (2) которого электрически соединена с задним защитным электродом (7), выполнена длиной h, удовлетворяющей соотношению h=(5-6)R, и подсоединена ко второму источнику питания. Электростатический анализатор при простой конструкции и большой светосиле обеспечивает высокое разрешение в широком диапазоне регистрируемых энергий заряженных частиц, исходящих под одинаковыми углами наклона к продольной оси системы из расположенного в одном и том же месте исследуемого объекта.The electrostatic analyzer of energy of charged particles includes a source (8) of charged particles placed on the axis of the analyzer, coaxially located external electrode (1) and internal cylindrical electrode (3), front and rear protective electrodes (6), (7), detector (8) , first and second power supplies. The external electrode (1) contains n = (12-20) electrically isolated parts (2) and is made of a front conical segment (4) of length H equal to (0.55-0.65) ⋅ L, expanding along the charged particles under angle β = (5-20) ° relative to the Z axis of the analyzer, and the rear cylindrical segment (5), the last insulated part (2) of which is electrically connected to the rear protective electrode (7), is made with a length h satisfying the relation h = (5- 6) R, and is connected to a second power source. The electrostatic analyzer with a simple design and high aperture provides high resolution in a wide range of recorded energies of charged particles emanating at the same inclination angles to the longitudinal axis of the system from the studied object located in the same place.

1 ил.

1 ill.

Description

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, конкретно, к измерению энергий вторичных электронов, возбужденных с поверхности твердых тел или биологических объектов, в широком диапазоне их энергий для определения химического состава различных материалов.The utility model relates to the field of energy analysis of charged particles, specifically, to measuring the energies of secondary electrons excited from the surface of solids or biological objects in a wide range of their energies to determine the chemical composition of various materials.

При энергетическом анализе заряженных частиц чаще всего используют электростатические спектрометры, в которых заряженные частицы различных энергий движутся по одной и той же траектории, а спектр по энергии снимают путем изменения разности потенциалов между электродами системы. Этот процесс занимает много времени, поэтому возникает необходимость одновременного (параллельного) детектирования пучков заряженных частиц различных энергий. Основная проблема состоит в создании распределения электростатического поля, позволяющего одновременно фокусировать электронные потоки с энергиями, различающимися в десятки раз. Для этой цели используют электростатические многоканальные энергоанализаторы (спектрографы), обеспечивающие экспресс анализ состава материалов для технического контроля изделий различных отраслей промышленности.In the energy analysis of charged particles, electrostatic spectrometers are most often used, in which charged particles of different energies move along the same path, and the energy spectrum is taken by changing the potential difference between the electrodes of the system. This process takes a lot of time, so there is a need for simultaneous (parallel) detection of beams of charged particles of different energies. The main problem is to create the distribution of the electrostatic field, which allows simultaneously focusing electron flows with energies that differ by tens of times. For this purpose, electrostatic multichannel energy analyzers (spectrographs) are used that provide rapid analysis of the composition of materials for technical control of products of various industries.

Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 140365, МПК H01J 49/00, опубликован 10.05.2014). Спектрограф включает источник питания, первый, второй, третий и четвертый плоскопараллельные электроды, и позиционно-чувствительный детектор. Третий и четвертый электроды установлены перпендикулярно первому электроду по его торцам, соединены с первым электродом и расположены от второго электрода на расстоянии, большем расстояния электрического пробоя и меньшем расстояния до рабочей области. Первый электрод выполнен с входной и выходными щелями для пучков частиц. Второй электрод разрезан на i частей, где i≥8, длина которых l_i удовлетворяет соотношению l_i≤0,5а, расстояние между соседними частями удовлетворяет соотношению s_i≤0,1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами. Первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными. Источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V_i, удовлетворяющего соотношению

, где V₁ - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z_i - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, k - коэффициент, определяемый из соотношения

, z₁ - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода.Known electrostatic analyzer of energy of charged particles (see patent RU 140365, IPC H01J 49/00, published 05/10/2014). The spectrograph includes a power source, first, second, third and fourth plane-parallel electrodes, and a position-sensitive detector. The third and fourth electrodes are installed perpendicular to the first electrode at its ends, connected to the first electrode and are located from the second electrode at a distance greater than the distance of electrical breakdown and less than the distance to the working area. The first electrode is made with input and output slots for particle beams. The second electrode is cut into i parts, where i≥8, the length of which l _i satisfies the relation l _i ≤0.5a, the distance between adjacent parts satisfies the ratio s _i ≤0.1a, where a is the distance between the first and second electrodes. The first, third and fourth electrodes are grounded. The power source is configured to supply to each part i of the second electrode a potential V _i satisfying the relation

where V ₁ is the potential at the first part of the second electrode from the entrance slit, z _i is the distance from the third electrode to the middle i of the second electrode part in the plane perpendicular to these electrodes, k is the coefficient determined from the relation

, z ₁ is the distance from the third electrode to the middle of the first part of the second electrode from the entrance slit.

Известный электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает новое распределение электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц, приводящее к достижению диапазона одновременно регистрируемых энергий, равного E_max/E_min.=100. Однако известный электростатический анализатор имеет малую светосилу из-за отсутствия фокусировки пучков заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии.The well-known electrostatic analyzer of the energy of charged particles provides a new distribution of electric fields in the region of passage of the studied beams of charged particles, leading to the achievement of a range of simultaneously recorded energies equal to E _max / E _min . = 100. However, the known electrostatic analyzer has a low aperture due to the lack of focusing of charged particle beams in a plane perpendicular to the dispersion plane.

Известен светосильный электростатический анализатор энергии заряженных частиц, (F.H. Read, «The parallel cylindrical mirror electron energy analyzer», Rev. Sci. Instr. 2002, v. 73, N3, p. 1129-1139), включающий источник питания, цилиндрический конденсатор с внутренним и внешним коаксиальными цилиндрами. Внешний цилиндр разрезан на части с потенциалами, величина которых изменяется по линейному закону в направлении продольной оси системы, а внутренний цилиндр заземлен.Known fast electrostatic analyzer of energy of charged particles, (FH Read, "The parallel cylindrical mirror electron energy analyzer", Rev. Sci. Instr. 2002, v. 73, N3, p. 1129-1139), including a power source, a cylindrical capacitor with internal and external coaxial cylinders. The outer cylinder is cut into parts with potentials, the magnitude of which varies linearly in the direction of the longitudinal axis of the system, and the inner cylinder is grounded.

Недостатками известного электростатического анализатора энергии заряженных частиц являются открытые торцы цилиндрических электродов, способствующие нарушению собственного поля системы и проникновению посторонних полей в рабочую область, а также малый диапазон одновременно регистрируемых энергий. Кроме того, исследуемый объект (источник вторичных частиц) располагается внутри цилиндрического электрода меньшего диаметра, что мало пригодно для практического использования.The disadvantages of the known electrostatic analyzer of energy of charged particles are the open ends of the cylindrical electrodes, contributing to the violation of the self-field of the system and the penetration of extraneous fields into the working area, as well as a small range of simultaneously recorded energies. In addition, the studied object (source of secondary particles) is located inside a cylindrical electrode of smaller diameter, which is not very suitable for practical use.

Известен анализатор энергий и масс заряженных частиц (см. патент RU 136237, МПК H01J 49/40, опубликован 27.12.2013), содержащий коаксиально размещенные цилиндрический внутренний и состоящий из двух конусообразных частей внешний электроды; экранирующий электрод коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом. На боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода выполнена входная кольцевая прорезь (входное окно) для пролета заряженных частиц, затянутая мелкоструктурной металлической сеткой. На поверхности внутреннего цилиндрического электрода имеется выходная кольцевая диафрагма, образованная двумя цилиндрическими частями, допускающими независимые продольные перемещения. В состав анализатора также входит исследуемый образец, приемник частиц, блок питания и делитель напряжения.A known analyzer of energies and masses of charged particles (see patent RU 136237, IPC H01J 49/40, published December 27, 2013), containing coaxially placed cylindrical inner and two electrodes external cones; box-type shielding electrode, electrically and mechanically connected to the inner cylindrical electrode. On the side surface of the inner cylindrical electrode, an inlet annular slot (inlet window) is made for the passage of charged particles, tightened by a fine-grained metal mesh. On the surface of the inner cylindrical electrode there is an output annular diaphragm formed by two cylindrical parts that allow independent longitudinal movements. The analyzer also includes the test sample, particle receiver, power supply and voltage divider.

В известном анализаторе пучок заряженных частиц движется по одной траектории, поэтому не представляется возможным одновременно (параллельно) детектировать пучки заряженных частиц различных энергий, а спектр по энергии можно снимать лишь путем изменения разности потенциалов между электродами анализатора.In a known analyzer, a beam of charged particles moves along one path, therefore, it is not possible to simultaneously detect (simultaneously) beams of charged particles of different energies, and the energy spectrum can be taken only by changing the potential difference between the electrodes of the analyzer.

Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 120512, МПК H01J 49/48, опубликован 20.09.2012), включающий источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды и системы защитных электродов, выполненные одинаковыми и состоящие из трех плоских коаксиальных колец каждая, размещенные на обоих торцах анализатора, детектор, помещенный на оси, и источник питания. Внешний цилиндрический электрод выполнен из центральной и боковых цилиндрических электрически изолированных частей одинакового радиуса, разделенных зазорами, подсоединенных к источнику питания, выполненному с возможностью подачи на боковые части внешнего электрода напряжения, большего, чем на его центральную часть. Внутренний цилиндрический электрод выполнен с входным и выходным кольцевыми окнами.Known electrostatic analyzer of energy of charged particles (see patent RU 120512, IPC H01J 49/48, published September 20, 2012), including a source of charged particles placed on the axis of the analyzer, coaxially located external and internal cylindrical electrodes and protective electrode systems made the same and consisting of three flat coaxial rings each, placed on both ends of the analyzer, a detector placed on the axis, and a power source. The external cylindrical electrode is made of central and lateral cylindrical electrically isolated parts of the same radius, separated by gaps, connected to a power source configured to supply voltage on the side parts of the external electrode greater than its central part. The inner cylindrical electrode is made with input and output ring windows.

Известный энергоанализатор имеет сложную конструкцию торцевых защитных электродов по обоим торцам цилиндрических электродов, состоящих из трех плоских коаксиальных колец, каждое со своим отличным от других электродов потенциалом, Выполнение внешнего цилиндрического электрода из трех частей недостаточно для одновременного анализа заряженных частиц в том или ином диапазоне энергий.The well-known energy analyzer has a complex design of end protective electrodes at both ends of cylindrical electrodes, consisting of three flat coaxial rings, each with its own potential different from other electrodes.The implementation of an external cylindrical electrode of three parts is not enough for the simultaneous analysis of charged particles in a particular energy range.

Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 169336, МПК H01J 49/00, опубликован 15.03.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Электростатический анализатор-прототип включает источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды и защитные заземленные электроды, закрепленные на торцах внутреннего цилиндрического электрода, детектор и источник питания. Внешний цилиндрический электрод выполнен из n≥10 цилиндрических электрически изолированных частей одинакового радиуса, подсоединенных к источнику питания, выполненному с возможностью подачи на цилиндрические части внешнего электрода линейно возрастающего напряжения. Длина цилиндрических частей внешнего электрода l_n удовлетворяет соотношению l_n≤2R, а расстояние s_n между соседними цилиндрическими частями удовлетворяет соотношению s_n≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода. Внутренний цилиндрический электрод заземлен и снабжен выходными кольцевыми щелями, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц. Детектор выполнен в виде плоских электродов, подключаемых к многоканальному измерительному устройству и установленных за выходными кольцевыми щелями перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода.Known electrostatic analyzer of energy of charged particles (see patent RU 169336, IPC H01J 49/00, published 03/15/2017), which coincides with this solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The prototype electrostatic analyzer includes a charged particle source located on the axis of the analyzer, coaxially located external and internal cylindrical electrodes and protective grounded electrodes fixed to the ends of the internal cylindrical electrode, a detector and a power source. The external cylindrical electrode is made of n≥10 cylindrical electrically isolated parts of the same radius connected to a power source configured to supply a linearly increasing voltage to the cylindrical parts of the external electrode. The length of the cylindrical parts of the outer electrode l _n satisfies the relation l _n ≤2R, and the distance s _n between adjacent cylindrical parts satisfies the relation s _n ≤0.5R, where R is the radius of the inner cylindrical electrode. The inner cylindrical electrode is grounded and equipped with output ring slots, tightened with a metal mesh, for beams of charged particles. The detector is made in the form of flat electrodes connected to a multi-channel measuring device and installed behind the output ring slots perpendicular to the axis of the inner cylindrical electrode.

Недостатком анализатора-прототипа является то обстоятельство, что в широком диапазоне регистрируемых энергий острая фокусировка пучков вторичных электронов на внутренний цилиндрический электрод, способствующая обеспечению высокого разрешения по энергии, достигается при отличающихся геометрических параметрах на входе в систему, а именно в широком диапазоне энергий не совпадают положения объекта исследования и величины углов впуска пучков заряженных частиц. Поэтому величины разрешения по энергии такого анализатора во всем диапазоне энергий довольно сильно отличаются друг от друга, что не обеспечивает его эффективного использования при быстропротекающих процессах.The disadvantage of the prototype analyzer is that in a wide range of recorded energies, sharp focusing of the secondary electron beams on the inner cylindrical electrode, which ensures high energy resolution, is achieved with different geometric parameters at the input to the system, namely, the positions do not coincide in a wide range of energies object of study and the magnitude of the inlet angles of charged particle beams. Therefore, the energy resolution of such an analyzer in the entire energy range is quite different from each other, which does not ensure its effective use in fast processes.

Задачей настоящей полезной модели является разработка электростатического анализатора энергии заряженных частиц, который бы при простой конструкции и большой светосиле обеспечивал высокое разрешение в широком диапазоне регистрируемых энергий заряженных частиц, исходящих под одинаковыми углами наклона к продольной оси системы из расположенного в одном и том же месте исследуемого объекта.The objective of this utility model is to develop an electrostatic analyzer of the energy of charged particles, which, with a simple design and high aperture, would provide high resolution in a wide range of recorded energies of charged particles emanating at the same angles to the longitudinal axis of the system from the object under study in the same place .

Поставленная задача решается таким образом, что электростатический анализатор энергии заряженных частиц длиной L, включает источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний цилиндрический электрод защитный заземленный передний электрод, закрепленный на торце внутреннего цилиндрического электрода, защитный задний электрод, детектор и источник питания. Внешний электрод выполнен из n электрически изолированных частей, (n-1) которых подсоединены к первому источнику питания, выполненному с возможностью подачи на части внешнего электрода линейно возрастающего напряжения. Внутренний цилиндрический электрод снабжен выходными кольцевыми щелями, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц. Детектор выполнен в виде плоских электродов, подключаемых к многоканальному измерительному устройству и установленных за выходными кольцевыми щелями внутреннего цилиндрического электрода перпендикулярно его оси. Длина l_n первых по ходу заряженных частиц (n-1) частей внешнего электрода удовлетворяет соотношению l_n≤2R, а расстояние s_n между соседними частями удовлетворяет соотношению s_n≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода. Новым в электростатическом анализаторе энергии заряженных частиц является то, что внешний электрод содержит n=(12-20) электрически изолированных частей и выполнен из переднего конусного сегмента длиной H, равной (0,55-0,65)⋅L, расширяющегося по ходу частиц под углом β, равным (5-20) градусов относительно оси анализатора, и заднего цилиндрического сегмента, последняя изолированная часть которого электрически соединена с защитным задним электродом, выполнена длиной h, удовлетворяющей соотношению h=(5-6)R, и подсоединена ко второму источнику питания.The problem is solved in such a way that the electrostatic analyzer of energy of charged particles of length L includes a source of charged particles located on the axis of the analyzer, coaxially located external electrode and inner cylindrical electrode, a protective grounded front electrode, mounted on the end of the inner cylindrical electrode, a protective rear electrode, a detector and power source. The external electrode is made of n electrically isolated parts, (n-1) of which are connected to the first power source, configured to supply a linearly increasing voltage to the parts of the external electrode. The inner cylindrical electrode is equipped with output ring slots, tightened with a metal mesh, for beams of charged particles. The detector is made in the form of flat electrodes connected to a multi-channel measuring device and installed behind the output ring slots of the inner cylindrical electrode perpendicular to its axis. The length l _{n of the} first along the charged particles (n-1) parts of the external electrode satisfies the relation l _n ≤2R, and the distance s _n between adjacent parts satisfies the relation s _n ≤0.5R, where R is the radius of the inner cylindrical electrode. New in the electrostatic analyzer of charged particle energy is that the external electrode contains n = (12-20) electrically isolated parts and is made of a front cone segment of length H equal to (0.55-0.65) ⋅ L, expanding along the particles at an angle β equal to (5-20) degrees relative to the axis of the analyzer and the rear cylindrical segment, the last insulated part of which is electrically connected to the protective rear electrode, is made with a length h satisfying the relation h = (5-6) R, and connected to the second power source.

Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает новое распределение электростатических полей в области прохождения пучков заряженных частиц, приводящее к достижению острой фокусировки на внутренний цилиндрический электрод пучков вторичных электронов, исходящих из одной и той же точки исследуемого объекта под одними и теми же углами относительно продольной оси системы в широком диапазоне изменения их энергий (E_max/E_min=50), где E_max - максимальная регистрируемая энергия заряженных частиц, E_min - минимальная регистрируемая энергия заряженных частиц. Малая длина отдельных частей конусного и цилиндрического сегментов внешнего электрода, которая может быть как одинаковой, так и разной, а также небольшая длина последней части цилиндрического сегмента внешнего электрода обеспечивает при предпочтительной длине внешнего и внутреннего электродов, равной L=(25-30)R, условия фокусировки пучков заряженных частиц различных энергий на поверхность внутреннего цилиндрического электрода. Первый источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую из (n-1) частей внешнего электрода потенциала V_n, возрастающего по линейному закону и удовлетворяющего соотношению V_n=V₁[1+1,75(n-1)], где V₁ - потенциал на первой части внешнего электрода, отсчитываемой от переднего защитного электрода, n - порядковый номер соответствующей части разрезного внешнего электрода. Второй источник питания обеспечивает подачу потенциала V_t на последнюю n-ую часть цилиндрического сегмента внешнего электрода.This electrostatic analyzer of energy of charged particles provides a new distribution of electrostatic fields in the region of passage of beams of charged particles, leading to achieving sharp focusing on the inner cylindrical electrode of beams of secondary electrons emanating from the same point of the object under study at the same angles relative to the longitudinal axis of the system in a wide range of changes in their energies (E _max / E _min = 50), where E _max is the maximum recorded energy of charged particles, E _min is the minimum p The recorded energy of charged particles. The small length of the individual parts of the conical and cylindrical segments of the outer electrode, which may be the same or different, as well as the small length of the last part of the cylindrical segment of the outer electrode provides a preferred length of the outer and inner electrodes of L = (25-30) R, focusing conditions for beams of charged particles of various energies on the surface of the inner cylindrical electrode. The first power source is configured to supply to each of (n-1) parts of the external electrode a potential V _n that increases linearly and satisfies the relation V _n = V ₁ [1 + 1.75 (n-1)], where V ₁ - the potential at the first part of the external electrode, counted from the front protective electrode, n is the serial number of the corresponding part of the split external electrode. The second power source provides the potential V _t to the last n-th part of the cylindrical segment of the outer electrode.

Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. чертеж) длиной L содержит внешний электрод 1, разделенный на n=(12-20) электрически изолированных частей 2, и коаксиально расположенный внутренний заземленный цилиндрический электрод 3. (n-1) частей 2 внешнего электрода 1 подсоединены к первому источнику питания (на чертеже не показан), выполненному с возможностью подачи на (n-1) частей 2 внешнего электрода линейно возрастающего напряжения, удовлетворяющего соотношению V_n=V₁[1+1,75(n-1)]. Длина l_n первых по ходу заряженных частиц (n-1) частей 2 внешнего электрода 1 удовлетворяет соотношению l_n≤2R, а расстояние s_n между соседними частями удовлетворяет соотношению s_n≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода 3. Последняя изолированная часть 2 внешнего электрода 1 длиной h=(5-6)R, подсоединена ко второму источнику питания (на чертеже не показан). Внешний электрод 1 выполнен из переднего конусного сегмента 4 длиной H, равной (0,55-0,65)⋅L, расширяющегося по ходу частиц под углом β, равным (5-20) градусов относительно оси Z анализатора, и заднего цилиндрического сегмента 5. Плоский защитный заземленный передний электрод 6 закреплен на переднем торце внутреннего цилиндрического электрода 3. Плоский защитный задний электрод 7 закреплен на заднем торце последней изолированной части 2 внешнего электрода 1. Исследуемый объект 8 (источник заряженных частиц) расположен на оси Z перед входным отверстием 9 защитного заземленного переднего электрода 6. Детектор выполнен в виде плоских электродов 10, подключаемых к многоканальному измерительному устройству (на чертеже не показано) и установленных за выходными кольцевыми щелями 11 во внутреннем цилиндрическом электроде 3 перпендикулярно оси Z для прохождения заряженных частиц.The present electrostatic analyzer of energy of charged particles (see drawing) of length L contains an external electrode 1, divided into n = (12-20) electrically isolated parts 2, and a coaxially located internal grounded cylindrical electrode 3. (n-1) of parts 2 of the external electrode 1 are connected to a first power source (not shown in the drawing) configured to supply a linearly increasing voltage satisfying the relation V _n = V ₁ [1 + 1.75 (n-1)] to (n-1) parts 2 of the external electrode . The length l _{n of the} first along the charged particles (n-1) of the parts 2 of the outer electrode 1 satisfies the relation l _n ≤2R, and the distance s _n between adjacent parts satisfies the relation s _n ≤0.5R, where R is the radius of the inner cylindrical electrode 3. The last insulated part 2 of the outer electrode 1 of length h = (5-6) R is connected to a second power source (not shown in the drawing). The external electrode 1 is made of a front conical segment 4 of length H equal to (0.55-0.65) ⋅L, expanding along the particles at an angle β equal to (5-20) degrees relative to the Z axis of the analyzer, and the rear cylindrical segment 5 A flat protective grounded front electrode 6 is fixed on the front end of the inner cylindrical electrode 3. A flat protective back electrode 7 is fixed on the rear end of the last insulated part 2 of the outer electrode 1. The object under study 8 (charged particle source) is located on the Z axis in front of the inlet m 9 of a protective grounded front electrode 6. The detector is made in the form of flat electrodes 10 connected to a multi-channel measuring device (not shown in the drawing) and installed behind the output ring slots 11 in the inner cylindrical electrode 3 perpendicular to the Z axis for the passage of charged particles.

Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц работает следующим образом. Из источника 8 заряженных частиц, облучаемого потоком электронов либо рентгеновских квантов, вылетает пучок вторичных электронов, либо фотоэлектронов различных энергий, который через входное отверстие 9 защитного заземленного электрода 6 попадает в отклоняющее и одновременно фокусирующее электростатическое поле, созданное тормозящими заряженные частицы потенциалами V_n на отдельных (n-1) частях 2 внешнего электрода 1 и тормозящим потенциалом V_t на последней изолированной части 2 цилиндрического сегмента 5 внешнего электрода 1, которая подсоединена ко второму источнику питания и электрически соединена с защитным задним электродом 7. Внутренний цилиндрический электрод 3 и передний защитный электрод 6 заземлены. Для анализа электронов требуются тормозящие их отрицательные потенциалы V_n и V_t, которые определяют из условий фокусировки на внутренний цилиндрический электрод 3 вторичных пучков электронов различных энергий, исходящих из источника 8 заряженных частиц. Поиск условий фокусировки произведен путем компьютерного моделирования по пяти независимым геометрическим параметрам: соотношению радиуса R_a цилиндрического сегмента 5 внешнего электрода 1 и начального радиуса R_b конусного сегмента 4 внешнего электрода 1 к радиусу R внутреннего цилиндрического электрода (R_a/R, R_b/R); длине L анализатора, положению исследуемого источника 8 заряженных частиц и по входному углу наклона центральной траектории пучков вторичных электронов различных энергий к продольной оси системы z. Электростатическое поле, образованное найденными оптимальными геометрическими и электрическими параметрами, фокусирует пучок электронов различных энергий в строго определенные выходные затянутые металлической сеткой кольцевые щели 11 во внутреннем заземленном цилиндрическом электроде 3. Далее эти пучки попадают на плоские электроды 10, установленные за выходными кольцевыми щелями 11 перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода и подключенные к многоканальному измерительному устройству.This electrostatic analyzer of energy of charged particles works as follows. From a source of 8 charged particles, irradiated by a stream of electrons or X-ray quanta, a beam of secondary electrons or photoelectrons of various energies flies out, which, through the inlet 9 of the protective grounded electrode 6, enters a deflecting and at the same time focusing electrostatic field created by decelerating charged particles with potentials V _n on separate (n-1) 2 parts of the outer electrode 1 and the retarding potential V _t in the final isolated portion 2 of the cylindrical segment 5 of the outer electrode 1 which under oedinena to the second power source and electrically connected with the back electrode 7. The protective inner cylindrical electrode 3 and a front shield electrode 6 grounded. For the analysis of electrons, the negative potentials V _n and V _t that inhibit them are required, which are determined from the conditions of focusing on the inner cylindrical electrode 3 secondary electron beams of different energies emanating from a source of 8 charged particles. The focusing conditions were searched by computer simulation using five independent geometric parameters: the ratio of the radius R _{a of the} cylindrical segment 5 of the outer electrode 1 and the initial radius R _{b of the} conical segment 4 of the outer electrode 1 to the radius R of the inner cylindrical electrode (R _a / R, R _b / R ); the length L of the analyzer, the position of the studied source of 8 charged particles and the input angle of inclination of the central path of the beams of secondary electrons of different energies to the longitudinal axis of the system z. The electrostatic field formed by the found optimal geometric and electrical parameters focuses the electron beam of various energies into strictly defined output ring-tightened slotted gaps 11 in the internal grounded cylindrical electrode 3. Then these beams fall on flat electrodes 10 mounted behind the output ring-shaped slits 11 perpendicular to the axis internal cylindrical electrode and connected to a multi-channel measuring device.

Пример 1. Создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц, в котором соотношения радиуса цилиндрического сегмента внешнего электрода R_a и начального радиуса конусного сегмента внешнего электрода R_b к радиусу внутреннего цилиндрического электрода соответственно равны R_a/R=7,5, R_b/R=5. Конусный сегмент расширяется по ходу заряженных частиц под углом β=10 градусов относительно оси анализатора. В дальнейшем все геометрические параметры выражены в единицах R, что дает возможность применить метод геометрического подобия. Длина анализатора L равна L=25R. Внешний электрод, находящийся на расстоянии 0,25R от переднего защитного плоского заземленного электрода, разрезан на n=12 частей, при этом конический сегмент внешнего электрода длиной H=0,55L состоит из 8 частей, цилиндрический сегмент внешнего электрода состоит из 4 частей. Одиннадцать частей, считая от переднего защитного плоского заземленного электрода, имеют равные длины l_n=1,5R при расстояниях между ними s_n=0,25R подсоединены к первому источнику питания, выполненному с возможностью подачи линейно возрастающего напряжения. Последняя двенадцатая часть внешнего электрода, электрически соединенная с плоским задним защитным электродом, находится на расстоянии 0,25R от конца одиннадцатой части внешнего электрода и имеет длину h=5,5R. Впуск пучка вторичных электронов осуществляют с продольной оси Z системы анализатора при положении исследуемого объекта (источника вторичных электронов), вынесенного за пределы поля на расстояние z_o=2,15R, при этом угол наклона центральных траекторий пучков электронов различных энергий к оси Z равен θ=26,6°. При угле раствора пучка

определен режим работы, обеспечивающий фокусировку пучков вторичных электронов на внутренний цилиндрический электрод. В этом случае потенциал на первой части конусного сегмента внешнего электрода, обеспечивающий условия фокусировки, равен V₁=2,2(E_min/e), где E_min - минимальная энергия пучков заряженных частиц, эВ, e - заряд частицы, Кл. Потенциалы на последующих частях конусного сегмента внешнего электрода соответственно равны: V₂=2,75V₁, V₃=4,5V₁, V₄=6,25V₁, V₅=8V₁, V₆=9,75V₁, V₇=11,5V₁ V₈=13,3V₁. Последующие потенциалы на частях цилиндрического сегмента равны V₉=15V₁, V₁₀=16,8V₁ V₁₁=18,5V₁. Расчеты по определению потенциала V_t, способствующего обеспечению острой фокусировки пучков больших энергий, показали, что на последнюю двенадцатую часть внешнего разрезного электрода, электрически соединенную с задним торцевым защитным электродом, необходимо подавать V_t=19,5V₁. В зависимости от требований задачи следует ставить необходимое количество плоских электродов-детекторов, на которые через кольцевые щели во внутреннем электроде попадают пучки вторичных электронов в диапазоне энергий E/E_min=1-50, (следует отметить, что для всего указанного диапазона энергий найдены положения точек фокусировки на внутренний цилиндрический электрод). В качестве примера рассмотрим случай, когда энергии электронов равны E=(1, 5, 12,5, 25, 37,5, 50) E_min (траектории таких пучков приведены на рисунке). При этом требуется 6 выходных кольцевых щелей, положение которых на внутреннем электроде при отсчете от переднего торцевого электрода, выраженное в единицах R, соответственно равно: 1,80, 4,70, 8,58, 14,1, 19,1, 23,9. При указанных выше электрических и геометрических параметрах электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает параллельный (одновременный) анализ вторичных электронов с высоким разрешением по энергии ρ=δE/E. В диапазоне E=(10-50) E_min разрешение по энергии составляет ρ=(2,5-3)×10^-3, что существенно лучше, чем у аналогов и прототипа. Для малых энергий разрешение во всех без исключения анализаторах уменьшается из-за малой величины линейной дисперсии по энергии. В рассматриваемом случае при E=(1-8)E_min разрешение по энергии лучше, чем у прототипа и составляет ρ=(8-5)×10^-3.Example 1. An electrostatic analyzer of energy of charged particles is created in which the ratios of the radius of the cylindrical segment of the outer electrode R _a and the initial radius of the conical segment of the outer electrode R _b to the radius of the inner cylindrical electrode are respectively R _a / R = 7.5, R _b / R = 5. The cone segment expands along the charged particles at an angle β = 10 degrees relative to the axis of the analyzer. Subsequently, all geometric parameters are expressed in units of R, which makes it possible to apply the method of geometric similarity. The length of the analyzer L is L = 25R. The external electrode, located at a distance of 0.25R from the front protective flat grounded electrode, is cut into n = 12 parts, while the conical segment of the external electrode with a length of H = 0.55L consists of 8 parts, the cylindrical segment of the external electrode consists of 4 parts. Eleven parts, counting from the front protective flat grounded electrode, have equal lengths l _n = 1,5R at distances between them s _n = 0,25R connected to the first power source, configured to supply a linearly increasing voltage. The last twelfth part of the external electrode, electrically connected to the flat rear protective electrode, is located at a distance of 0.25R from the end of the eleventh part of the external electrode and has a length h = 5.5R. The beam of secondary electrons is inlet from the longitudinal axis Z of the analyzer system when the object under study (source of secondary electrons) is taken out of the field by a distance z _o = 2.15R, while the angle of inclination of the central paths of electron beams of different energies to the Z axis is θ = 26.6 °. At beam angle

the operating mode is determined, which ensures focusing of the beams of secondary electrons on the inner cylindrical electrode. In this case, the potential on the first part of the conical segment of the external electrode, providing the focusing conditions, is V ₁ = 2.2 (E _min / e), where E _min is the minimum energy of the charged particle beams, eV, e is the particle charge, Cl. The potentials on the subsequent parts of the conical segment of the external electrode are respectively equal: V ₂ = 2.75V ₁ , V ₃ = 4.5V ₁ , V ₄ = 6.25V ₁ , V ₅ = 8V ₁ , V ₆ = 9.75V ₁ , V ₇ = 11.5V ₁ V ₈ = 13.3V ₁ . The subsequent potentials on the parts of the cylindrical segment are V ₉ = 15V ₁ , V ₁₀ = 16.8V ₁ V ₁₁ = 18.5V ₁ . Calculations to determine the potential V _t , contributing to the sharp focusing of high-energy beams, showed that it is necessary to apply V _t = 19.5V ₁ to the last twelfth part of the external split electrode electrically connected to the rear end protective electrode. Depending on the requirements of the task, the necessary number of flat detector electrodes should be set, on which secondary electron beams in the energy range E / E _min = 1-50 fall through the ring slots in the internal electrode (it should be noted that the positions found for the entire specified energy range focus points on the inner cylindrical electrode). As an example, we consider the case when the electron energies are E = (1, 5, 12.5, 25, 37.5, 50) E _min (the trajectories of such beams are shown in the figure). In this case, 6 output ring slots are required, the position of which on the inner electrode, measured from the front end electrode, expressed in units of R, is equal to: 1.80, 4.70, 8.58, 14.1, 19.1, 23, 9. With the above electrical and geometric parameters, the electrostatic analyzer of charged particle energy provides a parallel (simultaneous) analysis of secondary electrons with high energy resolution ρ = δE / E. In the range of E = (10-50) E _min , the energy resolution is ρ = (2.5-3) × 10 ^-3 , which is significantly better than that of analogues and prototype. For low energies, the resolution in all analyzers without exception decreases due to the small linear dispersion in energy. In this case, when E = (1-8) E _min , the energy resolution is better than that of the prototype and is ρ = (8-5) × 10 ^-3 .

Пример 2. Создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц как в примере 1, но длина последней части h цилиндрического сегмента выходит за пределы заявленных значений: h=4R, либо h=7R. В обоих случаях существенно ухудшается фокусировка в области больших энергий E/E_min=(35-50). Так в первом случае вторичные электроны при E=50E_minпопадают на задний торцевой электрод, для других энергий разрешение сильно ухудшается. Во втором случае для энергий в указанной выше области падение разрешения происходит в 2-3 раза.Example 2. An electrostatic analyzer of the energy of charged particles is created as in example 1, but the length of the last part h of the cylindrical segment goes beyond the declared values: h = 4R or h = 7R. In both cases, the focusing in the high-energy region E / E _min = (35-50) is significantly impaired. So in the first case, secondary electrons at E = 50E _min fall on the rear end electrode, for other energies the resolution is greatly degraded. In the second case, for energies in the above region, the resolution decreases by 2–3 times.

Пример 3. Создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц как в примере 1, но длина конического сегмента внешнего электрода H=0,5L. Уменьшение длины конического сегмента всего на 9% по сравнению с заявленной приводит к сильному ухудшению остроты фокусировки в области малых энергий, поэтому в результате на малых энергиях разрешение становится хуже в 2-2.5 раза, на средних энергиях E/E_min=(10-25) разрешение ухудшается в 1.7 раза.Example 3. An electrostatic analyzer of the energy of charged particles is created as in example 1, but the length of the conical segment of the external electrode is H = 0.5L. A decrease in the length of the conical segment by only 9% compared to the declared one leads to a strong deterioration in the sharpness of focusing in the low-energy region; therefore, at low energies, the resolution becomes 2-2.5 times worse, at medium energies E / E _min = (10-25 ) Resolution worsens 1.7 times.

Claims

An electrostatic analyzer of energy of charged particles, including a source of charged particles located on the axis of the analyzer, coaxially located external electrode and an internal cylindrical grounded electrode, a protective grounded front electrode, mounted on the end of the internal cylindrical electrode, a protective rear electrode, a detector and a power source, an external electrode of n electrically isolated parts, (n-1) parts of which are connected to a first power source configured to And on the part of the external electrode of a linearly increasing voltage, the inner cylindrical electrode is equipped with output ring slots tightened by a metal grid for charged particle beams, the detector is made in the form of flat electrodes connected to a multichannel measuring device and installed behind the output ring slots of the internal cylindrical electrode perpendicular to its axis length l _n of the first charged particles along the (n-1) pieces of the outer electrode satisfies the relation l _n l _n ≤2R, and the distance s _n ezhdu neighboring parts of the outer electrode satisfies s _n ≤0,5R, where R - radius of the inner cylindrical electrode, characterized in that the outer electrode comprises n = (12-20) electrically isolated parts and is made of a front conical segment expanding along the charged particles at an angle β = (5-20) ° relative to the axis of the analyzer, with a length H equal to (0.55-0.65) ⋅ L, where L is the length of the analyzer and the rear cylindrical segment, the last insulated part of which is electrically connected to the protective back electrode, made length h satisfying the relation h = (5-6) R, and is connected to a second power source.