RU180089U1 - Electrostatic energy analyzer of charged particles - Google Patents
Electrostatic energy analyzer of charged particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU180089U1 RU180089U1 RU2017147063U RU2017147063U RU180089U1 RU 180089 U1 RU180089 U1 RU 180089U1 RU 2017147063 U RU2017147063 U RU 2017147063U RU 2017147063 U RU2017147063 U RU 2017147063U RU 180089 U1 RU180089 U1 RU 180089U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- energy analyzer
- analyzer
- energy
- dispersion
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 50
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001427 incoherent neutron scattering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 2
- 238000001420 photoelectron spectroscopy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
- H01J49/46—Static spectrometers
- H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, образованных в результате воздействия рентгеновского излучения, ионного или электронного пучка на поверхность твердотельного изучаемого объекта и предназначено для регистрации этих энергетических спектров с целью определения состава и свойств веществ для исследования объектов микро- и наноэлектроники методами электронной, ионной и фотоэлектронной спектроскопии. Технический результат - улучшение функциональных характеристик анализатора, а именно увеличение дисперсии как минимум в 2.6 раза и удельной дисперсии от 486% до 688%. Электростатический энергоанализатор заряженных частиц содержит два электрода, выполненных в форме цилиндрических поверхностей, которые в каждой из плоскостей, перпендикулярной их прямолинейным образующим, имеют форму, описываемую двумерной кривой,гдеиконстанты, относящиеся к нижнему и верхнему электроду соответственно, причем, а также имеет дополнительные экранирующие электроды, контуры границ которых описываются функцией,расположенные с торцов электродов энергоанализатора, выполненных в форме цилиндрических поверхностей.Кроме того, нижний электрод, содержащий входное и выходное отверстия, может быть выполнен со вставкой из диэлектрического материала, например фторопласта, расположенной между входным и выходным отверстиями, и по ширине равной ширине этих отверстий.А также электростатический энергоанализатор дополнительно имеет диафрагму, соединенную с нижним электродом и выполненную из такого же материала, которая расположена напротив выходного отверстия энергоанализатора с нижней стороны нижнего электрода параллельно ему.The utility model relates to the field of energy analysis of charged particles formed as a result of exposure to x-ray radiation, an ion or electron beam on the surface of a solid-state object under study, and is intended for recording these energy spectra in order to determine the composition and properties of substances for studying objects of micro- and nanoelectronics by electronic methods, ion and photoelectron spectroscopy. The technical result is an improvement in the functional characteristics of the analyzer, namely an increase in dispersion of at least 2.6 times and specific dispersion from 486% to 688%. The electrostatic energy analyzer of charged particles contains two electrodes made in the form of cylindrical surfaces, which in each of the planes perpendicular to their rectilinear generators have a shape described by a two-dimensional curve, where the constants are related to the lower and upper electrodes, respectively, and also has additional shielding electrodes , the contours of the boundaries of which are described by a function located at the ends of the electrodes of the energy analyzer, made in the form of cylindrical surfaces. Oh, the lower electrode containing the inlet and outlet openings can be made with an insert of dielectric material, for example fluoroplastic, located between the inlet and outlet openings, and equal in width to the width of these openings. And also the electrostatic energy analyzer additionally has a diaphragm connected to the lower electrode and made of the same material, which is located opposite the outlet of the energy analyzer on the bottom side of the lower electrode parallel to it.
Description
Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, образованных в результате воздействия рентгеновского излучения, ионного или электронного пучка на поверхность твердотельного изучаемого объекта и предназначено для регистрации этих энергетических спектров с целью определения состава и свойств веществ для исследования объектов микро- и наноэлектроники методами электронной, ионной и фотоэлектронной спектроскопии.The utility model relates to the field of energy analysis of charged particles formed as a result of exposure to x-ray radiation, an ion or electron beam on the surface of a solid-state object under study, and is intended for recording these energy spectra in order to determine the composition and properties of substances for studying objects of micro- and nanoelectronics by electronic methods, ion and photoelectron spectroscopy.
Аналогом заявляемой полезной модели является энергоанализатор, образованный двумя плоскими параллельными электродами с входным и выходным отверстиями в нижнем электроде, называемый в литературе анализатором с однородным электростатическим полем [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические анализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука, 1978. 224 с]. Между плоскими электродами подана тормозящая для анализируемых частиц разность потенциалов. Попадая в энергоанализатор через входное отверстие, частицы двигаются по дугообразным траекториям и покидают прибор через выходное отверстие. Анализатор отличается простотой конструкции, но его недостатком является невысокое значение дисперсии и удельной дисперсии (отношение дисперсии к величине главного аберрационного члена, зависящего от угла раствора пучка в плоскости дисперсии). Величина дисперсии, выраженная в долях базы прибора (расстояние между входным и выходным отверстием), составляет . У энергоанализатора существует режим работы с более острой фокусировкой второго порядка, но величина энергетической дисперсии при этом снижается до значения .An analogue of the claimed utility model is an energy analyzer formed by two flat parallel electrodes with inlet and outlet holes in the lower electrode, called in the literature an analyzer with a uniform electrostatic field [Afanasyev VP, Yavor S.Ya. Electrostatic analyzers for charged particle beams. M .: Nauka, 1978. 224 s]. A potential difference, which slows down for the analyzed particles, is applied between the flat electrodes. Entering the energy analyzer through the inlet, particles move along arcuate paths and leave the device through the outlet. The analyzer is simple in design, but its disadvantage is the low value of dispersion and specific dispersion (the ratio of dispersion to the value of the main aberration term, which depends on the angle of the beam in the dispersion plane). The dispersion value, expressed in fractions of the base of the device (the distance between the inlet and outlet), is . The energy analyzer has a mode of operation with sharper focusing of the second order, but the magnitude of the energy dispersion in this case decreases to a value .
Аналогом заявляемой полезной модели также является электростатический энергоанализатор коробчатого типа [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Светосильный энергоанализатор с двойной фокусировкой // Письма в Жур. тех. физики. 1975. Т. 1. №9. С. 779–783]. Он состоит из плоского заземленного электрода с входным и выходным отверстиями и «П»-образного, на который подан тормозящий потенциал, то есть прибор является анализатором зеркального типа. Траектории частиц в поле анализатора имеют форму дуги. В поперечном сечении анализатор представляет собой прямоугольник. При соответствующих соотношениях между длиной и высотой этого прямоугольника, а также при подходящем расстоянии между источником и нижним электродом удается добиться стигматической фокусировки второго порядка. Так, например, в частном случае при и фокусировка второго порядка обеспечивается при угле влета частиц . Недостаток: невысокая энергетическая дисперсия, составляющая в этом режиме .An analogue of the claimed utility model is also the box-type electrostatic energy analyzer [Afanasyev VP, Yavor S.Ya. A high-speed energy analyzer with double focusing // Letters to the Journal. those. physics. 1975.V. 1. No. 9. S. 779-783]. It consists of a flat grounded electrode with inlet and outlet openings and a “P” -shaped one, to which a braking potential is applied, that is, the device is a mirror-type analyzer. Particle trajectories in the analyzer field have an arc shape. In cross section, the analyzer is a rectangle. With appropriate ratios between the length and tall of this rectangle, as well as at a suitable distance between the source and the lower electrode it is possible to achieve a second-order stigmatic focus. So, for example, in the particular case when and second-order focusing is ensured at the angle of entry of particles . Disadvantage: low energy dispersion, component in this mode .
Аналогом заявляемой полезной модели также является энергоанализатор, состоящий из двух гиперболических цилиндрических электродов, между которыми приложена тормозящая разность потенциалов, обеспечивающая возврат частиц на внутренний электрод [Бредов М.М. Многокаскадный электростатический энергоанализтор с совмещенной пространственной фокусировкой в двух плоскостях // Жур. тех. физики. 1959. Т. 29. №8. С. 1032–1037]. Пара отверстий, прорезанных во внутреннем электроде, играют роль входного и выходного отверстия соответственно. Движение частиц происходит по дугообразным кривым. Недостатком прибора является невысокая величина энергетической дисперсии , что даже при малых входной и выходной апертурах существенно ограничивает величину удельной дисперсии.An analogue of the claimed utility model is also an energy analyzer, consisting of two hyperbolic cylindrical electrodes, between which a braking potential difference is applied, which ensures the return of particles to the internal electrode [MM Bredov Multistage electrostatic energy analyzer with combined spatial focusing in two planes // Journal. those. physics. 1959. T. 29. No. 8. S. 1032-1037]. A pair of holes cut in the inner electrode play the role of the inlet and outlet, respectively. Particle motion occurs along curved curves. The disadvantage of this device is the low energy dispersion , which even with small input and output apertures significantly limits the specific dispersion.
Аналогом заявляемой полезной модели также является энергоанализатор с цилиндрической формой электродов, который представляет собой цилиндр, разрезанный по образующим на две части, таким образом, что в плоскости перпендикулярной разрезам каждый из электродов имеет форму дуги [Овсянникова Л.П., Фишкова Т.Я. Энергоанализатор с цилиндрической формой электродов // Письма в Жур. тех. физики. 2004. Т. 30. №7. С. 36–41]. В различных исполнениях соотношение угловых размеров электродов может быть разным, но в любом варианте между электродами прикладывается тормозящая разность потенциалов, что обеспечивает движение частиц по дугообразным траекториям. Прибор относится к энергоанализаторам зеркального типа. Ввод и вывод частиц осуществляется через отверстия, прорезанные в одном из электродов. В устройстве энергетическая дисперсия может достигать существенных величин, но при этом велики аберрационные уширения, что приводит к снижению удельной дисперсии. Использование режимов с меньшим уровнем аберрационного размытия приводит к сильному снижению энергетической дисперсии до значений . Таким образом, недостаток известной конструкции: невозможность одновременно обеспечить высокую дисперсию и удельную дисперсию.An analogue of the claimed utility model is also an energy analyzer with a cylindrical shape of the electrodes, which is a cylinder cut into generators into two parts, so that in the plane perpendicular to the cuts, each of the electrodes has an arc shape [Ovsyannikova L.P., Fishkova T.Ya. Energy analyzer with a cylindrical shape of the electrodes // Letters in Journal. those. physics. 2004.V. 30. No. 7. S. 36–41]. In various versions, the ratio of the angular sizes of the electrodes may be different, but in any case, a braking potential difference is applied between the electrodes, which ensures the movement of particles along arcuate paths. The device belongs to mirror-type energy analyzers. The input and output of particles is carried out through holes cut into one of the electrodes. In the device, the energy dispersion can reach significant values, but at the same time, aberration broadenings are large, which leads to a decrease in the specific dispersion. Using modes with a lower level of aberration blur leads to a strong decrease in the energy dispersion to values . Thus, the disadvantage of the known design: the inability to simultaneously provide high dispersion and specific dispersion.
Аналогом заявляемой полезной модели также является электростатический энергоанализатор, полезадающие электроды которого выполнены в форме цилиндрических поверхностей. Внутренний электрод выполнен в виде двух примыкающих друг к другу и электрически соединенных полуцилиндров, а внешний электрод выполнен в виде двух цилиндрических поверхностей, смыкающихся по краям с внутренним электродом и квазипараллельных при удалении от него [Голиков Ю.К., Уткин К.Г., Григорьев Д.В. Обратные задачи теории электростатических энергоанализаторов. I // Жур. тех. физики. 1999. Т. 69. №9. С. 128–131, А.с. 544307 СССР. Электростатический энергоанализатор / Л.Н. Галль, Р.Н. Галль, Ю.К. Голиков, К.Г. Уткин : № 2091369/25 ; заявл. 03.01.75.]. Сечения перпендикулярные поверхностям электродов описываются уравнениемAn analogue of the claimed utility model is also an electrostatic energy analyzer, the falling electrodes of which are made in the form of cylindrical surfaces. The inner electrode is made in the form of two adjacent to each other and electrically connected half-cylinders, and the outer electrode is made in the form of two cylindrical surfaces that are closed at the edges with the inner electrode and quasi-parallel when removed from it [Golikov Yu.K., Utkin K.G., Grigoryev D.V. Inverse problems of the theory of electrostatic energy analyzers. I // Zh. those. physics. 1999.V. 69. No. 9. S. 128–131, A.S. 544307 USSR. Electrostatic energy analyzer / L.N. Gall, R.N. Gall, Yu.K. Golikov, K.G. Utkin: No. 2091369/25; declared 01/03/75.]. Sections perpendicular to the surfaces of the electrodes are described by the equation
где , – координаты; и – константы, причем относится к внутреннему электроду, а к внешнему электроду. Внутренний электрод также содержит входное и выходное отверстия, через которые проходит поток анализируемых частиц. К электродам прикладывается разный по значению потенциал. Таким образом, в объеме анализатора создается тормозящее поле, заставляющее двигаться частицы по дугообразным траекториям. Прибор обладает хорошими фокусирующими свойствами и может обеспечить высокий уровень энергетической дисперсии и удельной дисперсии. Недостатком конструкции являются неучтенные при расчетах паразитные краевые поля, а также весьма сложная форма электрода, через который осуществляется ввод и вывод анализируемых частиц.Where , - coordinates; and Are constants, moreover refers to the internal electrode, and to the external electrode. The inner electrode also contains an inlet and an outlet through which a stream of analyte particles passes. Different potentials are applied to the electrodes. Thus, a braking field is created in the analyzer volume, which forces the particles to move along arcuate paths. The device has good focusing properties and can provide a high level of energy dispersion and specific dispersion. A design flaw is the parasitic edge fields unaccounted for in the calculations, as well as the very complicated shape of the electrode through which the input and output of the analyzed particles is carried out.
Аналогом заявляемой полезной модели также является электростатический энергоанализатор, являющийся составным элементом электростатического спектрометра угловых и энергетических распределений заряженных частиц по авторскому свидетельству № 1150680 [А.с. 1150680 СССР. Электростатический спектрометр угловых и энергетических распределений заряженных частиц / М.А. Бережковский, Ю.К. Голиков, В.Ю. Коломенков, А.А. Майоров, С.И. Слепышков, В.А. Федотов, Н.А. Холин, В.А. Павленко : № 3649172/24-21 ; заявл. 03.10.83 ; опубл. 15.04.85, Бюл. № 14]. Энергоанализатор содержит электроды, выполненные в виде цилиндрических поверхностей с сечениями в каждой из плоскостей перпендикулярной их прямолинейным образующим, являющимися лемнискатами Бернулли, то есть алгебраическими кривыми, задающимися уравнениемAn analogue of the claimed utility model is also an electrostatic energy analyzer, which is a component of an electrostatic spectrometer of angular and energy distributions of charged particles according to copyright certificate No. 1150680 [A.S. 1150680 USSR. Electrostatic spectrometer of angular and energy distributions of charged particles / M.A. Berezhkovsky, Yu.K. Golikov, V.Yu. Kolomenkov, A.A. Mayorov, S.I. Slepyshkov, V.A. Fedotov, N.A. Kholin, V.A. Pavlenko: No. 3649172 / 24-21; declared 10/03/83; publ. 04/15/85, Bull. No. 14]. The energy analyzer contains electrodes made in the form of cylindrical surfaces with sections in each of the planes perpendicular to their rectilinear generators, which are Bernoulli lemniscates, that is, algebraic curves given by the equation
где , – координаты; и – константы, причем относится к внутреннему электроду, а к внешнему электроду. Во внутреннем электроде прорезаны входное и выходное отверстия. Лемнискаты имеют разные фокусы и общую узловую точку, при этом узловая точка и фокусы обеих кривых лежат на одной прямой. Между электродами прикладывается тормозящее поле, то есть анализатор является анализатором зеркального типа, который по форме может быть назван лемнискатическим зеркалом. Движение частиц в поле прибора происходит по дуге. При вводе потока заряженных частиц под углом к оси анализатора величина энергетической дисперсии составляет . Недостатком указанного спектрометра является невысокое качество фокусировки и как следствие невысокая удельная дисперсия, а также необходимость вводить и выводить пучок через узкие щели, что ограничивает светосилу прибора.Where , - coordinates; and Are constants, moreover refers to the internal electrode, and to the external electrode. The inlet and outlet openings are cut in the inner electrode. The lemniscates have different foci and a common nodal point, while the nodal point and the foci of both curves lie on one straight line. A braking field is applied between the electrodes, that is, the analyzer is a mirror-type analyzer, which in shape can be called a lemniscatic mirror. The movement of particles in the field of the device occurs along an arc. When entering the flow of charged particles at an angle the magnitude of the energy dispersion to the analyzer axis is . The disadvantage of this spectrometer is the low quality of focusing and, as a consequence, the low specific dispersion, as well as the need to enter and output the beam through narrow slits, which limits the luminosity of the device.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является анализатор типа «двугранный угол» по авторскому свидетельству № 1150680 [А.с. 865049 СССР. Электростатический энергоанализатор заряженных частиц / Т.Я. Фишкова : № 2921173/18-25 ; заявл. 05.05.80 ; опубл. 15.04.82, Бюл. № 14]. Устройство состоит из двух электродов, один из которых выполнен в виде двугранного угла величиной , а другой содержит входное и выходное отверстия и расположен внутри первого симметрично относительно плоскости, проходящей через ребро двугранного угла и делящей его пополам. Между электродами прикладывается тормозящее поле, под действием которого частицы движутся по дугообразным траекториям. Прибор относится к анализаторам зеркального типа. Устройство способно обеспечивать работу с уровнем энергетической дисперсии . Недостатком является то, что в расчетах не учтены эффекты краевых полей, чье влияние в условиях больших входной и выходной апертур приведет к сильному аберрационному размытию сфокусированного пучка, следствием которого будет существенное снижение удельной дисперсии.The closest analogue of the claimed utility model (prototype) is an analyzer of the type "dihedral angle" according to copyright certificate No. 1150680 [A.S. 865049 USSR. Electrostatic energy analyzer of charged particles / T.Ya. Fishkova: No. 2921173 / 18-25; declared 05/05.80; publ. 04/15/82, Bull. No. 14]. The device consists of two electrodes, one of which is made in the form of a dihedral angle of magnitude and the other contains the inlet and outlet openings and is located inside the first symmetrically relative to the plane passing through the edge of the dihedral angle and dividing it in half. A braking field is applied between the electrodes, under the influence of which the particles move along arched paths. The device belongs to mirror-type analyzers. The device is able to provide work with the level of energy dispersion . The disadvantage is that the calculations do not take into account the effects of edge fields, whose influence under conditions of large input and output apertures will lead to strong aberration blurring of the focused beam, which will result in a significant decrease in specific dispersion.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства с высокой дисперсией и удельной дисперсией.The technical problem to which the proposed utility model is directed is the creation of a device with high dispersion and specific dispersion.
Техническим результатом реализации предлагаемой полезной модели является улучшение функциональных характеристик анализатора, а именно увеличение дисперсии как минимум в 2.6 раза и удельной дисперсии от 486% до 688%.The technical result of the implementation of the proposed utility model is to improve the functional characteristics of the analyzer, namely an increase in dispersion of at least 2.6 times and specific dispersion from 486% to 688%.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что электростатический энергоанализатор заряженных частиц, содержит два электрода, выполненных в форме цилиндрических поверхностей, которые в каждой из плоскостей, перпендикулярной их прямолинейным образующим, имеют форму, описываемую двумерной кривой The solution to this technical problem is achieved by the fact that the electrostatic energy analyzer of charged particles contains two electrodes made in the form of cylindrical surfaces, which in each of the planes perpendicular to their rectilinear generators have a shape described by a two-dimensional curve
где и константы, относящиеся к нижнему и верхнему электроду соответственно, причем , а также имеет дополнительные экранирующие электроды, контура границ которых описываются функциейWhere and constants related to the lower and upper electrode, respectively, and , and also has additional shielding electrodes, the contours of the boundaries of which are described by the function
расположенные с торцов электродов энергоанализатора, выполненных в форме цилиндрических поверхностей.located at the ends of the electrodes of the energy analyzer, made in the form of cylindrical surfaces.
Кроме того, нижний электрод, содержащий входное и выходное отверстия, может быть выполнен со вставкой из диэлектрического материала, например фторопласта, расположенной между входным и выходным отверстиями, и по ширине равной ширине этих отверстий.In addition, the lower electrode containing the inlet and outlet openings can be made with an insert of dielectric material, for example fluoroplastic, located between the inlet and outlet openings, and with a width equal to the width of these openings.
А также электростатический энергоанализатор дополнительно имеет диафрагму, соединенную с нижним электродом и выполненную из такого же материала, которая расположена напротив выходного отверстия энергоанализатора с нижней стороны нижнего электрода параллельно ему.And also the electrostatic energy analyzer additionally has a diaphragm connected to the lower electrode and made of the same material, which is located opposite the outlet of the energy analyzer on the bottom side of the lower electrode parallel to it.
Авторами установлено, что предлагаемый электростатический энергоанализатор обеспечивает новое распределение электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц, приводящее к достижению технического результата – увеличению дисперсии и удельной дисперсии.The authors found that the proposed electrostatic energy analyzer 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 technical result - an increase in dispersion and specific dispersion.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже (фиг. 1), где представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит электроды электростатического энергоанализатора 1 и 2, дополнительные экранирующие электроды 5 – 14, а также диафрагму 3, соединенную с электродом 1 и выполненную из такого же материала, и расположенную напротив выходного отверстия энергоанализатора с нижней стороны электрода 1 параллельно ему. Часть электрода 1, расположенная между входным и выходным отверстиями, и по ширине равная ширине этих отверстий, может быть выполнена из диэлектрического материала, например фторопласта, и обозначена на чертеже под номером 4.The essence of the utility model is illustrated in the drawing (Fig. 1), which shows a diagram of the proposed device. The device contains electrodes of the
Электроды 1 и 2 выполняются в виде двух цилиндрических поверхностей с сечениями, описываемыми уравнением The
где , – координаты; и – константы, причем индекс «1» относится к нижнему электроду 1, а индекс «2» к верхнему электроду 2. Значения констант и задают форму нижнего и верхнего электрода соответственно. Минимальные геометрические размеры энергоанализатора ограничены областью применимости законов электронной оптики. Нижний электрод 1 заземляется, а на верхний подается тормозящий для анализируемых частиц потенциал , тем самым между электродами 1 и 2 создается тормозящая для анализируемых частиц разность потенциалов .Where , - coordinates; and - constants, and the index "1" refers to the
Важной составляющей частью энергоанализатора являются дополнительные экранирующие электроды 5 – 14. Каждый из электродов 5 – 14 представляет собой дугообразную секцию, криволинейная граница которой описывается уравнениемAn important component of the energy analyzer is
где , – координаты; и – константы, причем индекс «н» относится к нижней границе секции, а индекс «в» к верхней границе секции. Каждая секция удовлетворяет условию . На каждую секцию подается потенциал для компенсации краевых полей электростатического анализатора. На значения потенциалов накладываются условия , , , , . Конкретная величина потенциалов подбирается в условиях эксперимента.Where , - coordinates; and - constants, and the index "n" refers to the lower boundary of the section, and the index "b" to the upper boundary of the section. Each section satisfies the condition . A potential is applied to each section to compensate for the marginal fields of the electrostatic analyzer. Potential values impose conditions , , , , . The specific value of the potentials is selected in the experimental conditions.
Дополнительно к нижнему электроду 1 на фиксированном расстоянии от его нижней границы может быть присоединена диафрагма 3. Диафрагма 3 представляет собой пластину с отверстием, через которое проходит анализируемый поток частиц.In addition to the
Энергоанализатор работает следующим образом. Через входное отверстие энергоанализатора вводится пучок анализируемых частиц. Между электродами 1 и 2 электростатического энергоанализатора создана тормозящая для анализируемых частиц разность потенциалов . Траектории частиц в тормозящем поле представляют собой дугообразные кривые, сконцентрированные вблизи продольной плоскости симметрии 15. Электростатический энергоанализатор ввиду своих сильных диспергирующих свойств разделяет поток на моноэнергетические составляющие и фокусирует одну из них на выходное отверстие нижнего электрода 1. Покидая объем анализатора через выходное отверстие, частицы проходят через диафрагму 3. Развертка энергетического спектра осуществляется путем изменения значения потенциала , обеспечивая последовательное прохождение каждой моноэнергетической компоненты через выходное отверстие энергоанализатора. Дополнительные экранирующие электроды 5 – 14 компенсируют паразитное влияние краевых полей электростатического энергоанализатора, что позволяет добиться высоких фокусирующих свойств и, следовательно, высокой удельной дисперсии. Для сохранения оптимальных условий фокусировки при осуществлении развертки спектра путем изменения потенциала напряжения, поданные на электроды 5 – 14, также должны согласованно изменяться, сохраняя отношения потенциалов , , , , и потенциала неизменными. Наличие диафрагмы 3 позволяет осуществлять дополнительную сепарацию частиц по энергии. Кроме того, входное и выходное отверстия прорезаются в нижнем электроде в области, где форма электрода близка к плоской поверхности и где поле наиболее слабо, что вносит наименьшие паразитные искажения в распределение электростатического потенциала и позволяет анализировать пучки как конической, так и ленточной формы. Компьютерное моделирование в существующих на данный момент программных продуктах для траекторного анализа движения заряженных частиц в электрических полях показывает, что замена части нижнего электрода, расположенной между входным и выходным отверстиями, и по ширине равной ширине этих отверстий, диэлектрическим материалом, например, фторопластом, приводит к повышению удельной дисперсии заявленного в полезной модели анализатора.Energy analyzer works as follows. A beam of analyzed particles is introduced through the inlet of the energy analyzer. Between
Возможны различные варианты выбора формы и электрического управления предлагаемого энергоанализатора, причем оптимальность данного выбора зависит от конкретных условий эксперимента.There are various options for choosing the form and electrical control of the proposed energy analyzer, and the optimality of this choice depends on the specific conditions of the experiment.
Пример 1.Example 1
Рассмотрим случай, когда исследуется поток отрицательно заряженных частиц. Пусть средний угол ввода частиц в анализатор в плоскости симметрии по отношению к нижнему электроду составляет , полная апертура пучка в плоскости симметрии равна . При таких входных параметрах пучка целесообразно подчинить форму энергоанализатора следующим условиям. Нижний электрод выбирается таким образом, чтобы его форма вблизи плоскости симметрии 15 была близка к плоской поверхности. Такой форме отвечает выражение Consider the case when the flow of negatively charged particles is investigated. Let the average angle of particle entry into the analyzer in the plane of symmetry with respect to the lower electrode be , the full aperture of the beam in the plane of symmetry is . With such input parameters of the beam, it is advisable to subordinate the shape of the energy analyzer to the following conditions. The lower electrode is selected so that its shape near the plane of
где – расстояние между центрами входного и выходного отверстий, а единицы измерения величин и совпадают с единицами измерения . Форма верхнего электрода определяется максимальной высотой подъема потока частиц с заданными средним углом ввода и апертурой, и с энергией настройки, отвечающей заданному значению потенциала . С учетом запаса по высоте в 10% форма верхнего электрода задается выражениемWhere - the distance between the centers of the inlet and outlet, and units of measurement and coincide with units . The shape of the upper electrode is determined by the maximum height of the particle flow with a given average input angle and aperture, and with a tuning energy corresponding to a given potential value . Taking into account a margin of 10% in height, the shape of the upper electrode is given by
Нижний электрод 1 заземлен, а на верхний электрод 2 подано напряжение . При таких параметрах энергоанализатор будет пропускать и фокусировать моноэнергетическую компоненту потока отрицательных частиц, отвечающую энергии 75 эВ.The
В результате компьютерного моделирования установлено, что наилучшие качество фокусировки обеспечит набор экранирующих электродов, состоящий из 5 пар секций, границы которых описываются следующими кривыми.As a result of computer simulation, it was found that the best focusing quality will be ensured by a set of shielding electrodes, consisting of 5 pairs of sections, the boundaries of which are described by the following curves.
Секции 13 и 14: нижняя граница
верхняя границаupper bound
Секции 11 и 12: нижняя граница
верхняя границаupper bound
Секции 9 и 10: нижняя граница
верхняя границаupper bound
Секции 7 и 8: нижняя граница
верхняя границаupper bound
Секции 5 и 6: нижняя граница
верхняя границаupper bound
Компьютерным моделированием установлено, что для обеспечения наилучшего качества фокусировки пучка потенциалы на дополнительных экранирующих электродах должны быть распределены следующим образом: , , , ; . При таких условиях эксперимента энергетическая дисперсия прибора, выраженная в единицах , составляет , а удельная дисперсия . По сравнению с прототипом энергетическая дисперсия увеличилась более чем в 2.5 раза, а удельная дисперсия более чем в 4 раза.Computer simulation found that, to ensure the best quality of beam focusing, the potentials on additional shielding electrodes should be distributed as follows: , , , ; . Under such experimental conditions, the energy dispersion of the device, expressed in units is , and specific dispersion . Compared to the prototype, energy dispersion increased by more than 2.5 times, and the specific dispersion more than 4 times.
Пример 2.Example 2
Те же условия, что и в примере 1, но напротив выходного отверстия энергоанализатора дополнительно установлена диафрагма 3 на расстоянии ниже границы электрода 1. Энергетическая дисперсия составляет , удельная дисперсия . The same conditions as in example 1, but opposite the outlet of the energy analyzer an
Пример 3.Example 3
Такие же условия, как и в примере 1 с тем отличием, что часть нижнего электрода 1, расположенная между входным и выходным отверстиями, и по ширине равная ширине этих отверстий, заменена диэлектрическим материалом. Энергетическая дисперсия составляет , удельная дисперсия .The same conditions as in example 1 with the difference that the part of the
Пример 4.Example 4
Те же условия, что и в примере 3, но напротив выходного отверстия энергоанализатора дополнительно установлена диафрагма 3 на расстоянии ниже границы электрода 1. Энергетическая дисперсия составляет , удельная дисперсия .The same conditions as in example 3, but opposite the outlet of the energy analyzer an
Сравнение параметров предлагаемого устройства и прототипа приведено в таблице 1.A comparison of the parameters of the proposed device and the prototype are shown in table 1.
Таким образом, предлагаемый электростатический энергоанализатор за счет нового распределения электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц позволяет получить увеличение удельной дисперсии более чем в 4 раза по сравнению с прототипом одновременно с ростом дисперсии в 2.6 раза. Использование диафрагмы с целью дополнительной сепарации частиц обеспечивает рост удельной дисперсии на 524% по отношению к прототипу. При этом дисперсия увеличивается в 2.6 раза. Возможен вариант энергоанализатора, когда часть электрода, содержащего входное и выходное отверстия, расположенная между входным и выходным отверстиями, и по ширине равная ширине этих отверстий, выполнена из диэлектрического материала. Рост дисперсии и удельной дисперсии по сравнению с прототипом составляет 269% и 649% соответственно. Добавление диафрагмы, соединенной с электродом, содержащим входное и выходное отверстия, и находящейся с нижней стороны электрода напротив выходного отверстия энергоанализатора, обеспечивает увеличение удельной дисперсии на 688% относительно прототипа при сохранении выигрыша по уровню дисперсии.Thus, the proposed electrostatic energy analyzer due to the new distribution of electric fields in the region of passage of the studied beams of charged particles allows to obtain an increase in specific dispersion by more than 4 times compared with the prototype simultaneously with a dispersion increase of 2.6 times. Using a diaphragm for the purpose of additional separation of particles provides an increase in specific dispersion of 524% relative to the prototype. In this case, the dispersion increases by 2.6 times. A variant of the energy analyzer is possible when the part of the electrode containing the inlet and outlet openings located between the inlet and outlet openings and equal in width to the width of these openings is made of dielectric material. The growth of dispersion and specific dispersion compared with the prototype is 269% and 649%, respectively. Adding a diaphragm connected to the electrode containing the inlet and outlet, and located on the lower side of the electrode opposite the outlet of the energy analyzer, provides an increase in specific dispersion of 688% relative to the prototype while maintaining a gain in the level of dispersion.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017147063U RU180089U1 (en) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | Electrostatic energy analyzer of charged particles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017147063U RU180089U1 (en) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | Electrostatic energy analyzer of charged particles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU180089U1 true RU180089U1 (en) | 2018-06-04 |
Family
ID=62561033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017147063U RU180089U1 (en) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | Electrostatic energy analyzer of charged particles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU180089U1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1150680A1 (en) * | 1983-10-03 | 1985-04-15 | Ордена Трудового Красного Знамени Специальное Конструкторское Бюро Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср | Electrostatic spectrometer of angular and energy distributions of charged particles |
WO2012007267A2 (en) * | 2010-07-13 | 2012-01-19 | Shimadzu Corporation | Charged particle energy analysers and methods of operating charged particle energy analysers |
US8981292B2 (en) * | 2011-04-28 | 2015-03-17 | National University Of Singapore | Parallel radial mirror analyser with an angled zero-volt equipotential exit grid for scanning electron microscopes |
US9396922B2 (en) * | 2011-10-28 | 2016-07-19 | Leco Corporation | Electrostatic ion mirrors |
-
2017
- 2017-12-29 RU RU2017147063U patent/RU180089U1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1150680A1 (en) * | 1983-10-03 | 1985-04-15 | Ордена Трудового Красного Знамени Специальное Конструкторское Бюро Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср | Electrostatic spectrometer of angular and energy distributions of charged particles |
WO2012007267A2 (en) * | 2010-07-13 | 2012-01-19 | Shimadzu Corporation | Charged particle energy analysers and methods of operating charged particle energy analysers |
US8981292B2 (en) * | 2011-04-28 | 2015-03-17 | National University Of Singapore | Parallel radial mirror analyser with an angled zero-volt equipotential exit grid for scanning electron microscopes |
US9396922B2 (en) * | 2011-10-28 | 2016-07-19 | Leco Corporation | Electrostatic ion mirrors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69230174T2 (en) | FLIGHT TIME MASS SPECTROMETER WITH AN OPENING TO COMPENSATE TRANSMISSION CAPACITY AND RESOLUTION | |
DE102013005173B4 (en) | Measuring device and method for detecting a pulse distribution of charged particles | |
EP3324421A1 (en) | Electrostatic lens, and parallel beam generation device and parallel beam convergence device which use electrostatic lens and collimator | |
DE102012202993A1 (en) | Ion cutter with acceleration and deceleration optics | |
RU180089U1 (en) | Electrostatic energy analyzer of charged particles | |
DE102007024353A1 (en) | Monochromator and beam source with monochromator | |
DE2213719A1 (en) | Device for spectroscopy with charged particles | |
DE102014115034B4 (en) | Time-of-flight mass spectrometer with spatial focusing of a broad mass range | |
DE2340372A1 (en) | DOUBLE FOCUSING MASS SPECTROMETER HIGH ENTRANCE APERTURE | |
DE2705430C3 (en) | Electrostatic analyzer for charged particles | |
DE112018007343B4 (en) | DEVICE USING A BEAM OF CHARGED PARTICLES | |
Sise et al. | Characterization and modeling of multi-element electrostatic lens systems | |
RU169336U1 (en) | ELECTROSTATIC CHARGED PARTICLE ENERGY ANALYZER | |
RU2327246C2 (en) | Electrostatic energy analyser for parallel stream of charged particles | |
DE2659385C3 (en) | Ion microprobe analyzer | |
RU2294579C1 (en) | Analyzer of energies of charged particles | |
DE19636797A1 (en) | Highest resolution geometry for linear time-of-flight mass spectrometers | |
RU176329U1 (en) | ELECTROSTATIC CHARGED PARTICLE ENERGY ANALYZER | |
DE2420656C3 (en) | Device for electron beam evaporation | |
CN203521367U (en) | Ion optical device and ion source | |
Smolanoff et al. | Use of a quadrupole mass filter for high energy resolution ion beam production | |
RU136237U1 (en) | ANALYZER OF ENERGIES AND MASSES OF CHARGED PARTICLES | |
Ogawa et al. | A new monochromator with multiple offset cylindrical lenses 2: Aberration analysis and its applications | |
DE102005031537B4 (en) | Imaging energy filter for charged particles, in particular electrons | |
Fishkova | Electrostatic spectrograph with a wide range of simultaneously recorded energies composed of two coaxial electrodes with closed end faces and a discrete combined external electrode |