SU1304106A1 - Электронный спектрометр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области электронной спектрометрии и к масс- спектрометрам. Цель изобретени  - увеличение площади сканировани  образца на базе кназиконического энергоанализатора - достигаетс  за счет введени  дополнительного поворотного устройства, упрощени  конструкции и снижени  вторично-эмиссионных эффектов. Устройство содержит образец 1, первый 2 и второй 3 электроды поворотного устройства, внутренний 4 и внешний 5 электроды энергоанализатора, источники 8 облучени , выходную диафрагму 9, электронный умножитель 10, систему 11 управлени , сбора и обработки информации . Электроды 2 и 3 выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нит ми. Введение малогабаритного поворотного устройства позвол ет фокусировать при малых аберраци х зар женные частицы , эмиттированные с большой площади образца. При этом обеспечиваетс  электронна  настройка спектрометра в режимы наибольшей чувст- . вительности и предельного разрешени . 2 з.п.ф-лы. 3 ил. i СЛ 1 о о 05 7О-ГГ фuгf

Description

Изобретение относитс  к области электрониой спектроскопии и масс- спектрометрии.

Цель изобретени  - увеличение площади сканировани  образца электронного спектрометра на базе квазиконического энергоанализатора за счет введени  дополнительного поворотного устройства, а также упрощение конструкции и снижение вторично-эмиссионных эффектов, св занных с кра ми щелей.

На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 - диаграммы, по сн ющие его работу.

Устройство содержит образец 1 , первый электрод 2 поворотного устройства , второй электрод 3 поворотного устройства, размещенньй4 за перразующеес  при разности потенциалов между этими электродами. В этом поле происходит отклонение частиц, которые вход т затем через входную

5 щель в знергоанализатор под углом об к оси Z с угловым раствором uei-.B зависимости от режима работы пово- ротного устройства касательные к электронным траектори м в области

О входной щели сход тс  на точечном или кольцевом мнимом изображении, так что сам эИергоанализатор как бы рассматривае т мнимый источник, оптимально по отношению к нему рас 5 положенный. Пройд  через входную щель 6 энергоакализатора, частицы диспергируютс  и фокусируютс  в поле , образующемс  при подаче разности потенциалов между внутренним 4 и

вым электродом 2, внутренний электрод 20 внешним 5 электродами. Моноэнергети- 4 энергоанализатора, установленный снаружи от электродов 2 и 3, внешний электрод 5 энергоанализатора, установленный снаружи от электрода 4, входную 6 и выходную 7 щели, выполненные в электроде 4, источники 8 облучени , приемную щель в выходной диафрагме 9, электронный умножитель 10, установленный за диафрагмой 9, систему управлени , сбора и обработки информации (СУСОИ) 11,

Первый электрод 2 поворотного устройства вьтолнен в виде сплошного конуса с двум  кольцевыми щел ми . либо в виде сетки из металлических Нитей, нат нутых по образующим конуса и лежащих в тех же меридиональных плоскост х, что и нити, зат гивающие входную и выходную щели во внутреннем электроде энергоанализатора.

Второй электрод 3 поворотного устройства в режиме создани  им мнимого кольцевого изображени  может быть выполнен также в виде конической сетки с определенным углом раствора, что существенно снижает вторично- эмиссионные эффекты и увеличивает соотношение сигнал - шум спектрометра , не ухудша  разрешени .

Устройство работает следующим образом. I

Зар женные частицы, испускаемые

образцом 1 под воздействием источников 8 облучени , под углом f к оси и с раствором и и попадают в область между электродами 2 и 3 поворотного устройства, в котором действует тормоз щее электрическое поле, обческий пу юк, концентрирующийс  вблизи осевой траектории, через выходную щель 7 выводитс  в дрейфовое пространство,попадает затем в прием ную щель диафрагмы 9 и регистрируетс  электронным умножителем и СУСОИ 11.

Выражение потенциала, послужившее дп  определени  формы полезадающих электродов (фиг,2), получено из сле30 дующих теоретических соображений. I .

Известно, что плоское зеркало в зависимости от угла ввода и энергии пучка из дрейфового пространства осу ществл ет действительную либо мнимую фокусировку с легко рассчитьшаемыми параметрами. Дл  построени  осесим- метричной системы, в которой реализуетс  поле с характеристиками, подоб40 ными плоскому зеркалу в области,

прилегающей к заранее заданному осе- симметричному эквипотенциальному конусу , угол раствора которого должен был варьироватьс  в широких пределах,

45 была сформулирована задача Коши дл  осесимметричного уравнени  Лапласа со следующими услови ми: найти решение Р(р,у) осесимметричного уравнени  Лапласа, которое в пол рных

50 координатах р 4г + Z if

arctg имеет вид -3-Tp f)

. эочар

55

9pN ар

sin

У 9у

лXJ

(sin |)0, (1)

обращающеес  в О на заданном конусе ср и, кроме того, ш 1еющее посто нную вдоль всей образующей нормаль- ную компоненту пол  Е„, Нормальна  к

разующеес  при разности потенциалов между этими электродами. В этом поле происходит отклонение частиц, которые вход т затем через входную

щель в знергоанализатор под углом об к оси Z с угловым раствором uei-.B зависимости от режима работы пово- ротного устройства касательные к электронным траектори м в области

входной щели сход тс  на точечном или кольцевом мнимом изображении, так что сам эИергоанализатор как бы рассматривае т мнимый источник, оптимально по отношению к нему расположенный . Пройд  через входную щель 6 энергоакализатора, частицы диспергируютс  и фокусируютс  в поле , образующемс  при подаче разности потенциалов между внутренним 4 и

0 внешним 5 электродами. Моноэнергети-

ческий пу юк, концентрирующийс  вблизи осевой траектории, через выходную щель 7 выводитс  в дрейфовое пространство,попадает затем в приемную щель диафрагмы 9 и регистрируетс  электронным умножителем и СУСОИ 11.

Выражение потенциала, послужившее дп  определени  формы полезадающих электродов (фиг,2), получено из сле0 дующих теоретических соображений. I .

Известно, что плоское зеркало в зависимости от угла ввода и энергии пучка из дрейфового пространства осу ществл ет действительную либо мнимую фокусировку с легко рассчитьшаемыми параметрами. Дл  построени  осесим- метричной системы, в которой реализуетс  поле с характеристиками, подоб0 ными плоскому зеркалу в области,

прилегающей к заранее заданному осе- симметричному эквипотенциальному конусу , угол раствора которого должен был варьироватьс  в широких пределах,

5 была сформулирована задача Коши дл  осесимметричного уравнени  Лапласа со следующими услови ми: найти решение Р(р,у) осесимметричного уравнени  Лапласа, которое в пол рных

0 координатах р 4г + Z if

arctg имеет вид -3-Tp f)

. эочар

5

9pN ар

sin

У 9у

лXJ

(sin |)0, (1)

обращающеес  в О на заданном конусе ср и, кроме того, ш 1еющее посто нную вдоль всей образующей нормаль- ную компоненту пол  Е„, Нормальна  к

313041

градиента потенциоординатах имеет

(2)

3

const

(3)

заведомо выполнитс , если удастс  найти решение дл  (1) вида

9 pf(y).W

Действительно, величина

Еп -(4 -Ц (5) не зависит от р и, следовательно, при Ч const Е const также

Подстановка предполагаемой формы решени  (4) в (l) дает дл  f обыкновенное дифференциальное уравнение, которое  вл етс  уравнением функций Лежандра с нулевым индексом

.(

25

f + ctgcf . f + 2f 0. (6) Общий интеграл дл  (6) имеет вид J C,cosqj + Cj 1 + cosq In tg |j

(7) 30

И, следовательно, искомый потенциал (7) {4) должен иметь вид

Р ,cosq + + coscf In tg |).

(8)

Подчинив теперь эту функцию услови м

Ф/ -F -fr tf-q-o р 3(

35

40

можно получить равенства

i o

C,coscf + C, ч- coscfo In tg -|) 0,

fp

+ q(sintfo In tg - .

Реша  эту алгебраическую систему относительно посто нных С и С, можно получить

.ln tg 4 o/2 5 i п q o cosTf о Е

С, Е

i Т + tg cfo

Таким образом, имеетс  возможность построить поле, однородное вдоль всей образующей конуса ( Cfд и прак13041

нциет

fO

15

 

5) , акже.

рмы 20 кное , ций

25

6) j

7) 30

иал

|).

ви35

40

0,

45

50

9)

55

ность рак064

тически не мен ющеес  в достаточно узком слое, прилегающем к этому эквипотенциальному конусу. Электронно- оптические характеристики такой системы очень близки к плоскому зеркалу , если только траектории не заход т слишком далеко от конуса Cf . Эквипотенциалы пол  представл ют собой поверхности вращени , проход щие через вершину конуса, причем вдали от оси симметрии они посто нно превращаютс  в конусы, параллельные начальному (cf), а при приближении к началу координат выт гиваютс  в иглу. Дп  реализации этого пол  нужно вз ть Какую-нибудь эквипотен- циаль Р Cj, тогда ее уравнение имеет вид

р(С, С,(1 + coscf In tg |)j

Сз, где С, и С вз ты из (9).

Отсюда и получают выражение дл  точной формы полезадающего электрода поворотного устройства.

Величина С имеет нагл дный физический смысл геометрического фактора, определ ющего максимальное рассто ние вдоль оси Z между электродами 2 и 3 поворотного устройства (фиг.З), характеризует габариты.этого устройства и дл  практически интересных случаев реализации может быть выбрана в зависимости от конкретных требований к габаритам из диапазона значений 0,1 С ,2.

Положение вершины конического электрода на оси Z (точка А) определ етс  выражением

. .ZA - ZD Гд ctgtfo- 2S,

гле S есть отрезок PQ, т.е. ширина входной щели в электроде 4 квазиконического энергокатализатора (фиг.2).

Положение вершины конуса не слишком критично сказываетс  на работе поворотного устройства, та.к как зеркальный режим его работы допускает перемещение зеркала параллельно . самому себе в пределах величины .

Угол cpQ в каждом конкретном случае практической реализации опреде- л етсА через углы в и об ввода осевой траектории соответственно в поворотное устройство и в квазиконический энергоанализатор (фиг.2). Точка L - место пересечени  осевой траектории с внешним электродом 2 поворотного

51304106

устройства, где прорезаетс  входна  , п;ель поворотного устройства, об - угол вывода осевой траектории из поворотного устройства через электрод 2 в точке К. Здесь прорезаетс  5 выходна  щель поворотного устройства, 0(, - угол касательной к траектории в точке К, Этот же угол об  вл етс  углом ввода осевой траектории во входную щель PQ квазиконического Ф энергоанализатора, прорезанную в электроде 4 этого анализатора в соответствии с выбранным режимом его работы , об - угол касательной к траектории в точке D (середина щели с коор- 5

D не менее чем в 2,5 раза больше, а не менее чем в 4 раза меньше соответствуюпщх значений цилиндрического зеркала. Таким образом, в предлагаемом устройстве теоретически достижима разрешающа  способность R не менее чем в 10 раз больша , чем в цилиндрическом зеркале (если у цилиндрического зеркала 1/R 1, то здесь I/R|(g 0,1 %). При этом одZD ).

динатами Гд,

Диапазон углов 70 t б 90 определ етс  выбором режима работы квазиконического энергоанализатора (режим фокусировки: мнимое кольцо - ось) в соответствии с теорией его работы.

Диапазон углов 10 6 и; 30 определ етс  взаимным расположением

20

новременно площадь сканировани  увеличиваетс  в -:5 раз, где М - линей-

ное увеличение поперечного размера источника частиц. Поскольку в данном случае /М/ 0,1, как это следует из построени  изо(5ражени  источника на основе расчета траекторий, то увеличение площади будет не менее чем в 100 -раз, т.о. вместо 0,2 Х0,2 мм будет 2«2 мм.

Конкретна  реализаци  устройства позвол ет измен ть рассто ние от образца до энергоанализатора в диавходной щели квазиконического энерго- пазоне 0-30 мм без изменени  разреанализатора и исследуемого источника

зар женных частиц (образца) с учетом

необходимости максимального удалени 

последнего от входа в анализатор

(дл  обеспечени  свободы манипул ций

с образцом 1).

Указанные диапазоны углов oi и р дают диапазон возможных углов дл  величины Срд в соответствии с форму30

шени  и при очень слабом вли нии на положение спектральных линий. Размеры змиттирующего участка образца , отображаемого без искажений в анализируемых электронах, составл ет 22 мм, что на два пор дка превосходит обычно используемое цилиндрическое зеркало таких же габаритов и на пор док превосходит цилиндричеслой

СР 2

40 tfo 60 . Эта формула легко находитс  из очевидных геометрических соотношений

между углами (фиг.

,

.

Исключа  угол Y из системы, наход т приведенную св зь между углами ai , |3

ИЦ оОжидаемый эффект прогнозируетс  с очевидностью на основе следующей оценкиi Как известно, разрешающа  способность R

«

где D - дисперси ;

А - аберрационное утирание изображени  источника. Из теории квазиконического энергоанализатора следует, что дл  него

D не менее чем в 2,5 раза больше, а не менее чем в 4 раза меньше соответствуюпщх значений цилиндрического зеркала. Таким образом, в предлагаемом устройстве теоретически достижима разрешающа  способность R не менее чем в 10 раз больша , чем в цилиндрическом зеркале (если у цилиндрического зеркала 1/R 1, то здесь I/R|(g 0,1 %). При этом од

новременно площадь сканировани  увеличиваетс  в -:5 раз, где М - линей-

ное увеличение поперечного размера источника частиц. Поскольку в данном случае /М/ 0,1, как это следует из построени  изо(5ражени  источника на основе расчета траекторий, то увеличение площади будет не менее чем в 100 -раз, т.о. вместо 0,2 Х0,2 мм будет 2«2 мм.

Конкретна  реализаци  устройства позвол ет измен ть рассто ние от образца до энергоанализатора в диапазоне 0-30 мм без изменени  разре

шени  и при очень слабом вли нии на положение спектральных линий. Размеры змиттирующего участка образца , отображаемого без искажений в анализируемых электронах, составл ет 22 мм, что на два пор дка превосходит обычно используемое цилиндрическое зеркало таких же габаритов и на пор док превосходит цилиндрическое зеркало с щаровым поворотным устройством.

Данна  энергоанализирующа  система с поворотньм устройством легко настраиваетс  в оптимальный режим за

счет изменени  соотношени  между по- тенциалами на поворотном электроде и на внешнем электроде энергоанализатора . Функцию настройки в режим наибольшей чувствительности в спектрометре осуществл ет СУШИ, управл юща  соответствующими потенциалами на основе анализа сигнала с электронного умножител ,

Таким образом, электронный спектрометр , энергоанализирующа  система которого состоит из квазиконического знергоанализатора и встроенного в него малогабаритного поворотного уст-:;

ройства с коническим входным электродом , облада  высоким энергетическим разрешением позвол ет фокусировать при очень малых аберраци х зар женные частицы, змиттированные с большой

площади образца, зондируемой источниками облучени  при измен ющихс  в широком диапазоне рассто ни х от образца до энергоанализатора. Кроме того, имеетс  возможность электрон- ной настройки спектрометра в режимы наибольшей чувствительности и предельного разрешени .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   1. Электронный спектрометр, содержащий соосные квазиконический энергоанализатор, держатель облучаемого образца и приемник вторичных частиц, установленные на входе и на выходе знергоанализатора, а также источник облучени  образца, оптическа  ось которых проходит через держатель образца, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  площади сканировани  образца, энергоанализатор снабжен устройством поворота пучка, выполненным из двух соосных осесимметрических изолированных электродов, причем внешний электрод с выполненными в нем входной и выходной концентрическими щел ми выполнен в виде конической поверхности с углом полураствора при.вершине , а внутренний электрод имеет сег

   3

   Hcmomwe vae/m/tf {оерозец}

   чение в меридиональной плоскости, соответствующее .в пол рной системе координат выражению

   Р(Ч )

   С, COS Cf- Сг f U С05 Ц БП tfl Y

   где р - пол рный радиус, м;

   ср - азимутальньй угол, рад.

   fsinTf T cos cfo

   4-0/2.

   L  

   1

   1 + tgcfo

   7. Спектрометр по п.1, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  конструкций, внутренний электрод устройства поворота вьтол- нен в виде конической поверхности с углом полураствора при вершине конуса q .

   3. Спектрометр по п.2, отличающийс  тем, что, с целью снижени  вторично-эмиссионных эффектов , «св занных с кра ми щелей, оба электрода устройства поворота выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нит ми, нат нутыми вдоль образующих конусов, и лежащих в совмещенных меридиональм нте

   ных плоскост х. 3 f HiMoe

   озод юмемие

   Фие..

   Фиг.З