SU1376833A1

SU1376833A1 - Энергоанализатор зар женных частиц

Info

Publication number: SU1376833A1
Application number: SU864026602A
Authority: SU
Inventors: Л.А. Баранова; С.Г. Нарылков; С.Я. Явор
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе
Priority date: 1986-02-20
Filing date: 1986-02-20
Publication date: 1989-06-23

Abstract

Изобретение может примен тьс , например, дл исследовани плазмы и позвол ет увеличить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора (ЗА) за счет возможности варьировани распределений потенциала в области дисперсии. Центральна часть 1 и две симметричные части 2 формируют один из электродов. ПротиволежаИзобретение относитс к приборам дл анализа зар женных частиц по энергии и может примен тьс дл исследовани плазмы, поверхности вещества , процессов электронных и атомных столкновений и т.д. Целью изобретени вл етс увеличение дисперсии и разрещающей способности электрического энергоанализатора за счет возможности варьировани распределений потенциала в области дисперсии. щий электрод также образован центральной частью 3 и двум симметрич- ными част ми 4. Плоскости симметрии электрода и их частей 1-4 совпадают, а симметричные части 2 и 4 попарно соединены с источниками 6 и 7 питани . Благодар этому электрическое поле ЗА имеет плоскость симметрии, в которой лежит осева траектори пучка и происходит дисперси частиц по операци м. Изменение числа частей электродов и нх размеров, подсоединение их к различным источникам 5-7 питани з величивает угол Q входа частиц в поле, а следовательно, повышает дисперсию ЭА. Дн создани в ЗА требуе 5ого распределени пол в области прохождени пучка необходимо , чтобы рассто ние между зазором и плоскостью cи iмeтpии были сравнимы с рассто ни ми между центральными част ми 1 и 3 электрода и, следовательно , меньше рассто ни между входной и выходной ш.ел ми. 4 ил. Изготовление электродов из нечетного числа частей, разделенных Зазорами, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью симметрии электродов и попарное подсоединение симметричных частей электродов соответственно кажда пара к источнику питани дают иное, по сравнению с прототипом, распределение потенциала в пространстве между - электродами, что позвол ет повысить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора. Известно, что в iO СО «- о 00 О5 со

Description

анализатор х типа зеркала относительна дисперси растет с ростом угла Q входа частиц в поле. В двумерных (не завис щих от координаты Z) пол х она св зана с углом следующей формулой:

Р § d d Э 2cosZ6

где D - линейна дисперси анализатора; d - база прибора, равна рассто нию между источником и детектором зар женных частиц, отсчитываемому вдоль оси Z; - энерги анализируемых частиц. Поэтому дл получени большой дисперсии необходимо увеличить угол О . Вместе с тем, в прототипе величина угла б, обеспечивающего острую фокусировку в плоскости дисперсии, однозначно задаетс конфигурацией электродов и составл ет 49,7.

В данном устройстве конфигураци пол в межэлектродном пространстве может варьироватьс путем изменени числа частей электродов и размеров этих частей, а также путем подсоединени их к различным источникам питани . Такое устройство имеет много степеней свободы и дает возможность не только увеличить угол 6, а следовательно , повысить дисперсию анализатора , но и улучшить другие характеристики прибора. Так, например, если один из электродов вл етс не сплошным, а выполнен из трех частей , то по вл ютс две дополнительные степени свободы, св занные с возможностью выбора размера симметричных частей и потенциала на них, При разделении электрода на (2п+1) число частей получаетс 2п дополнительных степеней свободы в формировании пол

Кажда дополнительна степень сво боды позвол ет удовлетворить какому- либо дополнительному условию, наложенному на оптические свойства анализатора , например, удовлетворить условию обрагцени в ноль одного коэффициента аберрации. Число степеней свободы в предлагаемом анализаторе ограничено тем, что число частей в каждом электроде должно быть нечетным, плоскости симметрии элект родов и их частей должно совпадать, и симметричные части электрода должны попарно подсоедин тьс к своему источнику питани . Выполнение ука0

5

0

5

0

5

0

5

занных требований необходимо дл того , чтобы электрическое поле анализатора имело плоскость симметрии, в которой лежит осева траектори пучка и происходит дисперси час- по энергии. В отсутствие плоскости симметрии электрического пол осева траектори перестает быть плоской, что приводит к смещению изображени (а следовательно, и выходной щели) относительно плоскости дисперсии, и существенно затрудн ет настройку. Кроме того, возникают дополнительные аберрации изображени , в результате чего уменьшаетс удельна дисперси и разрешающа способность прибора.

Дл того, чтобы предлагаемое устройство бьшо эффективным и создавало требуемое распределение пол в области прохождени пучка (вблизи плоскости симметрии) необходимо, чтобы рассто ни между зазорами и плоскостью симметрии были сравнимы с рассто нием между центральными част ми противолежащих электродов и, следовательно , меньше рассто ни между входной и выходной щел ми.

Расчет различных вариантов анализаторов показал, что остра фокусировка в плоскости дисперсии, осуществл ема одновременно с высококачественной пространственной фокусировкой обеспечиваетс в том случае, когда все части электрода, противолежащего электроду, с выходной щелью, подсоединены с одноименным полюсам источников.

Изобретение позвол ет добитьс существенного улучшени дисперсии и разрешающей способности предлагаемого анализатора по сравнению с прототипом .

На фиг.1 изображено поперечное сечение предлагаемого анализатора, электроды которого состо т из двух плоских пластин, разрезанных на части; на фиг.2 - сечение того же анализатора плоскостью симметрии; на фиг.З показано поперечное сечение анализатора, образованного двум част ми круговых цилиндрических поверхностей , разрезанного на части; на фиг.4 - сечение анализатора, в виде кругового цилиндра.

Центральна часть 1 и две симметричные части 2 формируют один из электродов анализатора. Противолежащий электрод также образован центральной частью 3 и двум симметричными част ми 4. Центральна часть 3 электрода подсоединена к источнику питани 5 так, что зар женные частицы отражаютс от части электрода 3. На фиг,1 показана пол рность источников, соответствующа анализу электродов. Симметричные части элект родов 2 подсоединены к одному полюсу источника питани 6, а симметричные части 4 - к одному полюсу источника 7. Второй полюс источников 5, 6 и 7 соединен с частью электрода 1. На фиг.1 второй полюс источников 5, 6, 7, а также часть электрода 1 заземлены .

На фиг.2 изображено сечение того же анализатора плоскостью симметрии. В данной К нкретной конструкции входна щель 8, так же как и выходна щель 9 расположены на центральной части 1. Входна щель может располагатьс и на диафрагме (не показана), установленной перпендикул рно плоскости симметрии.

На фиг.3 показано поперечное сечение анализатора, образованного двум част ми круговых цилиндричес- кик поверхностей. Электрод 10 с выходной щелью (на фиг.З не показана ) не разрезан. Центральна часть 1 и две симметричные части 12 составл ют противолежащий электрод. Центральна часть электрода 11 подсоединена к одному полюсу источника 13 питани , симметричные части электрода 12 соединены с одноименным полюсом источника 14. Противоположные полюса источников 13 и 14 соединены с электродом 10 (на фиг.З заземлены)

Работа предлагаемого энергоанализатора дана на примере устройства, изображенного на фиг.1 и 2.

Пучок зар женных частиц, пройд через входную щель 8 устройства, попадает в анализирующее поле и отражаетс от центральной части 3 противолежащего электрода. Если входна щель 8 расположена на той же части электрода, что и выходна щель 9, то траектории зар женных частиц оказываютс симметричными относительно точки поворота. Частицы различных энергий описывают в поле различающиес траектории, поэтому при заданных потенциалах на электродах в выходную щель 9 устройства попадают частицы определенной энергии. Симметричные части электродов 2 и 4, благодар поданным на них дополнительным потенциалам, создают фокусирующее воздействие на пучок, а также увеличивают пространственное разделение пучков различных энергий.

Б качестве примера можно привести расчет характеристик анализаторов, изображенных на фиг.1 и 3. Расчет траекторий зар женных частиц в плоскости симметрии внутри анализатора может проводитьс по формуле

j cosgdy .

, ( y)

V;,

Здесь потенциал ф характеризует

о7

,, ..mV о начальную скорость v частиц ( ) Уд, Z-0 - координаты входной щели; (у) - распределение потенциала в плоскости Симметрии. Угол б, при котором происходит фокусировка первого и второго пор дков в плоскости дисперсии, определ лс из усZ - Z,

(2)

ловии

(ZKIZ) )

ае а© (3)

где Z ( - координата положени детектора . Относительна дисперси анализатора вычисл етс по формуле (1). Расчет проекций траекторий в плоскости , перпендикул рной плоскости симметрии , и определение УСЛОВИЙ пространственной фокусировки производитс путем численного интегрировани на ЭВМ.

Дл анализатора, изображенного на фиг.З, был разработан эскизный проект и рассчитаны его оптические характеристики . Расчет проводилс дл следующих значений геометрических параметров: радиус кривизны электрода 10 равен R 68 мм, радиус час0

5

1 9

2. составл ет

тей электрода 1 R 30 мм, рассто ние между центрами кривизны О 1 - 0,2. равно 82 мм, угловой размер электрода 11 составл ет 80, рассто ние между входной и выходной щел ми, расположенными на электроде 10, равно d 75 мм.

При работе ан;шизатора электрод 10, на котором расположены входна и выходна щели, заземл лс . Цстенци- алы на част х электрода 11 и 12 завис т от энергии настройки анапизатоpa , т.е. от энергии частиц, пропускаемых выходной щелью. При энергии настройки, равной 100 эВ, на центральную часть электрода 11 подаетс потенциал, равный (-90) В (при анализе электронов), на симметричные части электрода 12 - потенциал (-170) В. При анализе положительных ионов потенциалы мен ют знаки. Потен циалы подаютс или от отдельных выпр мителей или от одного выпр мител через потенциометр. Во втором случае один конец потенциометра заземлен, потенциал на симметричные части элек рода 12 снимаетс с другого конца потенциометра (потенциал на центральную часть электрода 11 - с промежуточной точки). При сн тии энергетического спектра зар женных час- тиц энерги настройки должна плавно мен тьс , при этом все потенциалы измен ютс пропорционально энергии настройки.

В описанной конструкции угол входа частиц, обеспечивающий острую фокусировку в плоскости симметрии, составл ет 0 58°. При этом относительна дисперси анализатора равна D/d 1,8, что в полтора раза больше чем в прототипе, где D/d 1,2. Разрешающа способность равна F. 145 при ширинах входной и выходной щелей , равных S/d 0,25-10 и углах

ка в плоскости симметрии, равен б 59°, При этом получены следующие значени дисперсии D и разрешающей способности: R:D/d 1,9, R ISO. Как видно из сравнени с прототипом данна конструкци обеспечивает значительный выигрыш в параметрах, при этом она существенно более проста в изготовлении и юстировки. Дальнейшего улучшени параметров в этой конструкции можно достичь, разреза на части электрод с выходной щелью и подава на симметричные части допол- нительньй потенциал, как показано на фиг.1.

По сравнению с обычным плоским зеркалом, образованным двум электродами , предлагаемое устройство позвол ет создать существенно неоднородное поле, обеспечивающее фокусировку пучка не только в плоскости симметрии, но и в перпендикул ном направлении. Наличие пространственной фокусировки позвол ет значительно повысить светосилу анализатора .

Устройство может быть осуществлено не только на основе двумерных конструкций, примеры которых даны на фиг.1-4. Возможно также использование конических электродов, разрезанных по образующим. При этом попе

раствора пучка в двух взаимно перпен-35 Ручное сечение анализатора совпадает,

дикул рных направлени х, равных о

-V 0,1 рад. В-прототипе при тех же входных параметрах разрешающа способность составл ет Р.. 100.

например с изображением на фиг.4,а в плоскости симметрии сечение представл ет собой две пр мые, исход щие из точки, вл ющейс вершиной конуса. В этом случае.поле не вл етс двумерным , а мен етс также вдоль оси Z, что обеспечивает дополнительные возможности повышени дисперсии.

Был проведен расчет характеристи плоского анализатора, изображенног на фиг.1. Электрод со щел ми в данном конкретном примере не разрезан на части и заземлен. Ширина централ ной части 3 противолежащего электрода выбрана равной d 12 мм, расстоние между электродами 1 и 3 составл ет h 20 мм, ширина части электрда 4 равна 15 мм, рассто ние между входной и выходной щел ми, расположенными на электроде 1, составл ет d 33 мм. При энергии настройки, равной 100 эВ, потенциал на центральной части 3 электрода равен (-83) В, потенциал на симметричных част х 4 составл ет (-180) В. Угол входа пучка зар женных частиц, при котором происходит остра фокусиров

Ручное сечение анализатора совпадает,

°

рмула изобретени

°

Энергоанализатор зар женных частиц, включающий два плоских, цилиндрических или конических электрода с выходной щелью на одном из них и с плоскостью симметрии, проход щей через входную и выходную щели, и источники питани электродов, отличающийс тем, что, с целью увеличени дисперсии и разрешающей способности, по крайней мере один из электродов выполнен из нечетного числа частей, разделенных зазорами, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью симметрии электродов, причем рассто ние между зазорами и плоскостью симметрии меньше рассто ни между входной и выходной щел ми, симметричные части электх

родов гальванически соединены ме; кду собой, а все части электрода, противолежащего электроду с выходной щелью, подсоединены к полюсам источников одинаковой зар дности.

Фа-з.

Составитель А, Нестерович Редактор Л. Дашкова Техред М.ХоданичКорректор С. Шекмар

Заказ 4725

Тираж 694

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Фи. д

Подписное

Claims

Формула изобретения

Энергоанализатор заряженных частиц, включающий два плоских, цилиндрических или конических электрода с выходной щелью на одном из них и с плоскостью симметрии, проходящей через входную и выходную щели, и источники питания электродов, отличающийся тем, что, с целью увеличения дисперсии и разрешающей способности, по крайней мере один из электродов выполнен из нечетного числа частей, разделенных зазорами, плоскость симметрии кото

9 1376833 рых совпадает с плоскостью симметрии электродов, причем расстояние между зазорами и плоскостью симметрии меньше расстояния между входной и выходной щелями, симметричные части элект родов гальванически соединены между собой, а все части электрода, противолежащего электроду с выходной щелью, подсоединены к полюсам источников одинаковой зарядности.

Фиг.1

Фа?-2