SU1395034A1

SU1395034A1 - Electrostatic spectrometer for energy and angle analysis of charged particles

Info

Publication number: SU1395034A1
Application number: SU864083035A
Authority: SU
Inventors: Л.А. Баранова; Р.А. Бубляев; Г.Н. Дьякова; С.Я. Явор
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1986-07-10
Publication date: 1989-09-15

Abstract

Изобретение может быть использовано дл исследовани плазмы. поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений. Электростатический спектрометр (ЭСС) дл энергетического и углового анализа зар женных частиц выполнен в виде двух электродов, имеющих форму соосньпс конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными вершинами. Части 1-3 образуют внешний электрод. Внутренний электрод 4 имеет входную и выходную щели 5 -и 6 соответственно. Исследуемьй образец 7 располагают на оси симметрии системы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси ЭСС. Части 1-3 имеют автономные источники 9-11 питани соответственно. ЭСС позвол ет исследовать азимутальные спектры с высокой дисперсией и . разрешающей способностью. 1 ил. 1 табл. Ф С (;о СП о feo The invention can be used to study plasma. surface matter, electron and atomic collision processes. The electrostatic spectrometer (ESS) for energy and angular analysis of charged particles is made in the form of two electrodes having the form of coaxial cones with identical solution angles and spaced vertices. Parts 1-3 form the outer electrode. The inner electrode 4 has an input and output slots 5 and 6, respectively. Investigated sample 7 is placed on the axis of symmetry of the system. The detector 8 has the form of a ring with the center on the axis of the ESS. Parts 1-3 have autonomous power sources 9-11, respectively. The ESS allows one to study azimuthal spectra with a high variance and. resolution. 1 il. 1 tab. Ф С (; о СП about feo

Description

Изобретение относитс к приборам дат анализа зар женных частиц по энергии и углу и может примен тьс дл исследовани плазмы, поверхности вещества, процессов электронных и атомньк столкновений и т.д.The invention relates to devices for the analysis of charged particle energy and angle, and can be used to study plasma, matter surface, electron and atom collisions, etc.

Целью изобретени вл етс увеличение дисперсии и разрешающей способности электростатического спектрометра дл энергетического и углового анализа зар женных частиц за счет изменени числа частей электродов спектрометра и размеров этих частей, а TaioKe путем подсоединени их к отдельным источникам питани .The aim of the invention is to increase the dispersion and resolution of an electrostatic spectrometer for energy and angular analysis of charged particles by changing the number of parts of the electrodes of the spectrometer and the sizes of these parts, and TaioKe by connecting them to separate power sources.

На чертеже изображено пЬперечное сечение одного из возможных вариантов спектрометра.The drawing shows a cross section of one of the possible variants of the spectrometer.

Спектрометр выполнен в виде двух электродов, имеющих форму, например, соосньгх конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными верпшнами. Части 1, 2, 3 образуют внешний электрод . Внутренний электрод 4 (показан вариант неразрезанного внутреннего электрода) снабжен входной 5 и выходной 6 кольцевыми щел ми. Исследуемый образец 7 расположен на оси симметрии cиcтe ы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси спектрометра.The spectrometer is made in the form of two electrodes having the form, for example, of coaxial cones with identical solution angles and spaced verps. Parts 1, 2, 3 form an external electrode. The inner electrode 4 (a variant of the uncut inner electrode is shown) is provided with an inlet 5 and an outlet 6 annular slots. The sample 7 is located on the axis of symmetry of the system s. The detector 8 has the shape of a ring centered on the axis of the spectrometer.

Части 1,2, 3 внешнего электрода соединены с отрицательным полюсом источников питани 9, 10, 11 соответственно . Внутренний электрод 4 должен быть соединен с положительным полюсом источников питани 9, 10, 11. Второй полюс источников 9, 10, -11 и-внутренний электрод 4 заземлены. Указанна пол рность источников соответствует анализу электронов. При анализе положительно зар женных частиц все части внешнего электрода соедин ютс с положительными полюсами источников, а внуреннего - с отрицательными Показаны также: Р - длина части 2 внешнего элетрода , h - рассто ние между электродами , d - рассто ние между входной 5 и выходной 6 щел ми (база), 2 Pi- полный угол раствора электродов спектро- метра.Parts 1, 2, 3 of the external electrode are connected to the negative pole of the power sources 9, 10, 11, respectively. The inner electrode 4 must be connected to the positive pole of the power sources 9, 10, 11. The second pole of the sources 9, 10, -11 and the inner electrode 4 is grounded. The indicated polarity of the sources corresponds to the electron analysis. When analyzing positively charged particles, all parts of the external electrode are connected to the positive poles of the sources, and the internal ones - to negative ones. Also shown: P is the length of part 2 of the external electrode, h is the distance between the electrodes, d is the distance between input 5 and output 6 a gap (base), 2 Pi is the total angle of the electrode solution of the spectrometer.

Работа предлагаемого спектрометра на примере изображённого устройства осуществл етс следующим образом. Испускаемый образцом 7 дисковьй пучок зар женных частиц проходит через входную щель 5, попадает в анализирующее поле спектрометра, где отражаетс от внешнего электрода и дисперThe operation of the proposed spectrometer on the example of the depicted device is carried out as follows. The disc of charged particles emitted by sample 7 passes through the entrance slit 5, enters the analyzing field of the spectrometer, where it reflects from the external electrode and disperses

00

5five

00

5five

00

5five

00

5five

гирует по энергии. Частицы с выделенным значением энергии проход т через выходную щель 6 и фокусируютс на детекторе 8. Таким образом осуществл етс анализ по энергии. Вследствие наличи осевой симметрии частицы, выход щие из образца 7 в плоскости Z const под разными углами, попадают в различные точки детектора и, таким образом, осуществл етс анализ зар женных частиц по углам вьтета. При соединении частей внешнего электрода с отдельными источниками питани и установлении на них соответствующих потенциалов распределение пол в межэлектродном пространстве рпектро- метра существенно перестраиваетс , что позвол ет добитьс значительного увеличени дисперсии и разрешающей способности.Guided by energy. Particles with a dedicated energy value pass through the exit slit 6 and are focused on detector 8. Thus, energy analysis is performed. Due to the presence of axial symmetry, particles emanating from sample 7 in the Z const plane at different angles fall at different points of the detector and, thus, the analysis of charged particles is carried out at angles. When parts of the external electrode are connected with separate power sources and the corresponding potentials are established on them, the distribution of the field in the interelectrode space of the spectrometer is substantially rebuilt, which makes it possible to achieve a significant increase in dispersion and resolution.

Дл уменьшени размера детектора осевые траектории пучка после прохождени выходной щели должны быть направлены к оси спектрометра или, в предельном случае, параллельны ей. Поскольку пучок выходит из образца перпендикул рно оси, то угол поворота его в электрическом поле должен быть больше или равен 90 . Отсюда следует, что угол входа пучка в поле 9 45°, а значит, угол ,полураствора конусаj3 не должен превышать 45.To reduce the size of the detector, the axial paths of the beam after passing through the exit slit should be directed to the axis of the spectrometer or, in the limiting case, parallel to it. Since the beam leaves the sample perpendicular to the axis, its angle of rotation in the electric field must be greater than or equal to 90. From this it follows that the angle of beam entry into the field is 9–45 °, which means that the angle of the half-solution of the cone j3 should not exceed 45.

Выли исследованы спектрометры с углом полураствора конуса от 30 до 40. В таблице приведены параметры р да рассчитанных конструкций. Дл сравнени , в первой строке таблицы даны характеристики прототипа. Здесь введены следующие обозначени : е - зар д частицы, - ее энерги , D - линейна дисперси спектрометра, С - коэффициент аберрации второго пор дка относительно угла раствора пучка 2(Х, R - разрешающа способность, V,, Vg, Vj - потенциалы, поданные на части 1, 2, 3 внешнего электрода от источников питани 9, iO, 11. Разреша- кща способность вычисл лась при ширинах входной и выходной щелей,раэ- ных ,25« ,H углах раствора пучка , равных ,1 рад, по известной формуле (2S-+-Coi ). Расчеты проводились дл симметричной подачи потенциалов: и симметричном расположении кольцевых зазоров относительно входной 5 и выходной 6 щелей.Spectrometers with a half-cone angle from 30 to 40 were investigated. The table shows the parameters of a number of calculated structures. For comparison, in the first row of the table are the characteristics of the prototype. The following notation is introduced here: e is the particle charge, its energy, D is the linear dispersion of the spectrometer, C is the second-order aberration coefficient relative to the beam angle 2 (X, R is the resolution, V ,, Vg, Vj are the potentials, applied to the parts 1, 2, 3 of the external electrode from the power sources 9, iO, 11. The resolution was calculated with the widths of the entrance and exit slots, 25 ″, right, H angles of the beam solution equal to, 1 rad, known formula (2S - + - Coi). The calculations were carried out for a symmetric supply of potentials: and a symmetrical arrangement annular gaps relative to the input 5 and output 6 slits.

Сравнение параметров предлагаемого спектра с параметрами прототипа по5139Comparing the parameters of the proposed spectrum with the parameters of the prototype according to 5113

казывает, что при угле полураствора конуса/5 38 линер на дисперси возрастает в 1,2-1,5 раза. При этом коэффициент аберрации С сохран ет тот же пор док величины, что и в прототипе . Удельна дисперси прибора D/C увеличиваетс примерно на 30-35%, рост разрешающей способности достигает 40%.indicates that at half-angle of a cone / 5 38 the liner on the dispersion increases 1.2-1.5 times. At the same time, the aberration coefficient C retains the same order of magnitude as in the prototype. The specific dispersion of the D / C instrument increases by about 30-35%, the resolution increases to 40%.

Если угол полураствора конуса составл ет 33 , увеличени линейной дисперсии не происходит, однако в два раза падает коэффициент аберрации и соответственно вдвое возрастает удельна дисперси . При выбранных размерах щелей и. угле раствора пучка это приводит к возрастанию разрешающей способности на 40%. Очевидно, что последний вариант имеет преимущества перед предыдущими в тех случа х, когда угол раствора пучка 2ot. возрастает , а ширины щелей S уменьшаютс . .If the half-angle of the cone is 33, the linear dispersion does not increase, however, the aberration coefficient drops by half and, accordingly, the specific dispersion increases twice. At the selected sizes of the slots and. The solution beam angle leads to an increase in resolution by 40%. Obviously, the latter option has advantages over the previous ones in those cases when the angle of the beam solution is 2ot. increases, and the slit widths S decrease. .

Рассто ние от образца до вершины электрода 4 может составл ть например 16 мм, рассто ние между щел ми d 72 мм,рассто ние между электродами мм, длина 1 части электрода 2 равна 40 мм, угол полураствора конуса ft 38° .The distance from the sample to the top of the electrode 4 can be, for example, 16 mm, the distance between the slits d 72 mm, the distance between the electrodes mm, the length of 1 part of the electrode 2 is 40 mm, the angle of the half-solution of the cone is 38 °.

Г При работе спектрометра электрод 4, на котором расположены входна и выходна щели, заземл етс . Потенциалы на част х электрода 1, 2 и 3 завис т от энергии настройки спектрометра , т.е. энергии частиц, пропускаемых выходной щелью. При энергии настройки, равной 5 100 эВ, на части электрода 1 и 3 подаетс потенциал -100 Б (при анализе электронов ) . На часть электрода 2 подаетс потенциал V -30 В. При анализе положительных ионов потенциалы V,, V и V мен ют знаки. Указанные потенциалы могут подаватьс не только от отдельных источников питани , но и от одного источника через потенциометр . Во втором случае один конец потенциометра заземлен, потенциалы V и V снимаютс с другого конца потенциометра , потенциал V - с промежуточной точки. При сн тии энергетического спектра зар женных частиц энерги настройки должна плавно ые- н тьс , при этом все потенциалы должны варьироватьс таким образом, чтоб отношение ным.When the spectrometer is in operation, electrode 4, on which the entrance and exit slits are located, is grounded. The potentials on the parts of the electrode 1, 2 and 3 depend on the energy of the setting of the spectrometer, i.e. the energy of the particles passed through the exit slit. With a tuning energy of 5,100 eV, a potential of -100 B is applied to a portion of electrode 1 and 3 (when analyzing electrons). A potential of V –30 V is applied to a part of electrode 2. When analyzing positive ions, the potentials V, V and V change signs. These potentials can be supplied not only from individual power sources, but also from one source through a potentiometer. In the second case, one end of the potentiometer is grounded, the potentials V and V are removed from the other end of the potentiometer, the potential V is from the intermediate point. When the energy spectrum of charged particles is removed, the tuning energy should be smoothly smoothed, and all potentials should be varied so that they are relative.

, оставалось посто н0, remained constant

5five

00

5five

00

5five

00

В описанной конструкции угол входа частиц Q, обеспечивающий фокусировку зар женных частиц на выходной щели, составл ет 9 52 . При этом относительна дисперси спектрометра равна ,5, что в 1,4 раза больще, чем в прототипе. Разрешающа способность возрастает по сравненшо с прототипом на 33%.In the described construction, the angle of entry of particles Q, which ensures the focusing of charged particles on the exit slit, is 9 52. At the same time, the relative dispersion of the spectrometer is equal to 5, which is 1.4 times larger than in the prototype. The resolution increases in comparison with the prototype by 33%.

Имеетс возможность дальнейшего повьшени параметров спектрометра при увеличении числа частей, на которые раздел ютс как внешний, так и внутренний электроды, и подсоединении их к,соответствующим источникам питани .It is possible to further increase the parameters of the spectrometer by increasing the number of parts into which both the external and internal electrodes are divided, and connecting them to corresponding power sources.

Устройство может быть осуществлено также на основе двух конических электродов с различными углами при вершинах, в частности, в этом случае вершины конусов могут быть совмещены. Вариаци отношени углов при вершинах создает дополнительную степень свободы в формировании пол спектрометра, а, следовательно, дополнит ел ьнзто возможность повьш1ени его параметров.The device can also be implemented on the basis of two conical electrodes with different angles at the vertices, in particular, in this case, the vertices of the cones can be combined. The variation in the ratio of angles at the tops creates an additional degree of freedom in the formation of the floor of the spectrometer, and, therefore, will add to the possibility of increasing its parameters.

Можно использовать осесимметрич- ные электроды различной формы, в том числе цилиндрической.Axisymmetric electrodes of various shapes, including cylindrical, can be used.

Бьш проведен расчет энергоанализатора , образованного двум соосны- ми цилиндрическими электродами, радиусы которых относ тс как E. 2,5. Входна и выходна щели расположены на внутреннем электроде, рассто ние между ними составл ет d 2,0 R,. Внешний электрод составлен из трех частей, подсоединенных к трем отдельным источникам питани . Ширина центральной части равна 1 1,0 . Уменьшение потенциалов V и V, подаваемых на вторую и третью по ходу пучка части внешнего электрода, по - сравнению с потенциалом V,, подаваемым на первую часть, позвол ет повы- сить дисперсию и разрешающую способность спектрометра. Если отношение указанных потенциалов и , лежит в пределах 0,2-1,0, происходитA calculation was made of an energy analyzer formed by two coaxial cylindrical electrodes, the radii of which are referred to as E. 2.5. The entrance and exit slots are located on the inner electrode, the distance between them is d 2.0 R ,. The outer electrode is composed of three parts connected to three separate power sources. The width of the central part is 1 1.0. The reduction of the potentials V and V applied to the second and third parts of the external electrode along the beam, in comparison with the potential Vp supplied to the first part, allows increasing the dispersion and resolution of the spectrometer. If the ratio of the specified potentials and, lies in the range of 0.2-1.0, occurs

увеличение дисперсии и разрешающей способности в 1,2-1,4 раза.increase in dispersion and resolution by 1.2-1.4 times.

Достоинством спектрометра с цилиндрическими электродами вл ютс более проста конструкци и меньшиеThe advantage of a cylindrical electrode spectrometer is simpler design and smaller

поперечные размеры. Однако, такой спектрометр не может быть применен дл исследовани дисковых пучков, т.е. дл анализа спектров по пол рному углу. Он позвол ет исследоватьtransverse dimensions. However, such a spectrometer cannot be used to study disk beams, i.e. for analyzing spectra at the polar angle. It allows you to explore

только азимутапьные спектры, так как анализирует пучки конической формы.only azimuth spectra, as it analyzes beams of conical shape.

Таким образом, предлагаема конструкци спектрометра дл энергетического и углового анализа зар женных частиц обеспечивает, по сравнению с прототипом, при одинаковых габаритах , повышение дисперсии и разрешающей способности по крайней ме- Ve на 30-40%..Thus, the proposed design of the spectrometer for energy and angular analysis of charged particles provides, in comparison with the prototype, with the same dimensions, an increase in the dispersion and resolution of at least Ve by 30–40%.

Claims

Invention Formula

15

Electrostatic spectrometer for energy and angular analysis of charged particles containing two axially axisymmetric electrodes, one of which is located inside the other

and has entrance and exit slots for passage of particles, as well as a power source for the electrodes, characterized in that, in order to increase dispersion and resolution, at least one of the electrodes is made of at least two parts separated by annular gaps located on the inside an electrode between the input and output slots and / or on the external electrode between normal projections of the input and output slots to the external electrode, with additional autonomous power sources and external The or internal composite electrode is connected to the same poles of autonomous power sources.

The main characteristics of the prototype and a number of spectrometer options