SU1534550A1 - Electronic spectrometer - Google Patents

Electronic spectrometer Download PDF

Info

Publication number
SU1534550A1
SU1534550A1 SU853986986A SU3986986A SU1534550A1 SU 1534550 A1 SU1534550 A1 SU 1534550A1 SU 853986986 A SU853986986 A SU 853986986A SU 3986986 A SU3986986 A SU 3986986A SU 1534550 A1 SU1534550 A1 SU 1534550A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
spectrometer
analyzer
lens
electrodes
resolution
Prior art date
Application number
SU853986986A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Васильевич Бобыкин
Ирина Георгиевна Волкова
Юрий Александрович Невинный
Николай Александрович Холин
Михаил Дмитриевич Шутов
Евгений Михайлович Якушев
Original Assignee
Специальное Конструкторское Бюро Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср
Институт Ядерной Физики Ан Казсср
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Специальное Конструкторское Бюро Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср, Институт Ядерной Физики Ан Казсср filed Critical Специальное Конструкторское Бюро Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср
Priority to SU853986986A priority Critical patent/SU1534550A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1534550A1 publication Critical patent/SU1534550A1/en

Links

Landscapes

  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к технике электронной спектроскопии, примен емой дл  изучени  атомов, молекул твердого тела, поверхности. Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей спектрометра призменного типа, увеличение его чувствительности и разрешающей способности. Дл  достижени  цели в электронный спектрометр введен переключатель 6 режимов работы, при этом криволинейные щелевые зазоры выполнены по дугам кривых второго пор дка, а электроды энергоанализатора подключены к регулируемому источнику 3 питани . На чертеже также показаны р д источников 1 ионизации, приемник 2 электронов, система 4 управлени , электростатический энергоанализатор 5. В спектрометре обеспечиваетс  возможность изменить положение и форму щелевых зазоров линзы и тем самым увеличить его чувствительность и разрешающую способность. 7 ил.The invention relates to electron spectroscopy technique used to study atoms, molecules of a solid, surface. The aim of the invention is to enhance the functionality of a prism type spectrometer, increasing its sensitivity and resolution. To achieve the goal, a switch of 6 modes of operation is introduced into the electronic spectrometer, with curvilinear gap gaps made along arcs of second-order curves, and the electrodes of the energy analyzer connected to an adjustable power supply 3. The drawing also shows a series of ionization sources 1, a receiver 2 electrons, a control system 4, an electrostatic energy analyzer 5. In the spectrometer it is possible to change the position and shape of the slit gaps of the lens and thereby increase its sensitivity and resolution. 7 il.

Description

Изобретение относится к технике электронной спектроскопии, применяемой для изучения атомов, молекул, твердого тела, поверхности.The invention relates to techniques for electronic spectroscopy used to study atoms, molecules, solids, surfaces.

Цель изобретения - расширение аналитических возможностей спектро метра призменного типа, увеличение его чувствительности и разрешающей способности.The purpose of the invention is the expansion of the analytical capabilities of the prism type spectrometer, an increase in its sensitivity and resolution.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при исполь зовании в коллиматорной и фиксирующей линзах спектрометра систем, свободных от трансаксиальной симметрии, эд и тем самым снятии ограничений, накладываемых законом сохранения азиму тальной составляющей импульса частиц получена возможность, во-первых, из меняя при расчете спектрометра положение и форму щелевых зазоров лин зы, оптимизировать ее конструкцию по - различным параметрам и тем самым увеличивать чувствительность и разрешающую способность спектрометра, и во-вторых, меняя с помощью переклю чателя отношения потенциалов на элект родах анализатора, оперативно изменять в широких,’заданных при конструировании пределах, основные характеристики спектрометра и тем самым су щественно расширять его аналитические возможности в сравнении с известным спектрометром.The essence of the invention lies in the fact that when using systems that are free of transaxial symmetry, ed and in the collimator and fixing lenses of the spectrometer, thereby removing the restrictions imposed by the law of conservation of the azimuthal component of the particle momentum, the possibility is obtained, first of all, by changing when calculating spectrometer position and shape of the slit gaps of the lens, optimize its design according to various parameters and thereby increase the sensitivity and resolution of the spectrometer, and On the other hand, changing the potential ratios at the analyzer electrodes with the help of a switch, it is possible to quickly change, within a wide range of design parameters, the main characteristics of the spectrometer and thereby significantly expand its analytical capabilities in comparison with the known spectrometer.

Выполнение в энергоанализаторе известного спектрометра-щелевых зазоров по дугам, представляющим собой кривые второго порядка с разнесенными центрами кривизны или эволютами, необходимо для уменьшения аберраций спектрометра, для сообщения спектрометру способности работать при различной степени замедления частиц в линзах, при различных значенигях .и положениях их кардинальных элементов , что и обеспечивает увеличение разрешающей способности и чувствительности спектрометра, его работу в режимах с различными источниками ионизации, с повышенной светосилой либо с расширенным полем зрения. Переключатель режимов работы необходим для оперативного изменения отношений потенциалов на электродах анализатора и тем самым перехода из одного режима работы спектрометра в другой.The implementation in the energy analyzer of the well-known gap-gap spectrometer along arcs, which are second-order curves with spaced centers of curvature or evolutions, is necessary to reduce the spectrometer aberrations, to inform the spectrometer of the ability to work at various degrees of particle deceleration in the lenses, at different values and their cardinal positions elements, which provides an increase in the resolution and sensitivity of the spectrometer, its operation in modes with different ionization sources, with high aperture or with an expanded field of view. The switch of operating modes is necessary for the operational change of potential relations on the analyzer electrodes and thereby the transition from one spectrometer operating mode to another.

На фиг.1 изображена блок-схема электронного спектрометра; на фиг.2 и 3 - электростатический призменный энергоанализатор в проекциях на горизонтальную и вертикальную плоскости (кроме того, на фиг.2 показана электрическая схема питания энергоанализатора)*, на фиг.4 - диаграммы, иллюстрирующие процесс оптимизации конструкции энергоанализатора спектрометра по различным параметрам.Figure 1 shows a block diagram of an electronic spectrometer; figure 2 and 3 is an electrostatic prism energy analyzer in projections on the horizontal and vertical plane (in addition, figure 2 shows the electric power supply circuit of the energy analyzer) *, figure 4 is a diagram illustrating the process of optimizing the design of the energy analyzer of the spectrometer for various parameters.

Спектрометр (фиг.Г) содержит ряд источников ионизации ИИ^, ИИ ИИП, приемник 2 электронов, регули-. руемый источник 3 электрического, питания, систему 4 управления, сбора и обработки информации и электростатический энергоАнализатор 5. Электроды энергоанализатора подключены к источнику питания через переключатель 6 режимов работы. Вакуумная система спектрометра на фиг.1 не показана.The spectrometer (Fig. D) contains a number of sources of ionization AI ^, AI II P , 2 electron receiver, adjustable. source 3 of electric, power, control system 4, information collection and processing and electrostatic energy analyzer 5. The electrodes of the energy analyzer are connected to the power source through a switch 6 operating modes. The vacuum system of the spectrometer in figure 1 is not shown.

На фиго 2 схематически изображена проекция электродной системы энергоанализатора на его продольную (горизонтальную) плоскость, а на фиг.З на вертикальную плоскость, которая на участке I параллельна ON, на участке II - NN* и на участке III №о’, т.е. является плоскостью осевого сечения пучка. Там же показа но сечение.электронного пучка,выходящего из центральной точки входной щели 7 (объекта), электроды 8-10 призмы, электроды 11-14 коллиматорной линзы и электроды 15-18 фокусирующей линзы, щель 19 приемника электронов. Точками О» и 0э показаны рассчитанные положения центров кривизны щелевых- зазоров между электродами 14, 13 и 12, II, выполненных по дугам окружностей с радиусами й4и R?, а пунктирными линиями Э2 и Э4 положение и форма эволют щелевых зазоров между электродами 13, 12 и 11, 10, выполненных по дугам, представляющим собой кривые второго порядка переменной кривизны. Кривизна каждого щелевого зазора определяется кривизной перпендикулярной к горизонтальной плоскости цилиндрической поверхности, делящей этот зазор пополам, а его ширина выбирается из соображений обеспечения электрической прочности конструкции и на всем протяжении имеет одинаковую величину. Поэтому края электродов, ограничивающие одну щель,имеют общую эволюту и, в частности, при круговой форме зазора общий центр кривизны В конкретной конструкции форма зазоров и их количество определяется расчетным путем исходя из оптимизации аналитических возможностей прибора и его габаритов.Fig. 2 schematically shows the projection of the electrode system of the energy analyzer on its longitudinal (horizontal) plane, and in Fig. 3, on a vertical plane, which is parallel to ON in section I, in section II - NN * and in section III No. ', i.e. . is the plane of the axial section of the beam. The cross section of an electron beam exiting from the central point of the entrance slit 7 (object), electrodes 8-10 of the prism, electrodes 11-14 of the collimator lens and electrodes 15-18 of the focusing lens, and slit 19 of the electron receiver are also shown. The points O »and 0 O show the calculated positions of the centers of curvature of the gap gaps between the electrodes 14, 13 and 12, II, made along arcs of circles with radii r 4 and R ? and dashed lines E 2 and E 4 the position and shape evolute gap gaps between the electrodes 13, 12 and 11, 10, made along arcs, which are curves of the second order of variable curvature. The curvature of each gap gap is determined by the curvature perpendicular to the horizontal plane of the cylindrical surface, dividing this gap in half, and its width is selected for reasons of ensuring the electric strength of the structure and has the same value throughout. Therefore, the edges of the electrodes, limiting one slot, have a common evolute and, in particular, with a circular shape of the gap, the common center of curvature In a particular design, the shape of the gaps and their number is determined by calculation based on the optimization of the analytical capabilities of the device and its dimensions.

Делитель 20 напряжения регулируемого источника электрического питания набран из сопротивлений 21, соединенных с переключателем 22 режимов работы спектрометра.The voltage divider 20 of the regulated electric power source is selected from resistances 21 connected to the switch 22 of the spectrometer operation modes.

Спектрометр работает следующим образом.The spectrometer works as follows.

Эмиттируемые с образца электроны поступают в анализатор через входную щель 7, расположенную в передней фокальной плоскости анализатора. Из каждой точки щели выходит расходящийся пучок с раствором, определяемым отверстием апертурной диафрагмы. С помощью коллиматорной линзы пучок формируется так., что в проекции на горизонтальную плоскость он превращается в параллельный (фиг,2). Электронная призма разлагает этот пучок на ряд фрагментов, каждый из которых представляет собой параллельный пучок, соответствующий электронам определенной энергии. Изображения входной щели, соответствующие различным энергиям частиц, формируются фокусирующей линзой в задней фокальной плоскости анализатора. Щель 19 приемника электронов устанавливается в этой плоскости на электроннооптической оси прибора, а спектр снимается путем измерения величины регистрируемого электронного тока при изменении потенциалов на· его электродах оElectrons emitted from the sample enter the analyzer through an input slit 7 located in the front focal plane of the analyzer. A diverging beam with a solution defined by the opening of the aperture diaphragm comes out from each point of the slit. Using a collimator lens, the beam is formed in such a way that in the projection onto the horizontal plane it turns into a parallel one (Fig. 2). An electron prism decomposes this beam into a series of fragments, each of which is a parallel beam corresponding to electrons of a certain energy. Images of the entrance slit corresponding to different particle energies are formed by a focusing lens in the rear focal plane of the analyzer. Slit 19 of the electron receiver is installed in this plane on the electron-optical axis of the device, and the spectrum is taken by measuring the magnitude of the recorded electron current when the potentials on its electrodes

В вертикальной плоскости (фиг.З) в анализаторе формируется ряд промежуточных линейных электронных изображений входной щели 7.In the vertical plane (FIG. 3), a series of intermediate linear electronic images of the entrance slit 7 are formed in the analyzer.

Переключение спектрометра в различные режимы работы осуществляется переключением потенциалов на электродах анализатора с помощью переключателя 22 режимов. На фиг.2 изображены электрические схемы переключателя и делителя 20 напряжения, соответствующие приведенному конкретному примеру. Напряжение U регулируемого источника питания связано с энергией Еj, анализируемых частиц, на которую настроен прибор, известными соотношениями. Если частицы на разных участка^ пути в анализаторе приобре . Ί.534550 6 тают энергию как большую Ео, так и меньшую Efl, тоSwitching the spectrometer to various operating modes is accomplished by switching potentials on the analyzer electrodes using the 22 mode switch. Figure 2 shows the electrical circuit of the switch and voltage divider 20, corresponding to the given specific example. The voltage U of the regulated power source is related to the energy Ej of the analyzed particles, to which the device is tuned, by known ratios. If particles are on different sections of the path in the analyzer acquisition. Ί.534550 6 melt energy as large E о , and less E fl , then

U = Е·(V - V ) (Г woke *мин ' » если энергия Е частиц на всем не меньше Ео, то и = E»<v««t-'>· (la) путиU = E · (V - V) (Г woke * min '”if the energy E of the particles is not less than Е о , then u = E ” < v ““ t -'> · (la) of the path

Если на всем пути ΕέΕ, то (1в)If all the way ΕέΕ, then (1c)

В выражениях (1а) - (1в) VMaKC максимальное, а VМин - минимальное из всех возможных значений потенциалов на электродах анализатора, измеренные в единицах Ео.In expressions (1a) - (1c), V MaKC is the maximum, and V Min is the minimum of all possible potential values on the analyzer electrodes, measured in units of E о .

Величина и тип сопротивлений делителя 20 выбираются из требований к стабильности и другим параметрам источника питания. Переключатель 22 подключает каждый электрод в заданном режиме работы анализатора к точке делителя, соответствующей напряжению Ui,j = - О, (2) где символы i и j обозначают электроды и режимы;The magnitude and type of resistance of the divider 20 are selected from the requirements for stability and other parameters of the power source. Switch 22 connects each electrode in a given analyzer operation mode to a divider point corresponding to voltage U i, j = - О, (2) where the symbols i and j denote electrodes and modes;

V ; j - потенциал на электроде, измеренный также в единицах ЕоV; j is the potential at the electrode, also measured in units of E о

II

При переключении режима работы призменного анализатора положения его фокальных плоскостей остаются неизменными, а фокусные расстояния коллиматорной и фокусирующей линз изменяются. Это обеспечивает придание анализатору новых значений линейной дисперсии, разрешающей способности, светосилы и поля зрения.When the operating mode of the prism analyzer is switched, the positions of its focal planes remain unchanged, and the focal lengths of the collimator and focusing lenses change. This ensures that the analyzer gives new values of linear dispersion, resolution, aperture, and field of view.

В процессе расчета электроннооптической схемы энергоанализатора, варьируя форму (в пределах семейства кривых второго порядка) криволинейных щелевых зазоров и их положение, а также потенциалы на электродах, можно поднять чувствительность и разрешение спектрометра уже в параксиальном приближении. Кроме того, анализатор предлагаемого спектрометра обеспечивает увеличение чувствительности и разрешения по сравнению с известным за счет уменьшения сферических аберраций. Аберрации анализатора определяются главным образом ' 1534550 ’ сферическими аберрациями третьего порядка малости коллиматорной и фокусирующей линз = C,cZp2 + Сг ού\ (3)In the process of calculating the electron-optical scheme of the energy analyzer, by varying the shape (within the family of second-order curves) of the curvilinear gap gaps and their position, as well as the potentials on the electrodes, it is possible to increase the sensitivity and resolution of the spectrometer already in the paraxial approximation. In addition, the analyzer of the proposed spectrometer provides an increase in sensitivity and resolution compared to the known one due to the reduction of spherical aberrations. The analyzer aberrations are determined mainly by the '1534550' third-order spherical aberrations of the smallness of the collimator and focusing lenses = C, cZp 2 + С г ού \ (3)

- аберрационное уширение изображения щели источника в параллельном продольной плоскости направлении;- aberrational broadening of the image of the source gap in a direction parallel to the longitudinal plane;

- апертурные углы в продольной и поперечной плоскостях соответственно;- aperture angles in the longitudinal and transverse planes, respectively;

С^и С^-. коэффициенты аберраций.C ^ and C ^ -. aberration coefficients.

Использование в предлагаемом изобретении линз, не обладающих вращательной симметрией, позволяет существенно уменьшить или даже свести к нулю коэффициенты С < и С2. Так, коэффициент. С ( сводится к нулю даже при использовании зазоров между электродами, вырезанных по дугам окружностей, специальным подбором радиусов этих окружностей и положений их центров кривизны. Для того, чтобы свести к нулю оба коэффициента, необходимо использовать электроды, вырезанные по дугам специально подоб• ранной некруговой формы и с разнесенными эволютами. Решение подобных задач при конструировании светооп- ! ;тических систем достигается сравнительно просто. Например, сферическая аберрация стеклянной линзы может быть сведена к нулю., если между радиусами R4 и R2 поверхностей, ограничивающих линзу, ее толщиной Ди относительным^показателем преломления η стекла обеспечено соотношениеThe use of lenses that do not have rotational symmetry in the present invention can significantly reduce or even reduce to zero the coefficients C <and C 2 . So, the coefficient. C (reduces to zero even when using the gaps between the electrodes cut along the arcs of circles, by a special selection of the radii of these circles and the positions of their centers of curvature. In order to reduce both coefficients to zero, it is necessary to use electrodes cut along arcs of specially selected non-circular shape and spaced evolute solution of such problems in the construction svetoop-;.! cal systems achieved relatively simply, for example, the spherical aberration of the glass lenses can be reduced to zero if.. ezhdu radii R 4 and R 2 surfaces bounding the lens, its thickness Di ^ relative refractive index ratio η of glass is provided

Rl- R< _ (η2 - 1)(η + 2) ч . —I------‘Rl - R <_ (η 2 - 1) (η + 2) h. —I ------ '

Можно сделать линзу лишенной сфе-j рической аберрации, если, например, поверхность, обращенную к изображению, выполнить по сфере с радиусом R, равным фокусному расстоянию f линзы*; а вторую поверхность - по эллипсоиду с эксцентриситетом £ и главной полуосью а, требованиям ε=ι, а30 удовлетворяющим __fn η + ί (5) (5) записаныIt is possible to make the lens devoid of spherical aberration if, for example, the surface facing the image is made along a sphere with a radius R equal to the focal length f of the lens *; and the second surface - along an ellipsoid with eccentricity ξ and the main semiaxis a, the requirements ε = ι, a30 satisfying __fn η + ί (5) (5) are written

Выражения (4) и для случая расположения: предмета в бесконечности;Expressions (4) and for the case of location: the subject at infinity;

В качестве примера приведем результаты расчетов, полученные при разработке конкретного электронного спектрометра, предназначенного для исследования поверхностных явлений в нескольких режимах, соответствующих возбуждению образца рентгеновским, ультрафиолетовым излучением, электронным ударом, а также в режимах с повышенной светосилой при умеренном размере поля зрения и с расширенным полем зрения при умеренной светосиле. В диапазоне энергий 1003000 эВ (при использовании в качестве источника ионизации рентгеновской или электронной пушки) относительное разрешение спектрометра должно быть не хуже 0,1% при ширине исследуемой поверхности образца 1 мм.As an example, we give the calculation results obtained in the development of a specific electronic spectrometer designed to study surface phenomena in several modes, corresponding to the excitation of the sample by X-ray, ultraviolet radiation, electron impact, as well as in modes with increased aperture at a moderate size of field of view and with an expanded field vision with moderate aperture. In the energy range of 1003000 eV (when using an x-ray or electron gun as the ionization source), the relative resolution of the spectrometer should be no worse than 0.1% with the width of the investigated surface of the sample 1 mm.

При уменьшении ширины до 0,1 мм разрешение должно быть не хуже 0,03%, В области малых энергий (прил возбуждении образца ультрафиолетовым излучением) ' абсолютное разрешение должно быть не хуже 30 мВ при энергии 10 эВо Максимальная светосила анализатора не хуже 1% от 2ΐ“, а площадь анализируемой поверхности образца. до 4 мм2оWhen reducing the width of 0.1 mm resolution should be better than 0.03% in the low energy region (for n sample ultraviolet ray excitation) 'absolute resolution should be better than 30 mV at an energy of about 10 eV maximum aperture analyzer better than 1 % of 2ΐ “, and the area of the analyzed surface of the sample. up to 4 mm 2 about

Тип призмы (замедляющая или ускоряющая) энёргоанализатора, угол при ее вершине, угол падения на призму, расстояние между.призмой и коллиматорной и фокусирующей линзами, степень замедления или ускорения частиц в ,линзах выбираются из соображений обеспечения требуемой энергетической дисперсии, заданных габаритов, возможностей· осуществления электрического питания, исключения взаимного наложения .полей призмы и линз так же, как это делалось и в известном спектрометре.The type of prism (decelerating or accelerating) of the energy analyzer, the angle at its apex, the angle of incidence on the prism, the distance between the prism and the collimator and focusing lenses, the degree of deceleration or acceleration of particles in the lenses are selected from the considerations of ensuring the required energy dispersion, given dimensions, capabilities · the implementation of electrical power, the exclusion of mutual overlap. fields of a prism and lenses in the same way as was done in the well-known spectrometer.

Конструкция энергоанализатора симметрична относительно плоскости РР (фиг.2). Угол при вершине призмы J = 40 , угол падения пучка на призму Θι = 70°. Удаление точки пересечения осевой траектории с плоскостью РР от щели между электродами 8 и 9 4,9d, где d - расстояние между пластинами одного электрода. Ширина электрода 9 2,13d. Протяженность общего для призмы и линз электрода 10, отсчитанная по оси ON, 12,5d. Выходная щель 7 отстоит от ближайшей криволинейной щели линзы на 8d.The design of the energy analyzer is symmetric with respect to the plane PP (figure 2). The angle at the apex of the prism is J = 40, and the angle of incidence of the beam on the prism is Θι = 70 °. Removing the point of intersection of the axial trajectory with the PP plane from the gap between the electrodes 8 and 9 4.9d, where d is the distance between the plates of one electrode. The width of the electrode is 9 2.13d. The length of the electrode 10 common to the prism and lenses, counted along the ON axis, is 12.5d. The exit slit 7 is 8d away from the nearest curved lens slit.

Для работы в диапазоне энергий 100-3000 эВ предполагается использовать замедляющую в 16 раз коллиматорную и ускоряющую в 16 раз фокусирующую линзу. В области энергий меньше 20 эВ предполагается использовать одиночную линзу.To work in the energy range of 100-3000 eV, it is proposed to use a 16-times slowing collimator and 16-times accelerating focusing lens. In the energy region below 20 eV, it is proposed to use a single lens.

Потенциал Vc на промежуточном электроде трехэлектродной линзы может иметь промежуточную величину по сравнению с потенциалами на крайних электродах либо превосходить их. Случаи,когда Vc меньше потенциалов на крайних электродах,практического значения не имеют из-за больших искажений формируемого в этом режиме пучка.The potential V c at the intermediate electrode of the three-electrode lens can be of an intermediate value in comparison with the potentials at the extreme electrodes or exceed them. The cases when V c is less than the potentials at the extreme electrodes have no practical value due to large distortions of the beam formed in this mode.

Возможность независимо выбирать кривизну щелевых зазоров позволяет с помощью единой трехэлектродной конструкции линзы обеспечить два режима работы спектрометра. Эта возможность проиллюстрирована графиками фиг.4. Здесь приведены результаты расчета коллиматорной линзы, согласующейся с описанной призмой. По оси абсцисс отложен радиус кривизны второй щели линзы. Кривые 1-а и Г-б показывают величину кривизны первой щели, при которой осуществляется требуемый режим фокусировки. Кривые 2-а и 2-6 показывают необходимые для этого режима значения потенциала Vc, измеренные в единицах-потенциала Vo на входе в линзу.The ability to independently select the curvature of the gap gaps allows using two unified three-electrode lens design to provide two modes of operation of the spectrometer. This feature is illustrated by the graphs of FIG. 4. Here are the results of calculating a collimator lens consistent with the described prism. The abscissa shows the radius of curvature of the second slit of the lens. Curves 1a and Gb show the curvature of the first slit at which the desired focus mode is implemented. Curves 2-a and 2-6 show the potential values V c necessary for this mode, measured in units of potential V o at the entrance to the lens.

Кривые 3-а и З-б - предельная эффективная высота щели, определяемая величиной поля зрения анализатора. .Curves 3a and 3b are the maximum effective slit height determined by the analyzer's field of view. .

Данные графиков на фиг.4 получены для линзы, замедляющей электроны в 16 раз и при постоянной ширине промежуточного электрода S =6,Id. Из графиков видно, что при каждом R^ есть два значения R(, которые при соответствующей величине Vc обеспечивают требуемую фокусировку.The data of the graphs in Fig. 4 were obtained for a lens slowing down electrons by 16 times and with a constant width of the intermediate electrode S = 6, Id. The graphs show that for each R ^ there are two values of R ( which, with the corresponding value of V c, provide the required focus.

Более, того, точкой М пересечения кривых 1-а и 1-6 определяется единая трехэлектродная система, позволяющая лишь некоторым изменением потенциала Vc перейти из одного режима в другой. Один из них, как это видно из фиг.4, обеспечивает большее поле зрения, но зато второй, как это будет показано - большую светосилу. Отметим, что вклад аберраций линзы в разрешение спектрометра в обоихMoreover, the point M of intersection of curves 1-a and 1-6 defines a single three-electrode system that allows only some change in potential V c to switch from one mode to another. One of them, as can be seen from figure 4, provides a larger field of view, but the second, as will be shown, a larger aperture. Note that the contribution of lens aberrations to the resolution of the spectrometer in both

1534550 Ю режимах невелик. Уширение приборной линии, обусловленное коэффициентами С ( и , в обоих режимах менее 0,02%.1534550 Yu modes is small. The broadening of the instrument line, due to the coefficients C (and, in both modes, less than 0.02%.

Таким образом, графики фиг.4 $ иллюстрируют процесс оптимизации конструкции линзы с целью обеспечения единой трехэлектродной системой линзы двух различных режимов работы эд спектрометра.Thus, the graphs of $ 4 illustrate the process of optimizing the design of the lens in order to provide a single three-electrode lens system of two different modes of operation of the ed spectrometer.

Подобные расчеты выполнены для ряда семейств линз с постоянным S. Для каждого семейства, как и на фиг. 4, найдена точка М. Параметры анали15 затора, соответствующие этой точке, приведены на фиг.5. Здесь показано, как с изменением 8 меняется светосила анализатора Q(кривые 1-а и 1-6), Ттредельная эффективная высота элект20 ронно-оптического объекта hn (кривые 2-а и 2-6) и вклад AR аберраций коллиматорной и фокусирующей линз в разрешение спектрометра (кривые 3-а и З-б). Из кривых видно, что приSimilar calculations were performed for a number of lens families with constant S. For each family, as in FIG. 4, point M was found. The analyzer parameters corresponding to this point are shown in FIG. 5. Here, it is shown how, with a change in 8, the analyzer luminosity Q (curves 1-a and 1-6) changes, the limiting effective height of the electron-optical object h n (curves 2-a and 2-6) and the contribution of AR aberrations of the collimator and focusing lenses to the resolution of the spectrometer (curves 3-a and 3-b). The curves show that for

S = 6,Id в одном из режимов наблюдается максимум светосилы анализатора, хотя величина hn при этом невелика. При том же S во втором режиме обеспечивается значительная высота пред30 мета л- O,35d. Если,как и в известном спектрометре, выбрать d = 12 мм, то такое значение hn удовлетворяет поставленным при расчете анализатора требованиям. Таким образом, опреде35 лились два режима работы анализатора. Была выбрана линза с шириной промежуточного электрода S = 6,Id, что обеспечивает оптимальное значение светосилы в одном из режимов, а в другом - высоту электронно-оптического объекта hn, удовлетворяющую поставленным требованиям. Радиусы кривизны щелей этой линзы равны 5,60d и 9,95d. Она обеспечивает два режима работы анализатора при двух значениях Vc = 0,273 VQ и Vc = = O,178Vo.S = 6, Id, in one of the modes, the maximum aperture of the analyzer is observed, although the value of h n is small. With the same S in the second mode, a significant height of pre30 meta-O, 35d is provided. If, as in the well-known spectrometer, d = 12 mm is chosen, then this value of h n satisfies the requirements set in the calculation of the analyzer. Thus, two analyzer operation modes were determined35. A lens with an intermediate electrode width of S = 6, Id was chosen, which ensures the optimum value of aperture in one of the modes, and in the other, the height of the electron-optical object h n that meets the set requirements. The radii of curvature of the slits of this lens are 5.60d and 9.95d. It provides two modes of operation of the analyzer at two values of V c = 0.273 V Q and V c = = O, 178V o .

Режим с наибольшей светосилой анализатора реализуется при пода50 че на промежуточный электрод линзы потенциала большего, чем потенциалы на крайних электродах. В этой линзе используется одна из найденных уже щелей, а именно щель с радиусом кри55 визны 5,60d, Изменяя ширину S ее промежуточного электрода и подбирая кривизну ее второй щели и потенциал , обеспечивающие требуемую фокусировку анализатора, можно показать сделано светосипри S = 1 э подобно тому, как это было на фиг.5, что максимальная ла анализатора достигается = l,5d. При этом -52 ~ 1,4% от 2'8The mode with the highest aperture of the analyzer is realized when a potential is applied to the intermediate electrode of the lens greater than the potentials at the extreme electrodes. This lens uses one of the slits already found, namely, a slit with a radius of curvature of 5.60 d. By changing the width S of its intermediate electrode and choosing the curvature of its second slot and the potential that provide the required focusing of the analyzer, it is possible to show light siphon S = 1 e like 5, as it was in FIG. 5, that the maximum analyzer la is achieved = l, 5d. At the same time, -52 ~ 1.4% of 2'8

Ус = 3,8 Vo,а эффективная высота электронно-оптического объекта hn = = 0,025d.Радиус кривизны второй щели этой линзы составил 6t96d. Таким образом, была найдена, конструкция линзы, обеспечивающая максимальную светосилу спектрометра»At c = 3.8 V o , and the effective height of the electron-optical object h n = 0.025d. The radius of curvature of the second slit of this lens was 6 t 96d. Thus, the lens design was found to provide maximum spectrometer luminosity ”

Подобные расчеты были выполнены, чтобы найти одиночную линзу. В качестве ее первой щели использована ранее найденная'щель с радиусом кривизны 9,95d. У одиночной линзы сферические аберрации имеют существенную величину. Поэтому ее расчет ставился так, чтобы минимизировать эти аберрации. На фиг„6 приведены результаты выполненных расчетов. По оси абсцисс здесь отложена ширина S промежуточного электрода одиночной линзы.· Кривая 1 описывает величину радиуса кривизны второй щели этой линзы, а кривая 2 - потенциал на ее промежуточном электроде, обеспечивающие требуемую фокусировку. Кривая 3 характеризует изменение коэффициента аберрации С< , а кривая 4 коэффициента сизменением SiSimilar calculations were performed to find a single lens. As its first slit, the previously found slit with a radius of curvature of 9.95d was used. In a single lens, spherical aberrations are significant. Therefore, its calculation was set so as to minimize these aberrations. Fig. 6 shows the results of the calculations. The abscissa shows the width S of the intermediate electrode of a single lens. · Curve 1 describes the radius of curvature of the second slit of this lens, and curve 2 describes the potential on its intermediate electrode, which provides the required focus. Curve 3 characterizes the change in the aberration coefficient C <, and curve 4 of the coefficient changes Si

В соответствии с данными фиг.6 в качестве одиночной была выбрана линза с 8 = 2,5d, для которой С4 = 0 (с2 с изменением S меняется мало, а его вклад в разрешение невелик). Потенциал Усдля такой линзы составил V-c = 4,50 Va. Радиус кривизны второй щели 7,28d. Светосила анализатора в этом режиме составляет 0,2% от 2^ , а предельная высота электроннооптического объекта 0,33d„In accordance with the data of FIG. 6, a lens with 8 = 2.5d was selected as a single lens, for which C 4 = 0 (with 2 , S changes little with a change in S, and its contribution to resolution is small). The potential V c for such a lens was V- c = 4.50 V a . The radius of curvature of the second slit is 7.28d. The aperture ratio of the analyzer in this mode is 0.2% of 2 ^, and the maximum height of the electron-optical object is 0.33d „

Таким образом, был завершен выбор геометрических размеров элементов энергоанализатора. Придерживаясь обозначений фиг»2, приведем эти размеры. Протяженность электродов линзы, отсчитанная по электронно-оптической оси: электрод 4- 2,5d, 5 - 4,60d, 6 - l,5d. Радиусы кривизны щелевых зазоров между электродами: 7 и 6 - 5,60d, 6 и 5-6,69d,5n4- 9,950,4и 3-7,7d. Все центры кривизны коллимирующих электродов расположены между щелью 8 и соответствующим зазором. Фокусирующее . плечо спектрометра имеет аналогичные размеры. Потенциалы V» на электродах анализатора, отнесенные к по10Thus, the choice of the geometric dimensions of the elements of the energy analyzer was completed. Following the notation of FIG. 2, we present these dimensions. The length of the lens electrodes counted along the electron-optical axis: electrode 4 - 2.5d, 5 - 4.60d, 6 - l, 5d. The radii of curvature of the gap between the electrodes: 7 and 6 - 5.60 d, 6 and 5-6.69 d, 5n4 - 9.950.4 and 3-7.7 d. All centers of curvature of the collimating electrodes are located between the gap 8 and the corresponding gap. Focusing. The shoulder of the spectrometer has similar dimensions. Potentials V "on the analyzer electrodes, assigned to 10

1534550 12 тенциалу У? на его выводе и входе, даны для всех режимов. Отметим, что, как обычно, равным нулю считается потенциал той точки пространства, в которой кинетическая энергия частиц равна нулю» Электроды 7 и 7а предполагаются соединенными с источником анализируемых частиц, т.е. потенциал V7 численно равен энергии этих частиц Е£.1534550 12 potential U ? at its output and input are given for all modes. Note that, as usual, the potential of that point in space at which the kinetic energy of the particles is equal to zero is considered equal to zero. ”The electrodes 7 and 7a are assumed to be connected to the source of the analyzed particles, ie potential V 7 is numerically equal to the energy of these particles E £.

Наконец, покажем еще одну возможность использования изобретения для управления параметрами спектрометра 15 без изменения его конструкции. Описанный трехэлектродный вариант линзы с потенциалом Ус на промежуточном электроде, превосходящим по величине потенциалы на крайних электродах линзы, обеспечивает большое значение светосилы спектрометра, но поле зрения анализатора при этом невелико.Finally, we show another possibility of using the invention to control the parameters of the spectrometer 15 without changing its design. The described embodiment with a three-electrode lens potential V from the intermediate electrode potential exceeding the largest on the outer lens electrodes provides a large aperture value spectrometer, but the field of view of the analyzer with small.

Используя рассчитанную линзу как многоэлектродную, можно существенно увеличить эффективный размер электронно-оптического объекта. Эта возможность показана результатами расчетов, приведенными на фиг.7.Using the calculated lens as a multi-electrode, one can significantly increase the effective size of the electron-optical object. This possibility is shown by the calculation results shown in Fig.7.

II

Здесь по оси абсцисс отложен потенциал Уд на электроде 4. (согласно обозначениям фиг.2), а графики показывают, как в зависимости от Уд должны изменяться потенциалы Vg (кривая 1) и Vs (кривая 2) на электродах 6 и 5 соответственно, чтобы сохранить фокусировку. Из кривой 3, описывающей изменение светосилы прибора, видно, что светосила с изменением Уд меняется незначительно. Также незначительно меняется вклад аберраций линз AR в разрешение прибора (кривая 5)» А эффективная высота hn объекта .(кривая 4) при изменении Уд/Ут от 0,0625, что соответствует трехэлектродному режиму работы линзы, до 0,1 1 приводит к увеличению hr| с 0,025d до 0,08d, т.е. более чем в 3 раза» Таким образом, может быть рекомендован к использованию еще один режим работы спектрометра с большой светосилой и сравнительно большими размерами электронно-оптического объекта, а именно режим, соответствующий данным фиг.7 при Уд/У7 = = 0,110. Еще больше поднять размеры таким путем в данной конструкции не удается, так как увеличение У47 более 0,12 приводит к некорректируемой расстройке линзы.Here, the abscissa shows the potential Ud on the electrode 4. (according to the notation of Fig.2), and the graphs show how, depending on the Ud, the potentials Vg (curve 1) and V s (curve 2) on the electrodes 6 and 5, respectively, to maintain focus. From curve 3, which describes the change in the aperture of the device, it can be seen that the aperture with a change in Yp varies slightly. Also, the contribution of AR lens aberrations to the resolution of the device changes slightly (curve 5) »A effective height h n of the object. (Curve 4) when U / V m changes from 0.0625, which corresponds to a three-electrode lens operation mode, up to 0.1 1 to increase h r | from 0.025d to 0.08d, i.e. more than 3 times ”Thus, one more mode of operation of the spectrometer with a large aperture and relatively large size of the electron-optical object can be recommended for use, namely, the mode corresponding to the data of Fig. 7 at U / V 7 = 0.110. It is not possible to further increase the dimensions in this way in this design, since an increase in Y 4 / Y 7 of more than 0.12 leads to uncorrectable detuning of the lens.

Отметим еще, что во всех режимах, рассчитанных для работы спектрометра в области больших энергий, вклад аберраций в разрешение не превышал 0,01% для режимов 2,3, и 5 и 0,02% для режима 1. Т.е. в рассчитанном спектрометре при соответствующем уменьшении ширины щелей источника и приемника частиц достигается сверхвысокое разрешение - до 0,02%, что также согласуется с поставленными требованиями. 15We also note that in all modes calculated for the spectrometer to operate in the high-energy region, the contribution of aberrations to the resolution did not exceed 0.01% for modes 2.3, and 5 and 0.02% for mode 1. That is, In the calculated spectrometer, with a corresponding decrease in the slit width of the source and receiver of particles, an ultrahigh resolution is achieved - up to 0.02%, which also agrees with the set requirements. fifteen

Для реализации всех режимов работы переключатель должен обеспечивать коммутацию по схеме, изображенной на фиго2.To implement all operating modes, the switch must provide switching according to the circuit depicted in Fig.2.

При этом сопротивления, входящие 20 в делитель напряжения (ДН), рассчитанный в соответствии с требованиями (1а) и (2), должны иметь величинуIn this case, the resistances entering 20 into the voltage divider (DN), calculated in accordance with the requirements of (1a) and (2), must have the value

г. = l,937'10*3R, r2 = 3,205'10'^R, r3 = l,202'10~3R, г4 = 9,082·10 R, 25 r5 = 1,269· 10~*R, гб = 2,658·10'* R, г7 = 7,052· 10'*R, rg = 1,028-10'1 R, г = 2,711-10_1R, r40 = 2,671 10 R, r’ = 9,082'10' R, 4,074 -10'1 R, где R - полное сопротивление ДН0 30r = l, 937'10 * 3 R, r 2 = 3.205'10 '^ R, r 3 = l, 202'10 ~ 3 R, r 4 = 9.082 · 10 R, 25 r 5 = 1.269 · 10 ~ * R, g b = 2,658 · 10 '* R, g 7 = 7,052 · 10' * R, r g = 1,028-10 ' 1 R, g = 2,711-10 _1 R, r 40 = 2,671 10 R, r' = 9.082'10 'R, 4.074 -10' 1 R, where R is the impedance of the DN 0 30

Claims (1)

Формула, изобретенияClaim Электронный спектрометр, содержащий регулируемый источник питания, источники ионизации, расположенные на входе электростатического эгерго-* анализатора призменного типа, с диспергирующей частью, выполненной в виде электронной призмы, и коллимирующей и фокусирующей частями, выполненными в виде электронных линз, образованных электродами, выполненными в виде последовательно расположенных пар плоских параллельных одна другой пластин, симметричных относительно продольной плоскости энергоанализатора, разделенных криволинейными зазорами, и расположённый на выходе электростатического энергоанализатора приемник электронов с щелевыми зазорами, о тли чающийся тем, что, с целью расширения аналитических возможностей спектрометра, увеличения его чувствительности и разрешающей способности, в него введен переключатель режимов работы, причем криволинейные щелевые зазоры выполнены по дугам, представляющим собой кривые второго порядка, центры кривизны или эволюты которых разнесены друг относительно друга вдоль электронно-оптической оси, а электроды энергоанализатора подключены к регулируемому источнику электрического 'питания через переключатель режимов дэаботы спектрометра.An electronic spectrometer containing an adjustable power source, ionization sources located at the input of an electrostatic prism-type Egergo * analyzer with a dispersing part made in the form of an electronic prism and collimating and focusing parts made in the form of electronic lenses formed by electrodes made in the form sequentially arranged pairs of flat plates parallel to one another, symmetrical with respect to the longitudinal plane of the energy analyzer, separated by a curved gap mi, and an electron receiver with gap gaps located at the output of the electrostatic energy analyzer, characterized in that, in order to expand the analytical capabilities of the spectrometer, increase its sensitivity and resolution, a mode switch is introduced into it, and curved gap gaps are made in arcs, representing second-order curves, the centers of curvature or evolutes of which are spaced relative to each other along the electron-optical axis, and the electrodes of the energy analyzer are connected cheny to a regulated source of electrical 'power supply via the mode switch deaboty spectrometer. Фиг. 5 Qoz V^, °·’°FIG. 5 Qoz V ^, ° · '° Фиг. 7FIG. 7
SU853986986A 1985-12-09 1985-12-09 Electronic spectrometer SU1534550A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU853986986A SU1534550A1 (en) 1985-12-09 1985-12-09 Electronic spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU853986986A SU1534550A1 (en) 1985-12-09 1985-12-09 Electronic spectrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1534550A1 true SU1534550A1 (en) 1990-01-07

Family

ID=21208952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU853986986A SU1534550A1 (en) 1985-12-09 1985-12-09 Electronic spectrometer

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1534550A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rose Correction of aberrations, a promising means for improving the spatial and energy resolution of energy-filtering electron microscopes
Lassettre et al. Quadrupole‐Allowed Transitions in the Electron‐Impact Spectrum of N2
Steckelmacher Energy analysers for charged particle beams
CA2386044C (en) Mass spectrometer including a quadrupole mass analyser arrangement
EP0490626B1 (en) Mass spectrometer with electrostatic energy filter
US4418280A (en) Double focusing mass spectrometer
US4553029A (en) Mass spectrometer
SU1534550A1 (en) Electronic spectrometer
EP0202117B1 (en) Double focusing mass spectrometers
US6737647B2 (en) Array for achromatic imaging of a pulsed particle beam
Nier The development of a high resolution mass spectrometer: a reminiscence
US3944827A (en) Virtual image type double focusing mass spectrometer
Martinez et al. Four-cylinder electrostatic lens. II. Energy scanning at constant image position and magnification
Preston et al. A versatile electron spectrometer
US6441378B1 (en) Magnetic energy filter
RU2294579C1 (en) Analyzer of energies of charged particles
Tsuno Simulation of a Wien filter as beam separator in a low energy electron microscope
Mason et al. Predispersive electron gun for an electron monochromator
Dunham et al. Evaluation of aberration coefficients of practical electrostatic lenses for X-ray absorption micro-spectroscopy and imaging
RU2144237C1 (en) Optical particle-emitting column
Boesten Modified operation of the seven‐element electrostatic Chutjian–Kuyatt lens system
Pearce-Percy An energy analyser for a CTEM/STEM
Bertrand et al. A high-resolution energy analyser for surface studies by ion scattering spectrometry (ISSS)
Ioanoviciu et al. Compact double focusing mass spectrometer design for partial pressure measurements
Spehr Limitations on the performance of charged particle beams in microlithography