SU1756973A1 - Способ анализа пучка зар женных частиц по энерги м и устройство дл его осуществлени (циклоидальный анализатор) - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к физической электронике и может быть применено дл  формировани  и анализа пучков зар женных частиц малых энергий. Движущийс  вдоль однородного магнитного пол  пучок ввод т в поперечно-неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого  вл ютс  коаксиальными цилиндрическими. Отбор частиц по энерги м производитс  с помощью диафрагмы, Неоднородность поперечного пол  увеличивает разрешающую способность и пропускание . Устройство содержит помещенные в однородное магнитное поле внутренний 1 и внешний 2 цилиндрические электроды, входную 3 и выходную 4 диафрагмы. Электроды 1 и 2 создают неоднородное поперечное электрическое поле, в котором частицы отклон ютс , а величина отклонени  зависит от их скорости. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. Физ.1

Description

Изобретение относитс  к физической электронике и может быть использовано дл  формировани  и анализа пучков электронов малых энергий при исследовании по- верхности вещества и процессов электронно-атомных столкновений.

В электронной спектроскопии известно несколько способов анализа энергий зар женных частиц, движущихс  в продольном магнитном поле, использующих дисперги- рующие свойства как магнитного, так и электрического полей. Однородное магнитное поле используют в анализаторах с тор- моз щим полем, Известны также анализаторы с неоднородным магнитным полем, убывающим или возрастающим в области торможени , что делает возможным анализ электронов не только по продольной , но и по полной составл ющей скорости электронов.

Первые обладают тем недостатком, что дл  определени  энергетического спектра необходимо дифференцировать интегральную характеристику - кривую задержки, вторые имеют сложную систему формирова- ни  магнитного пол , на которую к тому же накладываютс  ограничени  на скорость изменени  магнитного пол .

Наиболее близким к предлагаемому изобретению  вл етс  способ, при котором движущийс  вдоль силовых линий однородного магнитного пол  пучок частиц ввод т в поперечное электрическое поле плоского конденсатора, а две диафрагмы, перпендикул рные магнитному полю, задают попе- речные размеры пучка на входе и выходе из области дрейфа.

В области дрейфа вследствие совместного действи  скрещенных магнитного и электрического полей, частицы дрейфуют вдоль эквипотенциальных поверхностей пол  плоского конденсатора в направлении, перпендикул рном как магнитному, так и электрическому пол м. Выходна  диафрагма анализатора, отверстие в которой сме- щено относительно входного, выдел ет частицы с определенной составл ющей продольной скорости,

Недостатком такого способа анализа энергией частиц  вл етс  зависимость ве- личины смещени  частицы на выходе анализатора от координаты влета в область дрейфа, что вызвано действием краевого пол  плоского конденсатора. Например, частицы с отрицательным зар дом, влетаю- щие в область дрейфа ближе к положительной пластине конденсатора, вследствие действи  краевого пол  конденсатора доускор ютс , в результате чего на выходе из анализатора продрейфуют на

меньшее рассто ние, чем частицы, вошедшие в область дрейфа у отрицательной пластины , Это приводит к ухудшению разрешени , а также уменьшает коэффициент пропускани  анализатора.

Цель изобретени  - одновременное улучшение разрешени  по энерги м и повышение пропускани  при анализе зар женных частиц малых энергий ( дес тые доли электронвольта).

Дл  достижени  указанной цели пучок зар женные частиц вводитс  в неоднородное поперечное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого  вл ютс  цилиндрическими поверхност ми , с образующими, параллельными силовым лини ми магнитного пол . Совместное действие скрещенных электрического Е и магнитного В полей приводит к циклоидальному движению в направлении, перпендикул рном как электрическому ттс и магнитному пол м. Скорость дрейфа VD в этом направлении равна

в2

(1)

где Е - составл юща  электрического пол , перпендикул рна  магнитному полю. Из (1) следует, что дрейф происходит вдоль эквипотенциальных поверхностей поперечного электрического пол . В области дрейфа частица пребывает врем  t, равное

k

VI

-г- -.,.

I.

{-(Х/„+ф(х,у))}

V7

где L - длина анализатора;

е - зар д частицы;

т - масса частицы;

VM - скорость продольного движени  частицы;

VM - энерги  продольного движени  частицы;

ф(х,у) - потенциал электрического пол  в точке влета с координатами (х,у),

Длина дуги дрейфового движени , которую опишет ведущий центр за врем  t, равна

D(xy)/ I VD(x,y)l dt

(3)

Ј/I Ex(x,y)| dt,

Если выходное отверстие смещено относительно входного на величину D, на выход пропускаютс  только те частицы, скорость которых удовлетвор ет формуле (3). Таким образом, осуществл етс  отбор по энергии.

Согласно формуле (2) врем  пребывани  в области дрейфа зависит от координаты влета. Из (3) видно, что величина дрейфа зависит также от электрического пол . Задача состоит в выборе такой конфигурации пол , котора  бы позволила скомпенсировать зависимость D(x,y) от времени t, т,е пучок частиц необходимо вводить в точке слабой зависимости D(x,y) от координаты влета (х,у). Такими точками  вл ютс  точки экстремумов, дл  которых выполн ютс  услови 

Вх ду

0.

Выполнение этих условий достижимо в том случае, если знак разности потенциалов между точкой ввода в электрическое поле и центром кривизны эквипотенциальной поверхности , проход  щей через эту точку, совпадает со знаком зар да анализируемых частиц. Другими словами, частицы, наход щиес  в области дрейфа меньшее врем , должны вводитьс  в анализатор в точке с большей напр женностью электрического пол , или, что то же самое, с большей скоростью дрейфового движени  В этом случае изображение входной щели на выходе анализатора будет испытывать наименьшие искажени .

Конкретна  реализаци  предлагаемого устройства св зана с использованием в качестве источника неоднородного электриче- ского пол  двух коаксиальных цилиндрических электродов и применением его дл  анализа энергий электронов.

На фиг.1 показана схема действующих в устройстве скрещенных полей и предлагаемый анализатор: на фиг 2 - поперечные сечени  трохоидального и гипоциклоидаль- ного анализатора, а также поперечные сечени  пучка на выходе анализаторов дл  указанных энергией электронов; на фиг.З - расчетные (сплошна  крива ) и экспериментальные (точки) энергетические распределе- ни  электронов на выходе из трохоидального и гипоциклоидал ЁТ дТо электронного монохроматоров.

Анализатор содержит внутренний 1 и внешний 2 цилиндры конденсатора, входную 3 и выходную А диафрагмы,

Ег радиальна  составл юща  электрического пол , В - магнитна  индукци  одно

родного магнитного пол , в которое помещен весь анализатор.

Анализатор работает следующим образом .

5Электронный пучок направл етс  вдоль

магнитного пол  во входное отверстие анализатора . За входной диафрагмой 3 электроны вход т в область поперечного электрического пол , создаваемого между

10 внутренним 1 и внешним 2 цилиндрами. Совместное действие скрещенных электрического Е и магнитного В полей приводит к циклоидальному движению в направлении, перпендикул рном как электрическому, так

15 и магнитному пол м. Скорость дрейфа в

этом направлении равна VD -к-, а величиь

на смещени  у выходной диафрагмы 4 зависит от величины продольной скорости 20 электрона vn и равна

0

ErL В vn

(5)

где D - смещение электрона на выходе анализатора;

L - длина анализатора;

Е - электрическое поле;

В - магнитна  индукци ;

vn - скорость продольного движени  электронов.

Если выходное отверстие в диафрагме 4 смещено относительно входного на величину D, на выход пропускаютс  только те электроны , скорость которых удовлетвор ет формуле (5). Таким образом, осуществл етс  отбор по энергии.

Пусть радиусы внутреннего и внешнего цилиндров равны п и Г2 соответственно (фиг.2); г - радиус - зектор точки, в которой ° электрон входит в пространство дрейфа. Распределение потенциала Ф(г) и электрическое поле Ег между цилиндрами зависит от г следующим образом:

In-:Го

(6)

ЕгV2-V1

-S

(7)

где Vi и Va - потенциалы внутреннего и внешнего цилиндров соответственно;

го - радиус-вектор центра входного отверсти  анализатора.

Так как

(Vii+«)(r)}1/2,(8)

где

| 1,76-10

m

,11 Кл кг

из (5) получим угол (р, на который продрейфуют электроны на выходе анализатора

,„ - D - L р-т-в

r(-2j/(Vn+0(r))l 1%)

Угол дрейфа не будет зависеть от г при выполнении услови  d ip/dr 0, откуда получаем

V2-V1 V|| In ( Г2/П)

дУ

илип/Г2 е VjT

где AV V2-Vi,

Vn - энерги  пропускани  анализатора, выражение дл  которой можно получить из формул (5)-(8)

VIP

1 Г V2-V/1 I a L2 Lln(r2/nlJ r4-BrV

(12)

Исход  из смысла вход щих в формулу (9) величин, получаем., что дл  выполнени  этого соотношени  необходимо V2-Vi О, т.е. потенциал внутреннего цилиндра должен поддерживатьс  положительным по отношению к внешнему.

Вследствие того, что скорость электронов vi внутри области дрейфа зависит от координаты влета согласно формуле (8), электроны вход щие в анализатор у внутреннего цилиндра, будут иметь большую скорость, чем у внешнего. Однако электрическое поле между цилиндрами неоднородно , поэтому скорость дрейфа у внутреннего цилиндра также будет больше, отношение E/(r -vn), определ ющее угол р на выходе из анализатора, будет сохран тьс  приблизительно посто нным при выполнении услови  (10), а форма пучка на выходе анализатора должна мало отличатьс  от входного. При этом электроны в пространстве дрейфа описывают траектории, проекции которых на плоскость, перпендикул рную магнитному полю, имеют вид гипоциклоиды, т.е. кривой, которую описывает точка круга, кат щегос  без проскальзывани  по внутренней стороне окружности , радиус которой совпадает с

радиус-вектором точки влета электрона в пространство дрейфа.

На фиг.2 показаны рассчитанные профили электронного пучка на выходе анализаторов при разности потенциалов /2-Vi, удовлетвор ющей формуле (10). Видно, чго в случае гипоциклоидального анализатора профили электронного пучка на выходе анализатора , а отличие от трохоидального анализатора , не перекрываютс  выходной щелью. Это означает, что рассмотренна  конфигураци  обладает более высоким разрешением , чем трохоидальный анализатор. Дл  электронов, энерги  которых удовлетвор ет (10)(вданном случае 0,215 эВ), отклонение выходного профил  от цилиндрического минимально, что делает возможным увеличение коэффициента пропускани  более , чем в два раза дл  одинаковых входного

и выходного отверстий диаметром 0,4 мм(до 90%).

Длг сравнени  характеристик трохои- дзльно ои гипоциклоидального монохрома- торов измерены энергетические

распределени  электронов на их выходах и проведено сравнение с расчетными распределени ми . В расчетах принималось, что во входную щель монохроматора диаметром 0,4 мм входит поток электронов с равномерным распределением по энергии Электрон считаетс  вышедшим из мочохроматорэ, если координата вылета из монохроматора лежит внутри выходного отверсти  анализатора. На фиг.З показано

распределение, полученное при параметрах , удовлетвор ющих выражению (10) Как видим, экспериментальные распределени  хорошо совпадают с расчетными, причем уменьшение ширины распределени  AWi/2

более, чем в два раза (от 0,13 эВ до 0,05 эВ) получено при сохранении величины выходного тока. Расчет также показывает, что площади под кривыми (т.е. мера выходного тока) совпадают.

Дл  гипоциклоидального монохроматора длиной мм, радиусами цилиндров ,5 мм и ,5 мм, радиусах входного и выходного отверстий 0,2 мм, смещенных относительно друг друга на угол тг/2, при величине магнитной индукции 1бОГс(1,6 Тп) и разности потенциалов V2-Vi -0,44 В получена ширина энергетического распределени  AWi/2 0,05 эВ против 0,13 эВ у

известного при том же выходном токе. Использование этой же конфигурации в качестве анализатора электронов позволило более чем в два раза увеличить пропускание анализатора (с 30% до 90-100%).

Claims (1)

1. Формула изобретени  1. Способ анализа пучка зар женных частиц по энерги м, в котором движущийс  вдоль однородного магнитного пол  пучок ввод т в поперечное электрическое поле, где произво- д т отбор частиц по продольной скорости, отличающийс  тем, что с целью одновременного улучшени  разрешени  по энерги м и увеличени  пропускани , в качестве поперечного электрического пол  используют нео- днородное поле, эквипотенциальные поверхности которого  вл ютс  цилиндрическими поверхност ми, образующие которых параллельны вектору напр женности магнитного пол , а ввод зар женных частиц в элект- рическое поле осуществл етс  так, что знак разности потенциалов между точкой ввода и центром кривизны эквипотенциальной поверхности , проход щей через эту точку, совпадает со знаком зар да анализируемых частиц.

   2 Устройство дл  анализа пучка зар женных частиц по энерги м (циклоидальный анализатор), содержащее помещенные в однородное магнитное поле входную и выходную диафрагмы, плоскости которых перпендикул рны магнитному полю, установленные между диафрагмами электроды дл  создани  поперечного электрического пол , отличающеес  тем, что, с целью однородного улучшени  разрешени  по энерги м и увеличени  пропускани , электроды дл  создани  поперечного электрического пол  выполнены в виде пары коаксиальных цилиндров, ось которых параллельна магнитному полю, а центры входного и выходного отверстий в диафрагмах расположены на одинаковых рассто ни х г (м) от оси, причем , где п и гг (м), радиусы внутреннего и внешнего цилиндров соответственно.

   123

   У,0,28эВ ,20эВ ЧгО,12эВ

   I

   Ivг. 2

   у,

   , 1mm

   j...i i/1 ill i i |

   Щ I

   1

   О 0,25 0,5

   Фиг. 3

   ,053B

   0,2 0,4

   лЦ 0,13эВ