Времяпролетный атомный зонд

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ АТОМНЫЙ ЗОНД, с компенсацией разброса кинематических энергий ионов п

Изобретение относится к высоколокальным времяпролетным методам масс- спектрометрического анализа твердых тел, конкретнее, к устройствам, с помощью которых определяется химический состав веществ (металлы и полупроводники) посредством анализа одиночных ионов, образующихся в процессе поатомного испарения материала игольчатого образца в высоком электрическом поле. Данные устройства, обладающие пространственным разрешением на атомном уровне и возможностью испарения отдельных атомов или слоев атомов, получили название атомный зонд.
Цель изобретения снижение предела обнаружения и погрешности количественных измерений путем уменьшения интенсивности ионов изображающих газов при их поступлении на детектор.
Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что наличие на управляющем сетчатом электроде потенциала, равного постоянному напряжению на образце, приводит к рассеиванию ионов газов (имеющих энергию, соответствующую постоянному напряжению на образце) при отражении от искривленной эквипотенциальной поверхности в месте размещения управляющего электрода. В то же время ионы металлов, энергия которых превышает энергию ионов газов, будут отражаться под определенным углом от плоских эквипотенциальных поверхностей. Для эффективной работы устройства в широком диапазоне изменения постоянного напряжения на образце управляющий электрод электрически соединяется с образцом. Чтобы испаряющий импульс, под действием которого произошло испарение ионов металлов, не приводил к заметному изменению потенциала на управляющей сетке, соединение управляющего электрода с образцом осуществляется через резистор.
На фиг. 1 дана структурная схема устройства; на фиг. 2 эпюры напряжений на образце; на фиг. 3 траектории движения ионов в отражателе с управляющим электродом.
Времяпролетный атомный зонд с компенсацией разброса кинематических энергий ионов (фиг. 1) содержит дрейфовую камеру 1, в которой размещены держатель 2 образца, микроканальный усилитель 3 яркости автоионных изображений с зондовым отверстием в центре, смотровое зеркало 4 с отверстием в центре, двухзазорный отражатель 5 ионов и детектор 6 ионов, генератор 7 испаряющих импульсов регулируемой амплитуды, измеритель 8 временных интервалов, источник 9 регулируемого постоянного напряжения, один из выходов которого соединен с отражательным электродом отражателя 5 и через делитель напряжения Р1Р2 с держателем 2 образца. Последний электрически соединен через резистор Р3 с управляющим электродом отражателя 5.
Устройство работает следующим образом.
Под действием постоянного напряжения U_пост., подаваемого на держатель 2 образца через делитель R1R2 от источника 9 регулируемого постоянного напряжения, происходит ионизация изображающих газов (гелия, неона). На люминесцентном экране микроканального усилителя 3 яркости автоионных изображений создается изображение поверхности образца в ионах изображающих газов (автоионное изображение). Световой поток, несущий информацию об автоионном изображении, с помощью смотрового зеркала 4 выводится наружу. Перемещением держателя 2 образца в двух взаимно перпендикулярных плоскостях сканируют пучок ионов изображающих газов относительно зондового отверстия в микроканальном усилителе 3 яркости до тех пор, пока анализируемый объект не разместится над указанным отверстием. После этого на держатель 2 образца подается импульсное напряжение U_имп. от генератора 7, под действием которого происходит испарение ионов металлов и запуск измерителя 8 временных интервалов. Ионы металлов и газов проходят отверстия в микроканальном усилителе 3 яркости и смотровом зеркале 4, поступают в отражатель 5 и, отразившись от него, попадают на детектор 6. Детектор 6 вырабатывает импульсы напряжения, которые поступают на стоповый вход измерителя 8 временных интервалов.
Снижение интенсивности ионов газов, поступаемых на детектор, происходит следующим образом.
В момент 1 (фиг.2) происходит испарение иона металла, при этом испаряющее напряжение равно U_пост. + 1/2 U_имп. Ион металла, попав в отражатель под углом (фиг.3), примерно под тем же углом выйдет из отражателя в результате отражения от плоской эквипотенциальной поверхности, имеющей потенциал, равный испаряющему напряжению на образце, т.е. U_пост. + 1/2 U_исп (траектория 1, фиг.3).
Ионы газов, образованных ионизацией газов вблизи поверхности образца напряжением U_пост., поступив в отражатель под тем же углом будут отражаться от искривленной эквипотенциальной поверхности, имеющей потенциал U_пост. При этом, в отличие от ионов металлов, их отражение происходит под углами, значительно отличающимися от (траектория 2, фиг.3), что и приводит к их рассеиванию. И чем меньше будет входная апертура детектора, тем меньше будет число ионов газов, поступаемых на детектор.
В процессе полевого испарения образца, имеющего форму иголки, происходит его затупление. Для поддержания необходимой напряженности испаряющегося поля испаряющее напряжение на образце постепенно увеличивают. При этом увеличивается как постоянное, так и импульсное напряжение. Эффективная работа рассматриваемого устройства в широком диапазоне изменения испаряющих напряжений (как правило 5-25 кВ) достигается тем, что управляющий электрод отражателя электрически соединяется с образцом. Таким образом, на управляющем электроде независимо от радиуса кривизны образца, поддерживается потенциал, равный постоянному напряжению на образце.
Образец находится под воздействием постоянного и импульсного напряжений. И для исключения влияния последнего на потенциал управляющего электрода соединение образца с управляющим электродом осуществляется через резистор R3. В этом случае резистор R3 и межэлектродная емкость отражателя образуют интегрирующую цепь, постоянная времени которой должна значительно превышать длительность испаряющего импульса. Поскольку отношению амплитуды испаряющего импульса к значению постоянного напряжения на образце находится в диапазоне 10-30% то изменение на 1% потенциала на управляющем электроде вполне допустимо. Исходя из сказанного значение R3 следует выбирать из выражения
R 10 t_и/C где t_и длительность испаряющего импульса;
С межэлектродная емкость отражателя.
В предлагаемом устройстве так же, как в устройстве-прототипе, длительность испаряющего импульса равна 20 НС, межэлектродная емкость 40 пФ. Таким образом, величина резистора R3 должна быть не менее 5 кОм.
Предварительные расчеты показывают, что усовершенствованное устройство даст возможность снизить интенсивность ионов газов, регистрируемых детектором на 1-2 порядка.
Использование: относится к высоколокальным времяпролетным методам массспектрометрического анализа твердых тел, в которых определение химического состава анализируемых объектов осуществляется посредством анализа одиночных ионов, образующихся в процессе полевого испарения образца. Сущность изобретения: в устройстве с пространственно-временной фокусировкой ионов осуществлено электрическое соединение образца 2 с управляющим электродом отражателя 5 ионов. Новое устройство дает возможность на 1 - 2 порядка снизить интенсивность ионов изображающих газов, поступающих на детектор ионов, и, как следствие, существенно снизить предел обнаружения и погрешность количественных измерений. 3 ил.