Корректирующий электрод для анали-заторов заряженных частиц

(23) Приоритет по делам изобретений и открытийОпубликовано 15,07,81. Бюллетень Ле 26 Рз) УД 5 З 9.1. ,074.23 (088,8) Дата опубликования описания 18,07.81(54) КОРРЕКТИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОЙ ДЛЯ АНАЛИЗАТОРОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Изобретение относится к области анализа заряженных частиц по энергиям, в особенности к электростатическим анализаторам типа цилиндрического зеркала, и мо жет быть использовано в спектрометрах для космических исследований, для химического анализа тве;.дых тел методами электронной спектроскопии, а также в других электронных и ионных приборах, использующих цилиндрически симметричные электрические поля,Любой прибор, использующий фокусировку заряженных частиц, требует создания расчетной конфигурации поля, и любое отт 5 клонение от нее приводит к ухудшению электроннооптических характеристик, Например, анализатор заряженных частиц типа цилиндрического зеркала 11 требует создания цилиндричсски симметричного поля, вблизи его торцов симмаурия поля Фнарушается, и если краевые искажения поля доходят до траекторий заряженных частиц, то основные характеристики анаГ 2лизатора ( в частности, разрешающая способность), ухудшаются.Из практических соображений, таких как необходимость малых габаритов и доступ к образцу, требуется максимально возможное ограничение длины цилиндров анализатора, и, чтобы избавиться от краевых искажений поля, применяют корректирующие электроды, устанавливаемые ,вблизи торцов цилиндров, Для идеальной коррекции эти электроды должны в каждой точке своей поверхности создать в точности такое же распределение потенциала, которое существует между бесконечно длинными цилиндрами, но практически корректирующие электроды аппроксимируют необходимое попе с той или иной точ-, ностью.Известен корректирующий электрод, состоящий .из основания из изолирующего матерйала, вся поверхность которого покрыта резистивной пленкой с поверхностным -сопротивлением порядка 10 МОм квадрат Г 21, Однако этот корректирующий.1 т (л т гдэлектрод обладает цедостаточной точностьюкоррекции поля из-за большого техцодо,гического разброса поверхностцогс сопротивлеция высокоомной пленки по площад)лоснования,Известна и другая конструкция элект рода для коррекции краевых электрическихполей 3, Этот корректирующий электрод, являющийся наиболее близким по конструкции к предлагаемому устройству, установлен между двумя коаксиальными цилиндрами, и состоит из изолирую)пего основания в форме кольца или полого усеченного конуса, на которое напылен рядконцентрических проводящих колец из хорошо проводчщего материала, К каждомукольцу подводится необходимый потенциал, зависящий от радиуса кольца,Одя создания нужных потенциалов накольцах используется делитель напряжений,т 0представляющий собой резистивную дорожку в форме сектора или прямоугольникаиз материала с сопротивлением порядка10 МОм/квадрат, напыленцую по радиу -су изолирующего основания, пересека)ощую все кольца и имеющую с каждым изколец электрический контакт, Концы резистивной дорожки электрически соединяются с цилиндрами анализатора, Резистивная дорожка с таким большюл сопротивлением обычно делается цз кермета, например, алуцд-никель, а концентрическиекольца - из це: )ат нитного металла (зстдото, хром и т,д.).Все Основание покрывается еще однимслоем материала с поверхностным сопротивлением порядка 100 МО)л/квадратт который не приводит к заметному перераспределению потенциалов на кольцах и служит для снятия электростатических зарядов с участков основания между кодьцамц,Это известное устройство позвстляет уменьшить длину цилиндров анализатора, но имеет ряд недостатков. Один из них - необходимость индивидуальной подгонки сопротивлений участков резистивной дорожки, Это связано с тем, что трудно осуществить напыление радиальной полоски из материала с таким высоким значением поверхностного сопротивления так, чтобы каждый ее участок между соседними кольцами имел заданное значение сопротивления, пленки с поверхностным сопротивлением 1-10 МОм/квадрат, работающие всверхвысоком вакууме, практически осуществимы лишь на основе одновременного напыления металла и диэлектрика, а такие л.особенО ,:ход цческцй ПДЕЦКЦ ЦМС)ОТразброс пара),1: роУ МЕ;)ЬШ и теОВОРХЦ ОС т)ОЕ СОПГт От ЦВЛЕнце резцсгцвцой дорожки и известном электроде ц прцмеццгь гОраз."О бодсо технологичные резцстивцые материалы на основе металлов нельзят поскольку поднос напряжецис между концамц дорожки достигает1-2 кВ и мощность, рассеиваемая па ней,будет чрезмерно велика,. Другой недостаток прототипа связан спервым и закл)очается в недостаточной степени уменьшения краевых искажений поля.Леде в том, что ддя компенсации краевыхискажений электрического поля необходимо па сей граццце создать,асчетцос распределснцс потенциала. Б известном устройствс эта зависимость аппроксцмцруется заданием эквпотенццалей, задаваемых С ПОМОЩЬЮ ПРОВОДЯт)ГХ КОЛЕЦ На НЕСКОЛЬ- ких дискрет)гых радиусах, и ддя улучшения аппроксимации, которое необходимо при увеличении разрешения анализатора. цли при уменьшении габаритов, нужно сокращать ширину проводящих колец, расстояние между ними и увеличивать число колец, Одн 4 ко индивидуальная подгонка участков рсз цст цвн ой дор ожк и-делителя с помощью пескоструйцой Обрагботкц цлц кислотцоГО Тратд)ЕП 1)Г ГЛВКТНЧЕСКН НСКдтвт 1 аЕТ ЗадаННЕ ЭКВИПОТЕцц 11 агЕ)Л ЧащЕ, т 1 СМ ЧЕРЕЗ 2-3 ММЭто приводит к тому что эдектри"еское)МОЕТ Сгц)Р( Т 3 ВННОЕ Отгто 1 Ет 1 От раст 1 етцстй )со)1)1 гц).Оа)1 ц)л ца васстоянцц бдилке,. - - мм от 1-оверхностц электрода, что приводит либо к гменьшенцю разрешающейпо, обцостц ачадцзатогоа, дцбо к цеобхс ДЦМОСТЦ УВЕДЦт 1 ЕН;1: - ,. ЕГО ГадаРЦТОВ,Цед) )о )лзобрете:1 я является увегч 1)чение Тотнос)т 1;Огртт) в Цель дост)п ает,., - Те,;,. ттго преддагаеМ 1 т 11) Э 11 Г 111 ТОО 1) т)1 Я анаДПСОООН ЗаЯЖЕН Ц 1 т)Х ЧЯ СТ )ГЦ ИМЕЕТ Р ЕЗ )астивц 1 г)3 ДОР ОЖКу В ВЦДЕ С:)ИРВ,)пт аСПОЛОЖСНОЙ На ПОВЕРХПОСТЦ ОСН Оваццг ВОЦ"УГ ЕГО ПЕНТВаДЬНОГО ОТВОРСТЯЯт а ТН 1 огКС ТЕ".тт ЧТО . 3 ЕЗ ЦСГ ИВНая дарегККа ВЬ 1 ГГтд)1 Е)".а цвт ОСНОВЕ ЧНСТЬ)Х МЕ- таДДОВ ЦЛЦ ),)ЕТ 111111 ЦЧЕСКЦгг СПДВОВ ПРИЧЕМ резистивная дорожка имеет постоянное со- ПРОТИВДЕНИЕ Ца ЕД ЦН)нтУ ДЛИНЫт а ШаГ СПИ- раг 1 и выбт)а 11 пропорционально квадрату расСт Ояцця ОТ ОС;1 цегтгп)Гру)О)цЕГО ОСНОВацця.), О 1 твЕр.ттця Псдя Ос;т)1)ЕСТВНГ)ЕТСя За СЧЕТ ТОГО. )То СП)ЛРБгцьпаЯ ВЕЗ ЦС)" ИВНЯЯ ДОРОЖКат 1 асг)одоженца 51 на оверхчостц О НОВацця из ЦЗОЛ 5 ШЦО 1 тНОГО МатССРИала Са".ла ,1 БЛЯЕТСЯ ЭДЕМЕ)ЛТО;)тОРМИРУЮЩ)ЛМ ЭДЕ."Тт-ЦЧЕС 1 ОЕ5 7230поле нужной конфигурации путем и,мелевния шага спирали и ширины дорожки,ш)аг спирали и ширина резистивной дорожки могут составлять 100 мк и менее,а длина резистивной дорожки может бытьв 10-100 раз больше, чем в прототипе.Благодаря этому в предлагаемом электродде резистивная дорожка имеет в .1.0-10раз меньше поверхностное сопротивление,и для нее могут быть использованы более 0низкоомные и технопогичные материалы, инеобходимость в подгонке сопротивленийразличнь;х участков отпадает,Поскольку шаг спирали в предлагаемомкорректирующем электроде может быть 15сделан, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем расстояние между соседними кольцами в прототипе, то при одинаковой относительной точности коррекции краевых попей, предлагаемый корректирующий электрод для анализаторов заряженных частицпозволяет пропорционально уменьшить востолько же раз все размеры анализатора.Практически это дает возможность изготовить миниатюрный анализатор с наружным диаметром, уменьшенным со 100150 мм до 15-20 мм, с хорошим доступом к образцу и такой же разрешающей способностью, Разумеется, улучшениекоррекции краевых полей позволяет увеличить и разрешающую силу анализатора,На фиг. 1 даны разрез и проекцияпредлагаемого устройства; на фиг, 2 -его модификация, позволяющая дополнительно улучшить доступ к образцу, 35 79 Предлагаемое устройство (фиг, 1) состоит из основания 1, и резисгивной дорожки 2 в видо спирали, нанесенной на основание, Начало спирали электрически соединяется с внутренним цилиндром анализатора, а конец - с внешним цилиндром посредством, напримерметаллизированных слоев 34,Если проводимость материала изолирующего основания недостаточна для снятия зарядов, то на поверхность изолирующего основания наносится покрытие 5 с сопротивлением порядка 1 МОм/квадрат для50 снятия электростатических зарядов. Предлагаемый корректирующий электрод для анализаторов заряженных частиц5 работает следующим образом,Каждая точка резистивной дорожки имеет потенциал, который необходим для создания расчетного электрического поля в пространстве между цилиндрами, го естькаждая точка дорожка имеет потенциал,г.л.,до ( ) (1)где г - расстояние данной точки спиралиот оси цилиндрических электродов;Г и г - соответственно, радиусы наружного и внутреннего цилиндров;О - потенциал внешнего цилиндра,Поскольку точность создания необходимой конфигурации поля тем вьпде чембольшая часть границы поля имеет распределение потенциала вида ( 1), то выгодноуменьшить расстояние между соседнимивитками спирали и их ширину, При этомбудет уменьшаться и мощность рассеиваемая резистивной спиральной дорожкой, поскольку ее общее сопротивление будет возрастать. Г 1 рактичоски удобно иметь полноесопротиииние дорожки порядка 10 ИОмно оно может и отличаться на порядок вбольшую ипи меньшую сторону.Йпя создания спиральной резистивнойдорожки с распределением потенциала (1)вдоль нее необходимо менять шаг спиралиили ее сопротивление на единицу длины.Естественно, легче всего изменять шагспирали, Тогда для случая, когда спиральимеет больше 20-30 витков, уравнениеспирали с точностью до членов второгопорядка дается формулои;О(г)- п( г ( , ггде Р - полярньш угол с полюсом наРоси коакспальных цилиндров ана. лизатора;Ь - полная длина спирали;г и р радиусы, соответственно,40 внутреннего и наружногоцилиндров.Шаг спирали оудет2 Ьг ("х)(д)45 а полное количество витков в спирали12 Е 8 гг(г /г)г и / (4)При характерных для электронной спектроскопии размерах анализатора длина спирали может составлять 10 м при 100 вит-,.ках, и при ширине дорожки 0,2 мм, поверхностное сопротивление резистивной дорожки может составлять менее 10 ом/квадрат, что дает возможнос ть исподьзо 5вать пленки не Из керметов, а нз такихтехнологичных материалов, как чистыеметаллы и их сплавы (хром, тантал, молибден и др,),7239Современная тонкопленочная технологияпозволяет без труда получить бездефектную резистивную металлическую ппенкудлиной 10 м при ширине 100-200 мк именее, Рисунок спирали с нужным шагоми шириной можно получать известнымиметодами фотолитографии после напыления пденки на всю поверхность шайбы изизолирующего материапа,На фиг, 2 показана модификация пред- Одоженного устройства с основанием в виде усеченного полого конуса, Здесь резистивная дорожка идет спиралью по внутренней поверхности конуса так, что потенциал в каждой точке спирадьной дОрож ки опредедяется формулой (1), Зту модификацию предлагаемого корректирующегоэлектрода удобно применить ддя коррекции электрического поля на переднем торце анализатора, чтобы обеспечить лучший 20доступ к образцу или к источнику анализируемых заряженных частиц, Анапогично,сопоставление между любыми двумя точками резистивной дорожки пропорционадьно расчетной разности потенциалов между 25этими точками.Предлагаемый корректирующий электрод дпя анализаторов заряженных частицпри одинаковой с прототипом точности коррекции краевых искажений поти позволя-ЗОет уменьшить пикейные размеры цилиндрического зеркадьного анапизахора не менее, чем в 10 разЗто дает возможностьуменьшить проходной диаметр сверхвысоковакуумной камеры и устанавливать ана- Ззлизатор практически на дюбом фпанце, Приэтом уменьшается стоимость вакуумнойсистемы, а также время достижениясверхвысокого вакуума,Предлагаемое устройство дает при одиОнаковых с прототипом размерах примернов 10 раз меньшее отклонение электрического поля от расчетной структуры, таккак дискретные скачки потенциапа, обеспечивающие аппроксимацию расчетной кон-фигурации поля, в предлагаемом корректирующем электроде могут быть по крайнеймере в 10 раз меньше. При этом максимадьно достигнутая разрешающая сида анализатсра увеличивается в нескодько раз 5 О(конкретная цифра зависяо от расстояниямежду коррекгирующим электродом и траекторией электронов и других параметров,выбираемых пз компромиссных соображен ийт,Благодаря возможности отказаться откерметных материалов (поверхностное сопротивление резистивной дорожки предлагаемого устройства может составлятьвсего 200 -300 ом/квадрат ) и пркейитьгораздо более технодогичные пленки из метадлов и их сплавов, упрощается изготовление корректирующего электрода, Приэтом можно применить известную в микроэлектронике технологию, используемую вмассовом производстве интегральных микросхем.ф ормупа изобретен ия1, Корректирующий эдектрод ддя анадизаторов заряженных частиц, установленныймежду двумя коаксиадьными цилиндрами,содержащий изолирующее основание в форме плоского кольца или попого усеченногоконуса и резистивную дорожку на поверхности изодирующего основания, о т л ич а ю ш и й с я тем, что, с целью увеличения точности коррекции поля, резистивная дорожка выполнена в виде спирали,расподоженной на поверхности изолирующего основания вокруг его центрального отверстия.2, Зпектрод по и. 1, о т д и ч а ющ и й с я тем, что резистивная дорожкавыпопнена на основе чистых металлов ипиметапдических сплавов,3,Злектродпоп,п. 1 и 2, отливч а ю щ и.й с я тем, что резистивная дорожка имеет постоянное сопротивление наедицу длины, а шаг спиради выбран пропорционадьно квадрату расстояния от осиизодирующего оснбвания.,Источники информации,принятые во внимание при эксггертизе1. Авторское свидетельство СССРЫ 75584, кд. Н 01 Г 39/04,2, Патент США И 3739170,кл. 250-49,5 опубдик. 1973.3, Патент США Мо 3818228,кд, 250-305, опубдик. 1975,едакгор зцецов з 5742/37БНИИПИ Государс 11 одп ис ноеСР ПГ 1 "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 ам изобреМосква, М Составитель В, МакаровТехред Л. Савка Корректор Г. Решегнцк Тираж венного к ений и ог С, Раушгитега ССкрьтаей кая набд. 4/5