Электростатический энергоанализатор заряженных частиц

)5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ Э С РГОКИИ ЫХ ЧА якспв ча атичес ожет лектр ектромет-, стности к ким ана- использоонике, в исперсии, что, в Я т разрешающую л 2 табл. тносительнои и удельнои вою очередь, увеличива пособность и светосилу. 2 приемника 6 заряженных частиц, Электроды 2 и 3 выполнены плоскими, электрод 4 д имеет форму полого цилиндра, усеченного ОЧ плоскостью вдоль оси. Ось электрода 4 па- сО раллельна плоскостям электродов 2 и 3. На фиг.1 показаны такЖе траектории 7 пучка ) заряженных частиц, проходящих через энергоанализатор.Энергоанализатор работает следующим образом.Из источника 1, ось которого расположена под углом 0 к границе поля, выходит а пучок заряженных частиц, который через щель в электроде 2 попадает в замедляющее электростатическое поде. образованное в пространстве между плоскими электродами 2 и 3 за счет подачи на них от системы 5 питания потенциалов Ч 1 и Ч 2. СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯ И ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1120870, кл. Н 01 ) 49/48, 04,05.8Патент США М 4367406,кл, 250-305, 04,01.83.(54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕС АНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕНН (57) Изобретение относитс рам заряженных частиц дисперсионным. электрос лизаторам по энергии, и м ваться в эмиссионной Изобретение относится к спектрометрам элементарных частиц и может быть использовано при анализе и фильтрациизаряженных частиц по энергии.Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа путеМ увеличенияотносительной и удельной дисперсий.На фиг.1 приведена схема предлагаемо го энергоанализатора с ходом траекторийпучка заряженных частиц в плоскости дисперсии (ХЕ) и в вертикальной плоскости (УЕ);на фиг.2 - электроды, поперечное сечениеплоскостью Х т,Энергоанализатор состоит из источника 1 заряженных частиц, электродов 2 - 4,формирующих электростатическое поле,системы 5 электрического питания к ним и 2электронной спектроскопии для химического анализа, в растровой электронной микроскопии, при исследовании поверхности твердого тела методами вторично-ионной масс-спектрометрии, при исследовании в области физики атомных столкновений и т,д. Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа. Сущностью изобретения является выполнение двух электродов параллельными плоскими, а третьего в виде полого полуцилиндра, ось которого параллельна плоскостям двух других электродов. При выполнении указанных в описании геометрических соотношений достигается увеличениеПройдя этот участок, пучок заряженных частиц через щель в электроде 3 попадает в замедляющее поле, образованное между . плоским электродом 3 и цилиндрическим электродом 4, на который подается от сис темы 5 питания потенциал Чз.В результате тормозящего действия поля пучок заряженных частиц меняет направление движения и далее летит зеркально-симметрично относительно средней 10 плоскости, проходящей через точку поворота траектории. В указанном электростатическом поле происходит разделение пучка по энергии и одновременно пространственная фокусировка по углу так, что при заданных 15 величинах потенциалов на электродах частицы одинаковой энергии попадают в приемник б, расположенный симметрично источнику 1 относительно средней плоскости анализатора. Выполнение двух электро дов в виде плоскопараллельных пластин, а третьего - в виде части цилиндра, обращен- наго к ним своей вогнутостью, позволяет получить два участка с различными электростатическими полями, на первом по ходу 25 пучка участке поле однородно, на втором имеет вид Ех (Чз Чг)21+(Х)2 (У)2а а 30 3540 где а =ъ рр); Ь = - +агссд();р - ,Г2 а г. - радиус электрода цилиндрической формы; 50р - максимальное расстояние по нормали от второго плоского электрода до третьего электрода.Тормозящее поле(1) обеспечивает зеркальный режим работы анализатора с пра странственной фокусировкой по углу раствора пучка при одновременной фокусировке второго порядка в плоскости дисперсии. Первый по ходу пучка участок между С 1+(Х)а (У)22 (Х У)ас 1+( - ) -( - )+2( -- )2 У 212 Х У 2 а а ) а а плоскими электродами с однородным полемзаряженные частицы преодолевают на пролет, что обеспечивает иной знак угловыхаберраций по сравнению с зеркальным ходом траектории на втором участке междуплоским электродом и электродам цилиндрической формы, тем самым достигаетсякоррекция угловых аберраций третьего порядка,Конкретные геометрические и электрические параметры, обеспечивающие достижение высокой относительной и удельнойдисперсий энергоанализатора, получаютрасчетным путем, При относительном расстоянии между плоскими электродами, меняющемся в пределах 0,12 - 1 а 55, ибаначальном угле входа центральной траектории пучка в пределах 54 О 0 65 расстояниемежду источником и приемником мало меняется и равно= (4,8 - 4,9) . а, При этом .расстояние по нормали от второго плоскогоэлектрода до электрода цилиндрическойформы радиуса г может меняться в пределахр=(0,6 - 1,6)гдля каждого б и О,Тормозящая пучок заряженных частицразность потенциалов между плоскимиэлектродами не зависит от р и лежит в преЧ 2 - Ч 1делах 0,35 0,66, в то время какфразность потенциалов между вторым плоским электродом и электродом цилиндрической формы зависит от геометрическихпараметров анализатора а и Ь и разностипотенциалов на первом участке, следующимЧз Ч 2образом; =0,41 Ь (где Ф- ус ф - (Чг - Ч 1)коряющий потенциал),Выход за указанные величины геометрических и электрических параметров прибводит к следующему. При - ) 1,55, чтоасоответствует (7 ) 65 О, для осуществленияфокусировки пучка источник и приемник5 должны располагаться в поле анализатора,так как ЬО, что практического интереса непредставляет, так как приводит к искажениюэлектростатического поля, При - ( 0,12, чтобсоответствует (754 О, не существует режимов, при которых осуществлялась бы фокусировка третьего порядка, в частностипри б = 0 (двухэлектродный энергоаналио Чг - Ч 1затор) имеем при 0= 49,6ф-0,431 Ь; С 2= 0; Сз=-5,7 а.Несоблюдение расстояния между источником и приемником, т.е. при ( 4,8 а илинепопаданию пучка в анализатор, а именнов первую по ходу пучка щель в плоскомэлектроде,При расстоянии между вторым плоскими цилиндрическим электродами р0,6 г 5пучок заряженных частиц еще до своего поворота попадает на цилиндрический электрод(величина (Хмакс- б). При р 1,6 г ширинаплоских электродов(их протяженность в направлении оси У) становится меньше, чем 10максимальное расстояние между ними, равное смаке =1,5 г, а это недопустимо, так каксильно ухудшает однородность поля на первом участке.Выход за величины разностей потенциалов между электродами на первом и втором участках, имеющих между собой строгоопределенную связь, не позволяет провестипучок от источника до приемника. ПриЧ 2 - Н 1 Ч 2 - Ч 1 20(0,35 и ) 0,66 пучок заряфженных частиц на первом участке отклонится меньше или больше, чем этонеобходимо для попадания в щель во втором плоском электроде, при 25Чз - Чгменьше, или больше, чемф - (Ч 2 Ч 1)0,41 Ь, пучок заряженных частиц на второмучастке изменит направление движенияраньше или позже и не попадает в выходную щель анализатора.При заданной связи между указаннымигеометрическими и электрическими пара-.метрами, которая дается табл.1 и 2, относительная дисперсия Оо меняется в пределах 351,5 - 2,7, что в 1,7 - 3,2 раза больше, чем уизвестного устройства, в то же время удельная дисперсия, являющаяся мерой разрешающей способности, предлагаемогоменяется в пределах 0,28 - 0,11, что в 5,4 - 402,1 раза больше, чем у известного.Расчет электронно-оптических параметров трехэлектродного энергоанализатора проведен на ЭВМ путем решениясистемы дифференциальных уравнений для 45проекции траектории пучка заряженных.частиц на горизонтальную ХОЕ (плоскостьдисперсии) и вертикальную УОЕ плоскости,причем связь параметров нэ входе во вто. рую область с начальными условиями на 50входе в первую область следующая: ч=в в;с 0совузи5521 во 2 Всову г ---З 1 П Огде.Ои Ч - углы наклона главной траекториик продольной оси на входе в первую и вторую области поля в плоскости дисперсии ХОЕ;2 у - угол раствора пучка в вертикальной плоскости ХУ (фиг,1);б и ц - расстояние между плоскопараллельными электродами и разность потенциалов между ними, отнесенная к начальному ускоряющему потенциалу;Л - расстояние вдоль продольной оси между входом и выходом на первом участке центральной траектории пучка.В плоскости дисперсии дифференциальное уравнение один раз интегрируется, а расстояние между источником и приемником записывается в виде определенного интеграла. Расстояние по нормали от источника (приемника) до входа в поле Н (первый свободный параметр) определяется из условия фокусировки по углу первого порядка в плоскости дисперсии Д-л= О. Три свободных параметраЧз - ЧгО, о и т = - выбираются из условияфобеспечения фокусировки второго и третьего порядков в плоскости дисперсии пои одновременной фокусировке в вертикальной плоскости, Пятый свободный параметр б позволяет при соблюдении указанных условий варьировать угол ввода пучка в анализатор, влияя тем самым на относительную и удельную дисперсии.В табл,1 сведены результаты расчетов основных геометрических и электрических параметров предлагаемого трехэлектродного энергоанализатора, обеспечивающие фокусировку пучка по углу до третьего порядка включительно (С 1 = С 2 = Сз = О) в плоскости дисперсии и одновременно вертикальную фокусировку, Все геометрические па аметры в единицах а = р (2 г - р), электрические в единицах Ь = - + агстц ( - ), величины которых в=Л р - 22 ашироких пределах изменения параметра цилиндрического электрода р/г даны в табл.2.В табл.1 и 2 представлены электрические параметры: электрические параметры: о - Т - т в . - геоЧ 2 - Ч 1 т Чз - Ч 2ф 1 - ц фметрические д - расстояние между плоскими электродами; Г 1 - расстояние от источника (приемника) до края поля; Хс - максимальное удаление центральной траектории пучка от оси анализатора (координата точки поворота);- расстояние между источником и приемником; О - линейная дисперсия анализатора по энергии; С 4 - ко 1597967эффициент угловой аберрации четвертогоОпорядка; Ро= - - относительная дисперсияОпо энергии; д = -- . удельная дисперсияС 4 й 5по энергии, где:хг - угол раствора пучка вплоскости дисперсии,Формула изобретенияЭлектростатический энергоанализатор 10 заряженных частиц, содержащий три электрода, два из которых снабжены отверстиями для прохода частиц, а третий выполнен вогнутой цилиндрической поверхностью, обращенной к двум Другим электродам, систему электрического питания, а также расположенные симметрично относительно средней плоскости энергоаналиэатора источник и приемник заряженных частиц, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью 20 одновременного увеличения точности и чувствительности энергоанализа путем увеличения относительной и удельной дисперсий,два электрода выполнены плоскими, третий электрод выполнен в виде полого цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной плоским электродам, электроды установлены по одну сторону от источника и приемника заряженных частиц, при этом третий электрод установлен с наружной стороны от плоскопараллельньх электродов по отношению к источнику и приемнику заряженных частиц, причем расстояние б (м) между плоскопараллел ьными электродами находится в пределах 0,12 аб 1,55 а, расстояние Е(м) между источником и приемником заряженных частиц находится в пределах 4,8 а4,9, а плоскопараллельные электроды образуют с векторами скоростей частиц на входе энергоанализатора угол 0 (рад), находящийся в пределах 0,94 О1,14, максимальное расстояние от вогнутой цилиндрической поверхности третьего электрода до ближайшего к нему плоского электрода по нормали к нему р м) лежит в . пределах 0,6 гр 1,6 г, где г - радиус цилиндрической пове хности третьего электрода, м;а = р (2 г - р) мПроиз венно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 3061 Тираж 398НИИПИ Государственного комитета по из113035, Москва, Ж, Р Подписное етениям и открытиям при ГКНТ СССРшская наб., 4/5