Электростатический спектрограф для заряженных частиц

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц в широком диапазоне их изменения и может применяться для определения химического состава различных материалов. Электростатический спектрограф для заряженных частиц включает источник питания, первый и второй плоско-параллельные электроды, третий и четвертый плоскопараллельные электроды, и позиционно-чувствительный детектор. Третий и четвертый электроды установлены перпендикулярно первому электроду по торцам, соединены с ним и расположены от второго электрода на расстоянии, большем расстояния электрического пробоя и меньшем расстояния до рабочей области (области прохождения пучков заряженных частиц). Первый электрод выполнен с входной и выходными щелями для пучков частиц, второй электрод разрезан на i8 частей, длина которых l_i удовлетворяет соотношению l_i0.5а, расстояние между соседними частями удовлетворяет соотношению s_i0.1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами. Первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными, а источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V_i, удовлетворяющего соотношению V_i=V_i k z_i/а, где V₁ - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z_i - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, k - коэффициент, определяемый из соотношения , z₁ - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода. 1 сам.п. ф-лы, 3 п.

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, конкретно, к измерению энергий Оже и других возбужденных с поверхности твердого тела электронов в широком диапазоне их изменения для определения химического состава различных материалов.

Для этой цели чаще всего используются электростатические спектрометры, в которых заряженные частицы различных энергий движутся по одной и той же траектории, а спектр по энергии снимается путем изменения разности потенциалов между электродами системы. Этот процесс занимает много времени, поэтому возникает необходимость одновременного (параллельного) детектирования пучков заряженных частиц различных энергий. Основная проблема состоит в создании распределения электростатического поля, позволяющего одновременно фокусировать на плоском детекторе электронные потоки с энергией, различающейся в десятки раз. Для обеспечения экспресс анализа (быстрого определения) химического состава различных материалов, что очень важно для технического контроля изделий различных отраслей промышленности, в последнее время используются электростатические многоканальные анализаторы (спектрографы) различных типов. Это спектрографы с простой формой электродов типа плоского зеркала, цилиндрического зеркала, усеченного цилиндра, а также степенные с плоскостью симметрии, но со сложной формой электродов. Однако диапазон одновременно регистрируемых энергий у них недостаточен.

Известен электростатический спектрограф (M.Jacka, M.Kirk, M.M. EIGomati, M.Prutton "A fast, parallel acquisition electron energy analyzer: The hyperbolic field analyzer" (HFA), Rev. Sci. Instr., 1999, v.70, N5, p.2282-2287), созданный на базе двумерного поля квадруполя, который авторы называют гиперболическим. В работе показано, что при определенном поперечном впуске пучков заряженных частиц они могут быть сфокусированы на одной линии независимо от их энергии, а дисперсия по энергии меняется пропорционально квадратному корню от энергии. Конструкция спектрографа состоит из трех плоских электродов, расположенных под углами друг к другу в виде треугольника, причем один из электродов разрезан на пять частей. Напряжения на электродах подобраны таким образом, чтобы обеспечить удовлетворительную аппроксимацию гиперболического поля. Разброс по параллельно (одновременно) детектируемой энергии составляет от нескольких десятков электрон-вольт до приблизительно 2000 эВ.

Недостаток данного аналога - сложность конструкции.

Известен электростатический спектрограф (F.H. Read, «The parallel cylindrical mirror electron energy analyzer», Rev. Sci. Instr. 2002, v. 73, N3, p. 1129-1139).

Его конструкция состоит из двух коаксиальных цилиндров, причем внешний цилиндр разрезан на части, на которые подаются потенциалы с величиной, изменяющейся по логарифмическому закону. Приведены режимы работы с тремя типами фокусировки: на внутренний цилиндрический электрод с диапазоном одновременно регистрируемых энергий, меняющихся в n=24 раза; на ось с фокусировкой второго порядка при n=5; на передний торцевой электрод с n=11.

Недостаток первой системы - детектор должен быть в виде кольца. Однако, таких позиционно-чувствительных детекторов (ПЧД) пока не существует; недостаток второй системы - источник и приемник расположены внутри цилиндрического электрода, что сильно затрудняет расположение объекта и регистрацию электронного пучка; недостаток третьей системы - сложность конструкции, поскольку введен дополнительный задний торцевой электрод, разрезанный на 5 частей.

Известен электростатический спектрограф простой конструкции (Овсянникова Л.П., Фишкова Т.Я «Электростатический спектрограф в виде усеченного цилиндра», ЖТФ, 2001, т. 71, в. 11, с. 133-135). Спектрограф состоит из двух электродов, один из которых плоский и через него производится впуск и вывод пучка заряженных частиц, а второй выполнен в виде части цилиндрической поверхности. Найдены положения фокусов при энергетическом разбросе в пучке отличающемся на порядок.

Недостатком является малый диапазон одновременно регистрируемых энергий и расположение фокусов для частиц различных энергий не на одной линии, что затрудняет детектирование.

Известен электростатический спектрограф (Краснова Н.К., «Двумерные степенные электронные спектрографы с плоскостью симметрии», ЖТФ, 2011, Т. 81, В. 6, с. 97-103) для полей однородных по Л. Эйлеру вида:

(r,)=rⁿ cos (n ), где r=(x²+y²)^1/2, =arctg y/x.

Конструкция спектрографа состоит из двух электродов сложной формы, которая определяется вышеприведенным уравнением при ½ < n<1. При этом достигается пространственная фокусировка на одной прямой линии для энергии пучка, изменяющейся в небольших пределах, равных ±20%.

Недостатки: очень малый диапазон одновременно регистрируемых энергий, сложная конструкция, кроме того расчеты выполнены без учета краевых полей.

Известен электростатический спектрограф для заряженных частиц, наиболее близкий к предлагаемому, принятый за прототип (Л.А. Баранова «Электронный спектрограф на основе гиперболического электростатического поля» ЖТФ, 2012, т. 82, В. 2, с. 85-89).

Конструкция включает источник питания, плоский конденсатор с первым и вторым параллельными электродами длиной L, причем первый заземлен и содержит входную и выходные щели для электронного пучка, а второй разрезан на части, и потенциал на нем меняется по линейному закону, а также детектор. Перпендикулярно первому электроду (на входе пучка) к нему электрически подсоединен третий плоский электрод. Устройство работает в зеркальном режиме при запуске и выводе пучков через щели первого заземленного электрода. На краях по периметру спектрографа размещены прямоугольные рамки. Фокусировка вне зависимости от энергии осуществляется на одну линию, поэтому для регистрации спектра используется ПЧД (позиционно чувствительный детектор). При длине системы в пять раз превышающей величину апертуры (расстояние между первым и вторым электродами конденсатора) диапазон одновременно регистрируемых энергий равен 25.

Недостатком такого спектрографа является небольшой диапазон одновременно регистрируемых энергий. Кроме того, у такого спектрографа конструкция усложнена в связи с наличием у плоского конденсатора открытого заднего торца и, как следствие, появлением краевого поля. Поэтому для обеспечения требуемого при работе гиперболического поля дополнительно используются прямоугольные рамки, на которые поданы потенциалы, обеспечивающие распределение гиперболического поля.

Полезная модель решает задачу увеличения диапазона одновременно регистрируемых энергий не менее, чем в четыре раза, при упрощении конструкции спектрографа.

Решение задачи достигается электростатическим спектрографом для заряженных частиц, включающим источник питания, плоско-параллельные первый и второй электроды, третий и четвертый плоско-параллельные электроды, и позиционно-чувствительный детектор, третий и четвертый электроды установлены перпендикулярно первому электроду по торцам, соединены с первым электродом и расположены от второго электрода на расстоянии, большем расстояния электрического пробоя и меньшем расстояния до рабочей области, первый электрод выполнен с входной и выходными щелями для пучков частиц, второй электрод разрезан на i частей, где i8, длина которых l_i удовлетворяет соотношению l_i0.5а, расстояние s_i между соседними частями удовлетворяет соотношению s_i0.1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами, первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными, а источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V_i, удовлетворяющего соотношению V_i=V₁ k z_i/а, где V₁ - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z_i - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, k - коэффициент, определяемый из соотношения , z₁ - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода.

Автором установлено, что предлагаемый электростатический спектрограф обеспечивает новое распределение электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц, приводящее к достижению технического результата - увеличения диапазона одновременно регистрируемых энергий при упрощении конструкции спектрографа.

Новым в предлагаемом электростатическом спектрографе является наличие четвертого плоского электрода, параллельного третьему электроду, установленного перпендикулярно первому электроду на выходном торце, соединенного с первым электродом и расположенным от второго электрода, как и третий электрод, на расстоянии, большем расстояния электрического пробоя и меньшем расстояния до рабочей области (области нахождения пучков заряженных частиц), а также то, что второй электрод разрезан на i8 частей, длина которых l_i удовлетворяет соотношению l_i0.5а, расстояние между соседними частями удовлетворяет соотношению s_i0.1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами, первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными, а источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V_i, удовлетворяющего соотношению V_i=V₁ k z_i/а, где V₁ - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z_i - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, k - коэффициент, определяемый из соотношения и z₁ - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода.

Третий и четвертый плоские электроды, соединенные с первым электродом, обеспечивают отсутствие краевых полей в устройстве. Они должны быть расположены от второго электрода на расстоянии, препятствующем электрическому пробою, и при этом меньшем (по крайней мере, как показывают расчеты, в два раза) расстояния до области прохождения пучков заряженных частиц (рабочей области), чтобы предотвратить проникновение собственных полей рассеяния, а также посторонних полей в эту область.

Второй электрод разрезан на i частей, длина которых не превышает половины апертуры l _i0.5а, где а - расстояние между первым т вторым электродами. Длина отдельных частей может быть как одинаковой, так и разной. Их небольшая длина обеспечивает возможность разрезания второго электрода, имеющего целесообразную длину приблизительно равную пяти апертурам устройства, на i частей, не менее восьми, для обеспечения условий фокусировки и одновременной регистрации заряженных частиц, энергия которых существенно различается (по крайней мере на два порядка). Расстояния между соседними частями второго электрода не должно превышать s_i0.1а, т.к. такие малые расстояния, как установлено автором, препятствуют попаданию собственных полей рассеяния в область прохождения пучков заряженных частиц (рабочую область).

На части разрезанного электрода от источника питания спектрографа подаются потенциалы V_i, изменяющиеся по закону пропорциональному квадратному корню расстояния z_i от третьего электрода до середины соответствующего i электрода V_i=V ₁ k z_i/а, где V₁ - потенциал на первой по ходу пучка части второго электрода, коэффициент к определяется величиной , где z₁ - расстояние от третьего электрода до середины первой части второго электрода, что, как выявил автор, обеспечивает условия фокусировки пучков электронов, имеющих значительно больший энергетический разброс, чем у прототипа (100 по сравнению с 25). При этом конструкция предлагаемого спектрографа проще прототипа ввиду отсутствия дополнительных рамочных электродов.

Устройство работает следующим образом.

Из объекта, облучаемого потоком электронов либо рентгеновских квантов, вылетает пучок вторичных электронов, либо фотоэлектронов различных энергий, который через входную щель на первом электроде попадает в отклоняющее и одновременно фокусирующее электростатическое поле, созданное тормозящими заряженные частицы потенциалами V _i на отдельных частях второго электрода при заземленных первом, третьем и четвертом электродах. Для анализа электронных пучков отрицательные потенциалы V_i задаются из условий фокусировки на одну и ту же линию пучков заряженных частиц, имеющих разброс по энергиям. Поиск условий фокусировки производится по пяти независимым параметрам: апертуре устройства, его длине, положению источника заряженных частиц и положению линии фокусов, а также по углу наклона центральной траектории пучка на входе к продольной оси системы. Сфокусированный найденным по четырем параметрам полем пучок электронов с оптимальными углом впуска центральной траектории и углом раствора пучка проходит в строго определенные для пучков электронов различных энергий выходные щели в первом электроде, и далее эти пучки попадают на позиционно-чувствительный детектор, расположенный на одной линии вблизи первого заземленного электрода.

Пример 1.

В качестве примера создан электростатический спектрограф, в котором расстояние между плоско-параллельными пластинами принято за а=1, а все геометрические параметры выражены в единицах а. Это дает возможность применить метод геометрического подобия, исходя из размеров того или иного изготавливаемого устройства. Длина спектрографа равна L=5а, второй электрод, находящийся на расстоянии 0.1а от третьего и на 0.2а от четвертого электродов системы, разрезан на восемь равных частей длиной 0.5а при расстоянии между отдельными частями равном 0.1а. Впуск пучка электронов различных энергий осуществляется с начальными координатами y_o=z_o=0 под углом наклона центральной траектории пучка электронов к продольной оси спектрографа =30°. При угле раствора пучка ±1° определен режим работы с фокусировкой на первый электрод. В этом случае потенциал на первой части второго электрода, обеспечивающий условия фокусировки пучков электронов, имеющих энергетический разброс в 100 раз, равен V₁=25В, а потенциалы на остальных семи частях определяются по формуле V_i=1.69V₁z_i/a, где z_i/a=0.35+(n-1)0.6. При этом они, соответственно, равны V₂=41.2 B, V₃ =52.6 В, V₄=62.0 В, V₅=70.1 B, V₆ =77.3B, V₇=84.0B, V₈=90.1 B. В диапазоне энергий пучков, различающихся в 100 раз, =(1.25-125)эВ, положение выходных щелей в первом электроде при отсчете от торцевого (третьего) электрода в единицах а соответственно равны: 0.33, 0.73, 1.05, 1.55, 2.34, 3.01, 3.60, 4.16. При подобных геометрических параметрах устройство-прототип обеспечивает диапазон одновременно регистрируемых энергий порядка 25, т.е. в четыре раза меньше.

Пример 2.

То же, что в примере 1, но при тех же геометрических параметрах длина отдельных частей разрезанного второго электрода равна 0.7а. В этом случае на длине устройства равной 5а помещается лишь 6 частей, что не обеспечивает стократного диапазона одновременно регистрируемых энергий.

Пример 3.

При тех же геометрических параметрах, что в примере 1, расстояние между отдельными частями разрезанного второго электрода равно 0.2а. При этом поля между 4 и 5 частями проникают в область прохождения пучков электронов с энергиями 100-125 эВ, что искажает их траектории и тем самым сильно ухудшает фокусировку.

В зависимости от поставленной задачи диапазон одновременно регистрируемых энергий может быть увеличен. Для этого следует увеличить количество частей, на которое разрезан второй электрод, увеличив длину устройства L.

Электростатический спектрограф для заряженных частиц, включающий источник питания, первый и второй плоско-параллельные электроды, третий и четвертый плоско-параллельные электроды и позиционно-чувствительный детектор, третий и четвертый электроды установлены перпендикулярно первому электроду по торцам, соединены с ним и расположены от второго электрода на расстоянии, большем расстояния электрического пробоя и меньшем расстояния до рабочей области, первый электрод выполнен с входной и выходными щелями для пучков частиц, второй электрод разрезан на i8 частей, длина которых l_i удовлетворяет соотношению l_i0,5а, расстояние s_i между соседними частями удовлетворяет соотношению s_i0,1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами, первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными, а источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V_i, удовлетворяющего соотношению V_i=V₁ k z_i /а, где V₁ - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z_i - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, к - коэффициент, определяемый из соотношения z₁ - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода.