ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц при быстропротекающих процессах, конкретно, к одновременному измерению энергий вторичных электронов, возбужденных с поверхности твердых тел или биологических объектов, в широком диапазоне их энергий для определения химического состава различных материалов.
При энергетическом анализе заряженных частиц чаще всего используют электростатические спектрометры, в которых заряженные частицы различных энергий движутся по одной и той же траектории, а спектр по энергии снимают 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 электронные потоки с энергиями, различающимися в десятки раз. Для этой цели используют электростатические многоканальные энергоанализаторы (спектрографы), обеспечивающие экспресс анализ состава материалов для технического контроля изделий различных отраслей промышленности.
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 169336, МПК H01J 49/00, опубликован 15.03.2017), включающий коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды и защитные заземленные электроды, закрепленные на торцах внутреннего цилиндрического электрода, детектор и источник питания. Внешний цилиндрический электрод выполнен из n≥10 цилиндрических электрически изолированных частей одинакового радиуса, подсоединенных к источнику питания, выполненному с возможностью подачи на цилиндрические части внешнего электрода линейно возрастающего напряжения. Внутренний цилиндрический электрод заземлен и снабжен выходными кольцевыми щелями, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц. Детектор выполнен в виде плоских электродов, установленных за выходными кольцевыми щелями перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода и подключенных к многоканальному измерительному устройству.
Недостатком известного анализатора являются большие габариты, при этом уменьшение габаритов анализатора приводит к падению его разрешающей способности
n
n
n
n
n
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 176329, МПК H01J 49/00, опубликован 17.01.2018), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Анализатор включает коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний цилиндрический заземленный электрод, защитный заземленный передний электрод, закрепленный на торце внутреннего цилиндрического электрода, защитный задний электрод, детектор и источник питания. Внешний электрод выполнен из n электрически изолированных частей, (n-1) частей которых подсоединены к первому источнику питания, выполненному с возможностью подачи на части внешнего электрода линейно возрастающего напряжения, внутренний цилиндрический электрод снабжен выходными кольцевыми щелями, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц, детектор выполнен в виде плоских электродов, подключаемых к многоканальному измерительному устройству и установленных за выходными кольцевыми щелями внутреннего цилиндрического электрода перпендикулярно его оси, длина l первых по ходу заряженных частиц (n-1) частей внешнего электрода l удовлетворяет соотношению l≤2R, а расстояние s между соседними частями внешнего электрода удовлетворяет соотношению s≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода. Внешний электрод содержит n=(12-20) электрически изолированных частей и выполнен из переднего конусного сегмента, расширяющегося по ходу заряженных частиц под углом β=(5-20)° относительно оси анализатора, длиной Н, равной (0,5-50,65)⋅L, где L - длина анализатора, и заднего цилиндрического сегмента, последняя изолированная часть которого электрически соединена с защитным задним электродом, выполнена длиной h, удовлетворяющей соотношению h=(5-6)R, и подсоединена ко второму источнику питания.
Недостатком известного анализатора являются большие габариты, при этом уменьшение габаритов анализатора приводит к падению его дисперсии по энергии и как следствие к падению разрешающей способности.
Задачей настоящей полезной модели является разработка электростатического анализатора энергии заряженных частиц, который бы при меньших габаритах обеспечивал бы сохранение разрешающей способности анализатора во всем диапазоне одновременно регистрируемых энергий.
n
n
n
n
d
d
a
2
Поставленная задача решается тем, что настоящий анализатор энергии заряженных частиц включает коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний цилиндрический заземленный электрод, защитный заземленный передний электрод, закрепленный на торце внутреннего цилиндрического электрода, защитный задний электрод, детектор, первый источник питания и второй источник питания. Внешний электрод выполнен из переднего конусного сегмента, расширяющегося по ходу заряженных частиц под углом β=(5-20)° относительно оси анализатора, и заднего цилиндрического сегмента, электрически соединенного с защитным задним электродом и со вторым источником питания, передний конусный сегмент внешнего электрода состоит из n электрически изолированных частей, которые подсоединены к первому источнику питания, выполненному с возможностью подачи на части внешнего электрода возрастающего напряжения, внутренний цилиндрический электрод снабжен выходными кольцевыми щелями, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц, детектор выполнен в виде плоских электродов, подключаемых к многоканальному измерительному устройству и установленных за выходными кольцевыми щелями внутреннего цилиндрического электрода перпендикулярно его оси, длина l изолированных частей переднего конусного сегмента внешнего электрода удовлетворяет соотношению l≤2R, а расстояние s между его соседними частями удовлетворяет соотношению s≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода. Новым в конструкции настоящего анализатора является то, что передний конусный сегмент внешнего электрода состоит из n=(4-5) изолированных частей, напряжение на которых возрастает по закону нечетных чисел (2n-1), внутри переднего конусного сегмента внешнего электрода коаксиально ему установлен дополнительный конусный электрод, поверхность которого расположена параллельно поверхности переднего конусного сегмента внешнего электрода, задний цилиндрический сегмент внешнего электрода выполнен сплошным, при этом расстояние Δ по оси между защитным передним электродом и дополнительным конусным электродом, длина l дополнительного конусного электрода, начальный радиус R дополнительного конусного электрода, радиус R заднего цилиндрического сегмента внешнего электрода, конечный радиус R переднего конусного сегмента внешнего электрода, длина L анализатора и длина g заднего цилиндрического сегмента удовлетворяют соотношениям:
Δ=(0,05-0,10)R;
d
l=(0,15-0,25)R;
d
R=(l,2-1,3)R;
a
R=(3,9-4,1)R;
2
a
R=(0,92-0,94)R;
L=(10-12)R;
g>(L-G), где G - длина переднего конусного сегмента внешнего электрода.
Такая конструкция анализатора энергии заряженных частиц с указанными выше параметрами имеет значительно меньшие размеры по сравнению с анализатором-прототипом, а введение дополнительного конусного электрода позволяет сохранить разрешающую способность анализатора при уменьшении габаритов во всем диапазоне одновременно регистрируемых энергий.
a
n
n
n
n
d
d
a
2
Настоящий анализатор энергии заряженных частиц длиной L поясняется чертежом, где показана его конструкция. Анализатор содержит внешний электрод 1, выполненный из переднего конусного сегмента 2 длиной G, расширяющегося по ходу заряженных частиц под углом β=(5-20)° относительно оси z анализатора, и заднего цилиндрического сегмента 3 радиусом R и длиной g, выполненного сплошным, и коаксиально расположенный внутренний заземленный цилиндрический электрод 4 радиусом R. Передний конусный сегмент 2 состоит из n=(4-5) электрически изолированных частей 5, которые подсоединены к первому источнику питания (на чертеже не показан) и напряжение на которых возрастает по закону нечетных чисел (2n-1). Длина l изолированных частей 5 переднего конусного сегмента 2 внешнего электрода 1 удовлетворяет соотношению l≤2R, а расстояние s между его соседними частями удовлетворяет соотношению s≤0,5R. Внутри переднего конусного сегмента 2 внешнего электрода 1 коаксиально ему установлен дополнительный конусный электрод 6, поверхность которого расположена параллельно поверхности переднего конусного сегмента 2. На торце внутреннего заземленного цилиндрического электрода 4, снабженного выходными кольцевыми щелями 7, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц, закреплен защитный заземленный передний электрод 8. Задний цилиндрический сегмент 3 электрически соединен с защитным задним электродом 9 и вторым источником питания (на чертеже не показан). Исследуемый объект 10 (источник заряженных частиц) расположен на оси z перед входным отверстием 11 защитного заземленного переднего электрода 8. Детектор выполнен в виде плоских электродов 12, подключаемых к многоканальному измерительному устройству (на чертеже не показан) и установленных за выходными кольцевыми щелями 7 внутреннего заземленного цилиндрического электрода 4 перпендикулярно его оси. Расстояние Δ по оси между защитным заземленным передним электродом 8 и дополнительным конусным электродом 6, длина l дополнительного конусного электрода 6 и его начальный радиус R, радиус R заднего цилиндрического сегмента 3 внешнего электрода 1, конечный радиус R переднего конусного сегмента 2 внешнего электрода 1, длина L анализатора и длина g заднего цилиндрического сегмента удовлетворяют соотношениям:
Δ=(0,05-0,10)R;
d
l=(0,15-0,25)R;
d
R=(l,2-1,3)R;
a
R=(3,9-4,1)R;
2
a
R=(0,92-0,94)R;
L=(10-12)R;
g>(L-G).
n
t
n
t
n
1
1
Настоящий анализатор энергии заряженных частиц работает следующим образом. Из источника 10 заряженных частиц, облучаемого потоком электронов либо рентгеновских квантов, вылетают пучки вторичных электронов, либо фотоэлектронов различных энергий, которые через входное отверстие 11 защитного заземленного переднего электрода 8 попадают в отклоняющее и одновременно фокусирующее электростатическое поле, создаваемое тормозящими электроны отрицательными потенциалами V на электрически изолированных частях 5 переднего конусного сегмента 2 внешнего электрода 1 и отрицательным потенциалом V заднего цилиндрического сегмента 3 внешнего электрода 1, который электрически соединен с защитным задним электродом 9. Тормозящие отрицательные потенциалы V и V определяются из условий фокусировки на внутренний заземленный цилиндрический электрод 4 пучков вторичных электронов различных энергий, исходящих из исследуемого объекта (источника заряженных частиц 10). Величины потенциалов разрезанного на части переднего конусного сегмента 2 внешнего электрода 1 меняются по простому закону нечетных чисел V=V(2n-1), где V - потенциал первой части переднего конусного сегмента 2, отсчитываемой от переднего заземленного защитного электрода 8. Электростатическое поле, величина которого определяется оптимальными геометрическими и электрическими параметрами анализатора, фокусирует пучки электронов различных энергий в строго определенные выходные затянутые металлической сеткой кольцевые щели 7 во внутреннем заземленном цилиндрическом электроде 4. Далее эти пучки попадают на плоские электроды 12, установленные за выходными кольцевыми щелями 7 перпендикулярно оси внутреннего заземленного цилиндрического электрода 4 и подключенные к многоканальному измерительному устройству.
n
n
a
d
d
1
1
min
min
2
1
3
1
4
1
t
t
1
min
-3
Пример. Был создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц длиной L=10,5R, габариты которого вдвое меньше, чем у прототипа. В анализаторе передний конусный сегмент внешнего электрода состоит из 4 электрически изолированных частей длиной l=1,5R, расположенных на расстояниях s=0,25R друг от друга. Передний конусный сегмент внешнего электрода длиной G=6.75R расширяется по ходу движения заряженных частиц под углом β=10 градусов относительно оси анализатора и подсоединен к первому источнику питания, выполненному с возможностью подачи возрастающего напряжения на его части по закону нечетных чисел. Задний цилиндрический сегмент внешнего электрода радиусом R=4R имеет длину g=3,75R и электрически соединен с плоским задним защитным электродом. Для обеспечения фокусировки пучков электронов и как следствие увеличения разрешающей способности анализатора по энергии введен дополнительный конусный электрод, расположенный на расстоянии Δ=0,07R от защитного заземленного переднего электрода с начальным радиусом R=l,25R длинной l=0,2R, поверхность которого параллельна поверхности переднего конусного сегмента внешнего электрода. В этом случае потенциал V на первой части переднего конусного сегмента внешнего электрода, обеспечивающий условия фокусировки, равен V=4,4(E/e), где E - минимальная энергия пучков заряженных частиц, эВ, е - заряд частицы, Кл. Потенциалы на последующих частях переднего конусного сегмента внешнего электрода соответственно равны: V=3V, V=5V, V=7V. Численные расчеты по определению потенциала V заднего цилиндрического сегмента внешнего электрода, электрически соединенного с задним защитным электродом, который способствует обеспечению острой фокусировки пучков больших энергий на внутренний заземленный цилиндрический электрод, показали, что величина V=10V. Детектор выполнен в виде 7 плоских электродов, подключаемых к многоканальному измерительному устройству и установленных за выходными кольцевыми щелями внутреннего заземленного цилиндрического электрода перпендикулярно его оси. Для всего диапазона энергий найдены положения точек фокусировки на внутренний цилиндрический электрод. При указанных выше параметрах электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает параллельный (одновременный) анализ вторичных электронов с разрешением по энергии ρ=5Е/Е, составляющим ρ=(5-9)×10 во всем диапазоне одновременно регистрируемых энергий равном E=(1-50) E, т.е. величина разрешения по энергии настоящего анализатора во всем диапазоне одновременно регистрируемых энергий одинаковы с анализатором-прототипом, а габариты настоящего анализатора в два раза меньше.