ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, конкретно, к 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.
i
i
i
i
1
i
1
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 140365, МПК H01J 49/00, опубликован 10.05.2014). Спектрограф включает источник питания, первый, второй, третий и четвертый плоскопараллельные электроды, и позиционно-чувствительный детектор. Третий и четвертый электроды установлены перпендикулярно первому электроду по его 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 i≥8, длина которых l удовлетворяет соотношению l≤0,5а, расстояние между соседними частями удовлетворяет соотношению s≤0,1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами. Первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными. Источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V, удовлетворяющего соотношению , где V - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, k - коэффициент, определяемый из соотношения , z - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода.
max
min
Известный электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает новое распределение электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц, приводящее к достижению диапазона одновременно регистрируемых энергий, равного E/E.=100. Однако известный электростатический анализатор имеет малую светосилу из-за отсутствия фокусировки пучков заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии.
Известен светосильный электростатический анализатор энергии заряженных частиц, (F.H. Read, «The parallel cylindrical mirror electron energy analyzer», Rev. Sci. Instr. 2002, v. 73, N3, p. 1129-1139), включающий источник питания, цилиндрический конденсатор с внутренним и внешним коаксиальными цилиндрами. Внешний цилиндр разрезан на части с потенциалами, величина которых изменяется по линейному закону в направлении продольной оси системы, а внутренний цилиндр заземлен.
Недостатками известного электростатического анализатора энергии заряженных частиц являются открытые торцы цилиндрических электродов, способствующие нарушению собственного поля системы и проникновению посторонних полей в рабочую область, а также малый диапазон одновременно регистрируемых энергий. Кроме того, исследуемый объект (источник вторичных частиц) располагается внутри цилиндрического электрода меньшего диаметра, что мало пригодно для практического использования.
Известен анализатор энергий и масс заряженных частиц (см. патент RU 136237, МПК H01J 49/40, опубликован 27.12.2013), содержащий коаксиально размещенные цилиндрический внутренний и состоящий из двух конусообразных частей внешний электроды; экранирующий электрод коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом. На боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода выполнена входная кольцевая прорезь (входное окно) для пролета заряженных частиц, затянутая мелкоструктурной металлической сеткой. На поверхности внутреннего цилиндрического электрода имеется выходная кольцевая диафрагма, образованная двумя цилиндрическими частями, допускающими независимые продольные перемещения. В состав анализатора также входит исследуемый образец, приемник частиц, блок питания и делитель напряжения.
В известном анализаторе пучок заряженных частиц движется по одной траектории, поэтому не представляется возможным одновременно (параллельно) детектировать пучки заряженных частиц различных энергий, а спектр по энергии можно снимать лишь путем изменения разности потенциалов между электродами анализатора.
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 120512, МПК H01J 49/48, опубликован 20.09.2012), включающий источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды и системы защитных электродов, выполненные одинаковыми и состоящие из трех плоских коаксиальных колец каждая, размещенные на обоих торцах анализатора, детектор, помещенный на оси, и источник питания. Внешний цилиндрический электрод выполнен из центральной и боковых цилиндрических электрически изолированных частей одинакового радиуса, разделенных зазорами, подсоединенных к источнику питания, выполненному с возможностью подачи на боковые части внешнего электрода напряжения, большего, чем на его центральную часть. Внутренний цилиндрический электрод выполнен с входным и выходным кольцевыми окнами.
Известный энергоанализатор имеет сложную конструкцию торцевых защитных электродов по обоим торцам цилиндрических электродов, состоящих из трех плоских коаксиальных колец, каждое со своим отличным от других электродов потенциалом, Выполнение внешнего цилиндрического электрода из трех частей недостаточно для одновременного анализа заряженных частиц в том или ином диапазоне энергий.
n
n
n
n
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 169336, МПК H01J 49/00, опубликован 15.03.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Электростатический анализатор-прототип включает источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, 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. Длина цилиндрических частей внешнего электрода l удовлетворяет соотношению l≤2R, а расстояние s между соседними цилиндрическими частями удовлетворяет соотношению s≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода. Внутренний цилиндрический электрод заземлен и 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 перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода.
Недостатком анализатора-прототипа является то обстоятельство, что в широком диапазоне регистрируемых энергий острая фокусировка пучков вторичных электронов на внутренний цилиндрический электрод, способствующая обеспечению высокого разрешения по энергии, достигается при отличающихся геометрических параметрах на входе в систему, а именно в широком диапазоне энергий не совпадают положения объекта исследования и величины углов впуска пучков заряженных частиц. Поэтому величины разрешения по энергии такого анализатора во всем диапазоне энергий довольно сильно отличаются друг от друга, что не обеспечивает его эффективного использования при быстропротекающих процессах.
Задачей настоящей полезной модели является разработка электростатического анализатора энергии заряженных частиц, который бы при простой конструкции и большой светосиле обеспечивал высокое разрешение в широком диапазоне регистрируемых энергий заряженных частиц, исходящих под одинаковыми углами наклона к продольной оси системы из расположенного в одном и том же месте исследуемого объекта.
n
n
n
n
Поставленная задача решается таким образом, что электростатический анализатор энергии заряженных частиц длиной L, включает источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний электрод и внутренний цилиндрический 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) 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 удовлетворяет соотношению l≤2R, а расстояние s между соседними частями удовлетворяет соотношению s≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода. Новым в электростатическом анализаторе энергии заряженных частиц является то, что внешний электрод содержит n=(12-20) электрически изолированных частей и выполнен из переднего конусного сегмента длиной H, равной (0,55-0,65)⋅L, расширяющегося по ходу частиц под углом β, равным (5-20) градусов относительно оси 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.
max
min
max
min
n
n
1
1
t
Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает новое распределение электростатических полей в области прохождения пучков заряженных частиц, приводящее к достижению острой фокусировки на внутренний цилиндрический электрод пучков вторичных электронов, исходящих из одной и той же точки исследуемого объекта под одними и теми же углами относительно продольной оси системы в широком диапазоне изменения их энергий (E/E=50), где E - максимальная регистрируемая энергия заряженных частиц, E - минимальная регистрируемая энергия заряженных частиц. Малая длина отдельных частей конусного и цилиндрического сегментов внешнего электрода, которая может быть как одинаковой, так и разной, а также небольшая длина последней части цилиндрического сегмента внешнего электрода обеспечивает при предпочтительной длине внешнего и внутреннего электродов, равной L=(25-30)R, условия фокусировки пучков заряженных частиц различных энергий на поверхность внутреннего цилиндрического электрода. Первый источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую из (n-1) частей внешнего электрода потенциала V, возрастающего по линейному закону и удовлетворяющего соотношению V=V[1+1,75(n-1)], где V - потенциал на первой части внешнего электрода, отсчитываемой от переднего защитного электрода, n - порядковый номер соответствующей части разрезного внешнего электрода. Второй источник питания обеспечивает подачу потенциала V на последнюю n-ую часть цилиндрического сегмента внешнего электрода.
n
1
n
n
n
n
Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. чертеж) длиной L содержит внешний электрод 1, разделенный на n=(12-20) электрически изолированных частей 2, и коаксиально расположенный внутренний заземленный цилиндрический электрод 3. (n-1) частей 2 внешнего электрода 1 подсоединены к первому источнику питания (на чертеже не показан), выполненному с возможностью подачи на (n-1) частей 2 внешнего электрода линейно возрастающего напряжения, удовлетворяющего соотношению V=V[1+1,75(n-1)]. Длина l первых по ходу заряженных частиц (n-1) частей 2 внешнего электрода 1 удовлетворяет соотношению l≤2R, а расстояние s между соседними частями удовлетворяет соотношению s≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода 3. Последняя изолированная часть 2 внешнего электрода 1 длиной h=(5-6)R, подсоединена ко второму источнику питания (на чертеже не показан). Внешний электрод 1 выполнен из переднего конусного сегмента 4 длиной H, равной (0,55-0,65)⋅L, расширяющегося по ходу частиц под углом β, равным (5-20) градусов относительно оси Z анализатора, и заднего цилиндрического сегмента 5. Плоский защитный заземленный передний электрод 6 закреплен на переднем торце внутреннего цилиндрического электрода 3. Плоский защитный задний электрод 7 закреплен на заднем торце последней изолированной части 2 внешнего электрода 1. Исследуемый объект 8 (источник заряженных частиц) расположен на оси Z перед входным отверстием 9 защитного заземленного переднего электрода 6. Детектор выполнен в виде плоских электродов 10, подключаемых к многоканальному измерительному устройству (на чертеже не показано) и установленных за выходными кольцевыми щелями 11 во внутреннем цилиндрическом электроде 3 перпендикулярно оси Z для прохождения заряженных частиц.
n
t
n
t
a
b
a
b
Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц работает следующим образом. Из источника 8 заряженных частиц, облучаемого потоком электронов либо рентгеновских квантов, вылетает пучок вторичных электронов, либо фотоэлектронов различных энергий, который через входное отверстие 9 защитного заземленного электрода 6 попадает в отклоняющее и одновременно фокусирующее электростатическое поле, созданное тормозящими заряженные частицы потенциалами V на отдельных (n-1) частях 2 внешнего электрода 1 и тормозящим потенциалом V на последней изолированной части 2 цилиндрического сегмента 5 внешнего электрода 1, которая подсоединена ко второму источнику питания и электрически соединена с защитным задним электродом 7. Внутренний цилиндрический электрод 3 и передний защитный электрод 6 заземлены. Для анализа электронов требуются тормозящие их отрицательные потенциалы V и V, которые определяют из условий фокусировки на внутренний цилиндрический электрод 3 вторичных пучков электронов различных энергий, исходящих из источника 8 заряженных частиц. Поиск условий фокусировки произведен путем компьютерного моделирования по пяти независимым геометрическим параметрам: соотношению радиуса R цилиндрического сегмента 5 внешнего электрода 1 и начального радиуса R конусного сегмента 4 внешнего электрода 1 к радиусу R внутреннего цилиндрического электрода (R/R, R/R); длине L анализатора, положению исследуемого источника 8 заряженных частиц и по входному углу наклона центральной траектории пучков вторичных электронов различных энергий к продольной оси системы z. Электростатическое поле, образованное найденными оптимальными геометрическими и электрическими параметрами, фокусирует пучок электронов различных энергий в строго определенные выходные затянутые металлической сеткой кольцевые щели 11 во внутреннем заземленном цилиндрическом электроде 3. Далее эти пучки попадают на плоские электроды 10, установленные за выходными кольцевыми щелями 11 перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода и подключенные к многоканальному измерительному устройству.
a
b
a
b
n
n
o
1
min
min
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
1
10
1
11
1
t
t
1
min
min
min
min
-3
-3
Пример 1. Создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц, в котором соотношения радиуса цилиндрического сегмента внешнего электрода R и начального радиуса конусного сегмента внешнего электрода R к радиусу внутреннего цилиндрического электрода соответственно равны R/R=7,5, R/R=5. Конусный сегмент расширяется по ходу заряженных частиц под углом β=10 градусов относительно оси анализатора. В дальнейшем все геометрические параметры выражены в единицах R, что дает возможность применить метод геометрического подобия. Длина анализатора L равна L=25R. Внешний электрод, находящийся на расстоянии 0,25R от переднего защитного плоского заземленного электрода, разрезан на n=12 частей, при этом конический сегмент внешнего электрода длиной H=0,55L состоит из 8 частей, цилиндрический сегмент внешнего электрода состоит из 4 частей. Одиннадцать частей, считая от переднего защитного плоского заземленного электрода, имеют равные длины l=1,5R при расстояниях между ними s=0,25R подсоединены к первому источнику питания, выполненному с возможностью подачи линейно возрастающего напряжения. Последняя двенадцатая часть внешнего электрода, электрически соединенная с плоским задним защитным электродом, находится на расстоянии 0,25R от конца одиннадцатой части внешнего электрода и имеет длину h=5,5R. Впуск пучка вторичных электронов осуществляют с продольной оси Z системы анализатора при положении исследуемого объекта (источника вторичных электронов), вынесенного за пределы поля на расстояние z=2,15R, при этом угол наклона центральных траекторий пучков электронов различных энергий к оси Z равен θ=26,6°. При угле раствора пучка  определен режим работы, обеспечивающий фокусировку пучков вторичных электронов на внутренний цилиндрический электрод. В этом случае потенциал на первой части конусного сегмента внешнего электрода, обеспечивающий условия фокусировки, равен V=2,2(E/e), где E - минимальная энергия пучков заряженных частиц, эВ, e - заряд частицы, Кл. Потенциалы на последующих частях конусного сегмента внешнего электрода соответственно равны: V=2,75V, V=4,5V, V=6,25V, V=8V, V=9,75V, V=11,5V V=13,3V. Последующие потенциалы на частях цилиндрического сегмента равны V=15V, V=16,8V V=18,5V. Расчеты по определению потенциала V, способствующего обеспечению острой фокусировки пучков больших энергий, показали, что на последнюю двенадцатую часть внешнего разрезного электрода, электрически соединенную с задним торцевым защитным электродом, необходимо подавать V=19,5V. В зависимости от требований задачи следует ставить необходимое количество плоских электродов-детекторов, на которые через кольцевые щели во внутреннем электроде попадают пучки вторичных электронов в диапазоне энергий E/E=1-50, (следует отметить, что для всего указанного диапазона энергий найдены положения точек фокусировки на внутренний цилиндрический электрод). В качестве примера рассмотрим случай, когда энергии электронов равны E=(1, 5, 12,5, 25, 37,5, 50) E (траектории таких пучков приведены на рисунке). При этом требуется 6 выходных кольцевых щелей, положение которых на внутреннем электроде при отсчете от переднего торцевого электрода, выраженное в единицах R, соответственно равно: 1,80, 4,70, 8,58, 14,1, 19,1, 23,9. При указанных выше электрических и геометрических параметрах электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает параллельный (одновременный) анализ вторичных электронов с высоким разрешением по энергии ρ=δE/E. В диапазоне E=(10-50) E разрешение по энергии составляет ρ=(2,5-3)×10, что существенно лучше, чем у аналогов и прототипа. Для малых энергий разрешение во всех без исключения анализаторах уменьшается из-за малой величины линейной дисперсии по энергии. В рассматриваемом случае при E=(1-8)E разрешение по энергии лучше, чем у прототипа и составляет ρ=(8-5)×10.
min
min
Пример 2. Создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц как в примере 1, но длина последней части h цилиндрического сегмента выходит за пределы заявленных значений: h=4R, либо h=7R. В обоих случаях существенно ухудшается фокусировка в области больших энергий E/E=(35-50). Так в первом случае вторичные электроны при E=50Eпопадают на задний торцевой электрод, для других энергий разрешение сильно ухудшается. Во втором случае для энергий в указанной выше области падение разрешения происходит в 2-3 раза.
min
Пример 3. Создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц как в примере 1, но длина конического сегмента внешнего электрода H=0,5L. Уменьшение длины конического сегмента всего на 9% по сравнению с заявленной приводит к сильному ухудшению остроты фокусировки в области малых энергий, поэтому в результате на малых энергиях разрешение становится хуже в 2-2.5 раза, на средних энергиях E/E=(10-25) разрешение ухудшается в 1.7 раза.