МОНОХРОМАТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ С НИЗКОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Полезная модель относится к области оптики заряженных частиц, конкретно - к электростатическим системам, предназначенным для получения монохроматических электронных пучков с низкими энергиями, которые могут использоваться, в частности, в квадрупольных и монопольных масс-спектрометрах для исследований структуры вещества.
Актуальной является задача изучения структуры веществ с помощью монохроматических электронов, а именно, определение потенциалов ионизации атомов и молекул вещества.
Известна электронная пушка для формирования пучка медленных моноэнергетических электронов с энергией Е<20 эВ с разбросом по энергии в пучке, составляющим 0.4 эВ, /Юстируемая электронная пушка для получения пучка медленных электронов ПТЭ 1992, N 1, с.135-138/, используемая для измерения контактной разности потенциалов. Она состоит из острийного прямонакального термокатода, вытягивающей электронный пучок диафрагмы и двух цилиндрических электродов, образующих электростатическую линзу для фокусировки пучка.
Недостатком данной электронной пушки является большое различие по энергии в электронном пучке. Известен монохроматор для электронов /Methods for analyzing a sample for a compound of interest using mass analysis of ions produced by slow monochromatic electrons, патент US 5493115, 1996-02-20, G01N 23/225/, применяемый для химического анализа вещества с использованием ионов, полученных с помощью электронного захвата (Electron capture) медленных монохроматических электронов с энергией менее 6 эВ. Электронный монохроматор состоит из спиралевидного термокатода, трехэлектродной одиночной электростатической линзы, диафрагмы с вырезывающей апертурой диаметром 1 мм, фильтра по энергии, образованного взаимно перпендикулярными электростатическим (в виде двух электродов тороидального типа) и однородным продольным магнитным полями, выходной линзой в виде трех дискообразных электродов с круглыми отверстиями, апертурной диафрагмы диаметром от 0.51 до 1 мм.
Монохроматический пучок электронов на выходе устройства имеет разброс по энергии ±0.1 эВ.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, а также достаточно большой разброс по энергии в электронном пучке, соизмеримый с тепловым разбросом термокатодов.
Известен монохроматор для электронов с низкой энергией /D.Roy, J.D.Carette Rev. Sci. Instr. 1971, v. 42, N6, p.776-782, Исследование свойств монокинетрона Марме методом расчета профилей распределения энергии электронов/, взятый за прототип предлагаемого устройства, в котором задача монохроматизации электронного пучка решена с помощью двух цилиндрических конденсаторов. В качестве основного энергофильтра служит цилиндрический дефлектор с фокусировкой первого порядка на границе поля, в том числе, когда источник также находится на границе поля (127°, дефлектор Юза-Рожанского). Вплотную к нему установлен дополнительный цилиндрический конденсатор с малым угловым размером, компенсирующий начальный разброс по энергии. Расчеты профилей энергетического распределения электронов при угловых размерах основного и дополнительного цилиндрических конденсаторов, равных 90° и 12°, соответственно, (при Ф=90° и ΔФ=±6°), показали, что разброс по энергии в пучке на линии фокусов уменьшился на полувысоте пика в 17 раз, по его основанию - в 6 раз.
Существенным недостатком прототипа является наличие не учитываемых в расчетах краевых полей цилиндрических конденсаторов, приводящих к снижению степени монохроматизации пучка. Также, у этого устройства мала светосила из-за наличия аберраций второго порядка.
Предлагаемая полезная модель решает задачу увеличения светосилы монохроматора низкоэнергетичных электронов.
o
1
2
1
2
3
2
2
Задача решается монохроматором электронов с низкой энергией, включающим источник электронов в виде термокатода, основной и дополнительный плоские конденсаторы, первый электрод основного плоского конденсатора выполнен заземленным, с двумя электрически присоединенными к нему в межэлектродном пространстве торцевыми плоско-параллельными пластинами, имеющим параллельные входную и выходную щели для прохождения электронов из термокатода, входная щель находится на расстоянии от первой торцевой пластины не меньшем апертуры основного конденсатора, выходная щель расположена от входной щели на расстоянии L=3а sin2θ, где а - апертура основного конденсатора, θ - угол входа центральной траектории электронного пучка, 25°≤θ≤35°, дополнительный плоский конденсатор установлен перпендикулярно линии фокусов основного конденсатора, составляющей с его продольной осью угол β, где β=arctg[(tgθcos2θ)/(1+cos2θ)], сумма расстояний термокатода b и геометрического центра b дополнительного конденсатора от плоскости первого электрода основного конденсатора b=b+b=6a sinθcos2θ, расстояние от термокатода до геометрического центра дополнительного конденсатора вдоль продольной оси основного конденсатора L=3а sin2θ (1+cos2θ), в первом электроде дополнительного конденсатора выполнена щель для прохождения пучка электронов, расположенная на расстоянии от плоскости первого электрода основного конденсатора b=b-(d/2)tgβ, где d - апертура дополнительного конденсатора, причем d/a=2ηtgθ(1+cos2θ), где η - коэффициент, η=0.23÷0.28.
Задача решается за счет возможности в предлагаемом устройстве острой фокусировки широких электронных пучков (с большими углами раствора) вследствие малых аберраций второго порядка.
Основной плоский конденсатор (фильтр по энергии) осуществляет на одной линии, но в разных точках фокусировку по углу пучков электронов различных энергий. Дополнительный плоский конденсатор компенсирует начальный разброс по энергии в электронном пучке.
С помощью основного плоского конденсатора, работающего в зеркальном режиме, получается сфокусированный по углу на одной линии спектр электронов по энергии, исходящий из катода. Затем для монохроматизации электронного пучка использовано однородное электростатическое поле, образованное электродами дополнительного плоского конденсатора, которые установлены перпендикулярно линии фокусов основного плоского конденсатора. При этом потенциалы на этих электродах имеют одинаковую величину и противоположный знак.
2
2
Выбор начального угла θ входа центральной траектории пучка обусловлен тем, что для размещения электродов дополнительного плоского конденсатора необходимо, чтобы линия фокусов основного плоского конденсатора (перпендикулярно которой устанавливаются эти электроды) располагалась вне его поля. Это означает, что входные углы должны быть меньше 45° (При θ=45° источник и его фокус находятся на краю поля.). Кроме того, при углах входа пучка θ>35°, а также при θ<25° велики геометрические аберрации основного конденсатора (коэффициент сферической аберрации второго порядка |C|>2а), что существенно ухудшает монохроматизацию пучка. Кроме того, при θ<25° мал коэффициент дисперсии по энергии (D<1.2а), поэтому точки фокусировки пучков с характерным разбросом по энергии (0.3÷0.6) эВ располагаются слишком близко друг к другу, что затрудняет создание компенсирующего поля. Для решения задачи необходимо и достаточно, чтобы углы входа центральной траектории пучка находились в диапазоне 25°≤θ≤35°. При этом малы коэффициенты аберрации (0.7а≤C≤0.9а), а величина дисперсии по энергии равна D=(1.6÷1.8)а.
Наличие торцевых плоско-параллельных пластин на первом плоском электроде основного конденсатора препятствует проникновению в рабочую область посторонних полей, которые нарушают фокусировку пучка электронов.
Входная щель находится на расстоянии от торцевой пластины, не меньшем апертуры основного конденсатора, для исключения влияния его краевых полей на прохождение электронного пучка.
o
Расстояние между входной и выходной щелями основного конденсатора определено автором как L=3а sin2θ исходя из условия фокусировки выходящего из основного конденсатора пучка электронов на линии фокусов.
Угол наклона линии фокусов основного конденсатора к продольной его оси - β=arctg[(tgθ cos 2θ) / (1+cos 2θ)] - необходим для установления электродов дополнительного конденсатора перпендикулярно линии фокусов.
1
2
Как определено автором, сумма расстояний термокатода и геометрического центра дополнительного конденсатора от плоскости первого электрода основного конденсатора b=b+b=6а sin2θ cos2θ, а также расстояние от термокатода до геометрического центра дополнительного конденсатора вдоль продольной оси основного конденсатора L=3a sin2θ(1+cos2θ) совместно определяют расположение средней точки дополнительного конденсатора, в которой фокусируется пучок электронов средней энергии.
3
2
Расстояние по нормали от плоскости первого электрода основного конденсатора до щели в первом электроде дополнительного конденсатора определяется из соотношения b=b-(d/2)tgβ, что необходимо для попадания в дополнительный конденсатор пучков электронов различных энергий с последующей фокусировкой на линии фокусов основного конденсатора.
Связь между величинами апертур дополнительного и основного конденсаторов определяется из соотношения d/a=2η tgθ(1+cos2θ), где η=(0.23÷0.28), что необходимо, как выявлено автором, для обеспечения монохроматизации электронного пучка.
Предлагаемое устройство схематически изображено на Фиг., где:
1 - термокатод;
2 - первый электрод основного конденсатора с торцевыми пластинами;
3- входная щель основного конденсатора;
4 - выходная щель основного конденсатора;
5 - второй электрод основного конденсатора;
6 - первый электрод дополнительного конденсатора;
7 - входная щель дополнительного конденсатора;
8 - второй электрод дополнительного конденсатора.
Процесс монохроматизации состоит в следующем.
м
0
Электроны различных энергий после выхода из выходной щели 4 основного конденсатора (плоского зеркала) проходят через входную щель 7 первого электрода 6 дополнительного конденсатора с некоторым положительным потенциалом, тем самым набирая одинаковую добавочную энергию. В поле дополнительного плоского конденсатора электроны тормозятся до разных энергий. Напряженность этого поля E связана с напряженностью поля основного конденсатора E в соответствии с формулой, полученной автором:
м
о
E/E=ctgθ/[2(1+cos2θ)].
При этом электроны средней энергии тормозятся до своей первоначальной величины, а электроны меньшей и большей энергий тормозятся, соответственно, меньше и больше до средней начальной энергии.
Работа устройства.
Из термокатода 1 вылетает пучок электронов различных энергий и через входную щель 3 первого электрода 2 основного конденсатора попадает в поле основного плоского конденсатора, образованное путем подачи потенциала на второй его электрод 5, величина которого равна 2/3 величины среднего ускоряющего пучок электронов потенциала. При этом первый электрод 2 основного конденсатора с торцевыми пластинами заземлен. Электроны, двигаясь по зеркально симметричным относительно середины основного конденсатора траекториям, попадают в выходную щель 4. После прохождения свободного от поля пространства пучки электронов различных энергий проходят входную щель 7 первого электрода 6 дополнительного плоского конденсатора, (электроды которого установлены перпендикулярно линии фокусов основного конденсатора - плоского зеркала), где фокусируются по углу на одной линии, но в разных местах. Потенциалы на электродах этого конденсатора имеют одинаковую величину и противоположный знак Точка на оси, через которую проходит нулевая эквипотенциаль дополнительного конденсатора, является точкой фокусировки пучка со средней начальной энергией, к которой сводятся пучки других энергий. Электроны различных энергий проходят через первый электрод 6 дополнительного конденсатора с положительным потенциалом, тем самым набирая одинаковую добавочную энергию. В поле дополнительного плоского конденсатора электроны тормозятся до разных энергий. Электроны средней энергии тормозятся до своей первоначальной величины, а электроны меньшей и большей энергий тормозятся, соответственно, меньше и больше, до средней начальной энергии. При этом достигается результат, т.е. на линии фокусов, а также вблизи нее происходит монохроматизация электронного пучка.
Пример 1.
1
2
3
м
0
-3
-2
Предлагаемое устройство рассчитано и создано для оптимального угла входа центральной траектории пучка θ=30°, при котором коэффициент аберрации второго порядка по углу равен нулю, т.е. осуществляется фокусировка электронного пучка по углу второго порядка. Для общности геометрические параметры выражены в единицах апертуры плоского зеркала (основного конденсатора) “а”. Расстояние между торцевыми электродами основного конденсатора равно 5a. Зазоры между полезадающим электродом 5 и торцевыми пластинами равны 0.05 а. Величина апертуры дополнительного плоского конденсатора d=0.4a. Выходная щель расположена от входной щели на расстоянии 2.6a. Электрод 2 и торцевые пластины заземлены. Источником электронного пучка служит точечный катод 1, расположенный на расстоянии по нормали от нижнего электрода основного конденсатора b=0.4a. Начальный угол впуска центральной траектории пучка θ=30°, угол раствора пучка выбран в пределах ±α=(0.25÷1)°. Линия фокусов расположена под углом β=12° к электроду 2, а точка фокусировки траекторий пучка средней энергии отстоит от него на расстоянии по нормали b=0.43a. Щель в первом электроде дополнительного конденсатора для прохождения пучка электронов расположена на расстоянии по нормали от плоскости первого электрода основного конденсатора b=0.39a. Для выбранной автором средней энергии пучка равной 15 эВ потенциал на втором электроде основного конденсатора равен 10 В исходя из отношения между ними, равному 3/2, а соотношение разности потенциалов между электродами дополнительного и основного конденсаторов, необходимое для монохроматизации электронного пучка, определенное из соотношения E/E=ctgθ/[2(1+cos2θ)], равно 0.23. При этом в предлагаемом устройстве для указанных выше углов раствора пучка его размер (относительно величины а) в плоскости дисперсии на линии фокусов в пространстве между электродами второго конденсатора равен g/a=(2÷7)10, а в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии, h/a=(3.5÷14.1)10.
o
o
o
Степень монохроматизации электронного пучка (уменьшение энергетического разброса) определяется как отношение его начального разброса по энергии к конечному: G=Δε/Δε. Численные расчеты по определению конечного разброса по энергии в пучке были проведены при изменении начальной энергии в пределах Δε/ε=±0.01. При указанных выше геометрических и электрических параметрах устройства уменьшение энергетического разброса на линии фокусов для центральных траекторий пучков различных энергий G=20. Уменьшение энергетического разброса для электронных пучков с начальными углами раствора α=±0.25° равно G=10, с углами раствора α=±0.5° G=5, a при α=±1° G=3.
Численные расчеты в предлагаемой конкретной системе из плоских электродов показали, что энергетический разброс на линии фокусов уменьшился в 20 раз по сравнению с начальным разбросом. Начальный разброс по энергии в пучке связан с тепловым разбросом термокатода, с неодинаковым потенциалом на катоде в области эмиссии, а также с наличием вторичных электронов из-за соударений первичных электронов с электродами пушки, и равен (0.3÷0.6) эВ.
Таким образом, результатом является получение в предлагаемом устройстве монохроматического пучка электронов с уменьшенным конечным разбросом по энергии, равным (20÷30) мэВ.
Светосила, характеризующая пропускную способность системы и определяемая величиной телесного угла в процентах от 4π, Ω=(αγ/π)100%, где α и γ - углы полураствора пучка на входе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, существенно больше, чем у прототипа. Расчеты автора показали, что при одинаковых габаритах предлагаемого устройства и прототипа, а также равных размерах сфокусированного пятна (от которого напрямую зависит степень монохроматизации электронного пучка) светосила предлагаемого в примере устройства для вышеуказанных углов раствора пучка в 3÷5 раз больше, чем у прототипа.
Следует также отметить, что в предлагаемом устройстве вблизи линии фокусов имеется область, в которой энергетический разброс в пучке уменьшается. Расчеты для указанного в примере устройства показали, что благодаря острой фокусировке в плоскости дисперсии внутри области, расположенной на расстоянии ±0.005 а от линии фокусов, степень монохроматизации увеличивается в три - четыре раза. Это обеспечивает дополнительное увеличение светосилы предлагаемой системы.
Пример 2.
Определены параметры предлагаемого устройства аналогичной примеру 1 геометрии для заявленного нижнего предела изменения углов входа центральной траектории электронного пучка. Для угла θ=25° светосила предлагаемого устройства в 2.2 раза больше, чем у прототипа.
Пример 3.
Определены параметры предлагаемого устройства аналогичной примеру 1 геометрии для заявленного верхнего предела изменения углов входа центральной траектории электронного пучка. Для угла θ=35° светосила в 2.7 раза больше, чем у прототипа.
Предлагаемое устройство имеет преимущества перед прототипом (монохроматор из цилиндрических электродов), т.к. оно
обеспечивает:
- увеличение в 2÷5 раз светосилы за счет острой фокусировки электронных пучков (из-за отсутствия, либо малой величины аберраций второго порядка) при угле впуска центральной траектории пучка в диапазоне 25°≤θ≤35°;
- возможность использования электродов дополнительного конденсатора не только для создания компенсирующего поля, но и в качестве элементов ионно-оптических систем в источниках ионов различных устройств;
- возможность избавления от электронов с недопустимо большим разбросом по энергии за счет изменения размера щели (у прототипа в рабочей области - пространстве внутри апертуры первого и второго цилиндрических конденсаторов - нельзя устанавливать ограничительные щели, вырезающие электроны нужных энергий).