МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.А.БУКЕТОВА
Ж.Т. Камбарова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ АНАЛИЗАТОРОВ ЭНЕРГИИ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Монография
Караганда 2019
Ре по зи то ри й Ка рГ У
УДК 537.533.34 ББК 22.33
К18
Рекомендовано к опубликованию Ученым советом Карагандинского государственного университета им.Е.А.Букетова
Рецензенты
И.Ф. Спивак-Лавров, д.ф.-м.н., профессор, Актюбинский региональный государственный университет им. К. Жубанова;
С.Д. Дарибеков, к.т.н., профессор, Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова;
А.С. Кудусов, к.ф.-м.н., доцент, Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова
К18 Камбарова Ж.Т.
Моделирование электростатических анализаторов энергии заряженных частиц: монография / Ж.Т. Камбарова. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2019. — 141 с.
ISBN 978-9965-32-685-1
Монография посвящена расчету и моделированию электростатических анализаторов энергии заряженных частиц, являющихся основными элементами приборов энергоуглового анализа вещества. Разработаны конкретные электронно-оптические схемы электростатических зеркальных анализаторов энергии заряженных частиц.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области электронной спектроскопии, корпускулярной оптики, аналитического приборостроения и может быть полезной магистрантам и докторантам соответствующих физико- технических и естественно-научных специальностей.
УДК 537.533.34 ББК 22.33 ISBN 978-9965-32-685-1 © Камбарова Ж.Т., 2019
Ре по зи то ри й Ка рГ У
3 Содержание
Обозначения и сокращения ... 5 Введение ... 6 Глава 1. Актуальные проблемы корпускулярной оптики ... 10 1.1 Обзор существующих энергоанализаторов пучков
заряженных частиц ... 10 1.2 Методы расчета систем энергоанализа пучков
заряженных частиц ... 33 Глава 2. Перевод электронного спектрометра ЕSA-12 типа «двухкаскадное цилиндрическое зеркало» в режим спектрографа ... 45 2.1 Электростатический электронный спектрометр ЕSA-12
типа «двухкаскадное цилиндрическое зеркало» ... 46 2.2 Аппаратная функция электронного спектрометра
ESA-12 ... 50 2.3 Перевод электронного спектрометра ESA-12 в режим
спектрографа ... 56 Глава 3. Светосильный энергоанализатор на основе комбинированных электростатических полей ... 64 3.1 Расчет электронно-оптических характеристик
энергоанализатора из последовательно расположенных цилиндрического и гиперболического зеркал ... 65 3.2 Моделирование электронно-оптической схемы
комбинированного энергоанализатора из последовательно расположенных электростатических цилиндрического и гиперболического зеркал ... 73
Ре по зи то ри й Ка рГ У
4
Глава 4. Спектрометр с энергоугловым разрешением на основе классических электростатических зеркал ... 79 4.1 Расчет электронно-оптических характеристик
комбинированной системы из последовательно расположенных электростатических гиперболического и цилиндрического зеркал ... 79 4.2 Изучение возможности энергоуглового анализа в
спектрометре из последовательно расположенных электростатических гиперболического и цилиндрического зеркал ... 88 4.3 Аппаратная функция комбинированного
энергоанализатора из последовательно расположенных электростатических гиперболического и цилиндрического зеркал ... 93 Глава 5. Электростатический анализатор энергий на
основе электростатического квадрупольно- цилиндрического поля ... 100 5.1 Расчет структуры электростатических квадрупольно-
цилиндрических полей ... 100 5.2 Расчет электронно-оптических характеристик
квадрупольно-цилиндрического зеркала ... 107 5.3 Моделирование зеркального анализатора энергий на
основе квадрупольно-цилиндрического поля ... 116 Заключение ... 124 Список использованных источников ... 125
Ре по зи то ри й Ка рГ У
5
Обозначения и сокращения
В представленной работе используются следующие обозначения и сокращения:
ВИМС – вторично-ионная масс-спектрометрия ГЗ – гиперболическое зеркало
ГЦП – гексапольно-цилиндрическое поле
ДКЦЗА - двухкаскадный цилиндрический зеркальный анализатор КЦП – квадрупольно-цилиндрическое поле
МЭС – методы электронной спектроскопии
ПЦЗА – параллельный цилиндрический зеркальный анализатор РФЭС – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
СЗ – сферическое зеркало
ТЗЦА – трехэлектродный цилиндрический зеркальный анализатор
ЦЗ – цилиндрическое зеркало
ЦЗА – цилиндрический зеркальный анализатор ЭОС – электронная оже-спектроскопия
Ре по зи то ри й Ка рГ У
6 Введение
Предметом изучения физики поверхности является исследование элементного состава и расположения атомов на поверхности твердых тел, а также теоретическое и экспериментальное изучение их механических, химических и других свойств. Как и в случае объемных твердых тел, конечной целью исследований является установление взаимосвязи между свойствами, составом и структурой. Поэтому точное определение элементного состава поверхности или поверхностного слоя некоторой толщины является необходимым условием правильной интерпретации экспериментов в области физики поверхности [1].
Число методов исследования поверхности очень велико и неуклонно растет. В настоящее время существует более семидесяти «поверхностных» методов, многие из которых имеют несколько модификаций, различающиеся по своим функциональным возможностям. Данные методы основаны на взаимодействии с поверхностью твердого тела пучков заряженных частиц, что подразумевает создание высокого вакуума при проведении исследований. Методы анализа поверхности позволяют получить информацию о природе частиц, испускаемых с поверхности вещества, их пространственном и энергетическом распределениях и их количестве. Данная информация дает возможность установить, что происходит на поверхности во время измерений.
Ведущие современные технологии и прежде всего нанотехнологии определяются явлениями, происходящими на поверхности. Все больший интерес вызывают свойства наноразмерных структур, различного рода наноматериалов, в которых именно поверхность играет важную роль. В настоящее время исследования поверхности твердого тела представляет собой развивающуюся область знаний, имеющей большое значение для физики наноразмерных и молекулярных структур, современного материаловедения, нано- и микроэлектроники, нанотехнологии, физики и химии конденсированного состояния и тонких пленок и т.д.
Ре по зи то ри й Ка рГ У
7
Для большинства методов анализа поверхности характерна общность ряда свойств. В частности, высокая поверхностная чувствительность всех методов вытекает из того факта, что электроны в области энергий 5-2000 эВ обладают высокой вероятностью неупругого рассеивания. Следовательно, если оказывается, что энергия детектируемых электронов не изменилась при взаимодействии с поверхностью твердого тела, можно быть уверенным, что электроны прошли только через очень тонкий поверхностный слой, и, следовательно, такой метод является поверхностно-чувствительным. Второе обстоятельство связано с тем, что, поскольку поверхностная чувствительность метода основывается на измерении энергии электронов, для большинства из этих методов необходимы анализаторы энергии того или иного вида. Таким образом, этот компонент соответствующей экспериментальной установки также является общим для большинства методов [2].
Современная наноэлектроника требует развития методов исследования, позволяющих определять структуру и состав нанобъектов и наносистем. Перспективной базой требуемой диагностики являются методы электронной спектроскопии (МЭС), которые характеризуются нанометровым разрешением по глубине твердого тела. Глубина анализа в МЭС составляет 0,5-2 нм.
Электронная спектроскопия представляет собой один из широко используемых и активно развиваемых в настоящее время методов изучения физико-химических свойств приповерхностной области твердых тел. Развитие МЭС было положено исследованиями К.Зигбана [3]. За годы своего развития они превратились в мощный метод определения состава и электронного строения твердых тел. В основе данных методов лежит анализ по энергии электронов, испускаемых поверхностью исследуемого вещества, под действием внешнего излучения.
Электронный спектрометр выделяет из входящих частиц с широким набором энергий и углов, частицы, энергии которых заключены в определенной узкой области. Основным анализирующим элементом спектрометра является энергоанализатор.
Ре по зи то ри й Ка рГ У
8
Для оже-спектроскопии поверхности как одного из наиболее эффективных физических методов анализа in-situ процессов формирования микро- и наноструктур наиболее пригодными оказываются аксиально-симметричные энергоанализаторы, вследствие присущей им высокой светосилы (чувствительности) и разрешающей способности.
Подавляющее большинство фокусирующих элементов, используемых в электронной и ионной оптике, создают аксиально-симметричные электростатические и (или) магнитные поля, которые могут быть описаны скалярными потенциалами [4]. Главными задачами электронных приборов являются формирование, фокусировка и отклонение электронных пучков электрическими и магнитными полями. Этой проблемой занимается корпускулярная оптика. Предметом изучения корпускулярной оптики являются семейства траекторий и их свойства [5]. Принципы корпускулярной оптики лежат в основе физической электроники и ее разделов, таких как электронная спектроскопия, масс анализ, нанотехнологии и т.д.
В начале 80-х годов 20-го века анализ существующих приборов показал, что наилучшим на тот момент анализатором по разрешению и чувствительности является цилиндрическое зеркало профессора В.В.Зашквары в режиме фокусировки второго порядка по меридиональному углу θ при расположении образца и детектора на оси симметрии [6]. Использование цилиндрического зеркала актуально и на сегодняшний день.
Актуальными проблемами современного спектрального анализа являются задачи, которые необходимо решать в условиях повышенного роста требований к чувствительности обеспечивающего устройства, его разрешающей способности, компактности, а также необходимости пространственного совмещения нескольких методов исследования. Дальнейший прогресс современных технологий, а также развитие нанотехнологий в большой степени определяется состоянием средств диагностики. Таким образом, энергоанализ пучков заряженных частиц требует дальнейшего усовершенствования существующих или разработки качественно новых
Ре по зи то ри й Ка рГ У
9
корпускулярно-оптических систем путем дальнейшего развития теории.
Обзор наиболее известных последних работ в области корпускулярной оптики показывает, что дальнейшее развитие электронно-оптических схем может быть достигнуто путем разнообразной модернизации и комбинирования известных электростатических зеркал. Научная новизна подходов к созданию систем энергоанализа с необходимыми корпускулярно- оптическими свойствами заключается в использовании неоднородных вдоль оси симметрии электростатических полей.
Ре по зи то ри й Ка рГ У
10
1 АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ОПТИКИ
1.1 Обзор существующих энергоанализаторов пучков заряженных частиц
Одной из основных задач анализа поверхности является определение качественного и количественного элементного состава поверхности или поверхностного слоя некоторой толщины. Под поверхностью, как правило, понимают часть объема материала толщиной ~ 1-10 атомных слоев [1, с.6].
Особое внимание к тонкому приповерхностному слою твердых тел является одной из характерных черт современного материаловедения. Это объясняется тем, что структура и состав поверхности определяют многие физические и химические свойства твердых тел и играют главную роль во многих процессах и явлениях, часто имеющих огромное технологическое значение. Кроме того, наше время часто называют началом нанотехнологической революции. Одной из характерных черт объектов нанонауки по сравнению с обычными макроскопическими телами является резкое увеличение относительной доли атомов, лежащих на поверхности, по сравнению с полным числом атомов системы [7].
Важной деталью экспериментальной схемы является энергоанализатор – устройство, позволяющее определять плотность тока заряженных частиц с энергиями в выбранном интервале от Е до Е+ΔЕ. Энергоанализатор позволяет установить то, как заряженные частицы в потоке распределены по энергиям [8]. Принципиальная экспериментальная схема показана на рис.1.
В настоящее время имеется множество методов анализа поверхности. Для удовлетворения технологических потребностей постоянно создаются новые методики и приборы. Для целей энергоанализа чаще всего применяются электростатические приборы с геометрией следующих полей и их суперпозиций:
сферическое поле, цилиндрическое поле, гиперболическое поле, однородное поле и т.д. [9].
Ре по зи то ри й Ка рГ У
11
Рис.1. Принципиальная экспериментальная схема с энергоанализатором
Энергоанализатор с однородным полем, т.е. плоское зеркало, осуществляет фокусировку в одном направлении. Одной из причин его широкого применения в энергоанализе потоков заряженных частиц является простота конструкции. Принцип действия энергоанализатора основан на использовании дисперсионных свойств однородного электрического поля.
В работе [10] разработан плоский анализатор новой модификации с фокусировкой второго порядка для произвольного входного угла. Предложенный анализатор с небольшим углом входа имеет преимущество при низких значениях напряжения. Анализатор очень полезен для энергоанализа в диапазоне МэВ. В работах [11,12] предложен 450-ный плоский электростатический энергоанализатор для низкоэнергетической электронной спектроскопии (рис.2).
Рис.2. Схема 450-ного плоского электростатического энергоанализатора
Ре по зи то ри й Ка рГ У
12
Уникальное устройство – двухкаскадное плоское зеркало, одновременно измеряющее различные энергии и углы заряженных частиц, сформированных в одном пучке, описано в работе [13]. Способность выделять и регистрировать частицы с противоположной полярностью позволяет измерять их одновременно. Получены и подробно обсуждены уравнения для траекторий частиц. Представлены выражения для соответствующего разрешения обнаружения частиц.
Фишковой Т.Я. [14] предложена электростатическая система, предназначенная для получения моноэнергетического электронного пучка. Она состоит из основного фильтра по энергии в виде плоского зеркала с закрытыми торцами и дополнительного плоского конденсатора, компенсирующего начальный разброс по энергии. Получена аналитическая формула связи напряженностей этих полей. Проведены численные расчеты системы, которые показали, что энергетический разброс в электронном пучке на линии фокусов уменьшился на порядок по сравнению с начальным тепловым разбросом.
Широкое применение получил анализатор пучков заряженных частиц типа цилиндрическое зеркало (ЦЗ).
Анализатор имеет высокие электронно-оптические характеристики и сравнительно прост по конструкции.
В работе [15] определены параметры ЦЗ с торцевыми электродами при сканировании поверхности образца тонким первичным пучком. Задача решена численным методом по программам для расчета двумерных задач электронной оптики.
Трубицыным А.А. [16] представлена электронно-оптическая схема энергоанализатора, представляющая собой комбинацию простейших (и технологических) фигур – цилиндров и колец.
Анализатор обеспечивает угловую фокусировку второго порядка при α0=900. Такой угол фокусировки дает возможность построения эффективной диаграммы угловых измерений, а фокусировка второго порядка означает значительное ослабление противоречия, заключенного в требовании одновременно высоких значений светосилы и разрешающей способности, по сравнению со случаем фокусировки первого порядка.
Ре по зи то ри й Ка рГ У
13
В работе [17] рассчитана схема цилиндрического зеркального анализатора (ЦЗА) для оже-спектроскопии, которая обладает двумя режимами угловой фокусировки. Благодаря этому, могут быть применены два метода в оже-анализе поверхности образца при исследовании.
Работа [18] посвящена разработке компактного цилиндрического отражающего зеркального анализатора для спектрометра рассеяния низкоэнергетических ионов, используемого в вакуумных системах осаждения тонких пленок.
Конструкция энергоанализатора подобна эллипсоидальному зеркальному анализатору, состоящему из электростатического отражающего зеркала цилиндрического секторного типа со средним радиусом кривизны 4,0 см и углом сектора 700, фильтра высоких энергий и двух щелей. Среднее энергетическое разрешение было получено в энергетической зоне 10 эВ и первичной энергии ионов 800 эВ.
В статье [19] описана конструкция параллельного цилиндрического зеркального анализатора (ПЦЗА) с конфигурацией «ось-ось». Анализатор охватывает широкий диапазон энергий в режиме параллельного сбора. Режим фокусировки второго порядка существует в области ограниченного диапазона энергий с высоким энергетическим разрешением. ПЦЗА работает между режимами параллельного сбора и второго порядка.
Целью работы [20] является разработка компактного энергоанализатора с отражающим полем высокого разрешения для измерения энергетического разброса электронных пучков с объемным зарядом. Данный энергоанализатор имеет цилиндрический электрод для предотвращения эффектов расфокусировки, связанных с влиянием пространственного заряда, пучком траекторий, эффектами на диафрагмах и т.д.
Моделирование одной частицы показало, что данный энергоанализатор имеет очень хорошее разрешение для низкоэнергетических электронных пучков в несколько киловольт и с большими углами разброса. Энергоанализатор был протестирован на пучках 2,5 кэВ, 60 мА. Измеренный энергетический разброс сравнен с теоретическими расчетами с
Ре по зи то ри й Ка рГ У
14
учетом двух основных энергетических источников разброса, а именно эффекта Берша и продольного ослабления.
Расчет электронно-оптических свойств модифицированного ЦЗА представлен в работе [21]. Анализатор состоит из двух концентрических цилиндров с коническими торцами, неполные углы которых между 300 и 900. Показано, что ЦЗА с коническими торцами имеет фокусирующие свойства второго порядка с высокой дисперсией. Анализатор расширяет применения цилиндрических зеркал в атомной физике и физике поверхности, поскольку конические торцы обеспечивают более выгодные геометрические условия для облучения образца, а также для детектирования электронов.
В работе [22] предложено и теоретически исследовано устройство, фильтрующее по энергии пучки заряженных частиц.
Оно состоит из цилиндрического полезадающего электрода, в меридиональной плоскости которого расположен плоский заземленный электрод, а по торцам - заземленные диафрагмы, через которые осуществляются вход и вывод пучка. В широком диапазоне изменения геометрии системы рассчитаны параметры для двух случаев: с двойной фокусировкой пучка на плоский электрод и в режиме параллельного переноса пучка.
Исследование оптических свойств 1270-го ЦЗА с помощью программы SIMION 3D версии 6.0 проводилось в работе [23].
Анализатор предназначен для использования в экспериментах по рассеянию низкоэнергетических ионов. Зависимость телесного угла приема Ω на плоскости мишени с координатами (х,у) к относительной энергии частицы ε полностью описывает оптические свойства анализатора. Вычислена Ω (х,у) функция из расчетов траектории ионов, эмитированных с разных точек плоскости мишени. Экспериментально определено влияние сферической аберрации на ошибку измерения энергии.
В работе [24] спроектирован ионный спектрометр потерь энергии. Энергоанализатор в приборе состоит из 1800-ного цилиндрического конденсатора, оснащенного пластинами Мацуда. Его преимущество в том, что фокусировка может быть достигнуто путем изменения электрического потенциала на пластинах Мацуда, которые расположены на обоих концах
Ре по зи то ри й Ка рГ У
15
цилиндрического конденсатора. С помощью этого метода, энергоанализатор становится эквивалентным обычному сферическому конденсатору, и устраняет краевое поле.
В работе [25] подтверждено экспериментально, что 2100-ный ЦЗА с дрейфовым пространством обеспечивает фокусировку второго порядка. Свойства анализатора сильно зависят от краевого поля вблизи входа и выхода из цилиндров.
С целью избежания от вращения крупных источников электронов и детекторов в экспериментах по квантовому рассеянию частиц в работе [26] был разработан прибор, в котором вращение электронного пучка было достигнуто путем комбинирования трех небольших ЦЗА в последовательности.
Первый анализатор неподвижен, а два других вращаются вместе вокруг выходной оси первого цилиндра.
В работе [27] описаны особенности электростатического энергоанализатора цилиндрического типа с целью измерения конечных потерь ионов. Анализатор обеспечивает информацию о плотности распределения ионов в конусной области пространства скоростей.
Работа [28] посвящена описанию схемы электростатического энергоанализатора, позволяющего одновременно регистрировать энергетический спектр заряженных частиц в широком диапазоне энергий и во всем диапазоне азимутальных направлений.
Анализатор подобен ЦЗА, с исключением того, что линейные изменения потенциала применяется в осевом направлении внешнего цилиндра. Анализатор может быть использован в режиме фокусировки второго порядка для анализа узкого диапазона энергий с высоким энергетическим разрешением.
В работе [29] разработан цилиндрический секторный энергоанализатор с высоким напряжением для электронов кинетической энергией до 15 кэВ. Он особенно подходит для рентгеновской и ультрафиолетовой фотоэлектронных спектроскопий, оже-электронной спектроскопии и электронной спектроскопии. Анализатор основан на цилиндрическом секторе с отклонением на 900. Расстояние щелей 300 мм, входная четырех элементная тормозящая линзовая система расположена на расстоянии 50 мм от образца. Результатом является очень
Ре по зи то ри й Ка рГ У
16
компактная конструкция анализатора, которая легко интегрируется в многоцелевые эксперименты с различной методикой. Низкий уровень шума электроники дает возможность непрерывно сканировать энергии от 0 до 15 кэВ с использованием нелинейных линз. Показаны возможности анализатора в соответствии с разрешением по энергии и трансмиссией с помощью электронной пушки, ультрафиолетовой газоразрядной лампы, и жесткого рентгеновского синхротронного излучения в качестве источников возбуждения.
На основе ЦЗ разработаны множества многокаскадных энергоанализаторов, корпускулярно-оптические параметры, которых превышают одиночные ЦЗ. Так, например, в работе [30]
представлена схема электростатического электронного спектрометра для одновременных измерений энергетических и угловых распределений электронов в полном диапазоне углов рассеяния (0°-180°) с высоким энергетическим разрешением.
Первый и второй ступени анализатора состоят из трех частей с цилиндрической симметрией. Корпус анализатора и внутренний цилиндр находятся под потенциалом земли, внешней цилиндр с коническими торцами под отрицательным потенциалом. Первая ступень электронного спектрометра фокусирует электроны, эмитированные вблизи 900 с точечного источника на оси в точку фокуса. Такой угол входа неосуществим в обычном ЦЗА. Далее проходят через вторую ступень, фокусируясь в кольцо. На рис.3 представлена схема продольного сечения двухкаскадного электростатического анализатора.
В статье [31] описана конструкция двухкаскадного ЦЗА.
Данный электронный энергоанализатор диаметром менее 1,5 дюйма (30 мм) превосходит по производительности однокаскадный ЦЗА с аналогичным диаметром.
В работе [32] представлен двухкаскадный ЦЗА для спин- поляризованной оже-электронной спектроскопии. Анализатор обладает высокой трансмиссией, небольшой угловой эмиссией электронов и большим фокусным расстоянием. Сочетание энергоанализатора с компактным классическим детектором Мотта обеспечивает оже-спектрометр очень высокой эффективностью.
Ре по зи то ри й Ка рГ У
17
Рис.3. Схема продольного сечения двухкаскадного ЦЗА с несколькими траекториями электронов вблизи 900 входного угла
Работа [33] посвящена разработке миниатюрного двухкаскадного цилиндрического зеркального электронного энергоанализатора (ДКЦЗА) с внешним диаметром 26 мм.
ДКЦЗА состоит из экрана для электрического поля, внутреннего и внешнего цилиндров, двух микроотверствий с диаметрами 2,0мм и электронного умножителя. ДКЦЗА собирается в осесимметричный зеркальный электронный анализатор, разработанный для анализа оже-фотоэлектронной спектроскопии совпадений. Электронно-энергетическое разрешение ДКЦЗА составляет E/∆E=20. Это значение выше, чем у миниатюрного однокаскадного ЦЗА (E/∆E=12), который использовался в предыдущем анализаторе оже-фотоэлектронной спектроскопии совпадений.
В работе [34] описан новый тип электронного энергоанализатора для оже-электронной спектроскопии (ОЭС).
Он состоит из трех коаксиальных цилиндрических электродов для разделения вторичных электронов, эмитированных с возбужденной подложки. Кратко описаны основы, включающие траектории электронов внутри анализатора, представлены детали вычислений геометрических параметров конструкции.
Расстояние от образца до изображения составляет 200 мм, константа анализатора равна 2, теоретическое энергетическое разрешение 0,03%, угол входа в анализатор 33055'±60. Используя построенный анализатор в сочетании сканирующей электронной пушкой со скользящим наклоном 150, был записан оже-пик
Ре по зи то ри й Ка рГ У
18
углерода C-272 эВ для химически травленного Si (1 1 1) субстрата в режиме E от N (E), а затем численно дифференцированы EdN(E)/dЕ, чтобы проверить возможность построения оже-спектрометра.
В работе [35] описана схема и конструкция электронного энергоанализатора для изучения электронных процессов в атомах и молекулах твердых тел. Анализатор состоит из 1800 – го полусферического дефлектора и пяти входных оптических элементов. Фокусирующие характеристики анализатора были исследованы с помощью программы «SIMION» моделирования траекторий электронов. Входная система линз в полусферический дефлектор разработана для обеспечения высокой собирающей способности низкоэнергетических электронов. Система линз состоит из трех линз, ускоряющего или замедляющего объектива, входной и выходной щелей. Входное и выходное щели системы линз имеют фиксированные диаметры 2 мм, что позволяет снизить аберрации в поле.
Сферическое зеркало (СЗ) относится к корпускулярно- оптическим системам, обеспечивающим фокусировку в двух направлениях. Благодаря своим высоким параметрам это тип анализатора получил широкое применение в различных областях исследований. Ряд фирм выпускает электронные спектрометры, в которых анализатором является СЗ.
Времяпролетные характеристики электростатического энергоанализатора потоков заряженных частиц типа СЗ в условиях идеальной угловой пространственной фокусировки для точечного источника, расположенного на оси симметрии спектрометра исследованы в работе [36]. Показано, что время движения частицы от источника до идеального фокуса, также расположенного на оси, в первом приближении не зависит о направления вылета вблизи нормали к оси. Таким образом, режим фокусировки по времени пролета позволит эффективно использовать СЗ в МЭС, в котором регистрируется отдельно каждый акт эмиссии.
В работе [37] разработан новый тип полусферического электронного энергоанализатора для угловой и спин- разрешающей фотоэлектронной спектроскопии. Анализатор
Ре по зи то ри й Ка рГ У
19
позволяет получить спектры с угловым разрешением путем записи двумерным детектором, и параллельно используя мини- поляриметр Мотта, определяющий спин частицы. Обсуждены общие соображения схемы и технические решения.
Представлены результаты тестов от поверхности Au.
В статье [38] представлена схема оригинального прибора для измерений рентгеновской фотоэлектронной дифракции и рентгеновской фотоэлектронной голографии. Компактный электронный спектрометр характеризуется высокой чувствительностью, а также высокими энергетическим и пространственным разрешениями. Конструкция основана на комбинации осесимметричного 900-го секторного сферического дефлектора с пространственной фокусировкой второго порядка и полой конической замедляющей иммерсионной линзы. Диапазон энергий фотоэлектронов изменяется от 0 до несколько тысяч электрон-вольт, таким образом, анализатор может быть использован для исследований валентных и основных электронных уровней. На рис.4 показана схема энергоанализатора на основе комбинации осесимметричного 900 - го секторного сферического дефлектора с пространственной фокусировкой второго порядка и полой иммерсионной замедляющей конической линзой. Энергетическое разрешение анализатора составляет E 104
E
. Это разрешение может быть достигнуто в экспериментах с угловым разрешением 0,250 для электронов, эмитированных с протяженной области образца до 4мм2 или более, в диапазоне начальных полярных или азимутальных углов до 600. Кроме того, разрешение может быть достигнуто в спектромикроскопическом режиме с телесным углом 0,5 ср.
В работе [39] исследованы характеристики анализатора, состоящего из двух 1800-ных полусферических отклоняющих анализаторов, расположенных последовательно и оснащенных многоканальным детектором. Энергетическое разрешение и время прохождения для нерелятивистских электронов были вычислены с помощью численных методов. Рассчитаны оптимальный размер и форма входной щели по отношению к
Ре по зи то ри й Ка рГ У
20
многоканальному детектору. Электронные энергетические спектры были симулированы мультидетектором с 100 дискретными каналами, чтобы показать возможность «быстрого счета» анализатора. На рис.5 показана схема двухкаскадного анализатора. Здесь V1 и V2 - потенциалы внутреннего и внешнего полусфер соответственно со средним радиусом R0. Области I и IV являются свободными полями, а в областях II и III поле 1/r2 поддерживается потенциалами. Электроны входят через входную щель с шириной W и собираются детектором после отклонения через полусферические сектора.
V1, V2 - потенциалы сферического дефлектора, V5, V4, V3 - потенциалы замедляющей системы
Рис.4. Схема энергоанализатора на основе комбинации осесимметричного 900 секторного сферического дефлектора с пространственной фокусировкой 2-го порядка и полой иммерсионной
замедляющей конической линзы
Рис.5. Схема двухкаскадного полусферического анализатора
Ре по зи то ри й Ка рГ У
21
К числу светосильных электростатических зеркал относится также гиперболическое зеркало (ГЗ), схемы фокусировки которого были рассмотрены Зашкварой В.В. и др. в [40].
В работе [41] предложен гиперболоидный масс-спектрометр с анализатором на ограниченной плоскостью z=0 трехмерной ионной ловушке. На основе численного моделирования электрического поля и процесса сортировки заряженных частиц построены массовые пики для различных режимов работы масс- анализатора. Полученные результаты являются основой для создания гиперболоидного масс-спектрометра с простой электродной системой и высокой разрешающей способностью.
В статье [42] описан новый тип электростатического анализатора заряженных частиц, способного параллельно детектировать большой диапазон кинетических энергий.
Основной целью является одновременное детектирование электронов, рассеянных с поверхности и имеющих энергию от нескольких десятков эВ до 2000 эВ. Был построен прототип, приближенный гиперболическому отражающему полю.
Энергетическое разрешение составляет несколько эВ и эффективность сбора 0.05 % от 2π ср. Значительное усовершенствование во времени получения спектров, дают много возможностей для оже- и фотоэлектронной спектроскопий.
Фокусировка второго порядка является свойством электронного энергоанализатора дисперсионного типа, поскольку он обладает большим приемом углов или, напротив, высоким энергетическим разрешением [43]. Получены условия фокусировки второго порядка для гиперболического анализатора, позволяющего собирать параллельно большой диапазон энергий, что делает его пригодным для анализа поверхности, например, в оже-спектроскопии.
Сравнительно новый тип электростатических энергоанализаторов с угловым разрешением образует анализатор, состоящий из конической электростатической призмы и позиционно-чувствительного детектора для фотоэлектронной спектроскопии [44]. Характеристики анализатора были проверены путем измерения фотоэлектронных спектров Ar с использованием гелиевой разрядной лампы. Достигнуто угловое
Ре по зи то ри й Ка рГ У
22
разрешение 30 для энергии Е=5,6 эВ. Лучшее энергетическое разрешение ΔE/E = 0,043 при Е = 1,4 эВ.
В работе [45] представлена схема параллельного электронно-магнитного коробчатого анализатора, в котором энергия обнаружения варьируется от 50 эВ до 2500 эВ.
Результаты моделирования показали, что анализатор обладает средним относительным энергетическим разрешением 0,33%
(минимум на 0,147% и максимум 0,622%) в случае плоской горизонтальной детектирующей пластины, расположенной на достаточном удалении от оси основного пучка электронов для полярного углового разброса ±30. В анализаторе осуществляется фокусировка второго порядка (или выше). Анализатор достаточно мал, что предполагает функционирование его в качестве дополнения внутри камеры образца сканирующих оже- электронных и электронных микроскопов. Размеры схемы анализатора 90 мм в длину и 40 мм в высоту.
В статье [46] описана схема оригинального электростатического «двойного тороидального» электронного энергоанализатора с высокой трансмиссией. Двойной тороидальный анализатор позволяет одновременно измерять кинетическую энергию и угловое распределение электронов с высоким разрешением и высокой светосилой посредством двумерного позиционно-чувствительного детектора. Точная форма электродов выводится аналитически, а также с помощью численных расчетов траекторий электронов.
Описанный в работе [47] тороидальный электростатический анализатор предназначен для рассеяния среднеэнергетических ионов для структурного анализа поверхностей. Данный анализатор обладает широким межэлектродным расстоянием 16 мм и энергетическим диапазоном 10% от энергии передачи при постоянном значении напряжения. Анализатор установлен горизонтально на поворотном столе и принимает ионы, рассеянные четко определенными углами. Чтобы получить хорошее энергетическое разрешение, использована система счета фотонов (PIAS, Hamamatsu Photonics) с пространственным разрешением 40-50мм, в сочетании с трехступенчатой микроканальной пластиной. Электрические поля в тороидальном
Ре по зи то ри й Ка рГ У
23
спектрометре, и в том числе рассеянное поле были рассчитаны методом конечных элементов. Траектории электронов через анализатор были рассчитаны с использованием метода Монте- Карло. Таким образом, были определены оптимальные условия геометрии и размеры входной и выходной щелей.
В работе [48] предложен новый зеркальный аксиально- симметричный электростатический энергоанализатор с внешним тороидальным электродом. Тороидальная геометрия обеспечивает хорошие фокусирующие свойства анализатора и таким образом позволяет достичь высокого углового приема с высоким энергетическим разрешением. Найдены фокусирующие свойства анализатора, когда форма внешнего электрода приближена простому цилиндрическому и коническому поверхностям. Исследованы различные режимы работы тороидального зеркального анализатора, в том числе его использование в качестве части многоступенчатого устройства.
На рис.6 показаны фокусировки второго порядка типа «ось-ось»
и «ось-кольцо» в тороидальном зеркальном анализаторе.
Рис.6. Фокусировки второго порядка типа «ось-ось» и «ось- кольцо» в тороидальном зеркальном анализаторе
Тороидальный энергоугловой фотоэмиссионный спектрометр описан в работе [49]. Прибор обладает мультиобнаружением по энергии и углу, способствуя быстрому измерению фотоэмиссии по всей полусфере. Прибор идеально подходит для исследования зонной структуры и
Ре по зи то ри й Ка рГ У
24
картографирования поверхности Ферми с использованием фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.
В работе [50] предложены конструкции и проведено моделирование ионно-оптических систем с промежуточной фокусировкой и параллельным выходом ионного потока, предназначенные для совместного использования с квадрупольным фильтром масс с целью улучшения его аналитических характеристик.
Применение в электронной оптике нашла электростатическая линза, любое сочетание электродов которой, формирует электростатическое поле с вращательной симметрией и позволяет, таким образом, заряженным частицам двигаться в поле вдоль оси симметрии.
С учетом интегрирования в двойной тороидальный электронный энергоанализатор для измерений оже-электронных и ионных совпадений в работе [51] разработана четырехэлементная коническая электронная линза. Расчет дизайна линзы с использованием численного моделирования траекторий электронов полностью проведен с точки зрения анализа электронов с высокой разрешающей способностью в режиме мультисовпадений. Описаны дизайн, конструкция, и экспериментальные характеристические этапы данной электронно-оптической системы. Особое внимание уделено важности третьего поколения источников синхротронного излучения при проведении таких экспериментов мультисовпадений.
В работе [52] представлены результаты компьютерного моделирования энергоанализирующих систем, использующих в сочетании полые электростатические линзы и различные конфигурации аксиально-симметричного секторного сферического дефлектора с пространственной фокусировкой второго порядка, образующих системы вида «ось-ось», «ось- кольцо», «кольцо-ось», «кольцо-кольцо». Показано, что сочетание полых иммерсионных линз с системами сферического дефлектора с фокусировкой второго порядка обеспечивает высокую эффективность этих систем в спектроскопии заряженных частиц высокого энергетического разрешения.
