Исследование характеристик трехцилиндрического зеркального анализатора энергии ОЖЭ- и фотоэлектронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

йй & 2 9 2

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПО ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ И ВАКУУМА

На правах рукописи МЕНЬШИКОВ Константин Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА ЭНЕРГИИ ОЖЕ-И ФОТОЭЛЕКТРОНОВ

01.04.04 — физическая электроника

А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1991

Работа выполнена в научно-производственном объединении «Квант».

Научный руководитель:

член-корреспондент АН СССР, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор физико-математ. наук, старший научный сотрудник

кандидат физико-математ. наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация:

Ленинградский физико-техпическии институт им. А. Ф. Иоффе АН СССР.

Защита состоится « ^ » Ф а 1992 Г- в ^ часов

на заседании специализированного совета К 041 07.01 по присуждению ученой степени кандидата наук при Всесоюзном научно-исследовательском центре но изучению свойств поверхности и вакуума по адресу:

117334, Москва, Андреевская набережная, 2, ВНИЦПВ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « ^^ » 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математ. паук

Н. С. Лидоренко

В. А. Горелик В, И, Запорожчешсо

Л. П. Невзорова

'""■'Л.' 0ВП1ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^, «... Лкг/апьпость теш. В последние 20 лет бурно развиваются мо-исследования поверхности твердых тел. сснованше на энерге-¿¡•^¡Е^^'фском анализе заряженных частиц, выходящих под воздействием первичного пучка. К ним относится целый ряд методов: спектроско-ши обратно рассеянных ионов низких энергии. фотоэлектронная спектроскопия (в т.ч. рентгеновская), ¡юппо-пеНгрялизащюнная с:хо-еиектроскопия» споктрсскопия порога выхода огке-электронов. о:те-•чтектроиная спектроскопия и др. Особо следует отметить рентгеновскую йхгоэлектронную и озср-электроннуа спектроскопию, без которых ;/:"о нежедима отработка новых технологи;! в микроэлектронике. исследование катодов, катализа, адсорбции. коррозии- Следует отметить и такие ва;::ные области. требующие применения онергоанплиза. как исследования столкновения в газах и плазме и гсспичпские исследования-

Существенной частью аналитических установок, использутанх эти методы. является эноргопиализятор. Естественно, что много работ последних лет посвящено расчетам электронно-оптических характеристик традиционных типов'анализаторов, предложен ряд новых конструкций, позволяющих улучшить те или иныо отдельные параметры- Наибольшее внимание уделяется дисперсионным энергоанализаторам, т.к. при энергиях заряженных частиц, характерных для вышеуказанных методов исследования твердых тел. они имеют ряд серьезных преимуществ-

Понятно, что средства для анализа поверхностей твердых тел непрерывно совершенствуются. Необходимой предпосылкой такого совершенствования является наличие рассчитанных характеристик аппаратуры, в особенности для целей метрологии и количественного анализа•

Цель таботы: исследовать характеристики электрических полей, обладающих возможно более простой, например, кусочно-цилиндрической езшметрией, и найти варианты полей, которые позволяют оЗкобрэленко увеличить чувствительность и разрешавшую способность ' энергоанализа оке- и фотоэлектронов по сравнению с одним из самых совершенных типов спектрометров -цилиндрическим зеркальным анализатором (ИЗА);

-провести расчеты электронно-оптических и геометрических характеристик (в т-ч. приборных функций) анализатора, который можно построить при использовании найденных полей. Исследовать возможность получения гауссовой фокусировки различных порядков для различных положений электронно-оптического, источника и изображения;

-исследовать возможность оптимизации характеристик, получен- . ных в гауссовом приближении;

исследовать возможность получения новых функциональных возможностей, не реализуемых в известных анализаторах;

-провести сравнение характеристик различных модификаций ЦЗА и нового семейства анализаторов;

Научная новизна состоит в следующем:

Обнаружена конфигурация электрического поля, в которой осуществляется пространственная, фокусировка 4-го- порядка в сочетании с ненулевой дисперсией- На этой основе предложен новый тип энергоанализатора фото- и о«е~эл£ктроцов -трехцилиндрнческиЙ зеркальный анализатор (ТЗА), который ара простоте формы электродов (цилиндрическая геометрш): ивавадядаг т порядок и более увеличить разрешающую способность (Ера раш>£| чувствен ель-кости) по сравнению с известными экэргоакалйзаюралс..

При исследовании характеристик 13А К: гауссовом в-ркЗлшвш: выявлен ряд новых функциональных возможностей-.

. Исходя из параметров ТЗА. полученных в> крволиие-

нии. проведена оптимизация методами нелинейного программирования, показавшая возможность дополнительного улучшения^ пропускания и разрешения. Рассчитаны приборные функции различных вариантов нового анализатора. При сравнении полученных характеристик с одним из лучших известных зн.ергоанаднзаторов -цилиндрическим зеркальным анализатором, обнаружен ряд преимуществ перед ним. в т-ч- по пропусканию, разрешению и возможности увеличения рабочего пространстранстса.

П ракт ич е екая ц о I т о с т ь полученных результатов заключается в том. что на их основе возможно построение семейства анализаторов зарякенных частиц с лучшей совокупностью электронно-оптических характеристик, чем у известных устройств, даже таких, как широко применяемый в оке-электронной спектроскопии цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗА). Например, при равной светосиле ТЗА мо-

нет иметь в 10-100 раз лучмее разрешение, чем цилиндрический зеркальный анализатор с фокусировкой 2-го порядка (и тем более подавляющее большинство других, с фокусировкой 1-го порядка). Это крайне важно в таких методиках,, как рентгеноэлектронная и оже-электронная спектроскопия. Полученные приборные функции различных вариантов ТЗЛ могут использоваться при аттестации электронных спектрометров, повысить точность количественного анализа-

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Новые физические принципы в аналитическом приборостроении" (Киев. 30 сентября-2 октября 1980 г.). на 2-й Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов по проблемам приборостроения для научных исследований ,и автоматизации эксперимента (Ленинград. 17-20 ноября 1981 г-) и др-

Публикации- По результатам диссертации опубликовано б печат-' ннх работ.- включая 2 авторских свидетельства-

Структура к объем диссертация. Диссертация состоит из введения. пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 51 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 253 наименования-

Основные полоде;гая, представляемые к защите. • •

1-Комбинируя несколько областей с цилиндрически симметричными электрическими полями, фокусировку электронов можно резко улучшить без. ухудшения энергетической дисперсии. На этой основе можно изготовить спектрометру_оже- и фотоэлектронов, разрешение которых выше на порядок и более (при одинаковой чувствительности) по сравнению с широко применяемым цилиндрическим зеркальным анализатором (ЦЗА).

2.Введение области с цилиндрическим полем, отражающим электроны от оси в радиальной плоскости, позволяет получить целый ряд новых свойств, ценных для экспериментальной техники электронной спектроскопии и не имеющих аналогов. В частности, при проведении оке-спектроскопии можно на порядок увеличить расстояние от анализатора до образца (при одинаковом с ЦЗЛ диаметре) или сделать анализатор, у которого расчетную точку расположения образца мояно двигать путем изменения электрических потенциалов.

3-Использование простых полей, конфигурация которых mosiio описать в виде аналитической формулы, позволяет при разумных

затратах машинного времени провести оптимизационные расчеты электронно-оптических и геометрических характеристик анализаторов по восьми параметрам. Оптимизация дает дополнительную возможность 4 улучшения характеристик даже для наилучших вариантов, использующих гауссово приближение. Кроме того, можно рассчитать анализатор под заранее заданные свойства приборной функции, что в настоящее 'время практически невозможно сделать, если поле требуется каждый раз находить заново сеточными методами.

СОДЕРЖАЩЕЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность теш, практическая значимость работы, формулируются основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе диссертации дается аналитический обзор литературы по электростатическим энергоанализаторам, обосновывается необходимость преимущественного развития такой группы анализаторов, как дисперсионные электростатические анализаторы (ДЭА). Сначала кратко разбираются принципы работы двух классоз анализаторов: электростатических и магнитных. Магнитные анализаторы в диапазоне энергий $10 коВ, характерном для зондовых методов исследования поверхностей, имект такие недостатки, 'как башяе габариты и вес, трудности экранировки от магнитных полей, касткиа требования к магнитным свойствам находящихся ряде;.! деталей вакуумной камеры, трудности получения магнитных полей, имеющих расчетный вид. Из-за этого ь.чектрэстатические анализаторы в области, энер~ гий-<Ю кэВ пзрсг.ек'Ьивнее магнитных, однако следует сказать и то, что указанные вил г недостатки не являются принципиальными и, возможно, будут б будущем преодолены.

В свои очередь, электростатические анализаторы делятся па ДЭА и анализаторы с задорязваздем полем (АЗП). АЗЛ основаны на торможении частиц вдоль их вектора скорости и отсечке тех, которые не могут преодолеть заданная потенциальный барьер. Частицы, преодолевшие барьер, регистрируются детектором. ДЭА используюг явление дисперсии: зависимость величины от;слонен;ш частиц в поло от их энергия. Оислотгедя сила имеет сосгавляздуа, нормальней к -траектории. В тем кесгз, где сроходят траектории частиц с ну;::ной энергией, ставятся деафраг«, а за ней детектор. Т.к. ДЭА пропускают только 1а:£арг.£ативные частицы, а АЗП -вез частицы с энергией-

выше энергии отсечки, то из-за избыточного дробового шума-ДЭА принципиально обладают лучшим соотношением сигнал/шум, чем АЗП. По этой причине для исследования поверхностей практически везде применяются ДЭА.

Далее обсуждаются определения различных характеристик ДЭА, их репрезентативность. Это тем более необходимо сделать, что авторы часто вкладывают различный смысл не только в такие широко используемые понятия, как разрешение и светосила, но и-приводят разные по сути формулы, имеющие идентичный вид, в которых одной и той яе буквой обозначены совершенно разные (и плохо поясненные) величины. В результате делается вывод о том, что главной причиной разнообразия применяемых анализаторов, их характеристик и критериев сравнения, а также путаницы в терминологии является разнообразие физических и электронно-оптических источников анализируемых частиц. При различных типах источников анализаторы сравнивать некорректно, и всегда необходимо сначала уточнить их тип.

После разбора характеристик ДЭЛ подробно рассматривается цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗЛ), предложенный Греммель-маером в начале 50-х годов..Он использовался весьма мало до тех пор, пока в 1966 году В.В.Зашквара с сотр. не обнаружил возможность резкого увеличения его чувствительности и разрешающей способности путем выноса электронно-оптического источника и его изображения за пределы электродней системы (ЖТО.-1966.-т.36.-,ч1 . -С.132). Использовав эти результаты, сотрудники фирмы Physical Electronics опубликовали сообщение, что на ЦЗА они за доли секунды стали получать оже-спектры, на снятие которых ранее уходило 15-20 кинут-

Благодаря широкому распространению ЦЗА в промышленных электронных спектрометрах проявилась потребность в дальнейшем улучшении его электронно-оптических характеристик, и стали публиковаться соответствующие работы, обзор которых дается в 1-й главе диссертации, где также рассматриваются вопросы реализуемости исходных теоретических модельных предположений в реальных конструкциях. В результате делается вывод о том, что требуются новые типы анализаторов, 'причем желательно, чтобы они были лучке ЦЗА нетолько по отдельным, хотя и важным электронно-оптическим характеристикам, но и по их совокупности, а таюче сравнимы по простоте

— о _

Форш электродов, и допуска.",;: Си шрокиП выбор геомо-.'-рип г. расположения образца.

Во второй главе раскрываются основные идеи, полоу.сннне г, основу диссертации. В ней описывается устройство и принцип действия нового электростатического трехцилиндрическсго зеркального анализатора (ТЗА) дисперсиоинсго типа, даются расчеты его характеристик в гауссовом приближении. ТЗА (см. рис.1) представляет собой три коаксиальных цилиндрических электрода, вставленные один в другой: наружный 1. средний 2 н внутренний 3. Наружный и средний электроды представляют собой полые цилиндры примерно одинаковой длины, а более короткий внутренний шкот быть и сшюеньи. За цилиндрическими электродами расположена выходная диафрагма 4 с круглым или кольцевым отверстием. Заземленный средний электрод имеет прорези 5,6,7,8 для прохода частиц, затянутые проводящей сеткой. На два других подают потенциалы, отталкивающие заряженные частицы. За выходной диафрагмой устанавливается детектор 9 частиц. Частицы вылетают из точечного или кольцевого олектронно-оптического источника 5, находящегося на оси, летят в бесполевом •пространстве до среднего цилиндра, испытывают три или более отражений, многократно попадая через прорези 5. .8 в отталкивающие поля то наружного, то внутреннего цилиндра, и вылетают в бесполевом пространстве к диафрагме 4. за которой находится - детектор частиц. Частицы должны сфокусироваться на отверстии диафрагмы и зарегистрироваться детектором только тогда, когда они имеют расчетную энергию-

Исходной точкой расчета является выражение для осевого пролета частиц 2, являвшееся функцией начальных координат, скоростей заряженных частиц, и конфигурации поля, зависящей в свою очередь от диаметров цилиндрических электродов и их потенциалов- Поскольку дисперсионный способ энергоаналнза основан на зависимости факта регистрации заряженных частиц от их начальной энергии и независимости (в той степени, в какой это получится возможным) от. начального (телесного) угла вылета, то естественно получить максимальное количество первых нулевых членов в разложении пролета частиц 1 по малому отклонению угла вылета да от некоторого главного угла а0 :

■ < , , w i - ей ! , , 1 cï-Z

■ (it„ \Пт ---1 .Да +----

J c' t I 2! cV:

-O "o

- ' d3z

3! d<x-

■ic-x3 + 0)

Чоличоство пор«!.;:-: нулевых производных называется порядком п гауссовой <Гскусяротаи в дайной плоскости. Для нахождения условий •спусировхи максимального порядка решается система уравнений относительно конструктивных параметров и величин потенциалов

cîz . 0 = 0 = О - g (2)

<?« - dot Ci«"

где п-?:елаешЯ порядок фокусировки. К сожалению, система (2) при п>! для подавляющего большинства анализаторов не имеет решения, так что более одного коэффициента гз ноль не обращается, а по вто- . рому углу, в другой плоскости, отсутствует даже фокусировка первого порядка, (т.о. нет пространственной фокусировки). Это резко снижает чувствительность прибора (например, в анализаторе Юза-Ро-::;анскогоЬ Ко в 1 "66 году на ныне широко известном цилиндрическом зеркальном анализаторе (ЦЗА) В-В-Зашкваре с сотр. удалось получить 2-й порядок, и это привело к тому, что к настоящему времени более 90% промышленных электронных спектрометров изготовляется на базе 1I3A из-за появивиейся возможности резко увеличить чувствительность и разрешающую способность.

По сравнению 'с ЦЗА у ТЗЛ имеются лишние степени свободы, связанные с полем внутреннего цилиндра, поэтому естественно было сделать попытку получить за счет этого лишний порядок фокусировки. Выражение для осевого пролета Z имеет вид'.

Z^r -Ctg « .{b + 2(1-g) + 8„(р) + 4g*<q)) (3)

cp

Здесь и далее rc>rBj -наружные радиусы среднего и внутреннего цилиндров'. г -внутренний радиус наружного цилиндра; rß -внутренний радиус среднего цилиндра; инар>иш1уТ -потенциалы наружного и внутреннего цилиндров*, 'я'.е -начальная кинетическая энергия и заряд ' частицi а-угол' входа частиц в ТЗА; гис* гиз "Радиусь1 кольцевого электронно-оптического источника и его изображения; Ь=2-(гис-ьгиз)/гср: 6=гвср/гср ;

р=/у/.1п(г /г )/еи .бша; а=/71л(г /г )/ей • б!п, г нар ср нар м вер внут виут

нар ср нар

внут

¡а

Р

<р(р)--р.ехр(р2)./ехр(-х2)с1х ; о

Ч

Ф • /ехр(х2 )<3х

о

Искомым является набор параметров (Ь^.р^.а). обеспечивающий выполнение равенств (2). Из (3) очевидно, что если остальные параметры менять .так. чтобы значения этой пятерки оставались неизменными, то (2) не нарушится. По сравнению с ЦЗА здесь имеются дополнительные свободные параметры ч и Е, однако, это еще не гарантия существования решения системы (2) для п=з например, у ЦЗА введение параметра Ь, как показал В-В-Зашквара с сотр., дает лишь возможность выбора угла фокусировки 2-го порядка в пределах 38°-42°, но не 3-й порядок фокусировки.

Расчеты показали, что в ТЗА можно подобрать параметры, при которых он имеет даже не 3-й, а '1-Я порядок фокусировки. Интересно. что изменение й ничего качественно нового не дает (поэтому большинство расчетов делалось при фиксированном значении 6=0-95. которое удобно использовать на практике), но зато начинает "работать" параметр Ь. Система (2) первоначально решалась стандартны.«: численными методами для систем трансцендентных уравнений, но впоследствии выяснилось, что решение выгоднее получать с использованием программ поиска максимума функции многих переменных. разработанных для оптимизации ТЗА (см. следующую главу)• При этом минимизируемую целевую фунцию можно взять в виде".

При поиске области с фокусировкой меньшего порядка последние слагаемые б (4), естественно, исключаются.

В плоскости параметров <},Ь при фиксированном £=0.95 результаты получились следующими: фокусировка 2-го порядка существует во всем квадранте q^0. Ь^О, за исключением некоторой односвязной ■ области. Точки, в которых есть фокусировка 3-го порядка, образуют кривую с максимумом- Этот максиму*! с координатами Ь=1.5319 <ч=1.1151 является точкой фокусировки 4-го порядка. Соответствующие этой точке остальные параметры: £=0.95; о=а0=31°3'11";

р=0.58374. Из-за цилиндрической симметрии поля фокусировка автоматически получается пространственной. Это само по себе дает резкий скачок чувствительности при достаточно малых значениях базового разрешения т-к. светосила Ь у ТЗЛ уменьшается с по степенному закону с меньшим показателем степени, чем у ЦЗЛ. Но высокий порядок угловой фокусировки гарантирует лишь асимптотику Ь при Иб - 0 , и поэтому был вычислен пятый аберрационный коэффициент С =(1/5!)<1ь7>/йа' , продольная относительная дисперсия по энергии В=\Ч- (й2/йЧ!), а также другие электронно-оптические характеристики, нужные для изготовления ТЗА. Оказалось, что ТЗЛ. рассчитанный на фокусировку 4-го порядка, превосходит ЦЗЛ по светосиле уже при < 1%, т.е. практически во всем диапазоне разрешений. используемых в электронной спектроскопии.

Третья глава посвящена оптимизации различных вариантов ТЗА методами нелинейного программирования в сочетании с вычислением приборных Функций- Понятно, что обращение в ноль максимального количества производных оссг.ого пролета Ъ по углу « является хорошей исходной точкой для поиска оптимуш. но ото условие не совпадает с условие;.'! получения максимального пропускания при заданно!' разрешении. Из этого следует, что имеет смысл попытатт-ся еде улучшить параметры ТЗЛ, тем более, что икекшчйся резерв заранее совершенно чо гсгостсн- Задача ставится в таком виде: задается условие, что базовое разрешение у ТЗА по дол:::но превысь некоторой конкротаой й?динякы & . н требуется определить парлки-грн оптимизации. обеспсшващав максимальное пропускание при выполнении этого условия (очевидно, что при каждом Н задачу нужно решать заново). При этом изменяется 3 независимых параметров, на которых ищется оптимум (Ь,р,а,а я координаты двух краев выходной кольцевой диафагмы в цилиндрических координатах). Эта сравнительно сложная задача условной оптимизации сводится к более простой задаче безусловной оптимизации методом ытрафнпх коэффициентов. возрастающих с ростом количества итераций (см. Химмельблау Д..4. Прикладное линейное программирование: пер. с англ.- М.: Мир, 1975). При этом увеличивается свобода выбора алгоритма, ко резко усложняется целевая функция, которая к тому зке должна учитывать (естественно, за счет еще большего усложнения) возможность захо-

л .Г'.".1 б ¡мприсмл -Mi cbblctk онслений' нарам-гг."ч< оптими;-, вв-

Oi":.i'i:i; згды :в.ч:с.;.:л в: Функции и -¡-a- .-.го. век чв:; трудность состоит в тс. ч-с 'волевая Функции восс vbl чвввовс; .•■ вое сторон:1 от всв-а-сквС ввпвой в восвм.вв вне : вро^ввсгевв;. и очень медленно рас;','; вдчс oroii кввво!: (т>к и ссвччг-;,г"хр;огопв;и." р. о/и, ас!', по аналогии. с трехмерным пространств г..\) ■ Кромо 'вкс, она но аналитическая cr.v очевидно хотя гж из го го» '¡;о пропускание просто равно ку.;;в невдо. где параметры на согласованы, и об.впвчй по'лс;: направления возрастания «елевой функщ;:; так неэсхчоясен). Лля подобных функция нет алгоритмов, гарантированно иоходяыкх оптимум- В таких случаях используют т.н. ввркоткчоскив методы, работа которых обычно проверяется в;а специально построенных "плохих" функциях с известными точками оптимума- Для решения задачи был сначала использован метод пояска максимуш по деформируемому многограннику Неддера и Мила, известный как один из самых эффективных (Computer J.-1965.-V.7.-у/-,.-Р.303). Однако, даже он досрочно застопоривался, т-к- многогранник быстро вырождался в фигуру меньшего количества измерении, чем размерность задачи• Усовершенствования метода Нелдера-У.ида, предложенные Боксом (Computer J.-1S65.-V.8.-Jr1P.42) для борьбы с вырождением многогранника поиска, не дали заметных результатов, поэтому на базе метода Нелдера-Мида диссертантом был построен алгоритм, позволивший решить данную задачу. Расчет для одного значения Rc занимал 1-2 часа процессорного времени на ЭВМ Ш-10000 (Data General).

При нахождении приборной функции обычно применяющийся для экономии машинного времени метод Монте-Карло не мог быть использован из-за его недостаточной точности. Дело в том, что в процессе оптимизации приходится находить направление возрастания целе-BoSi функции по значениям , отличающимся в соседних точках в 5-6 знаке, и поэтому из уравнений траекторий точно находились значения углов входа, при которых траектории частиц попадают на край выходной диафрагмы. При этом программный алгоритм не исключал того, что множество точек в плоскости энергия-урод, в которых частицы доходят через выходную диафрагму до детектора, может быть невыпуклым (и это исходное предположение подтвердилось в ходе расчета). После суммирования всех угловых интервалов, в которых

; : -

ТрЮКТОрИИ п,, ■(. ¡7 ¡, р\:у , ■/, ' ^ р п ,"10Л":,а

пропмсрлкич \ ,■;.■ Р':РР'Р! ор-р]'1'.

Для проварки :п р:,рррг'ср ■:•' : ■' \ч 'ч-1 ТЫ, ;'<". и

па Ц?\. Ок.гр.п.'ю.-м., что г*■■ "тли"■■ -р р;ур,;дпип!по

оптимизации ПЗЛ пмапт систематически рррр '.о".!:;!;'. значения 1'

о

завкдопшю значения прсиускпная б (на5-К;, видимо. связано с упрсыриодимн исходными предпслэкениямя. и лриыон'чюпием метода Монте-Карло для расчета приборной Функции. Сами :ке параметры оптимизации с литературными данными практически совпали.

Результаты расчетов приборных функций даны в фовме графиков. а соответствугез'.х параметров -в виде таблиц. Для стандартных значений базового разрешения даны приборные Функции, как для ТЗА с фокусировкой 4-го порядка, так и оптимизированных• Оказалось, что гауссово приближение дает относительную погрешность около 55, так что пользоваться им при расчетах ТЗА вполне допустимо. Расчеты показали, что разрешающую способность 73Л с фокусировкой 4-го порядка с помощью оптимизации мохко еще улучшить в 2-3 раза-

3 4-г; главе рассмотрены некоторые свойства ТЗА с гауссовой фокусировкой 3-го и 2-го порядка. После доводов в пользу хела-тельности получения Фокусировки возможно более высокого порядка возникает естественный вопрос: зачем изготавливать анализатор с третьим и тем более со вторым, порядком фокусировки, если на нем можно получить четвертый, не говоря ух о дополнительном увеличении разрешающей способности и пропускания путем оптимизации? Но при снижении порядка Фокусировки с 4-го до 3-го или 2-го у ТЗА появляются соответственно од.ча-дзе степени свободы, потенциально позволяющие получать новые свойства- Следует заметить, что при появлении повой степени свободы новые свойства у анализатора появляются далеко не всегда, .но для ТЗА по счастью это не так. Порвал из этих возможностей -увеличение рабочего отрезка за счет выбора малого угла гауссовой фокусировки «0- В этой главе показано, что ТЗА можно_построить практически с любым углом фокусировки 3-го порядка (ЦЗА при таких углах просто но работает). Как известно. ЦЗА может иметь фокусировку 2-го порядка при угле гауссовой фокусировки на менее 38°-42° (в зависимости ст вида электрон-но-оптич'еского источника и его изображения). и это обстоятельство не позволяет иметь сколь-нибудь большой рабочий отрезок (практи-

чески 6-12 мм). Это весьма ограничивает конструкторские и-экспериментальные возможности, особенно б оже-спектроскопии. всегда совмещенной с ионной очисткой,- напылением, электронной пушкой скользящего падения и др. Но наличие в ТЗА гауссовой фокусировки 3-го порядка при углах ао=15°-20° позволяет увеличить рабочий отрезок по сравнению с ЦЗА в несколько раз. Однако, как уже указывалось выше, само по сеЪе наличие фокусировки высокого порядка еще не гарантирует хорошего пропускания при практически используемых значениях разрешения. Кроме того, пропускание при уменьшении а0 уменьшается и по чисто геометрическим причинам. Учитывая вышесказанное, для ТЗА даются результаты расчетов приборных функций для а0=14°37' и стандартных значений Они показывают. что ТЗА имеет достаточно хоролие электронно-оптические характеристики даже при таких малых углах.

Поскольку угол фокусировки а0 в ТЗА может быть практически любым» то казалось им можно упрвлять путем изменения потенциалов на электродах, но на этом пути имеется существенное препятствие. Дело в том. что от выбора а0 зависит расчетная величина расстояния между электронно-оптическим источником и его изображением, и из-за этого необходимо, вообще говоря, менять и расстояние между входной щелью (ограничителем входных углов) и выходной диафрагмой. Ясно, что это можно сделать лишь заменой конструктивных элементов (в ЦЗА угол а0 нельзя изменить даже и так).

Но оказалось, что у ТЗА с фокусировкой 2-го порядка имеется режим, при котором фокусное расстояние 1а меняется с углом гауссовой фокусировки практически без изменения конструктивных размеров анализатора. Это означает, что достигается довольно неожиданный эффект: изменение положения электронно-оптического источника только изменением потенциалов на электродах, при фиксированной конструкции анализатора (и при этом в каждой точке выполняется условие фокусировки 2-го порядка).

Для такого ТЗА приборные функции такхсе были посчитаны, т.к. только приборные функции могут показать, где находятся практические границы возможности изменения положения электронно-оптического источника чисто электрическим путем, и насколько ухудшаются характеристики вблизи этих границ- Приведенные .в 4-й главе приборные функции дают, что, например, для ТЗА с ^=0-5$

- 1.1 -

положение источника вполне можно менять в пределах '15% от проходного диаметра- При этом отпадает необходимость в юстировке образцов, и появляется возможность исследования сканирующими методами образцов с неровно!! поверхностью.

В 5-й главе описывается новая конструкция для защиты от краевых искажений электрического поля- Как известно, при расчете многих электронных приборов исходят из конфигурации поля, которая существует лишь между бесконечно протяженными электродами. Поскольку электроды трудно сделать достаточно протяженными, чтобы это предположение выполнялось с нужной точностью, то требуется корректировка поля вблизи торцов- Обычно она выполняется с помощью специальной электродной системы, в которой создается аппроксимация нужного распределения поля подачей на соответствующий электрод потенциала, который должен быть по расчету в этой точке пространства.

Описываемое в данной главе устройство (см.рис.2) основано на задании потенциала на поверхности изолирующей подложки 1 с помощью розистивной спиральной дорожки 2:-При этом любой участок спирали 2 служит одновременно часть» делителя напряжения и частью полезадапдего электрода• Электрической напряжение прикладывается' ' между металлизированными участками 3, имеющими контакт с цилиндрическими электродами и концами дорожки. Для дальнейшего выравни-паит потенциала и снятия зарядов с подложки устройство может иметь тсокоотюо резхатягчзов покрытие 4. Поскольку потенциал вдоль спиралл изменяется но дискретно, а непрерывно, то точность аппроксимации (а значит и качество ?:прргкщш ноля) улучшается. При этом возможен вариант «сак с постсш&г* тгем спирали (с переменной пиршгой или •голщшеа дорожки), так и такой» "огда погонное сопротивление розистязисй дорожки постоянно по оо л таю» а нужный закон изменения потенциала реализуется путем «скл;'вявя только сага спирали. Для ТЗЛ и ЦЗЛ, где требуется логарифмическое распродоле- -ние потенциала между коаксиальными «илгшдрзмя. расчет лож:',,:-;:: г; плоскости спиральной дорожки с постоянным погонным сопротивлением дает следующую форглу спирали в полярных координатах

4 . . . . . ,, >■*

?=з[ /Т^ (г^з'Т2 - р (Г/5)"2] - (агсзШ — - агсз1п где 3~(Г/1п(г2/г1), г ,г^ - радиусы качала и конца резистивноН

дорожки, соответственно, а - длина дорожки- В предельном случае S»r\ предыдущая формула существенно упрощается до v>*S(l/r ,-1/г). Е отлг,Г"К:е ют устройства для защиты от краевых искажений фирмы ■physical Electronics с клепочным делителем к полезадающей частью в виде напыленных концентрических металлических колец-электродов. данная конструкция позволяет отказаться от материалов с высоким значением поверхностного сопротивления (керметов). из-за плохой .технологичности которых поле может иметь большую дополнительную погрешность - Кроме того, напылять требуется только один материал. Она может применяться на торцах ТЗА, ЦЗА и любого другого прибора, где требуется поле с симметрией вращения-

Заключение- Основные результаты, полученные в данной работе:

1 • На основе рассмотрения движения заряженных частиц в электростатическом цилиндрически симметричном поле с тройным отражением частиц в радиальной плоскости впервые удалось получить пространственную угловую фокусировку 4-го порядка в сочетании с ненулевой дисперсией. Это дает возможность создания нового трехцилиндрического зеркального анализатора (ТЗА). который по целому ряду характеристик превосходит широко распространенный цилиндрический зеркальный анализатор (II3A). В частности, при равной светосиле ТЗА имеет в 10-100 раз лучшее разрешение, чем ЦЗА с фокусировкой 2-го порядка ( и тем более подавляющее большинство других, с фокусировкой 1-го порядка).

2. На примере ТЗА впервые показана возможность построения анализатора с пространственной фокусировкой 3-го порядка, имеющего практически любой наперед заданный угол входа частиц. Это свойство позволяет получить хороший доступ к образцу в электронных спектрометрах■

3. Впервые показано, что ТЗА также, как и ЦЗА имеет целое семейство типов гауссовых фокусировок: ось -ось. ось -кольцо, кольцо -ось . и кольцо -кольцо, однако порядок фокусировки для ТЗА может быть выше при любом типе .

4- Впервые предложен анализатор с электрически управляемым положением электронно-оптического источника &"ри неподвижном изображении и остающийся при этом в режиме фокусировки 2-го порядка. Это свойство позволяет отказаться от жестких требований к юстировке и геометрии исследуемых образцов без ухудшения

характеристик спектрометра.

5. Впервые для разнообразных вариантов ТЗА рассчитаны приборные функции- Показано преимущество приведенного в диссертации , алгоритма вычисления приборной функции по точности.' На примере ЦЗА показано, что имеющиеся в литературе данные по разрешающей способности имеют систематическую ошибку в сторону завышения, что может быть объяснено применением в них метода Монте-Карло.

6. Впервые проведены расчеты по оптимизации ТЗА. Показано, что оптимизация дает дополнительный 3+4-кратный выигрыш в разрешении даже по сравнению с режимом фокусировки 4-го порядка-Заодно получены и оптимизированы параметры ЦЗА при стандартных значениях базового разрешения, которые др сих пор в литературе отсутствовали.

7- Предложено новое устройство для компенсации краевых искажений поля вблизи торцов ТЗА и ЦЗА и других приборов, в которых используется цилиндрически симметричное поле. Оно позволяет повысить точность компенсации, расширить выбор материалов, используемых для его изготовления-

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1)Меньшиков К-А- Электростатический анализатор заряженных частиц с тремя коаксиальными цилиндрическими электродами. I.Конструкция с тремя каскадами- Случай тонкого среднего электрода и фокусировки типа "ось-ось"//ГГФ.-1981т.51.- ]М.~ С-17-2!.

2)Меньшиков К-А- Электростатический анализатор заряженных частиц с тремя коаксиальными цилиндрическими электродами- II.Конструкция с тремя каскадами. Случай толстого среднего электрода и фокусировки типа "ось-ось"//ГР5--1982.-Т.52.10.-с•2036-2070-

3)Меньшиков К-А- Электростатический анализатор заряженных частиц с тремя коаксиальными цилиндрическими электродами- III.Конструкция с тремя каскадами и фокусировкой общего вида "кольцо-кольцо" //ЖТФ-- 1982.- 1.52.- ;М1.- с.2245- 2252.

4)А-с. 683516 СССР, МКИ1 1101149/00. Электростатический анализа-' тор заряженных частиц / К.А. Меньшиков;, заявл. 07.07.77; опубл. 23.12.80, Бюл. £47.

5)Л• с• V23979 СССР, mf H01J49/00. Корректирующий электрод для анализаторов заряздняих час/гиц / К.Л- Менъшнкои; заявл-16. lO.'ÍO; оиубл. 15.07.81, бал.» 2G-

6)Мзнь:и::кое К.Л. '«окускрущие и диспсрсионнис характеристики пли-ктростатичиского анализатора с шогокрдтшлл отражением заряженных частиц // Т--жпы Всосошн. научно-техн. i:oh;í'- "Hamo принципы в аналитической ирцо^юстроинии". Киев. 30 сентября--2 октября J 900 г.

..1 ... Г"

: Í -1''

V.l.--г' -■ i-.-;--

'"С i Ус т р оЛс т о о ¡ЗА.

Ь

8

Рис, 2 Устройств хтпенчэтора йраеэых исизяе«»» имя.

За*. 6i т. SO