CC BY
10
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ КОМБИНАЦИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
Саулебеков Арман Ормашович
Д.ф.-м.н., профессор, Казахстанский филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Астана, Казахстан,
Камбарова Жанар Турсыновна Доктор PhD, доцент, Карагандинский государственный университет имени академика
Е.А.Букетова, г. Караганда, Казахстан, Абдрахманов Нурлан Галимжанович К.ф.-м.н., доцент, Казахстанский филиал МГУ имени М.В.
Ломоносова, г. Астана, Казахстан
АННОТАЦИЯ
В данной статье представлены две электронно-оптические схемы энергоанализаторов на основе комбинаций электростатических полей. На основе комбинирования цилиндрического и гиперболического зеркал могут быть построены эффективные электронно-оптические схемы с угловой фокусировкой I и II порядка расходящихся пучков заряженных частиц. Показано, что модель из последовательно расположенных гиперболического и цилиндрического зеркал, допускающая ввод пучка заряженных частиц под углами, близкими к прямому, может быть использована для одновременной регистрации энергетических и угловых распределений частиц.
ABSTRACT
Two electron-optical schemes of energy analyzers on the basis of combinations of electrostatic fields are presented in this article. Effective electron-optical schemes with I and II order angular focusing of divergent charged particles beams on the basis of combining cylindrical and hyperbolic mirrors can be constructed. It is shown that the model of consecutively arranged hyperbolic and cylindrical mirrors that allows the input of charged particles beam at angles close to right angle can be used for simultaneous recording of energy and angular distributions of particles.
Ключевые слова: комбинированный энергоанализатор, электростатическое поле, цилиндрическое зеркало, гиперболическое зеркало, электронно-оптическая схема.
Keywords: combined energy analyzer, electrostatic field, cylindrical mirror, hyperbolic mirror, electron-optical scheme.
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. Исследования аналитических свойств комбинированных систем, построенных из электростатических зеркал различного типа, показали возможность расширения их функциональных возможностей по сравнению с одиночными зеркалами.
Гиперболическое поле в планарной плоскости не является однородным и имеет ярко выраженные дисперсионные свойства. Исследование комбинированной системы, одним из элементов которой является гиперболическое зеркало, заслуживает внимания и представляет практический интерес.
В данной работе предложены две электронно -оптические схемы энергоанализаторов, которые построены на основе комбинаций цилиндрического (ЦЗ) и гиперболического зеркал (ГЗ). Различие между этими схемами определяется порядком расположения электростатических зеркал.
1. В работе [1] представлены результаты расчета электронно-оптических свойств комбинированного энергоанализатора из последовательно расположенных ГЗ и ЦЗ. Определено уравнение
полной проекции траектории движения заряженных частиц в системе зеркал. Для данной системы выполнен расчет аберрационных коэффициентов и рассчитано множество различных схем угловой фокусировки 2-го порядка в аксиальной плоскости анализатора. Определены электронно-оптические свойства наиболее оптимальной схемы. Он способен работать в режиме высокой разрешающей способности и высокой светосилы.
Отличительным качеством предложенной схемы анализатора является свойство анализировать пучки заряженных частиц, выходящих из источника под углами близким к прямому (90о). Такой угол фокусировки дает возможность построения эффективной диаграммы угловых измерений, а фокусировка 2-го порядка означает выполнение требования сочетания высокой светосилы и разрешающей способности. Предложенная схема может быть ориентирована на организацию режима двойного спектрографа - по энергии и по углу [2].
Для подтверждения достоверности расчетов по аналитическим формулам, проведен анализ электронно-оптической схемы комбинированного энергоанализатора из последовательно расположенных ГЗ и ЦЗ с помощью программы «Фокус» моделирования аксиально-симметричных систем корпускулярной оптики [3].
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 4(37), 2017 | физико-математические науки
65
Рис.1 представляет ход траектории заряженных частиц в схеме энергоанализатора из последовательно расположенных ГЗ и ЦЗ. Анализатор состоит из точечного источника, последовательно расположенных зеркал с гиперболическим и цилиндрическим распределением полей и детектора.
ГЗ формируется между двумя коническими электродами, находящимися под нулевым потенциалом, и электродом гиперболической формы, имеющим потенциал, одноименный заряду частиц.
Асимптоты гиперболического электрода имеют угол Р=агС£^2=54,40. С целью коррекции краевого поля с торцов цилиндрических электродов размещены корректирующие кольца под потенциалами (в долях от потенциала внешнего цилиндра V) в соответствии с логарифмическим законом изменения цилиндрического поля с радиусом. Энергия частицы, точнее отношение энергии заряженной частицы к потенциалу электрода - 1.
Рисунок 1. Ход траектории движения заряженных частиц в электронно-оптической схеме комбинированного энергоанализатора из последовательно расположенных ГЗ и ЦЗ: 1 - конические электроды, 2 -
гиперболический электрод, 3 и 4 - внутренний и внешний цилиндры, 5 - заряженные частицы, 6 -точечный источник, 7 и 8 - входное и выходное окна ЦЗ, 9 - круглая выходная диафрагма, 10 - детектор
Согласно рис.1, заряженные частицы (5) из точечного источника (6), расположенного на оси симметрии системы, поступает в область поля ГЗ через прозрачные участки конического электрода (1). Пучок, отражаясь от гиперболического электрода (2), проходит вновь через конический электрод (1) и далее поступает в ЦЗ. Заряженные частицы, прошедшие сквозь выходную диафрагму (9), попадают на позиционно-чувствительный детектор (10), и таким образом регистрируются. В результате фокусирующего действия двух зеркал на пучок заряженных частиц осуществляется точечное изображение источника на оси симметрии анализатора. Таким образом, в системе выполняется фокусировка типа «ось-ось».
С целью оптимизации размеров выходных диафрагм и пропускных окон энергоанализатора построена аппаратная функция в случае точечного источника, что позволило оценить энергетическое разрешение прибора. Относительное энергетическое разрешение энергоанализатора с оптимальным радиусом выходной диафрагмы 0,02Rin в случае точечного источника составляет 2 %. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с данными аналитических расчетов.
2. Рассмотрим комбинированную систему из последовательно расположенных ЦЗ и ГЗ. В работе [4] представлены результаты расчета основных электронно-оптических свойств комбинированного
анализатора из последовательно расположенных ЦЗ и ГЗ, рассчитанные в условиях угловой фокусировки 1 -го порядка. Определено уравнение полной проекции траектории движения заряженных частиц в системе зеркал. Из анализа полученных результатов установлено, что в данной схеме, в широком интервале значений параметров угла входа и параметров отражений зеркал, реализуется режим угловой фокусировки 1 -го порядка. Отличительным свойством предлагаемой схемы является наличие больших значений коэффициентов угловой дисперсии и линейной дисперсии по энергии. Это свойство схемы приводит к расширению его аналитических возможностей, и представляет практический интерес.
В работе [5] для подтверждения достоверности расчетов по аналитическим формулам, проведен численный расчет схемы энергоанализатора из последовательно расположенных ЦЗ и ГЗ с помощью программы «Фокус». Схема включает себя точечный источник, последовательно расположенные два зеркала с цилиндрическим и гиперболическим распределением полей и детектор.
Рис. 2 представляет множество траекторий вторичных электронов в схеме комбинированного энергоанализатора из последовательно расположенных ЦЗ и ГЗ. Диапазон начальных углов вылета частиц из образца 370±20. Отношение энергии заряженной частицы к максимальному потенциалу
Е/У=1,3. Согласно рис.2, вторичные электроны (5), возбужденные из исследуемого образца (6) первичными электронами, испускаемые электронной пушкой (7), через входное окно (9) во внутреннем цилиндре (1) ЦЗ, покрытое металлической сеткой высокой прозрачности, попадают в поле ЦЗ, отражаются от него, и далее поступают в поле ГЗ. Вторичные электроны, прошедшие сквозь выход-
ную диафрагму (11), попадают на позиционно-чувствительный детектор (12), и таким образом регистрируются. В результате фокусирующего действия двух зеркал на пучок электронов осуществляется кольцевое изображение источника на поверхности конического электрода ГЗ. Таким образом, в предложенной системе выполняется угловая фокусировка 1-го порядка типа «ось-кольцо».
Рисунок 2. Ход траекторий электронов в электронно-оптической схеме комбинированного энергоанализатора из последовательно расположенных ЦЗ и ГЗ: 1 - внутренний цилиндр, 2 - внешний цилиндр, 3 -конические электроды, 4 - гиперболический электрод, 5 - вторичные электроны, 6 - исследуемый образец, 7 - первичные электроны, 8 - магнитный экран, 9 и 10 - входное и выходное окна, 11 - выходная диафрагма, 12 - детектор, ЭП - электронная пушка
Рассчитана аппаратная функция комбинированной системы из последовательно расположенных ЦЗ и ГЗ. Относительное энергетическое разрешение энергоанализатора с радиусом выходной диафрагмы 0.036Rm составляет 2,9% при светосиле 0/2я=5,31%.
Таким образом, предложены две электронно -оптические схемы комбинированных энергоанализаторов из электростатических зеркальных полей. Исследованы электронно-оптические свойства и рассчитаны аппаратные функции предложенных схем. Оценены относительные энергетические разрешения и светосилы схем. Показаны преимущества и отличительные качества рассчитанных схем. энергоанализаторов.
Эта работа была выполнена в рамках гранта ГФ4-0815 Министерства образования и науки Республики Казахстан.
Список литературы
1 Ashimbaeva B. U., Chokin K. Sh., Saulebekov A. O., Kambarova Zh. T. The combined energy ana-
lyzer composed of electrostatic mirror fields // J. Electron Spectrosc.and Relat.Phenom. - 2012. - V. 185. - P. 518-522.
2 Saulebekov А. О., Kambarova Zh. Т., Assylbekova S. N. Conversion of the electrostatic energy analyzer of charged particles into double spectro-graph regime in energy and angle // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2016. - V. 110. -P. 012005.
3 Saulebekov A. O., Kambarova Zh. T. Calculation of the instrumental function of the combined energy analyzer of charged particles beam // Eurasian Physical Technical Journal. - 2016. -V.14. - №2(26). -Р.73-78.
4 Ашимбаева Б. У., Чокин К. Ш., Саулебеков А. О., Камбарова Ж. Т. Моделирование электростатической системы из цилиндрического и гиперболического зеркал // Прикладная физика. - 2012. -№4.- С. 73-77.
5 Saulebekov A. O., Kambarova Zh. T., Ashimbaeva B. U., Chokin K. Sh. Modeling of system on the basis of electrostatic cylindrical and hyperbolic mirrors // Education and science without borders. - 2011. -V. 2. - №4(2). - P.133-135.
