Электростатические конфигурации высокого энергетического разрешения

Принципы корпускулярной оптики — электронной, ионной и диполь-ной, лежат в основе физической электроники, в таких ее разделах как электронная спектроскопия и микроскопия, масс-анализ и современная нанотехнология. Великое множество приборов эксплуатируют электронные и ионные потоки самых различных геометрий, сформированные электрическими и магнитными полями в широком классе геометрий и симметрий. Огромное количество публикаций у нас в России и за рубежом по проблемам электронной оптики касается в основном очень частных вопросов, связанных с расчетом систем, составленных из из" вестных, хорошо изученных элементов, таких как щелевые и осесимме-тричные электростатические линзы, магнитные линзы, секторное магнитное поле, дефлекторы и зеркала на базе простейших электрических полей плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов, иногда тороидальных и конических полей и т. п.

Между тем практика обнаруживает, что, например, в энергоанализе эти известные привычные системы пришли к известного рода насыщению и уже не обеспечивают необходимого уровня разрешения по массам, энергии, локализации при требуемой чувствительности. Существует своеобразное противоречие, не доказываемое в общем случае, но наблюдаемое практически во всех известных системах энергоанализа. Оно состоит в том, что высокое качество фокусировки пучка никогда не совмещается с большой величиной энергетической дисперсии. Дисперсия всегда оказывается приблизительно равной базе прибора — расстоянию между источником и коллектором. Это положение мы находим и в сферическом и тороидальном дефлекторах, и в цилиндрическом и плоском зеркалах.

Однако, в работах [12], [37] было показано теоретически и экспериментально, что существуют системы, построенные с помощью обратных задач динамики, в которых реализуется очень высокий уровень дисперсии, порядка десяти баз и выше, при фокусировке пучка в большом телесном угле. Таким образом методы математического синтеза с применением мощного аппарата теории функций и аналитической динамики частиц в полях привели к существенной коррекции взглядов на проблему конструирования эффективных систем энергоанализа.

Одним из центральных вопросов синтеза энергоанализирующих систем является построение высокодисперсионных осесимметричных энергоанализаторов, обладающих повышенным качеством фокусироввки в меридиональных плоскостях. Существенное продвижение в этой проблеме дает предложенный в работах [10], [50] «квазиконический» энергоанализатор, реализованный на практике. Тем не менее, несмотря на успехи, следует признать, что общая теория синтеза осесимметричных электростатических энергоанализаторов с заранее заданным соотношением фокусирующих и дисперсионных характеристик все еще не создана, и проблема по-прежнему остается актуальной.

В данной работе предлагается новая идеология синтеза, компромиссно сочетающая аналитические методы и компьютерную стратегию, с акцентом именно на аналитические методы. Сущность этой идеологии состоит в том, что некоторые системы, найденные ранее на чисто аналитических алгоритмах решения обратных задач, подвергаются вариациям путем «подмешивания» в потенциалы новых структурных элементов и далее компьютерной оптимизацией добиваются нужных режимов фокусировки и дисперсии.

Значительная часть диссертации посвящена разработке новых базисных представлений лапласовых потенциалов в классе элементарных функций, позволяющих синтезировать осесимметрнчные электродные конфигурации любых профилей. На базе этих структур удается найти новые системы энергоанализа с рекордными параметрами и оптимизировать ранее предложенные системы. Кроме этого удается построить на новой базе защиту систем энергоанализа от краевых полей. 7 —.

Защищаемые положения.

1. Разработана полная теория энергоанализатора Тутанхамон и найдены оптимальные режимы его работы в реальных условиях.

2. Новый способ синтеза базиса осесимметричных лапласовых потенциалов с кольцевыми особенностями.

3. Теория нового базисного ряда элементарных гармонических потенциалов с логарифмической особенностью.

4. Новый способ формирования краевых полей в энергоанализаторах.

5. Оптимизированные характеристики энергоанализирующих систем с идеальной фокусировкой в плоскости симметрии и осесимметрич-ной системы «Квазикон» .

6. Новый способ полной компенсации сферической аберрации в двух-каскадных схемах электронных спектрометров.

Материалы диссертации докладывались на двух всероссийских семинарах, на научных семинарах СПбГТУ и ИАП РАН.

Глэ.вэ. 1.

Обзор литературы.

Выводы.

Изложенный кратко новый подход к зеркальному согласованию различных электронно-оптических элементов с большой угловой апертурой весьма плодотворен, и он уже используется в проекте высокоразрешающего электронного двухкаскадного Оже-спектрометра, составленного из двух «Квазиконов», отличающегося рекордной светосилой 30% от 2тх. Эта экспериментальная работа выполнена в рамках Русско-Шведского проекта и близится к завершению.

Рис. 7.3.

Согласование поля с идеальной фокусировкой с точечным источником на границе поля. Ниже оси ОХ поле отсутствует. Приведенный кусок зеркала является фрагментом эллипса.

0.4 0.8 1.2 1.6 X.

Рис. 7.4.

Согласование поля с идеальной фокусировкой с точечным источником на границе поля в случае небольшой расстройки по энергии. Приведенный кусок зеркала уже не является фрагментом эллипса, хотя и похож на него. Ниже оси ОХ поле отсутствует.

0.8 Рис. 7.5.

Согласование моноэнергетического пучка частиц, вылетающих из поля плоского конденсатора под различными углами к оси OZ, с точечным источником на границе поля.

Ниже оси ОХ поле отсутствует.

Е=0.

Рис. 7.6.

Оптическое согласование моноэнергетического пучка частиц, вылетающих из поля плосю конденсатора под различными углами к оси OZ, с другим плоским конденсатором. Продемонстрированы несколько зеркал-согласователей. Ниже оси ОХ поле отсутствует. 148 —.

Заключение

.

1. В работе выполнен цикл теоретических исследований по оптимизации известных электронно-оптических систем энергоанализа, таких, как «Тутанхамон» и «Квазикон». Найдены новые выгодные для энергоанализа режимы и проанализированы перспективы их использования в электронной спектроскопии.

2. Особое значение мы придаем синтезу двух новых базисных рядов решений осесимметричного уравнения Лапласа, на основе которых можно конструировать практически любые осесимметричные электродные конфигурации для энергоанализа и линзовых систем с заранее заданными геометрическими и электронно-оптическими свойствами.

3. Большое значение для синтеза энергоанализаторов высокого разрешения и большой светосилы может играть теория согласования плоских пучков траекторий частиц с заданным распределением. Оптическое приближение является только частью большой теории, которая выходит за рамки данной работы.