WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 11 10;12 Компактные системы сепарации первичного ионного пучка для микрозондовой аппаратуры © С.А. Кузема, С.Н. Мордик Институт прикладной физики НАН Украины, 244030 Сумы, Украина (Поступило в Редакцию 27 сентября 2000 г.) Исследованы ионно-оптические свойства и характеристики различных вариантов масс-сепаратора с двойной фокусировкой, у которых длина пути пролета иона уменьшена за счет соответствующего выбора геометрических параметров ионно-оптической системы. Определена разрешающая способность таких систем сепарации с учетом аберраций второго порядка.

В микрозондовой аппаратуре, использующей в каче- Радиальная фокусировка пучка стве первичного пучок двухзарядных ионов гелия, возникает необходимость удаления из него примесей ионов Для определения фокусировки ионного пучка в раводорода и других газов. Разрешающая способность масс- диальной плоскости найдем величину отклонения иона, сепаратора, который выполняет эту функцию, должна имеющего произвольные начальные условия, от центбыть порядка 200, что в обычных системах с ахроматиральной траектории в области расположения апертурной ческой фокусировкой является труднодостижимым из-за диафрагмы системы формирования микропучка.

большого разброса энергий ионов в пучке, получаемом В линейном приближении выражение для уширения из газоразрядного источника ионов [1].

ионного пучка в плоскости изображения системы с Для решения этой задачи в ряде работ [2–4] предлодвойной фокусировкой имеет вид жено использовать системы с двойной фокусировкой (по направлению и скорости), у которых уменьшение оптиyk = a11y0 + a12y 0 + a13e0 + a14µ0, (1) ческих плеч анализатора энергий и масс-анализатора достигается за счет применения электростатических где yk — величина отклонения иона в плоскости изолинз. Потребности в дополнительных фокусирующих бражения в единицах радиуса центральной траектории устройствах можно избежать, если использовать ионноионов в масс-анализаторе; y0, y 0, e0, µ0 — начальные оптические системы, формирующие параллельный ионпараметры ионного пучка на выходе источника ионый пучок между электрическим и магнитным каскаданов: начальное смещение в единицах радиуса центральми (см. рисунок). При этом за счет соответствующего ной траектории ионов в масс-анализаторе, направление выбора геометрических и физических параметров аналии относительное изменение энергии иона и его имзатора энергий и масс-анализатора три из четырех оптипульса.

ческих плеч системы сепарации могут быть уменьшены Соотношения для коэффициентов ai j, входящих в до нуля.

выражение (1), найдем, воспользовавшись результатами Подтвердим сказанное теоретическим анализом ионработы [5], в которой определены фокусирующие и дисно-оптических свойств системы, состоящей из тороиперсионные свойства системы с двойной фокусировкой дального конденсатора, выполняющего функции аналибез промежуточного фокуса между электрическим и затора энергий, и масс-анализатора с однородным магмагнитным каскадами при условии, что ионный пучок нитным полем.

входит и выходит перпендикулярно к границам обоих анализаторов.

Поскольку в этой работе в качестве магнитного каскада использовалось секторное неоднородное магнитное поле, то для применения полученных результатов мы должны в соотношениях для коэффициентов ai j положить показатель спада магнитного поля n равным нулю.

Тогда будем иметь re a11 = ± cos 0e - le 0 sin rm (cos m - lmm) ± - 0 sin 0e Схема ионно-оптической системы масс-сепаратора: 1 —источник ионов, 2 — анализатор энергий, 3 — масс-анализатор, 4 — [sin m +(lm + lm) cos m - lmlm sin m], (2) апертурная диафрагма системы формирования микропучка.

Компактные системы сепарации первичного ионного пучка для микрозондовой аппаратуры sin 0e re Подставляя в (8) соотношения для коэффициентов aa12 = ± +(le + le ) +cos 0e rm и a14 и учитывая, что 0 = 2, le = lm = lm = 0, m = 90, получим - lele 0 sin 0e (cos m - lm sin m) 2 sin 2e ± + 1 = 0. (9) ± cos 0e - le 0 sin 0e Из (9) следует, что при 2e < фокусировка ионов по скорости будет обеспечена при отклонении ионов [sin m +(lm + lm) cos m - lmlm sin m], (3) электрическим и магнитным полями в противоположных re - cos 0e sin 0e направлениях.

a13 = ± + le rm 0 Тогда имеем sin e (cos m - lm sin m) ± sin 2e = или e = 3150.

[sin m +(lm + lm) cos m - lmlm sin m], (4) Подставляя полученное значение e в (7), находимве личину входного плеча анализатора энергий le = 1/ 2.

a14 = 1 - cos m + lm sin m, (5) Если радиусы центральной траектории ионов в обогде 0 = 2- (re/Re); re и Re — радиальный и аксиальный их полях выбрать одинаковыми и равными, наприрадиусы эквипотенциальной поверхности, лежащей посемер 100 mm, то параметры системы сепарации будут редине между электродами тороидального конденсатора;

e — угол отклонения иона в электрическом поле; le следующими: le = 70 mm, e = 3150, le = 0, lm = lm = 0, m = 90. Нетрудно видеть, что при этих и le — входное и выходное плечи энергоанализатора, значениях параметров коэффициент a11, определяющий выраженные в единицах re; rm — радиус центральной геометрическое увеличение системы, будет равен единитраектории ионов в масс-анализаторе; m —угол отклонения ионов в магнитном поле масс-анализатора; lm це.

В энергоанализаторе, выполненном на базе цилини lm — входное и выходное плечи масс-анализатора, дрического конденсатора, не осуществляется аксиальная выраженные в единицах rm.

фокусировка ионного пучка, поэтому в целях увеличения Определим параметры системы сепарации ионного светосилы системы сепарации необходимо использовать пучка, выполненной на базе цилиндрического конденконденсатор, у которого Re =, например, сфериче сатора и масс-анализатора с однородным секторным ский. В этом случае Re = re, а параметр электрического магнитным полем. С этой целью воспользуемся условием поля 0 = 1. Тогда условия фокусировки по направлению фокусировки ионов по направлению в магнитном масси по скорости принимают вид:

анализаторе с однородным магнитным полем и параллельным ионным пучком на входе. Как известно [5,6], le = ctg e, ±2 sin e + 1 = 0. (10), (11) это условие определяется соотношением Из условия фокусировки ионов по скорости (11), lm = ctg m, (6) принимая во внимание, что в энергоанализаторе и из которого следует, что выходное плечо lm = масс-анализаторе пучок отклоняется в противоположных при m = 90.

направлениях, находим величину отклонения ионов в Принимая во внимание, что для цилиндрического конанализаторе энергий e = 30. При этом значеденсатора параметр электрического поля 0 = 2, и полании e из условия фокусировки ионов по направлегая le = lm = 0, а также учитывая, что lm = 0иm = 90, нию (10) определяем величину входного плеча анали из условия фокусировки ионов по направлению (a12 = 0) затора энергий le = 3. Если предположить, что для рассматриваемой системы с двойной фокусировкой re = rm = 100 mm, то параметры системы сепарации находим будут такими: le = 173.2 mm, e = 30, le = 0, lm = lm = 0, m = 90. При этих значениях параме le = ctg 2e. (7) тров коэффициент a11 и, следовательно, геометрическое Величину угла отклонения ионов в электрическом увеличение системы равны 0.5.

поле анализатора энергий определим из условия фокусировки ионов по скорости. Учитывая, что e = 2 +, Аксиальная фокусировка пучка а µ = + ( = (V)/V, = (m)/m —относительное изменение скорости и массы иона), условие В системе сепарации, состоящей из цилиндрического фокусировки по скорости для ионов одной массы ( = 0) конденсатора и масс-анализатора с однородным магнитзапишется в виде ным полем, при ортогональном входе и выходе ионного 2a13 + a14 = 0. (8) пучка к границам электрического и магнитного полей Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 126 С.А. Кузема, С.Н. Мордик аксиальной фокусировки не осуществляется. Это объяс- и 2a13 + a14 = 0, то d = 2a11rmz0 или с учетом того, няется тем, что аксиальная составляющая электриче- что 2z0 = S1/rm (S1 — ширина выходной щели источника ского поля энергоанализатора и радиальная составляю- ионов), будем иметь d = a11S1. Тогда формула для выщая магнитного поля масс-анализатора в данном случае числения разрешающей способности системы сепарации отсутствуют. Если же в качестве анализатора энергий с учетом аберраций второго порядка запишется в виде используется сферический конденсатор, аксиальная фоm rm =, (17) кусировка пучка в электрическом каскаде имеет место.

m 2(2a11S1 + ab.) Чтобы определить ионно-оптические свойства такой где ab. — сумма аберраций второго порядка.

системы сепарации в аксиальной плоскости, запишем Для оценки вклада в уширение изображения абервыражение для величины аксиального отклонения иона с раций второго порядка нами получена девятимерная произвольными начальными условиями от центральной результирующая матрица переноса иона в радиальной траектории в области расположения апертурной диаплоскости от источника ионов до апертурной диафрагмы фрагмы системы формирования микропучка и с помощью компьютерных вычислений определены zk = b1z0 + b12z 0, (12) значения аберрационных коэффициентов для двух вариантов системы сепарации. При значениях параметров где zk — величина аксиального отклонения иона в плосионного пучка y0 = 5·10-4, y 0 = 2·10-3 и = 1·10-2 обкости изображения системы двух полей, выраженная в щий вклад аберраций второго порядка в ширину пучка на единицах rm; z0 и z 0 — начальные параметры ионного выходе масс-сепаратора составляет для системы с цилинпучка: аксиальное смещение в единицах rm и угол аксидрическим конденсатором ab. = 0.037 mm, для систеальной расходимости.

мы со сферическим конденсатором ab. = 0.044 mm.

Соотношения для коэффициентов bi j получены нами Тогда расчетное значение разрешающей способноматричным методом [7] и для рассматриваемого вариансти при ширине выходной щели источника ионов та системы сепарации имеют вид S1 = 0.1 mm для первого варианта системы сепарации будет 182, для второго — 266.

re b11 = cos e - m sin e, (13) Таким образом, полученные результаты свидетельrm ствуют о том, что вариант системы со сферическим re конденсатором по величине разрешающей способности b12 = (le cos e+sin e)+m cos e-lem sin e. (14) rm является более предпочтительным, однако габариты таВ частности, если угол аксиальной расходимости пуч- кого масс-сепаратора из-за относительно большого плеча анализатора энергий несколько превосходят габариты ка на выходе источника ионов z 0 = 0, а высота выходной щели h0 = 2z0/rm = 0.1 mm, то высота пучка в обла- системы масс-сепаратора с цилиндрическим конденсатором.

сти расположения апертурной диафрагмы будет равна Реализация данной системы сепарации в установке hk = 2rmzk = 0.08 mm.

для исследования ионно-оптических характеристик источников ионов [8] позволит измерять относительное Аберрации второго порядка содержание ионов He++ в пучке ионов, используемом и разрешающая способность в микрозондовой аппаратуре.

Оценим разрешающую способность каждого из двух Список литературы вариантов системы сепарации с двойной фокусировкой. По определению разрешающая способность масс-се[1] Черепин В.Т. Ионный зонд. Киев: Наукова думка, 1981.

паратора равна 328 с.

m Dm =, (15) [2] Liebl H. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1987. Vol. A258.

m 2d P. 323–326.

где Dm — дисперсия по массам, d — ширина пучка в [3] Matsuo T., Sakorai T., Ishihara M. // Nucl. Instr. Meth. Phys.

области расположения апертурной диафрагмы.

Res. 1990. Vol. A298. P. 134–141.

Дисперсия по массам определяется коэффициентом [4] Matsuda H. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1990. Vol. A298.

a14 так: Dm =(rma14)/2. Поскольку для обоих вариантов P. 199–204.

[5] Кузема А.С., Савин О.Р., Чертков И.Я. // ЖТФ. 1982. Т. 52.

системы сепарации коэффициент a14 = 1, то дисперсия Вып. 6. С. 1182–1187.

по массам Dm = rm/2.

[6] Кузема А.С., Савин О.Р., Чертков И.Я. Анализирующие В соответствии с (1) ширина пучка в области распосистемы магнитных масс-спектрометров. Киев: Наукова ложения апертурной диафрагмы будет равна думка, 1987. 228 с.

[7] Penner S. // Rev. Sci. Instrum. 1961. Vol. 32. N 2. P. 150–160.

d = 2a11rmz0 + 2a12rmz 0 + 2(2a13 + a14). (16) [8] Kalinichenko A., Khomenko V., Lebed S., Mordik S., Voznij V. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1997. Vol. B122.

Поскольку в системе сепарации осуществляется фокуP. 274–277.

сировка ионов по направлению и скорости, т. е. a12 = Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.