RU93581U1 - MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY - Google Patents
MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY Download PDFInfo
- Publication number
- RU93581U1 RU93581U1 RU2009143566/22U RU2009143566U RU93581U1 RU 93581 U1 RU93581 U1 RU 93581U1 RU 2009143566/22 U RU2009143566/22 U RU 2009143566/22U RU 2009143566 U RU2009143566 U RU 2009143566U RU 93581 U1 RU93581 U1 RU 93581U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitor
- main
- additional
- electrode
- cos2θ
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 98
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000005264 electron capture Effects 0.000 description 2
- 241000555745 Sciuridae Species 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Монохроматор электронов с низкой энергией, включающий источник электронов в виде термокатода, основной и дополнительный плоские конденсаторы, первый электрод основного плоского конденсатора выполнен заземленным, с двумя электрически присоединенными к нему в межэлектродном пространстве торцевыми плоско-параллельными пластинами, имеющим параллельные входную и выходную щели для прохождения электронов из термокатода, входная щель находится на расстоянии от первой торцевой пластины не меньшем апертуры основного конденсатора, выходная щель расположена от входной щели на расстоянии, равном Lo=3a sin2θ, где a - апертура основного конденсатора, θ - угол входа центральной траектории электронного пучка, 25°≤θ≤35°, дополнительный плоский конденсатор установлен перпендикулярно линии фокусов основного конденсатора, составляющей с его продольной осью угол β, где β=arctg[(tgθcos2θ)/(1+cos2θ)], сумма расстояний термокатода b1 и геометрического центра b2 дополнительного конденсатора от плоскости первого электрода основного конденсатора b=b1+b2=6a sin2θ cos2θ, расстояние от термокатода до геометрического центра дополнительного конденсатора вдоль продольной оси основного конденсатора L=3 asin2θ(1+cos2θ), в первом электроде дополнительного конденсатора выполнена щель для прохождения пучка электронов, расположенная на расстоянии от плоскости первого электрода основного конденсатора b3=b2-(d/2)tgβ, где d - апертура дополнительного конденсатора, причем d/a=2η tgθ(1+cos2θ), где η - коэффициент, η=0,23÷0,28. A low-energy electron monochromator comprising an electron source in the form of a thermal cathode, a main and additional flat capacitors, the first electrode of the main flat capacitor is grounded, with two flat-parallel end plates electrically connected to it in the interelectrode space, having parallel input and output slots for passage electrons from the thermal cathode, the entrance slit is at a distance from the first end plate not less than the aperture of the main capacitor, the output the slit is located from the entrance slit at a distance equal to Lo = 3a sin2θ, where a is the aperture of the main capacitor, θ is the angle of entry of the central path of the electron beam, 25 ° ≤θ≤35 °, an additional flat capacitor is installed perpendicular to the focal line of the main capacitor, component s its longitudinal axis is angle β, where β = arctan [(tgθcos2θ) / (1 + cos2θ)], the sum of the distances of the thermal cathode b1 and the geometric center b2 of the additional capacitor from the plane of the first electrode of the main capacitor b = b1 + b2 = 6a sin2θ cos2θ, the distance from thermal cathode to geometric the center of the additional capacitor along the longitudinal axis of the main capacitor L = 3 asin2θ (1 + cos2θ), in the first electrode of the additional capacitor there is a gap for the passage of the electron beam located at a distance from the plane of the first electrode of the main capacitor b3 = b2- (d / 2) tgβ, where d is the aperture of the additional capacitor, and d / a = 2η tgθ (1 + cos2θ), where η is the coefficient, η = 0.23 ÷ 0.28.
Description
Полезная модель относится к области оптики заряженных частиц, конкретно - к электростатическим системам, предназначенным для получения монохроматических электронных пучков с низкими энергиями, которые могут использоваться, в частности, в квадрупольных и монопольных масс-спектрометрах для исследований структуры вещества.The utility model relates to the field of optics of charged particles, specifically to electrostatic systems designed to produce low-energy monochromatic electron beams, which can be used, in particular, in quadrupole and monopole mass spectrometers to study the structure of matter.
Актуальной является задача изучения структуры веществ с помощью монохроматических электронов, а именно, определение потенциалов ионизации атомов и молекул вещества.The urgent task is to study the structure of substances using monochromatic electrons, namely, the determination of the ionization potentials of atoms and molecules of matter.
Известна электронная пушка для формирования пучка медленных моноэнергетических электронов с энергией Е<20 эВ с разбросом по энергии в пучке, составляющим 0.4 эВ, /Юстируемая электронная пушка для получения пучка медленных электронов ПТЭ 1992, N 1, с.135-138/, используемая для измерения контактной разности потенциалов. Она состоит из острийного прямонакального термокатода, вытягивающей электронный пучок диафрагмы и двух цилиндрических электродов, образующих электростатическую линзу для фокусировки пучка.Known electron gun for the formation of a beam of slow monoenergetic electrons with an energy E <20 eV with an energy spread in the beam of 0.4 eV, / Adjustable electron gun to obtain a beam of slow electrons PTE 1992, N 1, p.135-138 /, used for measuring the contact potential difference. It consists of a spherical direct-heated thermal cathode that draws an electron beam of the diaphragm and two cylindrical electrodes forming an electrostatic lens for focusing the beam.
Недостатком данной электронной пушки является большое различие по энергии в электронном пучке. Известен монохроматор для электронов /Methods for analyzing a sample for a compound of interest using mass analysis of ions produced by slow monochromatic electrons, патент US 5493115, 1996-02-20, G01N 23/225/, применяемый для химического анализа вещества с использованием ионов, полученных с помощью электронного захвата (Electron capture) медленных монохроматических электронов с энергией менее 6 эВ. Электронный монохроматор состоит из спиралевидного термокатода, трехэлектродной одиночной электростатической линзы, диафрагмы с вырезывающей апертурой диаметром 1 мм, фильтра по энергии, образованного взаимно перпендикулярными электростатическим (в виде двух электродов тороидального типа) и однородным продольным магнитным полями, выходной линзой в виде трех дискообразных электродов с круглыми отверстиями, апертурной диафрагмы диаметром от 0.51 до 1 мм.The disadvantage of this electron gun is the large difference in energy in the electron beam. Known monochromator for electrons / Methods for analyzing a sample for a compound of interest using mass analysis of ions produced by slow monochromatic electrons, patent US 5493115, 1996-02-20, G01N 23/225 /, used for chemical analysis of substances using ions obtained by electron capture (Electron capture) of slow monochromatic electrons with an energy of less than 6 eV. An electronic monochromator consists of a spiral thermocathode, a three-electrode single electrostatic lens, a diaphragm with a cutting aperture 1 mm in diameter, an energy filter formed by mutually perpendicular electrostatic (in the form of two toroidal electrodes) and a uniform longitudinal magnetic field, and an output lens in the form of three disk-shaped electrodes with round holes, aperture diaphragms with a diameter of 0.51 to 1 mm.
Монохроматический пучок электронов на выходе устройства имеет разброс по энергии ±0.1 эВ.A monochromatic electron beam at the output of the device has an energy spread of ± 0.1 eV.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, а также достаточно большой разброс по энергии в электронном пучке, соизмеримый с тепловым разбросом термокатодов.The disadvantages of this device are the design complexity, as well as a sufficiently large spread in energy in the electron beam, commensurate with the thermal spread of thermal cathodes.
Известен монохроматор для электронов с низкой энергией /D.Roy, J.D.Carette Rev. Sci. Instr. 1971, v. 42, N6, p.776-782, Исследование свойств монокинетрона Марме методом расчета профилей распределения энергии электронов/, взятый за прототип предлагаемого устройства, в котором задача монохроматизации электронного пучка решена с помощью двух цилиндрических конденсаторов. В качестве основного энергофильтра служит цилиндрический дефлектор с фокусировкой первого порядка на границе поля, в том числе, когда источник также находится на границе поля (127°, дефлектор Юза-Рожанского). Вплотную к нему установлен дополнительный цилиндрический конденсатор с малым угловым размером, компенсирующий начальный разброс по энергии. Расчеты профилей энергетического распределения электронов при угловых размерах основного и дополнительного цилиндрических конденсаторов, равных 90° и 12°, соответственно, (при Ф=90° и ΔФ=±6°), показали, что разброс по энергии в пучке на линии фокусов уменьшился на полувысоте пика в 17 раз, по его основанию - в 6 раз.Known monochromator for electrons with low energy / D.Roy, J.D. Caret Rev. Sci. Instr. 1971, v. 42, N6, p.776-782, Study of the properties of the Marmot monokinetron by the method of calculating electron energy distribution profiles /, taken as a prototype of the proposed device, in which the problem of monochromatization of an electron beam is solved using two cylindrical capacitors. The main energy filter is a cylindrical deflector with first-order focusing at the field boundary, including when the source is also at the field boundary (127 °, Yuz-Rozhansky deflector). An additional cylindrical capacitor with a small angular size is installed tightly to it, compensating for the initial energy spread. Calculations of the profiles of the energy distribution of electrons at angular sizes of the main and additional cylindrical capacitors equal to 90 ° and 12 °, respectively (at Ф = 90 ° and ΔФ = ± 6 °), showed that the energy spread in the beam on the focus line decreased by the peak half-height is 17 times, at its base - 6 times.
Существенным недостатком прототипа является наличие не учитываемых в расчетах краевых полей цилиндрических конденсаторов, приводящих к снижению степени монохроматизации пучка. Также, у этого устройства мала светосила из-за наличия аберраций второго порядка.A significant disadvantage of the prototype is the presence of not taken into account in the calculations of the edge fields of cylindrical capacitors, leading to a decrease in the degree of monochromatization of the beam. Also, this device has a low aperture due to the presence of second-order aberrations.
Предлагаемая полезная модель решает задачу увеличения светосилы монохроматора низкоэнергетичных электронов.The proposed utility model solves the problem of increasing the aperture of a low-energy electron monochromator.
Задача решается монохроматором электронов с низкой энергией, включающим источник электронов в виде термокатода, основной и дополнительный плоские конденсаторы, первый электрод основного плоского конденсатора выполнен заземленным, с двумя электрически присоединенными к нему в межэлектродном пространстве торцевыми плоско-параллельными пластинами, имеющим параллельные входную и выходную щели для прохождения электронов из термокатода, входная щель находится на расстоянии от первой торцевой пластины не меньшем апертуры основного конденсатора, выходная щель расположена от входной щели на расстоянии Lo=3а sin2θ, где а - апертура основного конденсатора, θ - угол входа центральной траектории электронного пучка, 25°≤θ≤35°, дополнительный плоский конденсатор установлен перпендикулярно линии фокусов основного конденсатора, составляющей с его продольной осью угол β, где β=arctg[(tgθcos2θ)/(1+cos2θ)], сумма расстояний термокатода b1 и геометрического центра b2 дополнительного конденсатора от плоскости первого электрода основного конденсатора b=b1+b2=6a sin2θcos2θ, расстояние от термокатода до геометрического центра дополнительного конденсатора вдоль продольной оси основного конденсатора L=3а sin2θ (1+cos2θ), в первом электроде дополнительного конденсатора выполнена щель для прохождения пучка электронов, расположенная на расстоянии от плоскости первого электрода основного конденсатора b3=b2-(d/2)tgβ, где d - апертура дополнительного конденсатора, причем d/a=2ηtgθ(1+cos2θ), где η - коэффициент, η=0.23÷0.28.The problem is solved by a low-energy electron monochromator, including an electron source in the form of a thermal cathode, the main and additional flat capacitors, the first electrode of the main flat capacitor is grounded, with two flat-parallel end plates electrically connected to it in the interelectrode space, having parallel input and output slots for the passage of electrons from the thermal cathode, the entrance slit is at a distance from the first end plate not less than the aperture of the main cond sensor, the exit slit is located from the entrance slit at a distance of L o = 3а sin2θ, where a is the aperture of the main capacitor, θ is the angle of entry of the central path of the electron beam, 25 ° ≤θ≤35 °, an additional flat capacitor is installed perpendicular to the focal line of the main capacitor, component with its longitudinal axis, angle β, where β = arctan [(tgθcos2θ) / (1 + cos2θ)], the sum of the distances of the thermal cathode b 1 and the geometric center b 2 of the additional capacitor from the plane of the first electrode of the main capacitor b = b 1 + b 2 = 6a sin 2 θcos2θ, distance from the thermal cathode to the geometrical center of the additional capacitor along the longitudinal axis of the main capacitor L = 3a sin2θ (1 + cos2θ), in the first electrode of the additional capacitor there is a gap for the electron beam located at a distance from the plane of the first electrode of the main capacitor b 3 = b 2 - (d / 2 ) tgβ, where d is the aperture of the additional capacitor, and d / a = 2ηtgθ (1 + cos2θ), where η is the coefficient, η = 0.23 ÷ 0.28.
Задача решается за счет возможности в предлагаемом устройстве острой фокусировки широких электронных пучков (с большими углами раствора) вследствие малых аберраций второго порядка.The problem is solved due to the possibility in the proposed device of sharp focusing of wide electron beams (with large solution angles) due to small second-order aberrations.
Основной плоский конденсатор (фильтр по энергии) осуществляет на одной линии, но в разных точках фокусировку по углу пучков электронов различных энергий. Дополнительный плоский конденсатор компенсирует начальный разброс по энергии в электронном пучке.The main flat capacitor (energy filter) carries out on the same line, but at different points, focusing along the angle of electron beams of different energies. An additional flat capacitor compensates for the initial energy spread in the electron beam.
С помощью основного плоского конденсатора, работающего в зеркальном режиме, получается сфокусированный по углу на одной линии спектр электронов по энергии, исходящий из катода. Затем для монохроматизации электронного пучка использовано однородное электростатическое поле, образованное электродами дополнительного плоского конденсатора, которые установлены перпендикулярно линии фокусов основного плоского конденсатора. При этом потенциалы на этих электродах имеют одинаковую величину и противоположный знак.Using the main planar capacitor operating in the mirror mode, an electron-focused energy spectrum emitted from the cathode is focused on the angle on one line. Then, for monochromatization of the electron beam, a uniform electrostatic field is used, formed by the electrodes of an additional flat capacitor, which are installed perpendicular to the focal line of the main flat capacitor. In this case, the potentials on these electrodes have the same magnitude and opposite sign.
Выбор начального угла θ входа центральной траектории пучка обусловлен тем, что для размещения электродов дополнительного плоского конденсатора необходимо, чтобы линия фокусов основного плоского конденсатора (перпендикулярно которой устанавливаются эти электроды) располагалась вне его поля. Это означает, что входные углы должны быть меньше 45° (При θ=45° источник и его фокус находятся на краю поля.). Кроме того, при углах входа пучка θ>35°, а также при θ<25° велики геометрические аберрации основного конденсатора (коэффициент сферической аберрации второго порядка |C2|>2а), что существенно ухудшает монохроматизацию пучка. Кроме того, при θ<25° мал коэффициент дисперсии по энергии (D<1.2а), поэтому точки фокусировки пучков с характерным разбросом по энергии (0.3÷0.6) эВ располагаются слишком близко друг к другу, что затрудняет создание компенсирующего поля. Для решения задачи необходимо и достаточно, чтобы углы входа центральной траектории пучка находились в диапазоне 25°≤θ≤35°. При этом малы коэффициенты аберрации (0.7а≤C2≤0.9а), а величина дисперсии по энергии равна D=(1.6÷1.8)а.The choice of the initial angle θ of the input of the central path of the beam is due to the fact that to place the electrodes of the additional flat capacitor, it is necessary that the focal line of the main flat capacitor (which these electrodes are perpendicular to) is located outside its field. This means that the input angles must be less than 45 ° (At θ = 45 °, the source and its focus are at the edge of the field.). In addition, at beam entry angles θ> 35 °, as well as at θ <25 °, the geometric aberrations of the main capacitor are large (second-order spherical aberration coefficient | C 2 |> 2a), which significantly worsens the beam monochromatization. In addition, at θ <25 °, the energy dispersion coefficient is small (D <1.2a); therefore, the focus points of beams with a characteristic energy spread (0.3–0.6) eV are too close to each other, which makes it difficult to create a compensating field. To solve the problem, it is necessary and sufficient that the entry angles of the central beam path are in the range 25 ° ≤θ≤35 °. Moreover, the aberration coefficients are small (0.7a≤C 2 ≤0.9a), and the dispersion in energy is D = (1.6 ÷ 1.8) a.
Наличие торцевых плоско-параллельных пластин на первом плоском электроде основного конденсатора препятствует проникновению в рабочую область посторонних полей, которые нарушают фокусировку пучка электронов.The presence of end plane-parallel plates on the first flat electrode of the main capacitor prevents the penetration of extraneous fields into the working region, which disrupt the focusing of the electron beam.
Входная щель находится на расстоянии от торцевой пластины, не меньшем апертуры основного конденсатора, для исключения влияния его краевых полей на прохождение электронного пучка.The entrance slit is located at a distance from the end plate, not less than the aperture of the main capacitor, to exclude the influence of its edge fields on the passage of the electron beam.
Расстояние между входной и выходной щелями основного конденсатора определено автором как Lo=3а sin2θ исходя из условия фокусировки выходящего из основного конденсатора пучка электронов на линии фокусов.The distance between the input and output slots of the main capacitor is determined by the author as L o = 3a sin2θ based on the focusing condition of the electron beam exiting the main capacitor on the focal line.
Угол наклона линии фокусов основного конденсатора к продольной его оси - β=arctg[(tgθ cos 2θ) / (1+cos 2θ)] - необходим для установления электродов дополнительного конденсатора перпендикулярно линии фокусов.The angle of inclination of the focal line of the main capacitor to its longitudinal axis - β = arctan [(tgθ cos 2θ) / (1 + cos 2θ)] - is necessary to establish the electrodes of the additional capacitor perpendicular to the focal line.
Как определено автором, сумма расстояний термокатода и геометрического центра дополнительного конденсатора от плоскости первого электрода основного конденсатора b=b1+b2=6а sin2θ cos2θ, а также расстояние от термокатода до геометрического центра дополнительного конденсатора вдоль продольной оси основного конденсатора L=3a sin2θ(1+cos2θ) совместно определяют расположение средней точки дополнительного конденсатора, в которой фокусируется пучок электронов средней энергии.As determined by the author, the sum of the distances of the thermal cathode and the geometric center of the additional capacitor from the plane of the first electrode of the main capacitor b = b 1 + b 2 = 6а sin2θ cos2θ, as well as the distance from the thermal cathode to the geometric center of the additional capacitor along the longitudinal axis of the main capacitor L = 3a sin2θ ( 1 + cos2θ) together determine the location of the midpoint of the additional capacitor, in which the average-energy electron beam is focused.
Расстояние по нормали от плоскости первого электрода основного конденсатора до щели в первом электроде дополнительного конденсатора определяется из соотношения b3=b2-(d/2)tgβ, что необходимо для попадания в дополнительный конденсатор пучков электронов различных энергий с последующей фокусировкой на линии фокусов основного конденсатора.The normal distance from the plane of the first electrode of the main capacitor to the gap in the first electrode of the additional capacitor is determined from the relation b 3 = b 2 - (d / 2) tgβ, which is necessary for electron beams of different energies to enter the additional capacitor, followed by focusing on the focus lines of the main capacitor.
Связь между величинами апертур дополнительного и основного конденсаторов определяется из соотношения d/a=2η tgθ(1+cos2θ), где η=(0.23÷0.28), что необходимо, как выявлено автором, для обеспечения монохроматизации электронного пучка.The relationship between the apertures of the additional and main capacitors is determined from the relation d / a = 2η tgθ (1 + cos2θ), where η = (0.23 ÷ 0.28), which is necessary, as revealed by the author, to ensure monochromatization of the electron beam.
Предлагаемое устройство схематически изображено на Фиг., где:The proposed device is schematically shown in Fig., Where:
1 - термокатод;1 - thermal cathode;
2 - первый электрод основного конденсатора с торцевыми пластинами;2 - the first electrode of the main capacitor with end plates;
3- входная щель основного конденсатора;3- input slit of the main capacitor;
4 - выходная щель основного конденсатора;4 - output slit of the main capacitor;
5 - второй электрод основного конденсатора;5 - the second electrode of the main capacitor;
6 - первый электрод дополнительного конденсатора;6 - the first electrode of the additional capacitor;
7 - входная щель дополнительного конденсатора;7 - input slit of an additional capacitor;
8 - второй электрод дополнительного конденсатора.8 - second electrode of an additional capacitor.
Процесс монохроматизации состоит в следующем.The process of monochromatization is as follows.
Электроны различных энергий после выхода из выходной щели 4 основного конденсатора (плоского зеркала) проходят через входную щель 7 первого электрода 6 дополнительного конденсатора с некоторым положительным потенциалом, тем самым набирая одинаковую добавочную энергию. В поле дополнительного плоского конденсатора электроны тормозятся до разных энергий. Напряженность этого поля Eм связана с напряженностью поля основного конденсатора E0 в соответствии с формулой, полученной автором:Electrons of different energies after exiting from the exit slit 4 of the main capacitor (flat mirror) pass through the entrance slit 7 of the first electrode 6 of the additional capacitor with some positive potential, thereby gaining the same additional energy. In the field of an additional flat capacitor, the electrons are decelerated to different energies. The field strength E m is related to the field strength of the main capacitor E 0 in accordance with the formula obtained by the author:
Eм/Eо=ctgθ/[2(1+cos2θ)].E m / E o = ctgθ / [2 (1 + cos2θ)].
При этом электроны средней энергии тормозятся до своей первоначальной величины, а электроны меньшей и большей энергий тормозятся, соответственно, меньше и больше до средней начальной энергии.In this case, the electrons of average energy are decelerated to their original size, and the electrons of lower and higher energies are decelerated, respectively, less and more to the average initial energy.
Работа устройства.The operation of the device.
Из термокатода 1 вылетает пучок электронов различных энергий и через входную щель 3 первого электрода 2 основного конденсатора попадает в поле основного плоского конденсатора, образованное путем подачи потенциала на второй его электрод 5, величина которого равна 2/3 величины среднего ускоряющего пучок электронов потенциала. При этом первый электрод 2 основного конденсатора с торцевыми пластинами заземлен. Электроны, двигаясь по зеркально симметричным относительно середины основного конденсатора траекториям, попадают в выходную щель 4. После прохождения свободного от поля пространства пучки электронов различных энергий проходят входную щель 7 первого электрода 6 дополнительного плоского конденсатора, (электроды которого установлены перпендикулярно линии фокусов основного конденсатора - плоского зеркала), где фокусируются по углу на одной линии, но в разных местах. Потенциалы на электродах этого конденсатора имеют одинаковую величину и противоположный знак Точка на оси, через которую проходит нулевая эквипотенциаль дополнительного конденсатора, является точкой фокусировки пучка со средней начальной энергией, к которой сводятся пучки других энергий. Электроны различных энергий проходят через первый электрод 6 дополнительного конденсатора с положительным потенциалом, тем самым набирая одинаковую добавочную энергию. В поле дополнительного плоского конденсатора электроны тормозятся до разных энергий. Электроны средней энергии тормозятся до своей первоначальной величины, а электроны меньшей и большей энергий тормозятся, соответственно, меньше и больше, до средней начальной энергии. При этом достигается результат, т.е. на линии фокусов, а также вблизи нее происходит монохроматизация электронного пучка.A beam of electrons of various energies flies out from the thermal cathode 1 and, through the input slot 3 of the first electrode 2 of the main capacitor, enters the field of the main flat capacitor formed by applying a potential to its second electrode 5, the value of which is equal to 2/3 of the average electron accelerating beam potential. In this case, the first electrode 2 of the main capacitor with the end plates is grounded. Electrons moving along paths mirror-symmetric with respect to the middle of the main capacitor fall into the exit slit 4. After passing through the field-free space, electron beams of various energies pass through the entrance slit 7 of the first electrode 6 of the additional flat capacitor (the electrodes of which are perpendicular to the focal line of the main capacitor - flat mirrors), where they focus on the angle on the same line, but in different places. The potentials on the electrodes of this capacitor are of the same magnitude and opposite sign. The point on the axis through which the zero equipotential of the additional capacitor passes is the beam focusing point with the average initial energy, to which beams of other energies are reduced. Electrons of different energies pass through the first electrode 6 of the additional capacitor with a positive potential, thereby gaining the same additional energy. In the field of an additional flat capacitor, the electrons are decelerated to different energies. Electrons of average energy are decelerated to their original size, and electrons of lower and higher energies are decelerated, respectively, less and more, to the average initial energy. The result is achieved, i.e. Monochromatization of the electron beam occurs on the focal line and also near it.
Пример 1.Example 1
Предлагаемое устройство рассчитано и создано для оптимального угла входа центральной траектории пучка θ=30°, при котором коэффициент аберрации второго порядка по углу равен нулю, т.е. осуществляется фокусировка электронного пучка по углу второго порядка. Для общности геометрические параметры выражены в единицах апертуры плоского зеркала (основного конденсатора) “а”. Расстояние между торцевыми электродами основного конденсатора равно 5a. Зазоры между полезадающим электродом 5 и торцевыми пластинами равны 0.05 а. Величина апертуры дополнительного плоского конденсатора d=0.4a. Выходная щель расположена от входной щели на расстоянии 2.6a. Электрод 2 и торцевые пластины заземлены. Источником электронного пучка служит точечный катод 1, расположенный на расстоянии по нормали от нижнего электрода основного конденсатора b1=0.4a. Начальный угол впуска центральной траектории пучка θ=30°, угол раствора пучка выбран в пределах ±α=(0.25÷1)°. Линия фокусов расположена под углом β=12° к электроду 2, а точка фокусировки траекторий пучка средней энергии отстоит от него на расстоянии по нормали b2=0.43a. Щель в первом электроде дополнительного конденсатора для прохождения пучка электронов расположена на расстоянии по нормали от плоскости первого электрода основного конденсатора b3=0.39a. Для выбранной автором средней энергии пучка равной 15 эВ потенциал на втором электроде основного конденсатора равен 10 В исходя из отношения между ними, равному 3/2, а соотношение разности потенциалов между электродами дополнительного и основного конденсаторов, необходимое для монохроматизации электронного пучка, определенное из соотношения Eм/E0=ctgθ/[2(1+cos2θ)], равно 0.23. При этом в предлагаемом устройстве для указанных выше углов раствора пучка его размер (относительно величины а) в плоскости дисперсии на линии фокусов в пространстве между электродами второго конденсатора равен g/a=(2÷7)10-3, а в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии, h/a=(3.5÷14.1)10-2.The proposed device is designed and created for an optimal angle of entry of the central beam path θ = 30 °, at which the second-order aberration coefficient in the angle is zero, i.e. focusing of the electron beam on the second-order angle. For generality, the geometric parameters are expressed in units of the aperture of a flat mirror (main capacitor) “a”. The distance between the end electrodes of the main capacitor is 5a. The gaps between the climbing electrode 5 and the end plates are 0.05 a. The aperture value of an additional flat capacitor is d = 0.4a. The exit slit is located at a distance of 2.6a from the entrance slit. Electrode 2 and end plates are grounded. The source of the electron beam is a point cathode 1, located at a distance normal to the lower electrode of the main capacitor b 1 = 0.4a. The initial inlet angle of the central beam path θ = 30 °, the angle of the beam solution is selected within ± α = (0.25 ÷ 1) °. The focal line is located at an angle β = 12 ° to electrode 2, and the focus point of the paths of the medium-energy beam is separated from it by a normal distance b 2 = 0.43a. The gap in the first electrode of the additional capacitor for the passage of the electron beam is located at a distance normal to the plane of the first electrode of the main capacitor b 3 = 0.39a. For the average beam energy chosen by the author equal to 15 eV, the potential at the second electrode of the main capacitor is 10 V based on the ratio between them equal to 3/2, and the ratio of the potential difference between the electrodes of the additional and main capacitors, necessary for monochromatization of the electron beam, determined from the relation E m / E 0 = ctgθ / [2 (1 + cos2θ)], equal to 0.23. Moreover, in the proposed device for the aforementioned beam solution angles, its size (relative to a) in the dispersion plane on the focal line in the space between the electrodes of the second capacitor is g / a = (2 ÷ 7) 10 -3 , and in the plane perpendicular to the plane variance, h / a = (3.5 ÷ 14.1) 10 -2 .
Степень монохроматизации электронного пучка (уменьшение энергетического разброса) определяется как отношение его начального разброса по энергии к конечному: G=Δεo/Δε. Численные расчеты по определению конечного разброса по энергии в пучке были проведены при изменении начальной энергии в пределах Δεo/εo=±0.01. При указанных выше геометрических и электрических параметрах устройства уменьшение энергетического разброса на линии фокусов для центральных траекторий пучков различных энергий G=20. Уменьшение энергетического разброса для электронных пучков с начальными углами раствора α=±0.25° равно G=10, с углами раствора α=±0.5° G=5, a при α=±1° G=3.The degree of monochromatization of the electron beam (decrease in energy spread) is defined as the ratio of its initial energy spread to the final one: G = Δε o / Δε. Numerical calculations to determine the final energy spread in the beam were performed with a change in the initial energy within Δε o / ε o = ± 0.01. With the above geometric and electrical parameters of the device, a decrease in the energy spread on the focal line for the central paths of beams of different energies G = 20. The decrease in the energy spread for electron beams with initial solution angles α = ± 0.25 ° is equal to G = 10, with solution angles α = ± 0.5 ° G = 5, and for α = ± 1 ° G = 3.
Численные расчеты в предлагаемой конкретной системе из плоских электродов показали, что энергетический разброс на линии фокусов уменьшился в 20 раз по сравнению с начальным разбросом. Начальный разброс по энергии в пучке связан с тепловым разбросом термокатода, с неодинаковым потенциалом на катоде в области эмиссии, а также с наличием вторичных электронов из-за соударений первичных электронов с электродами пушки, и равен (0.3÷0.6) эВ.Numerical calculations in the proposed specific system of flat electrodes showed that the energy spread on the focus line decreased by 20 times compared to the initial spread. The initial energy spread in the beam is related to the thermal spread of the thermal cathode, to the unequal potential on the cathode in the emission region, and also to the presence of secondary electrons due to collisions of primary electrons with the gun electrodes, and is equal to (0.3 ÷ 0.6) eV.
Таким образом, результатом является получение в предлагаемом устройстве монохроматического пучка электронов с уменьшенным конечным разбросом по энергии, равным (20÷30) мэВ.Thus, the result is the obtaining in the proposed device a monochromatic electron beam with a reduced final energy spread equal to (20 ÷ 30) meV.
Светосила, характеризующая пропускную способность системы и определяемая величиной телесного угла в процентах от 4π, Ω=(αγ/π)100%, где α и γ - углы полураствора пучка на входе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, существенно больше, чем у прототипа. Расчеты автора показали, что при одинаковых габаритах предлагаемого устройства и прототипа, а также равных размерах сфокусированного пятна (от которого напрямую зависит степень монохроматизации электронного пучка) светосила предлагаемого в примере устройства для вышеуказанных углов раствора пучка в 3÷5 раз больше, чем у прототипа.The luminosity characterizing the throughput of the system and determined by the value of the solid angle as a percentage of 4π, Ω = (αγ / π) 100%, where α and γ are the angles of the half-beam at the entrance to two mutually perpendicular planes, are significantly larger than that of the prototype. The author’s calculations showed that with the same dimensions of the proposed device and prototype, as well as equal sizes of the focused spot (on which the degree of monochromatization of the electron beam directly depends), the aperture of the beam proposed in the example of the above beam solution angles is 3 ÷ 5 times greater than that of the prototype.
Следует также отметить, что в предлагаемом устройстве вблизи линии фокусов имеется область, в которой энергетический разброс в пучке уменьшается. Расчеты для указанного в примере устройства показали, что благодаря острой фокусировке в плоскости дисперсии внутри области, расположенной на расстоянии ±0.005 а от линии фокусов, степень монохроматизации увеличивается в три - четыре раза. Это обеспечивает дополнительное увеличение светосилы предлагаемой системы.It should also be noted that in the proposed device near the focus line there is a region in which the energy spread in the beam decreases. Calculations for the device indicated in the example showed that due to the sharp focusing in the dispersion plane inside the region located at a distance of ± 0.005 a from the focus line, the degree of monochromatization increases by three to four times. This provides an additional increase in the aperture ratio of the proposed system.
Пример 2.Example 2
Определены параметры предлагаемого устройства аналогичной примеру 1 геометрии для заявленного нижнего предела изменения углов входа центральной траектории электронного пучка. Для угла θ=25° светосила предлагаемого устройства в 2.2 раза больше, чем у прототипа.The parameters of the proposed device similar to the geometry example 1 for the declared lower limit of the change in the angles of entry of the central path of the electron beam are determined. For the angle θ = 25 °, the aperture of the proposed device is 2.2 times greater than that of the prototype.
Пример 3.Example 3
Определены параметры предлагаемого устройства аналогичной примеру 1 геометрии для заявленного верхнего предела изменения углов входа центральной траектории электронного пучка. Для угла θ=35° светосила в 2.7 раза больше, чем у прототипа.The parameters of the proposed device similar to the geometry example 1 for the declared upper limit of the change in the angles of entry of the central path of the electron beam are determined. For the angle θ = 35 °, the aperture is 2.7 times larger than that of the prototype.
Предлагаемое устройство имеет преимущества перед прототипом (монохроматор из цилиндрических электродов), т.к. оноThe proposed device has advantages over the prototype (monochromator of cylindrical electrodes), because it
обеспечивает:provides:
- увеличение в 2÷5 раз светосилы за счет острой фокусировки электронных пучков (из-за отсутствия, либо малой величины аберраций второго порядка) при угле впуска центральной траектории пучка в диапазоне 25°≤θ≤35°;- an increase of 2 ÷ 5 times the aperture due to the sharp focusing of electron beams (due to the absence or small amount of second-order aberrations) at an inlet angle of the central beam path in the range of 25 ° ≤θ≤35 °;
- возможность использования электродов дополнительного конденсатора не только для создания компенсирующего поля, но и в качестве элементов ионно-оптических систем в источниках ионов различных устройств;- the possibility of using electrodes of an additional capacitor not only to create a compensating field, but also as elements of ion-optical systems in the ion sources of various devices;
- возможность избавления от электронов с недопустимо большим разбросом по энергии за счет изменения размера щели (у прототипа в рабочей области - пространстве внутри апертуры первого и второго цилиндрических конденсаторов - нельзя устанавливать ограничительные щели, вырезающие электроны нужных энергий).- the ability to get rid of electrons with an unacceptably large spread in energy due to a change in the size of the gap (for the prototype in the working area — the space inside the aperture of the first and second cylindrical capacitors — you can’t install restrictive slots cutting out the electrons of the required energies).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009143566/22U RU93581U1 (en) | 2009-11-24 | 2009-11-24 | MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009143566/22U RU93581U1 (en) | 2009-11-24 | 2009-11-24 | MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93581U1 true RU93581U1 (en) | 2010-04-27 |
Family
ID=42673199
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009143566/22U RU93581U1 (en) | 2009-11-24 | 2009-11-24 | MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU93581U1 (en) |
-
2009
- 2009-11-24 RU RU2009143566/22U patent/RU93581U1/en active IP Right Revival
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7589319B2 (en) | Reflector TOF with high resolution and mass accuracy for peptides and small molecules | |
| WO2006130149A2 (en) | Mass spectrometer and methods of increasing dispersion between ion beams | |
| RU2345441C2 (en) | Mass spectrometer and appropriate ioniser and methods | |
| EP2943970A1 (en) | Mass spectrometer with optimized magnetic shunt | |
| US10930487B2 (en) | Double bend ion guides and devices using them | |
| JP2018514909A (en) | Apparatus for mass spectrometry of analytes by simultaneous positive and negative ionization | |
| JPH0378742B2 (en) | ||
| Sigaud et al. | A novel double-focusing time-of-flight mass spectrometer for absolute recoil ion cross sections measurements | |
| US20240136167A1 (en) | Mass spectrometer and method | |
| US20120312984A1 (en) | Mass Spectrometry for Gas Analysis with a One-Stage Charged Particle Deflector Lens Between a Charged Particle Source and a Charged Particle Analyzer Both Offset from a Central Axis of the Deflector Lens | |
| US20240290605A1 (en) | Mass spectrometer and method | |
| US8450681B2 (en) | Mass spectrometry for gas analysis in which both a charged particle source and a charged particle analyzer are offset from an axis of a deflector lens, resulting in reduced baseline signal offsets | |
| RU93581U1 (en) | MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY | |
| RU87565U1 (en) | PHOTOEMISSION ELECTRON SPECTROMETER | |
| US12051584B2 (en) | ION interfaces and systems and methods using them | |
| RU2294579C1 (en) | Analyzer of energies of charged particles | |
| US8796638B2 (en) | Mass spectrometry for a gas analysis with a two-stage charged particle deflector lens between a charged particle source and a charged particle analyzer both offset from a central axis of the deflector lens | |
| Yang et al. | Research on a miniature Mattauch-Herzog mass spectrometer designed for space exploration | |
| Zavilopulo et al. | An upgraded ion source for a mass spectrometer | |
| EP1051735A2 (en) | Charged particle energy analysers | |
| RU2327246C2 (en) | Electrostatic energy analyser for parallel stream of charged particles | |
| Bhatia et al. | A novel variable dispersion zoom optics for isotope ratio sector field mass spectrometer | |
| US20240404810A1 (en) | Mass spectrometer and method | |
| RU136921U1 (en) | MODULE FOR ANALYSIS OF THE COMPOSITION OF NANO-LAYERS | |
| US6818887B2 (en) | Reflector for a time-of-flight mass spectrometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20131125 |
|
| NF1K | Reinstatement of utility model |
Effective date: 20160227 |