Компьютерное моделирование энергоанализатора

Тема работы: Компьютерное моделирование энергоанализаторо с помощью программы «Фокус» осесимметричных электронно- оптических схем.

Цель работы: Получение компьютерной модели комбинированного энергоанализатора на основе электростатических гиперболического и цилиндрического зеркал. Расчет электронно-оптических параметров предлагаемого энергоанализатора. Практическое освоение этапов компьютерного моделирования.

Чтобы осущесвить цель:

1. Было проведено теоретическое исслдование электронно-оптических свойств энергоанализаторов.

2. Изучено и освоено численной программы «Фокус».

3. Для вычислений использовалась программа «Фокус» для численных расчетов аксиально-симметричных полей и движения заряженных частиц в них.

І. Теоретическая часть

Ответим на вопрос:Что такое энергоанализатор пучков заряженных частиц и для чего используется?

В иссделованиях поверхности твердых тел, например чтобы получать информацию о химическом составе, кристаллической структуре и распределении примеси широкое распрстранение получили методы электронной спектроскопии, основанные на энергн тическом анализе электронов.

Наиболее совершенными приборами для изучения энергетических спектров электронных потоков малых и средних энергий являются энергоанализаторы с электростатическими системами отклонения. Хорошие электронно-оптические параметры этих приборов позволяют с высокой точностью и большой чувствительностью регистрировать энергетические распределения в пучках заряженных частиц.

Работа дисперсионных энергоанализаторов основана на свойстве магнитных и электростатических полей отклонять и фокусировать пучки частиц в зависимости от их импульса и энергии. Еще раз подчеркну, энергоанализатор- это устройство позволяющее определять плотность тока заряженных частиц с энергиями в выбранном интервале от Е до Е+ ∆Е.

Энергоанализатор пучков заряженных частиц состоят источника заряженных частиц (исследуемого образца) , источника ионизирующегео излучения

( электронную пушку), анализирующий блок из наружного цилиндрического электрода , внутреннего цилиндрического электрода с входным и выходным

апературными кольцевыми окнами, коллектора заряженных частиц (регистри- рующего устройство) и защитного электромагнитного экрана. Для анализа поверхностей требуется сверхвысокий вакуум ( порядка 10^-9 - 10^-10 мм рт столба)

Рис. 1. Стандартная схема эксперимента по измерению

энергетических спектров электронов и легких ионов

Для анализа пригодны лишь те электроны , вышедшее из твердого тела, которое не потеряли энергию на своем пути в результате многократных хаотических неупругих столкновений. Электроны, возбужденные на достаточно большой глубине от поверхности в результате многократных неупругих столкновний потеряют всю свою энергию и останутся в твердом теле. Поэтому требуется использования очень тонких слоев исследуемых веществ и спектраль- ных приборов с большой хроматической разрешающей способностью.

Энергоанализатор работает следующим образом.
Расходящийся от источника пучок заряженных частиц через входное кольцевое окно попадает в область анализирующего тормозящего поля между цилиндрическими электродами , где происходит анализ частиц по энергиям. Отклоненные полем заряженные частицы выходят из области поля через выходное кольцевое окно. Пройдя через выходную диафрагму, частицы попадают в коллектор регистрирующего устройства и регистрируются. На рисунке показаны крайние траектории заряженных частиц и оптическая ось анализатора.

Основным элементом электростатического энергоанализатора отклоняющего типа является конденсатор, представляющий собой систему электродов, на которые поданы соответствующие потенциалы.

Существует два типа электростатических отклоняющих энергоанализаторов: дефлекторные и зеркальные. В дефлекторных анализаторах осевая траектория анализируемого пучка лежит на одной из эквипотенциальных поверхностей отклоняющего поля и движение заряженных частиц по осевой траектории осуществляется с постоянной кинетической энергией. В зеркальных анализаторах заряженные частицы движутся под некоторым углом к системе эквипотенциаль- ных поверхностей отклоняющего поля, которое тормозит или ускоряет пучок заряженных частиц, изменяя направление так, чтобы частицы испытывали отражение.

Электростатические эноргоанализаторы зеркального типа можно разделить на два типа: плоскосимметричные и оссемметричные.

К плоскосимметричным относятся анализаторы типа плоское зеркало, гиперболические и элипсоидальное зеркала, а также клиновидные анализаторы.

К осессиметричным энергоанализатором относятся анализаторы типа цилиндрического, сферического и конического зеркал. К преиумуществу плоскосимметричных энергоанализаторов относятся удобства расположения источника заряженных частиц системами его возбуждения и детектора, в то время как, осесисимметричные обладают более высокой светосилой.

П Экспериментальная часть

Теперь переходим как было проведено компьютерное моделирование энергоанализаторв с помощью программы «Фокус».

Поэтапно было проведено компютерные моделирования

1. анализатора на основе цилиндрического зеркало

2. анализатора на основе геперболического зеркало

3. комбинированного анализатора на основе геперболического и цилиндрического зеркал.

Рассмотрим каждого отдельно.

Цилиндрическое электростатическое зеркало

Более перспективным оказался электростатический энергоанализатор типа цилиндрического зеркала (ЦЗ). Данный анализатор имеет высокие параметры (светосилу, разрешение, дисперсию) и сравнительно прост по конструкции.

Было показано, что в действительности анализатор на основе ЦЗ может фокусировать пучок заряженных частиц с точностью до квадрата угла его расходимости. На рисунке 2 показон схематическое изображение энергоанализаторов типа «цилиндрическое зеркало».

1 - образец, 2 - внутренний цилиндр, 3 - внешний цилиндр, 4 - окна для входа и выхода электронов, 5 - коллектор, 6 - магнитный экран

Рис. 2.

На рисунке 3а приведена схема (верхняя часть продольного сечения конструкции) цилиндрического зеркала с тремя парами корректирующих колец. Радиусы внутреннего электрода цилиндрического зеркала равен 1, внешнего электрода 2,5. Внутренний электрод цилиндрического зеркала под нулевым потенциалом. Потенциал внешнего электрода цилиндрического зеркала равен 1.

Для коррекции краевого поля с торцов цилиндров размещены корректирующие кольца с подачей на них потенциалов в долях от потенциала внешнего цилиндра V. В случае трех пар корректирующих колец их потенциалы выбраны следующими: 0.25V, 0.5V и 0.75V. Таким образом, между цилиндрами формируется анализирующее поле.

На рисунке 3б приведено трехмерное изображение конструкции цилиндрического зеркального анализатора.

а) б)

Рис. 3. Схема (а) и трехмерное изображение (б) цилиндрического зеркала

На рисунке 4а показана функция распределения поля в электронно-оптической схеме цилиндрического зеркального анализатора. Здесь произведено вычисление значений потенциалов в узлах сетки разбиения области и закрашивание поля вывода цветом, в каждой точке который соответствует величине потенциала - чем больше потенциал, тем «теплее» цвет.

На рисунке 4б показано трехмерное изображение картины электростатического поля сечения электронно-оптической системы цилиндрического зеркального анализатора.

а) б)

Рис.4. Функция распределения поля (а) и трехмерное изображение картины электростатического поля (б) сечения ЦЗА

Цилиндрическое зеркало обеспечивает режим угловой фокусировки второго порядка. При этом режим фокусировки типа «ось-ось» (режим, когда изображение точечного осевого источника также располагается на оси симметрии системы) обеспечивается вблизи траектории с начальным углом ₀42⁰ и начальной энергией частиц E₀/V=1.3098/ln(R₂/R₁), где R₁ и R₂ - радиусы внутреннего и внешнего цилиндров.

На рисунке 5а приведено множество траекторий частиц с энергией Е=1,43 вылетающих из точечного источника с координатами X, Y в диапазоне начальных углов в цилиндрическом анализаторе с фокусировкой типа «ось-ось». Источник заряженных частиц и коллектор расположены на оси симметрии. Диапазон углов входа в поле ЦЗ 35⁰-47⁰. Шаг изменения угла входа в ЦЗА 1⁰. На рисунке 5б приведен внешний вид (НИТИ, Рязань) цилиндрического зеркального энергоанализатора.

а) б)

Рис. 5. Траектории заряженных частиц (а) и внешний вид (б) ЦЗА

2.2 Гиперболическое электростатическое зеркало

На втором этапе работы проведено моделирование гиперболического зеркального энергоанализатора с помощью программы «ФОКУС» моделирования осесимметричных электронно-оптических схем. Анализатор имеет заземленный угловой электрод и цилиндрический электрод с гиперболическим сечением, на который подается фиксированный тормозящий потенциал. Он работает в режиме спектрографа следующим образом. Коллимированные пучки ионов через относительную широкую входную апертуру (не щелевую) попадают в анализатор и фокусируются в различные точки (в зависимости от отношения энергии иона к заряду) вдоль прямоугольных позиционно- чувствительных детекторов.

На рисунке 6а приведена схема (верхняя часть продольного сечения конструкции) гиперболического зеркала. Гиперболическое зеркало формируется коническими электродами, находящимися под нулевым потенциалом и электродом гиперболической формы, имеющим потенциал, одноименный заряду частиц. Асимптоты гиперболического электрода имеют угол β=arctg √2= 54,4⁰. Отмеченные параметры являются определяющими для задания геометрических параметров электродов. Потенциал гиперболического электрода равен 1.

На рисунке 6б приведено трехмерное изображение гиперболического зеркала.

а) б)

Рис. 6. Схема (а) и трехмерное изображение (б) гиперболического зеркала

На рисунке 7а показана функция распределения поля в электронно-оптической схеме гиперболического зеркала. Здесь произведено вычисление значений потенциалов в узлах сетки разбиения области и закрашивание поля вывода цветом, в каждой точке который соответствует величине потенциала - чем больше потенциал, тем «теплее» цвет.

Рисунок 7б представляет трехмерное изображение картины электростатического поля сечения электронно-оптической системы гиперболического зеркала.

На рисунке 8 приведено множество траекторий заряженных частиц с энергией Е=1, вылетающих из точечного источника с координатами X, Y в диапазоне начальных углов в гиперболическом зеркале с фокусировкой типа «ось-кольцо».

а) б)

Рис.7. Функция распределения поля (а) и трехмерное изображение картины электростатического поля сечения (б) гиперболического зеркала

Рис. 8. Траектории заряженных частиц в гиперболическом зеркале

2.3 Компьютерное моделирование комбинированного энергоанализатора на основе гиперболического и цилиндрического зеркал

В исследованиях были рассмотрены электронно-оптические свойства комбинированной системы, построенной из последовательно расположенных цилиндрического и гиперболического зеркал. В результате выполненных расчетов была установлена возможность реализации режима угловой фокусировки первого порядка и определены условия увеличения угловой дисперсии по энергии, которая приводит к улучшению разрешающей способности прибора. Установлено, что выбранная геометрия прибора и малая степень фокусировки позволяют регистрировать только узкие пучки заряженных частиц

Далее проведено моделирование электронно-оптической схемы комбинированного энергоанализатора, на основе электростатических полей гиперболического и цилиндрического зеркал с помощью программы «Фокус» моделирования осесимметричных электронно-оптических схем с произвольной конфигурацией электродов.

Анализатор состоит из точечного источника, последовательно расположенных зеркал с гиперболическим и цилиндрическим распределением полей и детектора.

На рисунке 10 представлена схема (верхняя часть продольного сечения конструкции) комбинированного энергоанализатора, на основе двух электростатических полей. Общая протяженность электронно-оптической системы - 12,1. Электроды выбраны прозрачными для прохождения заряженных частиц.

Рис. 10. Продольное сечение верхней части конструкции

На рисунке 11 приведено трехмерное изображение конструкции электронно-оптической схемы комбинированного анализатора.

На рисунке 12 изображено распределение электрического поля в электронно-оптической схеме комбинированного энергоанализатора. Здесь произведено вычисление значений потенциалов в узлах сетки разбиения области и закрашивание поля вывода цветом, в каждой точке который соответствует величине потенциала - чем больше потенциал, тем «теплее» цвет.

.

Рис. 11. Трехмерное изображение конструкции электронно-оптической схемы комбинированного анализатора

Рис.12. Распределение поля в комбинированном энергоанализаторе

На рисунке 13 приведено трехмерное изображение сечения электростатического комбинированного поля.

Рис. 13. Трехмерное изображение сечения электростатического комбинированного поля

Рисунок 14 представляет ход траектории заряженных частиц в рассматриваемой электронно-оптической системе комбинированного энергоанализатора.

Рис.14. Траектории движения заряженных частиц в комбинированном энергоанализаторе

Энергия заряженных частиц, точнее отношение энергии заряженной частицы к потенциалу электрода E/V = 1, где V - максимальный из потенциалов электродов системы. Энергия частицы, точнее отношение энергии заряженной частицы к потенциалу электрода - 1.

Результаты траекторного анализа системы комбинированного зеркального анализатора, проведенного с помощью программы «Фокус» следующие:

- угол выхода из ГЗ - α₁ = 36.92⁰,

- продольные координаты входа и выхода траекторий в поле ГЗ: Z₁ = 0.113, Z₂ = 1.153, проекция траектории в поле ГЗ - l_гз =1.04,

- проекция траектории в поле ЦЗ - l_цз = 6.23,

- полная проекция траектории в системе зеркал l=9.427.

При увеличении энергии частиц на 5%, полная проекция траектории составило l_e=9.705. Отсюда Δl=0.278.