2.7.2. Энергоанализатор

Энергоанализатор необходим для того, чтобы измерять число фотоэлектронов в зависимости от их энергии. Анализатор электронов может быть либо магнитным, либо электростатическим, он должен находиться в условиях СВВ и быть изолированным от внешних магнитных и электрических полей (в том числе от магнитного поля Земли). В электростатических энергоанализаторах внешние магнитные поля устраняют при помощи специальных экранов.

Энергоанализаторы могут иметь различную геометрию. В большинстве электронных спектрометров используют электростатические энергоанализаторы. Они могут быть разделены на два класса: анализаторы отклоняющего типа и анализаторы задерживающего поля.

В анализаторах отклоняющего типа регистрируются только электроны, кинетическая энергия которых лежит в пределах узкого диапазона энергий. Выделение электронов с нужной энергией производится путем использования геометрии, в которой только электроны с определенной энергией проходят по заданной траектории к детектору электронов. Это достигается путем приложения электростатического поля в направлении, перпендикулярном к направлению движения электронов. Наиболее распространенными анализаторами отклоняющего типа являются концентрический полусфери-

ческий анализатор, анализатор типа «цилиндрическое зеркало»,

анализатор типа «сферическое зеркало» и 127°-градусный сектор-

ный цилиндрический анализатор [5, 19].

Анализаторы задерживающего поля работают путем отсече-

ния электронов с кинетической энергией меньше, чем eV0 , где V0

– напряжение, прикладываемое к задерживающему электроду. Наиболее распространенный тип анализатора задерживающего по-

ля – это четырехсеточный анализатор, который обычно исполь-

зуют в установках по ДМЭ. Его описание приведено в разделе 5.4. Другим примером анализатора задерживающего поля является без-

дисперсионный энергоанализатор.

Далее будут рассмотрены три наиболее широко используемых типа энергоанализаторов.

108

Концентрический полусферический анализатор

Данный тип анализатора называют еще электростатическим полусферическим анализатором или сферическим отклоняющим анализатором. Схема устройства полусферического анализатора приведена на рис.2.38.

Основными элементами анализатора являются два электрода в виде концентрических полусфер. На внешнюю полусферу относительно внутренней полусферы подается отрицательный потенциал, создающий в пространстве между ними электростатическое поле.

Рис. 2.38. Схема устройства концентрического полусферического анализатора. R – радиус траектории движения электронов в электрическом поле, создаваемом разностью потенциалов, подаваемой на внешний и внутренний полусферические электроды с расстоянием между ними R [7]

Перед входом в анализатор электроны проходят через систему электростатических линз, формирующих тормозящее поле. Входящие в анализатор электроны под действием электростатического поля движутся по круговой траектории с радиусом R. При заданной геометрии анализатора кинетическая энергия фотоэлектрона KE, прошедшего через анализатор, определяется разностью потенциалов на электродах ϕ :

	KE =	e ϕR	,	(2.82)
		2 R

где R – расстояние между полусферическими электродами. Регистрация спектра происходит путем изменения напряжения, прикладываемого к электродам таким образом, чтобы через выходную щель анализатора на детектор последовательно проходили электро-

109

ны с разной энергией. Такой режим работы анализатора называется режимом с постоянным коэффициентом замедления. В другом режиме работы анализатора, называемом режимом с постоянной энергией пропускания, на электроды анализатора подается постоянная разность потенциалов, но варьируется электрическое поле, тормозящее электроны на входе в анализатор. Фотоэлектроны замедляются в этом поле и через анализатор проходят только те электроны, скорость которых соответствует условию (2.82).

Полусферический анализатор является пространственно фокусирующим: точечный источник электронов изображается в виде точки на выходе анализатора.

Важной характеристикой анализатора является его разрешающая способность:

RE = KE / KE ,

где KE – минимальная разница кинетической энергии электронов, линии которые еще могут быть разрешены в спектре, КЕ – среднее значение кинетической энергии электронов (обычно KE >> KE ). Разрешающая способность полусферического анализатора определяется радиусом R, шириной S входной и выходной щелей анализатора и углом разброса входящего в анализатор элек-

	тронного пучка (углом сбора электронов) α : RE			=	2R
					S + R(α / 2)2
	[19].		При типичных значениях параметров анализатора R =127
	мм,	S =1 мм и α = 3°, его разрешающая способность составляет
	RE	≈190 . В то же время для измерения типичных сдвигов энергии
	связи		E ~ 0.1 эВ при кинетической энергии	фотоэлектронов
	KE ~ 1 кэВ необходимо наличие анализатора с			RE ≈104 . Дости-

жение такой разрешающей способности требует слишком малого угла сбора электронов и ширины щелей анализатора. Поэтому на практике перед входной щелью анализатора обычно устанавливается блок замедления, уменьшающий кинетическую энергию фотоэлектронов до величины ~10 эВ. В этом случае KE / KE ~ 10 / 0.1 ~ 100 и имеющейся разрешающей способности анализатора оказывается достаточно для измерения сдвигов энергии.

110

Анализатор типа «цилиндрическое зеркало»

Энергоанализатор типа цилиндрического зеркала состоит из двух коаксиальных цилиндров. Исследуемый образец и детектор электронов расположены на оси цилиндров (рис.2.39 [7]). Внутренний цилиндр остается заземленным, а на внешний подается отрицательный потенциал. Разность потенциалов между внутренним и внешним цилиндрами создает радиальное поле, тормозящее электроны. Входная и выходная щели анализатора расположены на краях полого внутреннего цилиндра по его окружности. Благодаря своей осевой симметрии цилиндрическое зеркало действует как энергоанализатор с пространственной фокусировкой.

Рис. 2.39. Схема устройства анализатора типа «цилиндрическое зеркало». R1 и R2 – радиусы внутреннего и внешнего цилиндрических электродов [7]

Как показано на рис.2.39, фотоэлектроны замедляются в тормозящем поле полусферических сеток, входят через входную щель в анализатор под углом 42.3 ± 6° и отклоняются в радиальном поле между цилиндрами. Далее они проходят через выходную щель и попадают на детектор. При заданных параметрах через анализатор пройдут только электроны с определенной кинетической энергией. Экран на оси внутреннего цилиндра не дает электронам проходить прямо от образца к детектору. Для получения спектра можно либо изменять потенциал на внешнем цилиндре, либо тормозящее поле. Разрешающая способность анализатора типа цилиндрического зеркала определяется шириной щели S и радиусом внутреннего ци-

линдра R1 согласно выражению RE ≈ 5.56R1 / S [19]. По сравне-

нию с полусферическим анализатором, анализатор типа цилиндрического зеркала характеризуется более высокой пропускной способностью, а следовательно – чувствительностью вследствие большого угла сбора электронов ( ± 6°), однако обладает меньшей раз-

111

решающей способностью. В силу этого анализаторы такого типа чаще всего используются в оже-электронной спектроскопии.

Бездисперсионный энергоанализатор

В бездисперсионном энергоанализаторе, схема которого представлена на рис.2.40, имеются два сферически-симметричных тормозящих поля. Первое из них служит отражательным фильтром, который отражает только медленные электроны, а второе – фильтром, пропускающим только электроны большой энергии. Полоса отражения первого из них перекрывается с полосой пропускания второго в небольшом энергетическом интервале, которым, как показано в верхней части рис.2.40, и определяется полоса пропускания энергоанализатора.

Рис. 2.40. Схема устройства бездисперсионного энергоанализатора и зависимость коэффициента отражения фильтра низких энергий и коэффициента пропускания фильтра высоких энергий от кинетической энергии электронов. Перекрытие полос отражения и пропускания фильтров определяют полосу пропускания анализатора

[7]

Покинувшие образец фотоэлектроны предварительно тормозятся до скоростей, соответствующих полосе пропускания анализатора. Пройдя плоскопараллельный анализатор низкого разрешения, расположенный под углом 45о к падающему пучку, электроны с энергией в выделенном интервале отклоняются и через входную

112