Введение к работе
Актуальность работы
Методы электронной спектроскопии постепенно занимают лидирующее положение в современной диагностике вещества в твердой, жидкой и газообразной фазе. Возбуждая вещество потоками электронов или ионов, лазерным излучением и рентгеновским излучением, как отклик мы получаем потоки вторичных электронов, энергетический спектр которых вместе с особенностями его в зависимости от угла вылета и места рождения несет физическую информацию о химическом составе вещества, электронной структуре, кристаллической природе, топографии поверхности, о характере процессов в приповерхностной области и т.п.
Долгое время основным инструментом электронной спектроскопии были энергоанализаторы на основе полей сферического, плоского и цилиндрического конденсаторов в различных вариантах, здесь и тормозящие интегрирующие системы (сфера Лукирского), и дефлекторы, например, сферический и Юза-Рожанского, и зеркала: плоское, сферическое, цилиидрическое и ряд более специальных структур, например, тороидальный конденсатор. Все эти системы можно назвать традиционными. Обычно они имеют фокусировки I и П порядка, энергетическую дисперсию примерно равную базе прибора - расстоянию между образцом и детектором - и, как показывают рекламные проспекты приборостроительных фирм, относительное разрешение ДЕ/Е без предварительного торможения пучка редко превосходит 0.1%, обычно 0.2+0.5% при светосиле не выше 7% от полиой сферы.
Такое положение дел перестало удовлетворять спектроскопистов, особенно в условиях высокоточного энергоанализа по растровой методике, когда площадь электронного зонда очень мала и на счету буквально каждый вторичный электрон. Попытки поднять уровень фокусировки и дисперсии за счет нагромождения многокаскадных схем и оптимизации приборов с помощью компьютерных расчетов пока не привели к ощутимому успеху. Желанный прорыв можно осуществить только на путях строго математического синтеза
полевых структур на основе аналитических алгоритмов и обратных задач динамики частиц в полях.
Такие новые подходы были разработаны на кафедре физической электроники СПбГТУ в лаборатории корпускулярной оптики, где сделана даішая работа, и привели к появлению целого ряда новых оригинальных электродных конфигураций, обладающих высоким качеством фокусировки и большим запасом энергетической дисперсии. Эти новые системы "Тутанхамон", "Квазикон", "Арка" уже послужили основой новых энергоанализаторов, превосходящих традиционные по ряду параметров и уже реализованных на практике. Однако общая теория синтеза осесимметричных систем с заданным сочетанием фокусирующих и дисперсионных характеристик натолкнулась на ряд математических и принципиалышх физических трудностей. Так оказалось, что по сравнению с системами с плоскостью симметрии, в меридиональной плоскости очень трудно совместить рекордные уровни фокусировки с реализацией большой линейной энергетической дисперсии.
Актуальность данной темы обусловлена настоятельными запросами современного научного приборостроения и внутренними противоречиями классической электронной оптики, неспособной эффективно решать задачи фокусировки пучков с очень большим угловым разбросом в меридиональной плоскости. Только разработка гибкой аналитико-компыотерной стратегии поиска фокусирующих систем способна поднять энергоанализ на более высокий уровень.
Целью работы является разработка новых потенциальных базисов для синтеза осесимметричных электродных конфигураций с заданными свойствами геометрии, разработка нового способа подавления краевых эффектов, определение эффективных полевых структур для энергоанализа, оптимизация их рабочих характеристик и разработка нового принципа построения двухкаскадных схем с полной компенсацией сферической аберрации.
1 Актуальность работы
Методы электрошюй спектроскопии постепенно затшают лидирующее положение в современной диагностике вещества в твердой, жидкой и газообразной фазе. Возбуждая вещество потоками электронов или ионов, лазерным излучением и рентгеновским излучением, как отклик мы получаем потоки вторичных электронов, эпергетический спектр которых вместе с особенностями его в зависимости от угла вылета и места рождения несет физическую информацию о химическом составе вещества, электронной структуре, кристаллической природе, топографии поверхности, о характере процессов в приповерхностной области и т.п.
Долгое время основным инструментом электронной спектроскопии были энергоанализаторы на основе полей сферического, плоского и цилиндрического конденсаторов в различных вариантах, здесь и тормозящие интегрирующие системы (сфера Лукирского), и дефлекторы, например, сферический и Юза-Рожанского, и зеркала: плоское, сферическое, цилиндрическое и ряд более специальных структур, например, тороидальный конденсатор. Все эти системы можно назвать традиционными. Обычно они имеют фокусировки I и П порядка, энергетическую дисперсию примерно равную базе прибора - расстоянию между образцом и детектором - и, как показывают рекламные проспекты приборостроительных фирм, относительное разрешение ДЕ/Б без предварительного торможения пучка редко превосходит 0.1%, обычно 0.2^-0.5% при светосиле не выше 7% от полной сферы.
Такое положение дел перестало удовлетворять спектроскопистов, особенно в условиях высокоточного энергоанализа по растровой методике, когда площадь электронного зонда очень мала и на счету буквально каждый вторичный электрон. Попытки поднять уровень фокусировки и дисперсии за счет нагромождения многокаскадных схем и оптимизации приборов с помощью компьютерных расчетов пока не привели к ощутимому успеху. Желанный прорыв можно осуществить только на путях строго математического синтеза
полевых структур на основе аналитических алгоритмов и обратных задач динамики частиц в полях.
Такие новые подходы были разработаны на кафедре физической электроники СПбГТУ в лаборатории корпускулярной оптики, где сделана данная работа, и привели к появлению целого ряда новых оригинальных электродных конфигураций, обладающих высоким качеством фокусировки и большим запасом энергетической дисперсии. Эти новые системы "Тутанхамон", "Квазикон", "Арка" уже послужили основой новых энергоанализаторов, превосходящих традиционные по ряду параметров и уже реализованных на практике. Однако общая теория синтеза осесимметричных систем с заданным сочетанием фокусирующих и дисперсионных характеристик натолкнулась на ряд математических и пршщипиалышх физических трудностей. Так оказалось, что по сравнению с системами с плоскостью симметрии, в меридиональной плоскости очень трудно совместить рекордные уровни фокусировки с реализацией большой линейной энергетической дисперсии.
Актуальность данной темы обусловлена настоятельными запросами современного научного приборостроения и внутренними противоречиями классической электронной оптики, неспособной эффективно решать задачи фокусировки пучков с очень большим угловым разбросом в меридиональной плоскости. Только разработка гибкой аналитико-компыотерной стратегии поиска фокусирующих систем способна поднять энергоанализ на более высокий уровень.
Целью работы является разработка новых потенциальных базисов для синтеза осесимметричных электродных конфигураций с заданными свойствами геометрии, разработка нового способа подавления краевых эффектов, определение эффективных полевых структур для энергоанализа, оптимизация их рабочих характеристик и разработка нового принципа построения двухкаскадных схем с полной компенсацией сферической аберрации.
Научная новизна результатов
В работе развиваются новые математические подходы к синтезу энергоанаггазируюшлх полевых структур, оптимизируются электронно-оптические характеристики новых энергоанализаторов, предлагается способ подавления краевых эффектов и разрабатываются приемы синтеза двухкаскадных систем с компенсированными аберрациями.
На зашиту выносятся следующие положения:
Новый способ синтеза базиса осесимметричных лапласовых потенциалов с кольцевыми особенностями.
Теория нового базисного ряда элементарных гармонических потенциалов с логарифмической особенностью.
Новый способ формирования краевых полей в энергоанализаторах.
4 Оптимизированные характеристики энергоаналюирующих систем с идеальной фокусировкой в плоскости симметрии и осесимметричной системы "Квазикон".
5. Новый способ полной компенсации сферической аберрации в двухкаскадных схемах электронных спектрометров.
Научная и практическая ценность работы
Все результаты работы направлены на синтез новых эффективных систем-электронной спектроскопии, конкретные результаты расчета уже нашли применение "в металле" - в реальных разработанных приборах. Новые математические методы имеют существенное теоретическое значение для электронной оптики в целом.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на двух всероссийских семинарах, на научных семинарах СП6ТТУ и ИАП РАН.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 4 работы, список которых приведен в конце автореферата.