Анализ энергии в электронной спектроскопии

Центральной частью любого спектрометра является энергоанализатор – устройство, позволяющее измерять число электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном интервале. В энергоанализаторах используются физические принципы, связанные с отклонением заряженных частиц в электростатическом или магнитном поле.

Двумя наиболее важными характеристиками энергоанализатора электронов являются его энергетическое разрешение и телесный угол W, в котором он принимает анализируемые электроны. Разрешение р определяется шириной щели и геометрическими факторами конструкции прибора. Оно связано с энергией Е и ее разбросом Dе_а для электронов, прошедших через энергоанализатор, следующим образом

(2)

Большинство систем работают при постоянном разрешении в ходе сканирования энергоанализатором спектра в исследуемом диапазоне энергий. Чувствительность анализатора определяется телесным углом (W/2p), поскольку 2p есть полный телесный угол для рассеяния электронов назад. В большинстве анализаторов увеличение чувствительности можно достичь только за счет уменьшения разрешающей силы.

Рис. 2. Схема секторного сферического анализатора

Сферический секторный ЭА (рис. 2) аналогичен оптической системе с призмой и линзой. Электроны с разной энергией разделяются при прохождении через область электрического поля. Электроны же с одинаковой энергией, входящие в анализатор под разными углами, фокусируются на выходной щели. В силу симметрии поля такой ЭА является пространственно фокусирующим: точечный источник электронов изображается в виде точки (без учета аберраций) на выходе анализатора. Поскольку у такого анализатора имеется определенная фокальная плоскость, на его выходе можно устанавливать многодетекторную систему. Спектр фотоэлектронов регистрируют, изменяя напряжение на сферических электродах анализатора таким образом, чтобы через выходную щель на приемник последовательно проходили электроны с разной энергией. Возможен и другой способ: на анализатор подают постоянное напряжение, а изменяют тормозящее поле. Фотоэлектроны замедляются в этом поле, и в приемник попадают только электроны со скоростями, соответствующими напряжению на секторах анализатора. При первом из этих двух способов получения спектра по­стоянна по спектру разрешающая способность, но меняется ширина пиков. При втором — постоянна ширина линий и больше чувствительность в области малых значений начальной кинетической энергии.

Рис. 3. Схема анализатора типа цилиндрическое зеркало.

Наибольшее распространение в электронных спектрометрах получил энергоанализатор типа цилиндрическое зеркало (АЦЗ). Анализатор этого типа состоит из двух коаксиальных полых металлических цилиндров (рис. 3). Во внутреннем цилиндре A имеются узкие прорези S₁ и S₂ для прохождения входящих и выходящих электронов соответственно. К внешнему цилиндру B прикладывается отрицательный по отношению к внутреннему цилиндру потенциал V_ab. В пространстве между цилиндрами электростатическое поле изменяется обратно пропорционально радиусу r:

(3)

здесь r_a и r_b – соответственно радиусы внутреннего и внешнего цилиндров.

Электроны, влетевшие в энергоанализатор от источника О с некоторой скоростью v₀ под углом влета θ, в результате отклонения от первоначальной траектории под действием электрического поля, будут двигаться по криволинейной траектории и сфокусируются на выходе в точке О₁, в которой располагается коллектор электронов, например, электронный умножитель.

Важнейшей характеристикой энергоанализатора является его разрешающая способность R. При конечной ширине щелей S₁ и S₂ АЦЗ будет пропускать электроны с угловым разбросом ±DQ и энергетическим разбросом DЕ.

Увеличить R можно уменьшением ширины щелей, однако при этом уменьшается чувствительность прибора, так как уменьшается доля электронов, достигающих детектора электронов. Пропускная способность анализатора, показывающая какая часть общего потока электронов, испускаемого источником, доходит до детектора, характеризуется светосилой энергоанализатора. Светосила определяется произведением площади сбора электронов на функцию пропускания энергоанализатора. Улучшить разрешающую способность анализатора без уменьшения его светосилы можно уменьшением энергии электронов Е, влетающих в анализатор. С этой целью перед входной щелью анализатора ставят замедляющие электроны сетки или систему электронных линз.

Рис. 4. Двухпролетный анализатор типа цилиндрическое зеркало.

Промышленные анализаторы, совмещающие высокую светосилу с достаточно хорошим разрешением, конструируют на базе двухпролетного АЦЗ, согласованным со сферическими сетками, осуществляющими предварительное торможение электронов (рис. 4). Двухпролетный анализатор, как это видно из рисунка, представляет собой два последовательных обычных АЦЗ. Для измерений с угловым разрешением используется вращающаяся диафрагма, расположенная на входе электронов во второй каскад анализатора.

Соотношение между энергией электронов Е₀, регистрируемых АЦЗ, и разностью потенциалов между внешним и внутренним цилиндрами V_ab определяется соотношением

, (4)

где е – заряд электрона.

Наибольшей светосилой и разрешением, сравнимым с АЦЗ, обладает концентрический полусферический анализатор (ПСА). В литературе его часто называют сферическим дефлектором. Анализатор этого типа состоит из двух сферических секторов с радиусами кривизны r_aи r_b (рис. 5). Электроны в этом случае движутся в поле сферического конденсатора:

Рис. 5. Схема концентрического полусферического энергоанализатора (ПСА).

, (5)

где V_ab – разность потенциалов между внешней и внутренней сферами.

Радиус основной траектории электронов

(6)

Рис. 6. Типичная конфигурация рентгеновского фотоспектрометра.

Рассмотренные выше энергоанализаторы позволяют регистрировать электроны, обладающие энергиями, лежащими в заданном «окне». В энергоанализаторах этого типа электроны пропускаются через диспергирующее электростатическое поле и их отклонение от первоначальной траектории является функцией электрического поля, приложенного к электродам анализатора. Анализаторы, работающие на этом принципе называются дисперсионными. В электронной спектроскопии широкое применение находит также энергоанализатор с задерживающим полем (АЗП) В этом энергоанализаторе используется тормозящее электростатическое поле, которое пропускает на коллектор только те электроны, кинетическая энергия которых превышает энергию задерживающего электрического поля.

Рис. 7. Упрощенная схема энергоанализатора с задерживающим полем.

Образец (рис. 7.) располагается в центре концентрических сферических сеток. Первая сетка находится под тем же потенциалом, что и образец, что гарантирует распространение электронов, покидающих образец, в направлении анализатора в свободном от поля пространстве. На вторую сетку подается отрицательный по отношению к образцу потенциал U_s. Изменяя значение U_s, можно регулировать долю электронов, достигших коллектора анализатора.

Энергоанализатор с задерживающим полем обладает наименьшим разрешением в сравнении со сферическим дефлектором и анализатором типа цилиндрическое зеркало.

Рис. 8. (а) Магнитный спектрометр с двойной фокусировкой. Здесь поле Н изменяется пропорционально r^-½, где r — радиус траектории электронов. (d) Электростатический полусферический концентрический анализатор (ПКА). Электроны, вылетающие с поверхности образца, фокусируются на входной апертуре I анализатора. При конкретном соотношении потенциалов на внутреннем и внешнем цилиндрах на внешней апертуре О фокусируются электроны лишь с определенной кинетической энергией. Трехлинзовый выходной объектив фокусирует это изображение на (реальной) апертуре детектора.

Спектрометры последних двух типов можно приспособить для регистра­ции электронов одновременно в нескольких соседних диапазонах энергии. Это возможно потому, что на выходе этих спектрометров электроны с разной кинетической энергией разбрасываются по плоскости в пространстве. В этой плоскости можно разместить рядом друг с другом несколько твердотельных детекторов. Детекторами в многоканальных спектрометрах этого типа часто служат электронные умножители в виде тонких микроканальных пластин. Преимуществом использования многоканального спектрометра является то, что требует меньше времени на получение спектра в данном диапазоне энергий, чем с одиночным детектором. Недостатком является более высокая сложность и стоимость.