SPEKTROMETR DO BADANIA ROZPROSZENIA ELEKTRONÓW POD DUśYMI KĄTAMI Przedstawiony został elektrostatyczny spektrometr elektronowy słuŝący do badań rozproszenia elektronów na atomach i cząsteczkach gazów w zakresie duŝych kątów rozproszenia, który został zaprojektowany i zbudowany w Laboratorium Spektroskopii Elektronowej. Spektrometr składa się ze źródła wiązki elektronów, które wytwarza i przenosi wiązkę elektronów w obszar, gdzie następuje rozproszenie elektronów oraz analizatora rozproszonych elektronów, który moŝna obracać wokół tego obszaru, umoŝliwiając badanie elektronów rozproszonych pod róŝnymi kątami. Tradycyjne spektrometry elektronowe ze względu na ograniczenia konstrukcyjne pozwalają badać rozproszenie elektronów w zakresie kątów rozproszenia, zwykle od 0 do 30. W obecnym spektrometrze pomiędzy źródłem wiązki elektronów, a analizatorem umieszczono źródło lokalnego pola magnetycznego, które umoŝliwia badanie wstecznego rozproszenia elektronów w zakresie duŝych kątów rozproszenia, włącznie z rozproszeniem do tyłu (kąt rozproszenia równy 80 ). StoŜkowy kształt układu cewek magnetycznych i odpowiedni stosunek prądów płynących w ich uzwojeniu powoduje, iŝ pole magnetyczne skupione jest w niewielkim otoczeniu wokół obszaru rozpraszania i szybko zanika z odległością, dzięki czemu nie zakłóca działania optyki elektronowej spektrometru.. WSTĘP Elektrostatyczny spektrometr elektronowy słuŝy do badań spektroskopowych atomów i cząsteczek w fazie gazowej wykorzystując technikę zderzeń z elektronami w zakresie niskich energii elektronów, od 5eV do 30eV. Spektrometr pozwala na badanie zderzeń spręŝystych i niespręŝystych elektronów z atomami i cząsteczkami. W przypadku zderzeń niespręŝystych, przy których elektrony tracą część swojej energii początkowej, mierząc ich energię przed i po zderzeniu moŝna badać strukturę poziomów energetycznych atomów i cząsteczek wybranego gazu. Badania rozproszenia spręŝystego elektronów (elektron zachowuje swoją energię początkową) przynoszą sporo informacji o oddziaływaniu padającego elektronu z atomami i cząsteczkami. Dodatkowo badania rozproszenia elektronów pod róŝnymi kątami stwarzają moŝliwość obserwacji wybranych procesów zderzeniowych.. SPEKTROMETR ELEKTRONOWY Spektrometr elektronowy (Rys.) składa się z trzech zasadniczych części: monochromatora wiązki elektronów padających, obszaru zderzenia elektronów z atomami i cząsteczkami gazów wraz z cewkami źródła pola magnetycznego oraz analizatora elektronów rozproszonych. W monochromatorze znajduje się działo elektronowe, które wytwarza wiązkę elektronów i skupia ją na wejściu do podwójnego selektora półsferycznego. W wiązce elektronów wytworzonych przez działo znajdują się elektrony z szerokiego przedziału energii. Zadaniem selektora półsferycznego jest transmisja elektronów tylko z bardzo wąskiego zakresu energii. Następnie wiązka elektronów o dobrze określonej energii i małym rozmyciu energetycznym jest odpowiednio przyspieszana przez soczewkę elektrostatyczną oraz skupiana na
poprzecznej wiązce gazu formowanej przez kapilarę. Elektrony zderzając się z atomami lub cząsteczkami rozpraszane są w róŝnych kierunkach z określonym prawdopodobieństwem. Elektrony rozproszone pod danym kątem trafiają do analizatora. a) b) Rys.. Schemat spektrometru elektronowego: a) widok z boku; b) widok w kierunku osi obrotu analizatora. Soczewka elektrostatyczna analizatora spowalnia elektrony do energii transmisji selektora półsferycznego i skupia je na szczelinie wejściowej do selektora. Detektor elektronów wyposaŝony w kanałowy powielacz elektronowy rejestruje rozproszone elektrony generując impulsy elektryczne. Analizator elektronów moŝna obracać swobodnie wokół obszaru zderzeń (Rys.b), co umoŝliwia badanie elektronów rozproszonych pod róŝnymi kątami względem wiązki elektronów padających. W obecnym spektrometrze maksymalny kąt rozproszenia, który moŝna osiągnąć bez lokalnego pola magnetycznego wynosi 90. Z powodów konstrukcyjnych zakres badanych kątów w tego typu spektrometrach jest ograniczony zwykle do przedziału poniŝej 30. Dolna granica przedziału przy około 0 związana jest z trudnością w odróŝnieniu elektronów rozproszonych pod niewielkimi kątami od elektronów nierozproszonych z wiązki padającej... Działo elektronowe Działo elektronowe (Rys.) składa się ze źródła Pierce a wiązki elektronów [] oraz z katoda Rys.. Schemat działa elektronowego, wraz z zaznaczoną wiązką elektronów.
trzech współosiowych elektrod cylindrycznych tworzących soczewkę cylindryczną. Elektrony o energiach termicznych emitowane są przez katodę wolframową w wyniku termoemisji. W obszarze pomiędzy stoŝkowym reflektorem, a pierwszą elektrodą cylindryczną anodą powstaje przestrzenny ładunek elektronowy. Odpowiednie nachylenie powierzchni stoŝkowej reflektora (67.5 ) względem osi działa powoduje utworzenie rozkładu potencjału dającego równoległą wiązkę elektronów. DuŜy potencjał przyłoŝony do anody (V A =30V) powoduje, Ŝe elektrony są wyciągane z obszaru między katodą, a anodą przez otwór o średnicy 0,5mm. Następnie wiązka jest skupiana na wejściu do selektora przez soczewkę cylindryczną. Potencjał V określa energię elektronów transmitowanych przez selektor. Dobierając odpowiednio potencjał V moŝna skupić wiązkę elektronów na szczelinie wejściowej selektora. W soczewce usytuowane są deflektory elektrostatyczne umoŝliwiające odchylanie wiązki elektronów. Wewnątrz ostatniej elektrody (V ) umieszczona jest przesłona z centralnym otworem o średnicy,35mm, która ogranicza rozbieŝność kątową elektronów na wejściu do selektora do α m =±4. W wyniku efektu ładunku przestrzennego, związanego z wzajemnym oddziaływaniem elektronów w wiązce maksymalne natęŝenie prądu elektronów I maks przechodzących przez układ optyki elektronowej działa elektronowego jest równe [] I maks V 38,5 3 = [ A] α m µ. Dla potencjału selektora V =V i rozbieŝności kątowej wiązki elektronów na wejściu do selektora α m = 4 otrzymuje się I maks = 0,53µ A. ().. Podwójny selektor półsferyczny Podwójny selektor półsferyczny [3] składa się z dwóch pojedynczych selektorów 80- stopniowych (Rys.3a) zestawionych razem tak jak przedstawia to Rys.3b. KaŜdy selektor a) b) Rys.3. a) Pojedynczy selektor 80-stopniowy. Przedstawiono tory ruchu elektronów o róŝnych energiach. b) Podwójny selektor półsferyczny. Ukazano efekt ogniskowania wiązki elektronów o tej samej energii mającej rozmycie kątowe. posiada dwie współśrodkowe elektrody półsferyczne, zewnętrzną o promieniu R =50mm, oraz wewnętrzną o promieniu R =5mm. Wiązka elektronów porusza się w obszarze pomiędzy elektrodami po wejściu do wnętrza selektora przez otwór wejściowy o średnicy mm, który znajduje się w połowie odległości między półsferami (R=37,5mm). Elektrony o energii charakterystycznej selektora będą poruszać się po torze centralnym i wydostaną się przez otwór wyjściowy z selektora (Rys.3a), podczas gdy elektrony o innych energiach są zatrzymywane na elektrodzie wyjściowej. Potencjał w obszarze pomiędzy elektrodami półsferycznymi zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do promienia.
WyraŜenia określające potencjały półsfery zewnętrznej (V ) i wewnętrznej (V ) dla danego potencjału V odpowiadającego energii charakterystycznej mają postać: R V = V, R R V = V. R WaŜnym parametrem selektora jest jego rozdzielczość energetyczna określić ją dla pojedynczego selektora z wyraŝenia [] E E = w R, E E. MoŜna gdzie w jest wielkością otworu wejściowego do selektora (w=mm), R jest promieniem toru centralnego (R=37,5mm), natomiast E jest energią elektronów w selektorze (E=eV). Z wzoru (3) widać, Ŝe lepszą rozdzielczość selektora uzyskuje się stosując większe elektrody półsferyczne. Dodatkowo rozdzielczość moŝna poprawić o około 30% łącząc ze sobą dwa pojedyncze selektory półsferyczne, co uczyniono w obecnie zaprojektowanym spektrometrze (Rys.3b). Otrzymana ze wzoru (3) energetyczna () szerokość połówkowa dla pojedynczego selektora wynosi E = 6meV, natomiast dla obecnego selektora podwójnego przewiduje się () E 8meV. Podwójny selektor = półsferyczny ma w ogólności takie same własności jak pojedynczy selektor 80- stopniowy o większym promieniu charakterystycznym. Rys.3b ilustruje równieŝ jedną z własności półsferycznego selektora 80-stopniowego. Wiązka elektronów o danej energii mająca na wejściu do selektora określone rozmycie kątowe jest skupiana na szczelinie wyjściowej selektora..3. Soczewka cylindryczna Soczewka składa się z trzech współosiowych elektrod cylindrycznych (Rys.4a). Poszczególne elektrody znajdują się na potencjałach V, V, V 3. Zadaniem soczewki jest a) b) () (3) Rys.4. a) Przekrój soczewki cylindrycznej wzdłuŝ jej osi. b) Przekrój poprzeczny przedstawiający płytki deflektorów elektrostatycznych odchylających wiązkę elektronów. skupianie wiązki elektronów w centrum zderzenia lub innym określonym punkcie np. wejściu do selektora (podobnie soczewka optyczna skupia wiązkę światła). Soczewka takŝe przyspiesza bądź hamuje transmitowaną wiązkę elektronów. W obecnym spektrometrze potencjał V pierwszej elektrody jest równy potencjałowi elektrody wyjściowej selektora. Potencjał V 3 trzeciej elektrody wyznacza energię elektronów na
wyjściu soczewki. Dobierając odpowiednio potencjał V uzyskuje się skupienie wiązki elektronów w określonym punkcie. Podstawowe wymiary soczewki zaznaczono na 6,5 6,0 V/V 5,5 5,0 4,5 4,0 3 4 5 6 V3/V Rys.5. ZaleŜność stosunku potencjałów V/V od V3/V soczewki cylindrycznej przy zachowaniu stałego połoŝenia punktu skupienia wiązki elektronów. Rys.4a. Wewnątrz soczewki zaznaczono tory ruchu elektronów o energii końcowej 0eV, które zostały wyznaczone przy pomocy programu CPO [6]. Dwa elektrony zewnętrzne opuszczają szczelinę wyjściową selektora pod kątem ±5. Wewnątrz soczewki usytuowane zostały takŝe dwie pary płytek deflektorów elektrostatycznych (Rys.4b) umoŝliwiających odchylanie wiązki elektronów w płaszczyźnie poziomej i pionowej, poprzez przyłoŝenie do nich odpowiedniej róŝnicy potencjałów. Na Rys.5 przedstawiono zaleŝność stosunku V /V od V 3 /V dla obecnie zaprojektowanej soczewki. Pozwala ona wyznaczyć potencjał elektrody środkowej (V ), dla danego potencjału V 3, taki aby uzyskać skupienie wiązki elektronów w stałym punkcie, w tym przypadku w odległości 80mm od szczeliny wyjściowej selektora. 3. METODA LOKALNEGO POLA MAGNETYCZNEGO Metoda lokalnego pola magnetycznego umoŝliwia rejestrowanie elektronów rozproszonych pod większymi kątami, aŝ do kąta rozproszenia równego 80, który odpowiada rozproszeniu do tyłu. W metodzie tej w obszarze, w którym następują zderzenia elektronów z atomami lub cząsteczkami gazu wytwarzane jest pole magnetyczne prostopadłe do płaszczyzny, w której poruszają się elektrony (płaszczyzna rozproszenia) [4,5]. Elektrony padające i rozproszone ulegają odchyleniu, które jest zaleŝne od wielkości pola magnetycznego. Na Rys.6 przedstawiono tory ruchu elektronów o energii 0eV w polu magnetycznym wytworzonym przez układ cewek magnetycznych zaznaczonych za pomocą pierścieni. Tory ruchu zostały wyznaczone za pomocą programu komputerowego CPO [6], umoŝliwiającego symulacje ruchu cząstek w polach elektrycznych i magnetycznych. Elektrony nierozproszone doznają w polu magnetycznym odchylenia o 90. Elektrony, które uległy rozproszeniu do tyłu, pod kątem 80, będą rejestrowane przez analizator w połoŝeniu pod kątem 90 względem monochromatora. Elektrony rozproszone niespręŝyście będą miały róŝne energie końcowe i będą odchylane w polu magnetycznym w róŝnych kierunkach. Konieczna jest więc zmiana połoŝenia analizatora w zaleŝności od energii rejestrowanych elektronów.
3.. Źródło lokalnego pola magnetycznego Układ solenoidów do wytwarzania pola magnetycznego składa się z dwóch par cewek magnetycznych o kształcie stoŝkowym (Rys.7). Cewki wewnętrzne posiadają sześć warstw zwojów, a cewki zewnętrzne posiadają cztery warstwy. W poniŝszym stoŝkowym Rys.6. Tory ruchu elektronów w polu magnetycznym. Wiązka gazu, na której następuje rozpraszanie elektronów jest prostopadła do płaszczyzny rysunku. Układ solenoidów do wytwarzania pola magnetycznego zaznaczono za pomocą dwóch współosiowych pierścieni. źródle lokalnego pola magnetycznego uzyskano warunki zerowania się magnetycznego momentu dipolowego i oktupolowego (magnetyczne momenty kwadrupolowe i 6- polowe są równe zeru we wszystkich układach o geometrii cylindrycznej). Dzięki temu Rys.7. Przekrój osiowy źródła pola magnetycznego. Pojedyncze zwoje cewek magnetycznych przedstawiono za pomocą kropek. Kolorem czarnym zaznaczono uzwojenie cewek wewnętrznych, a kolorem szarym uzwojenie cewek zewnętrznych. indukcja pola magnetycznego szybko maleje wraz z odległością od osi cewek. Dodatkowo stoŝkowy kształt układu cewek umoŝliwia wydajne odprowadzanie gazu z obszaru rozproszenia elektronów.
Moment dipolowy układu cewek zeruje się poprzez dobór odpowiedniego stosunku prądów płynących w uzwojeniu cewek wewnętrznych i zewnętrznych. Musi być spełniona zaleŝność 6 0 I ni Ri + I ni Ri = 0, i= gdzie I i I są odpowiednio prądami płynącymi w cewkach wewnętrznych i i= 7 (4) Indukcja pola magnetycznego (mt),,0 0,8 0,6 0,4 0, 0,0-0, -0,4 0 0 0 30 40 50 Odległość (mm) I =.69 A I = -0.383 A Rys.8. Rozkład pola magnetycznego wytworzonego przez układ cewek magnetycznych. zewnętrznych, R i jest promieniem i-tej warstwy zwojów, a n i oznacza liczbę zwojów na i- tej warstwie. W obecnym źródle pola magnetycznego stosunek prądów płynących w cewkach wewnętrznych i zewnętrznych wynosi :-0,37, przy czym prądy te płyną w przeciwnych kierunkach. Warunek na zerowanie się momentu oktupolowego wyraŝa się zaleŝnością geometryczną, która wiąŝe szerokość danej warstwy zwojów (a i -a ) z jej promieniem R i (Rys.7) zgodnie z wyraŝeniem a + a a + a = R, 3 i i 4 i gdzie a określa połoŝenie pierwszego zwoju w kaŝdej z warstw i wynosi 3,5mm, natomiast a i określa połoŝenie ostatniego zwoju w i-tej warstwie. Na Rys.8 przedstawiono zaleŝność indukcji pola magnetycznego od odległości od środka układu cewek w płaszczyźnie pomiędzy cewkami górnymi i dolnymi otrzymaną za pomocą programu CPO. Pole magnetyczne jest stałe do około mm od centrum, a powyŝej 5 mm szybko zanika z odległością osiągając 0,% wartości indukcji pola magnetycznego w centrum dla odległości 40mm. PowyŜszy rozkład pola magnetycznego pozwala na ugięcie elektronów o energii 0eV pod kątem 90, tak jak przedstawiono to na Rys.6. Rys.9 przedstawia zaleŝność kąta odchylenia wiązki elektronów nierozproszonych w polu magnetycznym od prądu I płynącego w uzwojeniu cewek wewnętrznych, który jest miarą indukcji pola magnetycznego. ZaleŜności te zostały zmierzone dla trzech róŝnych energii elektronów, 7eV, 0eV i 5eV oraz zostały dopasowane zaleŝnością funkcyjną podaną na Rys.9. Wraz ze wzrostem kąta odchylenia zaleŝności te przestają być liniowe, przy czym efekt jest bardziej widoczny dla wyŝszych energii elektronów. Obecne stoŝkowe źródło pola magnetycznego zostało uŝyte w pracy (5)
Kąt odchylenia α (stopnie) 80 60 40 0 E i = 7 ev 0 ev 5 ev α = Aarcsin(BI ) Doświadczenie 0 0,0 0, 0,4 0,6 0,8,0 I (A) Rys.9. ZaleŜność kąta odchylenia wiązki elektronów w polu magnetycznym od wielkości prądu w cewce wewnętrznej I. [7] w badaniach rozproszenia niespręŝystego elektronów na cząsteczkach tlenu (O ) wykonanych dla kąta rozproszenia równego 80. 4. UWAGI KONSTRUKCYJNE Przedstawiony spektrometr elektronowy umieszczony jest w cylindrycznej komorze próŝniowej o średnicy 0,5m i długości 0,4m wykonanej z niemagnetycznej stali nierdzewnej. Wysoka próŝnia wewnątrz komory (0-7 mmhg) wytwarzana jest przez pompę dyfuzyjną, współdziałającą z pompą rotacyjną, zadaniem której jest wytwarzanie próŝni wstępnej. Elektrody spektrometru mające bezpośredni kontakt z wiązką elektronów zostały wykonane z molibdenu, natomiast inne elementy z niemagnetycznej stali nierdzewnej, lub aluminium o duŝej twardości. Elektrody półsferyczne w selektorach wykonane zostały z miedzi, a następnie pokryte warstwą złota o grubości około 0µm. 5. WYKAZ LITERATURY [] J.R. Pierce, Theory and design of electron beams. [] C.E. Kuyatt, J.A. Simpson, Rev. Sci. Instr. 38 (967) 03 [3] D.F. Register, S. Trajmar, S.K. Srivastava, Phys. Rev. A (980) 34. [4] F.H. Read, J.M. Channing, Rev. Sci. Instr. 67 (996) 37. [5] M. Zubek, B.Mielewska, J.Channing, G.C.King, F.H. Read, J.Phys.B 3 (999) 35. [6] Program CPO, http://www.electronoptics.com. [7] I. Linert, G.C. King, M. Zubek, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 34 (004).