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Spektrometer für niederenergetische Elektronen,
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insbesondere Auger-Elektronen Die Erfindung betrifft ein Spektrometer
für niederenergetische Elektronen, insbesondere Auger-Elektronen, mit einem elektrostatischen
450-Spektrometer, in dem die hinsichtlich ihrer Energie zu analysierenden Elektronen
in einem homogenen elektrischen Feld umgelenkt und einer Elektronennachweiseinrichtung
zugeführt werden. In diesem Spektrometer, in dem niederenergetische Elektronen im
Hochvakuum spektroskopiert werden, sollen vor allem Auger-Elektronen im Energiebereich
von 5 eV bis 5000 eV mit hohem Auflösungsvermögen nachgewiesen werden, so daß das
Spektrometer nach der Erfindung auch als Auger-Spektrometer bezeichnet werden kann,
obwohl seine Anwendung nicht auf Auger-Elektronen beschränkt ist.
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Die physikalische Grundlage der Auger-Elektronenspektroskopie besteht
darin, daß durch einen Atomstoß ein Atom in seiner inneren Schale ionisiert wird.
Die Folge ist, daß eine Zustandsänderung der Elektronenhülle entsteht, weil auf
bestimmte Weise Elektronen "herausgeworfen" werden (Auger-
Effekt).
Dies läßt Rückschlüsse auf die veränderte Atomstruktur zu.
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So kann man z.B. in einem Auger-Elektronen-Spektrum einer chemischen
Verbindung nicht nur die verschiedenen Elemente nachweisen, sondern auch unterscheiden,
ob sie einfach oder mehrfach gebunden in dieser Verbindung vorliegen.
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Die Möglichkeiten der Auger-Elektronenspektroskopie eröffnen deshalb
in vielen Forschungsbereichen neue Perspektiven und ermöglichen der Industrie die
Ermittlung von sicher verifizierten Daten für ihre produktionstechnischen Arbeiten.
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Die Auger-Elektronenspektroskopie ist an sich bekannt und hat bereits
eine weite Verbreitung gefunden, zumal es mit dieser Spektroskopie u.a. möglich
ist, Elemente auch in geringsten Spuren nachzuweisen und ihre elektronische Struktur
zu analysieren.
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Ein bekanntes Spektrometer, das sich im Prinzip für die Analyse niederenergetischer
Elektronen eignet, ist das elektrostatische 450-Spektrometer, wie es beispielsweise
in der Zeitschrift "The Review of Scientific Instruments, Band 26, Nr. 9, September
195es Seiten 850 bis 854, beschrieben ist. Die Energieanalyse der Elektronen erfolgt
bei diesem 450-Spektrometer in einem homogenen elektrischen Feld, das durch parallele,
ebene Platten erzeugt wird. Die Elektronen treten unter einem Winkel von etwa 450
durch einen Eintrittsschlitz in der einen dieser beiden Platten in das elektrostatische
Feld ein, durchlaufen dort je nach ihrer Energie eine mehr oder weniger steile Parabelbahn
und treten ebenfalls unter einem Winkel von etwa 450 durch einen Austrittsschlitz
in der gleichen Platte aus dem homogenen elektrostatischen Feld aus und werden anschließend
einer Elektronennachweiseinrichtung zugeführt.
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Das vorstehend kurz erläuterte 450-Parallelplatten-Spektrometer,
wie es auch etwas ausführlicher bezeichnet wird, ist zwar einfach in seinem Aufbau
und in seiner Funktionsweise, aber es besitzt nur ein mittleres bis gutes Auflösungsvermögen,
jedoch kein sehr gutes Auflösungsvermögen, d.h. es ist kein hochauflösendes Spektrometer,
wie es in vielen Fällen benötigt wird.
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Es sind zwar auch hochauflösende Spektrometer für niederenergetische
Elektronen bekannt und kommerziell erhältlich; diese hochauflösenden Spektrometer
sind aber im allgemeinen sehr aufwendig. Beispielsweise verwendet man, um Fokussierungen
höherer Ordnung in mehreren Ebenen zu erreichen, oft elektrostatische Kugelspektrometer,
aber deren Herstellung und deren Einbau in Vakuumapparaturen ist aufwendig und bereitet
im allgemeinen erhebliche Schwierigkeiten.
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Mit der Erfindung wird demgegenüber ein Spektrometer für niederenergetische
Elektronen geschaffen, das bei relativ geringem Aufwand und bei verhältnismäßig
kleinen Abmessungen und kompakter Bauweise ein hohes Auflösungsvermögen und gleichzeitig
eine gute Transmission für die Elektronen besitzt.
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Dieses Spektrometer nach der Erfindung, das, wie eingangs erwähnt,
ein 450-Spektrometer aufweist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß dem
450-Spektrometer ein als langbrennweitige, schwach fokussierende Linse ausgebildetes
Elektronenabbremssystem vorgeschaltet ist.
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Das Auflösungsvermögen wird in diesem Spektrometer dadurch ganz erheblich
verbessert, daß das bekannte 450-Spektrometer in Kombination mit einem Abbremssystem
für Elektronen versehen ist. Zwar ist die Abbremsung von Elektronen zur
Erhöhung
des Auflösungsvermögens im Prinzip eine bekannte Maßnahme, die jedoch in der Regel
Nachteile mit sich bringt; denn im allgemeinen sind mit der Abbremsung Intensitätsverluste
der Elektronen und Variationen der Spektrometertransmission mit der Elektronenenergie
verbunden. Gemäß der Erfindung ist es aber dadurch, daß als Abbremssystem eine langbrennweitige,
schwach fokussierende Linse verwendet wird, gelungen, Intensitätsverluste und Transmissionsvariationen
weitgehend auszuschalten. "Langbrennweilig" bedeutet hier, daß die Brennweite groß
im Verhältnis zur Laufstrecke der Elektronen zwischen der Probe und dem Eintrittsschlitz
in das 450-Spektrometer ist.
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Die langbrennweitige Linse kann im Eintrittskollimator des 450-Spektrometers
vorgesehen bzw. eingebaut sein, so daß die aus der langbrennweitigen Linse austretenden
Elektronen unter 450 in das homogene elektrische Feld des 450-Spektrometers eintreten.
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Diese Linse kann einen Eintrittsring und einen Austrittsring als Halterung
von mehreren für die Elektronen hochtransparente Netallnetze aufweisen. Ausgezeichnete
Ergebnisse werden schon erzielt, wenn ein Eintritts- und ein Austrittsring zur Halterung
von zwei parallelen, hochtransparenten Metallnetzen vorgesehen sind, zwischen denen
eine einstellbare Abbremsspannung anlegbar ist. Die Netze liegen dabei bevorzugt
mit dem größten Teil ihrer Fläche in Höhe oder vor der Eintrittsstirnfläche des
Eintrittsrings und in Höhe oder hinter der Austrittsstirnfläche des Austrittsrings.
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Die langbrennweitige Linse ist schwach fokussierend, und ihre Wirkung
reicht aus, um Intensitätsverluste bei der Abbremsung der Elektronen zu verhindern.
Mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer ist es gelungen, die Elektronen auf 1/100
ihrer Energie abzubremsen. Dabei wurde ein Auflösungsvermögen bis zu 2 x 10 4 erreicht.
Andererseits verhindert die große Brennweite der Linse, daß Elektronen einer bestimmten
Energie
bevorzugt fokussiert werden. Dadurch ergibt sich eine praktisch
konstante Transmission für die Elektronen in einem weiten Energiebereich, der beispielsweise
etwa 200 bis 2000 eV beträgt. Bei alledem ist die Linse klein und kann in kleinen
Spektrometernasen verwendet werden; das Spektrometer kann nahe an die Probe herangebracht
werden; der von der Linse erfaßte Raumwinkel ist somit relativ groß und man erhält
eine hohe Empfindlichkeit.
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Die konstante Elektronenemission hat den Vorteil, daß gemessene Augerelektronenintensitäten
direkt Aufschluß über die Konzentration der in der Probe enthaltenen Fremdatome
geben; eine nachträgliche Korrektur der gemessenen Intensitäten ist somit nicht
nötig.
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Im einzelnen ermöglicht es das erfindungsgemäße Spektrometer, bei
konstanter Elektronentransmission im Energiebereich von 0 bis 5000 eV eine Energieauflösung
von etwa 0,1 % zu erreichen. Die Elektronentransmission beträgt dabei 20 .
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Reicht bei bestimmten Anwendungsfällen ein geringeres Auflösungsvermögen,
z.B. von 3 56, aus, dann kann man durch eine andere Einstellung der Abbremsspannung
eine Elektronentransmission von z.B. bis 80 erreichen.
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Das erfindungsgemäße Spektrometer ist insbesondere auf folgenden Gebieten
mit Vorteil anwendbar: 1. Festkörperphysik (Materialforschung): Elementenanalyse
an Festkörperoberflächen, z.B. Analyse von Legierungen sowie von Verunreinigungen
in Festkörperoberflächen. Ermittlung der Tiefenprofile und Oberflächenstrukturen
in Festkörpern, z.B. Ermittlung von Halbleiterdotierungen und von Diffusionstiefen.
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2. Aerosolphysik (Umweltschutz): Elemente- und Verbindungsanalyse
in Aerosolen, z.B. Analyse der Zusammensetzung von
Abgasen.
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3. Molekülphysik und -chemie (chemische Analyse): Verbindungsanalyse,
z.B. Analyse der Veränderungen von Katalysatoroberflächen. Identifizierung von Molekülen,
z.B.
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analytische Bestimmung der Zusammensetzung von Proteinen.
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4. Strahlenbiologie (Medizin): Ermittlung von Emissionsquerschnitten
für Sekundärelektronen in den Geweben, z.B.
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Ermittlung von Energiedispositionen in Geweben.
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5. Grundlagenforschung: Sekundär-Elektronen-Spektroskopie in Ion-Atom-Stoßprozessen,
wie z.B. die Untersuchung von Atomstrukturen und von dynamischen Anregungsprozessen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Big.
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1 und 2 der Zeichnung im Prinzip dargestellten, besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spektrometers; und Fig. 2 eine Teilschnittansicht,
die den Bereich Z in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und mit näheren Einzelheiten
wiedergibt.
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Das Spektrometer für die niederenergetischen Elektronen, insbesondere
für Auger-Elektronen, die aus einer Probe 1 austreten, weist zunächst eine allgemein
mit 2 bezeichnete langbrennweitige, schwach fokussierende Linse für die Elektronen
auf, der ein 45 0-Parallelplatten-Spektrometer nachgeordnet ist, das insgesamt mit
3 bezeichnet ist. Daran schließt sich eine Streuelektronen zurückhaltend es und
somit diskriminierende Elektronen-Nachbeschleunigungsstrecke 4
an,
an deren austrittsseitigem Ende eine Elektronennachweiseinrichtung, z.B. ein Elektronenvervielfacher,
vorgesehen ist. In der Zeichnung ist die Elektronennachweiseinrichtung selbst nicht
dargestellt, sondern nur deren Gehäuse 5. Selbstverständlich ist das Spektrometer
so gebaut, daß die Elektronenbahnen im Hochvakuum verlaufen, wie das bei solchen
Elektronenspektrometern üblich ist, so daß auf die diesbezüglichen konstruktiven
Maßnahmen nicht näher eingegangen zu werden braucht.
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Die langbrennweitige, schwach fokussierende Linse 2 besitzt einen
Eintrittaring 6 als Halterung für ein Metallnetz 8 und einen Austrittsring 7 als
Halterung für ein Metallnetz 9.
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Die Metallnetze 8 und 9 verlaufen wie die Ringe 6 und 7 zueinander
parallel. Die Metallnetze 8 und 9 sind für die Elektronen hochtransparent ausgebildet.
An die Ringe 6 und 7 ist eine Abbremsspannung einlegbar.
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Vor der Linse 2 liegt ein sich konisch zur Probe 1 verjüngender Eintrittsfokus
20 mit einer schlitzförmigen Eintrittsblende 21, die die Aufgabe hat, den Eintrittsraumwinkel
bei großen Proben 1 zu begrenzen.
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Das 45°-Parallelplatten-Spektrometer 3 weist eine erste Metallplatte
10 und eine zweite Metallplatte 11 auf, die sich in einem vorbestimmten Abstand
befinden, und zwischen denen ein homogenes, elektrostatisches Feld erzeugt wird.
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Weiterhin können zwischen diesen beiden Metallplatten 10 und 11 noch
Randstörungen des homogenen Feldes zwischen den Metallplatten 10 und 11 behebende
Äquipotentialbleche 12 vorgesehen sein, die den Raum zwischen den Metallplatten
10 und 11 im wesentlichen freilassen. In der ersten Metallplatte 10 befindet sich
ein rechteckiger Eintrittsschlitz 13, der zusammen mit dem gesamten 45 0-Parallelplatten-Spektrometer
so angeordnet ist, daß die aus der langbrennweitigen Linse 2 austretenden Elektronen
unter 450 in das homogene
elektrische Feld des 45 0-Parallelplatten-Spektrometers
3 eintreten. Weiterhin besitzt die erste Metallplatte 10 einen rechteckigen Austrittsschlitz
14, durch den die Elektronen unter einem Winkel von 450 zu Metallplatte 10 in die
r:achbeschleunigungsstrecke 4 eintreten.
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Die Nachbeachleunigungsstrecke 4 weist eine Reihe von zueinander parallelen
Metallnetzen 15, 16 und 17 auf (siehe insbesondere auch Fig. 2), an die entsprechende
Nachbeschleunigungsspannungen angelegt werden. Die Wachbeschleunigung diskrminiert
Streuelektronen, macht also die rauscharme Aufnahme von Spektren möglich. Dabei
ist an das Netz 17 ein negatives Potential gelegt, das die Streuelektronen zurückhält.
An die Nachbeschleunigungsstrecke 4 schließt sich, wie bereits erwähnt, die Elektronennachweiseinrichtung,
die sich im Gehäuse 5 befindet, an.
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Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Spektrometers ist wie
folgt: Die Auger-Elektronen treten aus der Probe 1 durch die Linse 2 in das Spektrometer
3 ein.
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In der Linse 2 werden die Elektronen zwischen den Metallnetzen 8,
9 um einen einstellbaren Energiebetrag abgebremst und treten unter 45° durch den
Eintrittsschlitz 13 in das homogene elektrische Feld zwischen den Metallplatten
10,11 ein. Dort durchlaufen sie je nach ihrer Energie eine mehr oder weniger steile
Parabelbahn. Diejenigen Elektronen, die durch den Austrittsschlitz 14 hindurchgelangen,
werden in der Nachbeschleunigungsstrecke 4 nachbeschleunigt, und die Menge bzw.
der Strom dieser Elektronen wird in der im Gehäuse 5 befindlichen Elektronennachweiseinrichtung
gemessen.
Über eine Zählelektronik mit Verstärker, Impulsformer
und Diskriminator kann die Information über die Anzahl der nachgewiesenen Elektronen
beispielsweise in einen Prozeßrechner eingegeben werden, der durch Veränderung der
Abbremsspannung das gesamte Energiespektrum aufnimmt, speichert und gegebenenfalls
auf Abruf auf einem Sichtgerät darstellt.
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Der Energiebereich dieses Spektrometers liegt bei 0 bis 5000 eV, das
Auflösungsvermögen beträgt z.B. 0,156 bei einer Elektronentransmission von 20%,
wenn die Elektronen genügend abgebremst werden. Bei geringerer Abbremsung der Elektronen
und einem entsprechend geringeren Auflösungsvermögen von 356 ergibt sich eine Elektronentransmission
von 80. Der Spektrometerfaktor, d.h. das Verhältnis der Ablenkspannung zur Elektronenenergie,
beträgt 0,6.
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L e e r s e i t e