DE7032595U

DE7032595U - Vorrichtung fuer die elektronenspektroskopie zur chemischen analyse

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Publication number: DE7032595U
Application number: DE7032595U
Authority: DE
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1970-09-01
Publication date: 1974-11-21
Also published as: DE2043323C3; FR2060766A5; DE2043323B2; US3617741A; GB1276400A; DE2043323A1; JPS5113435B1

Description

	*···· · . . · • · . J J . · · .**
	D-703rßöblingon
PATENTANWALT	Girokwege
DIPL-ING. KNUD SCHULTE	Tulefon (0 70 31) 2 09 73 •66 74 32

Patentanwalt K. Schulte, D-703 Döbllngen, Gerokwcg β

? 20 43 323.2-52
Hewlett-Packard Comp.
Case 534

VORRICHTUNG FÜR DIE ELEKTRONENSPEKTP₁OSKOPIE ZUR CHEMISCHEN ANALYSe)(ESCA)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) mit einer Quelle zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung entlang einer ersten Achse« einem Monochromator init einem Dispersionselement, das auf der ersten Achse in dem Weg der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, wobei der Monochromator einen Teil dieser elektromagnetischen Strahlung entlang einer zweiten Achse auf einen Auffänger fokussiert r der auf der zweiten Achse und auf dem Rowland-Kreis des Monochromators angeordnet ist, wodurch von dem bestrahlten Auffanger entlang einer dritten Achse Elektronen emittiert werden, einem Detektor, einem Elektronenspektrometer, das auf der dritten Achse in der Bahn der emittierten Elektronen angeordnet ist, wobei das Elektronenspektrometer von dem bestrahlten Auffänger emittierte Elektronen auf dem Detektor fokussiert.

Volksbank Böbllngim AG. Kto. 8 458 (BLZ 60 390 220) · Postscheck: Stuttgart 908 55-709

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Gewöhnlich liefern die der charakteristischen RöntgensLrahllinie, die zur Anregung der Elektronenmission verwandt wird, eigene Breite und die dem zu untersuchenden Atomenergieniveau eigene Breite die Hauptbeiträge zu der Breite einer Elektronenlinie in einem ESCA-Spektrum, um durch ESCA eine nützliche Information über die Atome und die Moliküle zu erhalten, sollte die Breite der Elektronenlinie lediglich die dem zu untersuchenden Atomenergieniveau eigene Breite wiedergeben. Ein ESCA-System, bei dem die Breite der Röntgenntrahllinie, die zur Anregung der Elektronenemission verwandt wird, nicht zu der Breite der Elektronenlinie in dem ESCA-Spektrum beiträgt, ist in der auf die Anmelderin zurückgehenden, nicht vorveröffentlichten amerikanischen Patentschrift Nr. 3 567 926 beschrieben. In diesem System wird die Dispersion eines Kristallmonochromators,- der zur Fokussierung einer charakteristischen Röntgenstrahllinie auf dem Auffänger verwandt wird, gleich der Dispersion eines Elektronenspektrometers gemacht, das zur Fokussierung der Photoelektronen verwandt wird, die aus dem bestrahlten Auffänger austreten und auf einen Detektor fallen. Die geometrische Anordnung des ESCA-Systems ist so getroffen, daß durch die Dispersion des Elektrospektrometers die Dispersion des Kristallmcnochromators kompensiert und dadurch verhindert wird, daß sich die Breite der Röntganstrahllinie, die auf dem Auffänger fokussiert wird, zu der Breite der Elektronenlinien addiert, die auf dem Detektor fokussiert werden. Dies kann jedoch lediglich für einen verhältnismäßig schmalen Elektronen-

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energiebereich von ungefähr 10 bis 20 % der optimal für eine Dispersionskompensation in einem derartigen System zur Verfügung stehenden E......ktronenenergie erreicht werden.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Elektronenspektroskoj-.i.e zur chemischen Analyse (ESCA) zu schaffen, bei der eine Dispersionskompensation in einem wesentlich größeren Energiebereich durchgeführt werden, kann, um zu verhindern, daß sich die Breite der Röntgenstrahllinie zu der Breite der Elektronenlinie addiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß eine Elektronenlinse wenigstens vier Fokussierungselementen vorgesehen ist, die länga der dritten Achse in dem Elektronenweg zwischen dem Auffänger und dem Elektronenspektrometer angeordnet, sind und wenigstens drei voneinander unabhängig einstellbare elektrische Parameter ergeben und die Elektronenlinse ein Abbild des bestrahlten Auffängers abgibt und die von diesem Abbild ausgehenden Elektronen durch das Elektronenspektrometer gelangen, wobei die Gesamtstreuung der Elektronenlinse und des Elektronenspektrometers' die Dispersion des Monochromators im wesentlichen ausgleicht.

Indem man die elektrischen Parameter der Elektronenlinse geeignet einstellt, kann die Größe und die Lage des Bildes konstant gehalten werden, während die Photoelektronen von

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dem Auffänger in dem Energieberei :ja beschleunigt oder abgebremst werden, auf den das Elektronenspektrometer eingestellt ist. Hierdurch wird der EnergieV^reich wesentlich vergrößert, in dem eine Dispersions: lomperiSPiion durchgeführt werden kann, um zu verhindern, daß sich die Breite der Röntgenstrahllinie,-die auf dem Auffänger fokussiert wird, zu der Breite der Elektronenlinie addiert, die auf dem Detektor fokussiert wird*

Bei ESCA-Systemen, die elektrostatische Elektronenspektrometer mit halbkugelförmigen Elektroden verwenden, kann eine größere Empfindlichkeit für ein.gegebenes absolutes Auflösungsvermögen dadurch erreicht werden, daß der Raumwinkel vergrößert wird, unter dem die Photoelektronen von dem Auffänger in das Elektronenspektrometer eintreten. Dieser Raumwinkel wird im folgenden als Auffangwinkel bezeichnet. Dieser Winkel ist annähernd proportional dem Produkt aus dem Winkeldispersionsbereich der Photoelektronen, die in das Elektronen- ) spektrometer in radialer Richtung eintreten (der Richtung, in der die Photoelektronen nachfolgend abgelenkt und durch das Spektrometer äispergiert werden) und aus dem Winkeldispersionsbereich der Photoelektronen, die in das Elektronenspektrometer in Umfangsrichtung (der Richtung senkrecht zu der radialen Richtung) eintreten. Wegen der Aberrationen in dem Elektronenspektrometer muß der Winkeldispersionsbereich, unter dem Photoelektronen in das Elektronenspektrometer in radialer Richtung eintreten, sehr klein, d.h.in der Größen-

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Ordnung von ungefähr 1 oder 2 gehalten werden. Der Winkel"

i^persionsbereich, unter dem Photoelektronen in das Elekvfönenspektrcir.eter in Umfangsrichtung eintreten, wird bei Systemen, die aus mehreren Elektroden bestehende Elektronenlinsen der beschriebenen Art verwenden, durch die Blendenwirkung der Linsenelektroden begrenzt. Desl·alb soll yemäß der vorliegenden Erfindung ein verbessertes ESCA-System verwandt werden, bei dem der Auffangwinkel der Photoelektronen in der Umf angsrichtung um etwa einen Faktor 10 vergrößert ") werden kann, wodurch die Empfindlichkeit des Systems beträchtlich erhöhe wird, ohne daß sein Auflösungsvermögen beeinträchtigt wird.

Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß das Elektronenspektrometer ein allgemein konisches Eintrittsende mit einer Symmetrieachse aufweist, die durch die Mitte der h^lbkugelförmigen Elektroden hindurch verläuft, die Pokussierungselemente vier Paare von allgemein konischen, fächerförmigen Elektroden umfassen und diese fächerförmigen Elektrodenpaare dieselbe Symmetrieachse wie das konische Eintrittsende des Spektrometers besitzen. Diese Elektrodenpaare sind so angeordnet, daß ihre öffnungen in radialer Richtung am schmälsten und in Umfangsrichtung am weitesten sind. Die Fokussierungswirkung der Elektronenlinse tritt deshalb hauptsächlich oder vollständig in radialer Richtung auf, wodurch der Auffangwinkel in Umfangsrichtung vergrößert und für

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— · 6 —

ein gegebenes absolutes Auflösungsvermögen eine
größere Empfindlichkeit erreicht wird. Jedes dieser Elektrode lpaare ist elektrisch von den anderen Elektrodenpaaren isoliert, wodurch man drei unabhängig veränderliche elektrische Parameter erhält, um die Größe und die Lage des Auffängerbildes und die kinetische Energie der Photoelektronen zu
steuern, die in das Elektronenspektrometer eintreten.

Die Erfindung wird nachstehend arih^.nä von Ausführungsbeispiele:!! in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert.

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• ■it*« ··· _{( #}

Fig. 1 zpigt eine teils schematische und teils eine geschnittene Aufrißdarstellung eines verbesserten uiöpersionsksir.punciGrter. ESCA-Systsms gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine Aufrißdarntellung der Elektronenlinse und des Spektrometers in Fig. l_f gesehen in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Auffängerbereiches in Fig. 1,

Fig. 4 zeigt einen geschnittenen Aufriß einer Elektronenlinse, deren Symmetrieachse unter einem endlichen Winkel in Bezug auf die Ebene des Rowland-Kreises ausgerichtet ist,

Fig. 5 zeigt einen geschnittenen Aufriß einer Elektronenlinse und einer· Spektrometers, die gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein verbessertes in der Dispersion kompensiertes ESCA-System bilder und

Fig. 6 zeigt eine Darstellung der Elektronenlinse und des Spektrometers der Fig. 5, gesehen in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein ESCA-System mit Dispersionskompensation dargestellt, das zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung eines ausgewählten Auffängers IO verwandt werden kann. Dieses System enthält eine fest angebrachte Strahlungsquelle 12, die entlang einer ersten Achse 16 einen Röntgenstrahl 14 emittiert.

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Die Strahlungsquelle 12 kann z.B. so ausgebildet sein, wie es auf den Seiten 178-179 des Buches "Elektronenspektroskop für chemische Untersuchungen" von Kai Siegbahn und anderen, herausgegeben im Dezember 1967 von dem Verlag Almqvist and Wicksells Boktryckeri (das im folgenden als ESCA-Buch bezeichnet werden soll) beschrieben ist. Ein Beugungskristall 18 eines Kristallmonochromators ist auf der ersten Achse 16 in dem Weg der Röntgenstrahlung 14 fest angeordnet. Der Beugungskristall 18 weist eine so gebogene Oberfläche auf, du..' die Atomschichten einen Radius besitzen, der gleich dem Durchmesser des Rowland-Kreises 20 ist. Durch die Dispersion des Kristallmonochromators (die durch Bragg-Reflexion an dem Beugungskristall bewirkt wird)wird ein Spektrum der Röntgenstrahlung 14 erzeugt. Eine charakteristische Linie 22 dieses Röntgenstrahlspektrums wird durch den Kristallnonochromator entlang einer zweiten Achse 24 fokussiert, die einen Winkel β von ungefähr 22° mit der ersten Achse 16 bildet. Der Auffänger 10 ist herausnehmbar auf der zweiten Achse 24 in dem Strahlu: ?- weg dieser charakteristischen Röntgenstrahllinie 22 angeordnet. Sowohl der Auffänger 10 als auch die Strahlungsquelle 12 sind auf dem Rowland-Kreis 20 des Kristallmonochromators angeordnet.

Durch die Bestrahlung des Auffängers 10 mit der charakteristischen Röntgenstrahllinie 22 werden von dem Auffänger Photoelektronen entlang einer dritten Achse 26 ausgesandt, die einen Winkel θ + γ - φ (siehe Fig. 3) von ungefähr 70° mit der zweiten Achse 24 bildet.. Wegen der Dispersion des Kristallmonochromators besitzt die charakteristische Röntgenstrahllinie 22 eine endliche Linienbreite, wodurch bewirkt wird,

daß Photoelektronen von demselben Energieniveau, jedoch aus verschiedenen Teilen des Auffängers mit verschiedenen Energien austreten. Z.B. trifft, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ein höher energetisches Photon rechts (gesehen in Strahlrichtung der charakteristischen Röntgenstrahllinie) von einem Photon mit niedrigerer Energie auf und erzeugt Photoelektronen, die eine höhere Energie (E_fc + ΔΕ) als die Photoelektronen mit der Energie (E. - ΔΕ) aufweisen, die durch das Photon mit niedrigerer Energie erzeugt werden. )

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird ein Elektronenspektrometer 28, das mit seinem Eintrittsende fest auf der dritten Achse 26 angeordnet ist, zur Untersuchung der Photoelektronen von dem bestrahlten Auffänger 10 verwandt. Das Elektronenspektrometer 28 kann z.B. aus ein^m elektrostatischen Spektrometer mit halbkugelförmigen Elektroden 32 und 34 bestehen, etwa der Art, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, oder es kann aus einem halbkreisförmigen Magnetischen Spektrometer bestehen, wie es etwa in dem Abschnitt VIII:3 auf den Seiten 182 und folgende des ESCA-Buches beschrieben ist. In jedem Falle wird das Elektronenspektrometer 28 dadurch eingestellt, daß seine Elektroden 32 und 34 auf ausgewählte Potentiale V. bzw. V_ gebracht werden, um einen verhältnismäßig schmalen Energiebereich von Photoelektronen (z.B. von ungefähr 1OeV aus einem Spektrum von ungefähr 150OeV) auf einem Detektor 36 zu fokussieren, der an dem Austrittsende des Elektronenspektrometers 28 angeordnet ist.

Der Detektor 36 kann aus einer fest angeordneten Photomultiplierröhre oder aus einer wegnehmbaren photographischen Platte bestehen, wie es schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.

Auf der dritten Achse 26 ist zwischen dem Auffänger 10 und dem Eintrittsende des Elektronenspektrometers 28 eine Elektronenlinse 38 fest angeordnet, ura die von dem Auffänger herkommenden Photoelektronen in den Energiebereich zu besenleu- J nigen oder abzubremsen, auf den das Elektronenspektrometer 28 eingestellt ist. Die Elektronenlinse 38 umfaßt vier konische, ringförmige Elektroden 40, 42, 44 und 46, die symmetrisch uip die dritte Achse 26 herum und im Abstand voneinander entlang dieser dritten Achse 26 so angeordnet sind, daß die kleinste öffnung in der Nähe des Auffängers 10 und eine größere öffnung in der Nähe des Eintrittsendes des Elektronenspektrometers 28 liegt. Diese vier Elektroden 40, 42 44 und 46 sind elektrisch voneinander isoliert, und sie werden auf solchen voneinander unabhängig steuerbaren Potentialen V₃, V, V₅ und V_ß gehalten, daß die Potentialdifferenz V. - V, zwischen den Elektroden 40 und 42, die Potentialdifferenz V₅ - V₀ zwischen den Elektroden 40 und 44 und die Potentialdifferenz V_g - V₃ zwischen den Elektroden 40 und 46 unabhängig verändert werden kann. Die Potentiale V, und V_ der Spektrometerelektroden 32 und 34 sollten so gewählt werden, daß der Elektronenstrahl, der durch das Spektrometer läuft, einer Äquipotentialfläche folgt, die dasselbe Potential V, wie die Linsenelektrode aufweist.

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Durch diese Bedingung wird ν .n positiver Wert für die Potentialdiffercnz V_n - V. zwischen der inneren Spektrometerelektrode 32 und der am nächsten liegenden Linsenelektrode 4^ und ein negativer Wert für die Potentialdifferenz V~ - V_fi zwischen der äußeren Spektroraetereiektrode 34 und der am nächsten liegenden Linsenelektrode 46 bestimmt. Durch die Potentialdifferenz V, - V_ zwischen der Elektrode 40, die dem Auffänger 10 am nächsten liegt, <?ar auf demselben Potential V₃ wie die Elektrode 40 liegt, und der Elektrode 46, die dem Eintrittsei. ^: de des Elektronenspektrometers 28 am nächsten liegt, wird das Verhältnis der abschließenden zu der anfänglichen kinetischen Energie der Photoelektronen gesteuert, die aus dem Auffänger 10 austreten und durch das Elektronenspektrometer 28 laufen. Indem man diese Potentialdifferenz V₄. - V_ geeignet einstellt- !tonnen Photoelektronen, deren anfängliche kinetische Energien über einen .weiten Bereich (z.B. über 150 - 30OeV oder über 300 bis 150OeV) streuen, in den Bereich beschleunigt oder abgebremst werden, auf den das Elektronenspektrometer 28 einge- , stellt ist.

Durch die Fokussierungswirkung der Elektronenlinse 38 wird an dem Eintrittsende des Elektronenspektrometers 28 ein Bild 48 des Auffängers 10 erzeugt. Die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen des Systems werden durch die Größe und die Lage des Bildes 48 beeinflußt. Die Größe und die Lage des Bildes 48 können durch Einstellung der Potentialdifferenz V₄ - V₃ zwischen den Linsenelektroden 40 und 42 und der Potentialdifferenz

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' ' ItIt ι >

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- 12 -

V - V, zwischen den Linsenexektroden -.0 und 44 ausgewählt und darüberhinaus konstant gehalten vjerden, so daß man unabhängig von der anfänglichen kinetischen Energie der Photoelektronen, die in den Energiebereich beschleunigt cder abgebremst werden, auf den das Spektrometer 28 e.inqestellt ist, ein System mit maximaler Empfindlichkeit und maximalem Auflösungsvermögen erhält.

Um zu verhindern, daß sich die Breite der charakteristischen Röntgenstrahllinie 22 zu der Breite der Elektronenlinie addiert, die auf dem Detektor 36 fokussiert wird, wird die Gesamtdispersion der Elektronenlinse 38 and des Elektronenspektrometers 28 so gewählt, daß die Dispersion des Kristallmonochromators unwirksam gemacht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die geometrischen Abmessungen des Systems und die elektrischen Parameter so gewählt werden, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

E _ μ sin6 sin 0 s tan9

-^- ~ ^M sin (Θ + γ) _E

In dieser Gleichung bedeuten (was im einzelnen aus den Fig.1 und 3 ersichtlich ist):

ρ den mittleren Radius des Spektrometers 28; R den Radius des Rowland-Kreises 20; M die Vergrößerung der Elektronenlinse 38; θ den Bragg-Winkel (der Winkel zwischen der zweiten Achse 24 und einer Tangente an den Rowland-Kreis in dem Schnittpunkt mit dieser zweiten Achse);

ο. λ Winkel zwischen der dritten Achse 26 und der be-

. ahlten Oberfläche des Auffängers 10; γ den Winkel zwischen der bestrahlten Oberfläche des Auffängers 10 und einer Tangente an den Rowland-Kreis 20 im Schnittpunkt mit sowohl der zweiten Achse 24 als auch der bestrahlten Oberfläche des Auffängers 10; E_ die kinetische Energie des mittleren Elektronenstrahls

in dem Spektrometer 28; und ~_x

E die mittlere Energie der Photonen in der charakteristischen Röntgensteahllinie 22.

Aus der obigen Gleichung geht hervor, daß es für eine Dispersionkoiapensation bei einer gegebenen Geometrie und ein*?m gegebenen Verhältnis von E zu E erforderlich ist, daß die Vergrößerung M der Elektronenlinse 38 und somit die Größe des Auffängerbildes 48 konstant gehalten wird, wenn der Bereich der zu untersuchenden anfänglichen Photoelektronenenergien verändert wird. Dies erfolgt, wie es bereits oben beschrieben wurde, dadurch, daß die Potentialdifferenzen V₄ - V_ und Vr - V₃ jeweils eingestellt oder nachgestellt werden, wenn die Potentialdifferenz V₁. - V_ verstellt wird, um den Bereich der zu untersuchenden anfänglichen Photoelektronenenergien zu verändern.

Es wurde ein in der Dispersion kompensiertes ESCA-System der oben beschriebenen Art mit den in der folgenden Tabelle angegebenen Abmessungen gebaut (wobei die Buchstaben a-f und r.-r₅ die Längsabmessungen bzw. inneren Durchmesser der Elektronenlinse 38 dar^s^T^³JOi 9^O^fi Vl ^Pig* ^{4 an}9^e9^eben

ίο

P =	15,55 cm	a =	39,4	cm
(P₁ =	12,7 cm)	b =	1,27	cm
(Po =	19 cm)	c =	4,3	cm
R =	15,2 cm	d =	5,0	cm
θ =	78,5°	e =	10,1	cm
0 =	38,5°	f =	10,1	cm
γ =	30°
^Es ⁼	17OeV
^ΕΡ ⁼	150OeV
M =	3

1 ~	1	/O	cm
2 ⁼	2	'⁵	cm
3 ^β	5	,0	cm
4 ⁼	1	0,1	cm
5 ⁼	5	,0	cm

r. =

Eine Dispersionskompensation vfurde bei diesem System bei Abbremsungsverhaltnissen E /E. von z.B. !/3 und 1/6 dadurch erhalten, daß die Elektroden des Elektronenspektrometers und der Linse auf den Werten gehalten wurden, wie sie in der weiter unten angegebenen Tabelle enthalten sind (in der E. die mittlere kinetische Energie solcher Phctoelektronen beim Austritt aus dem Auffänger ist, die durch das Spektrometer laufen) :

^Es

17OeV 17OeV

Die in dem in Fig. 1 gezeigten System verwandte Elektronenlinse 38 kann vollständig elektrostatisch wirken oder sie kann sowohl aus elektrostatischen als auch magnetischen Bauteilen

V^Et	^V1	^V2	^V3	^V4	^V5	^V6	^Et
1/3 1/6	-2G4V -774V	-4O2V -912V	OV -7	68OV 1000V	-355V -77OV	-34OV -85OV	51OeV 102OeV

aufgebaut sein. Darüber hinaus kann die Elektronenlinse 38 so angeordnet sein, daß ihre Symmetrieachse in der Ebene des Rcwland-Kreiscs 20 oder, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 angedeutet ist, unter einem endlichen Winkel in Bezug auf die Ebene des Rowland-Kreises 20 liegt. Die letztere Ausführungsform kann mit Vorteil in solchen Systemen angewandt werden, bei denen die Elektronenlinse 38 ansonsten einen großen Anteil der Röntgenstrahlung 14 absorbieren würde, bevor diese den Auffänger 10 erreicht.

Zur Erreichung einer größtmöglichen Empfindlichkeit sollte der Auffangv/inkel des Elektrcncnspektrometers 28 um die Achse zentriert sein, entlang der die höchste Photoelektronenemission pro Raumwinkeleinheit mit dem geringsen Verlust an Monochromie erreicht wird. Diese Achse verläuft für einen gasförmigen Auffänger, bei dem Photoelektronen über den gesamten Bereich entlang dem Bogen des Rowland-Kreises erzeugt werden können, über den sich die charakteristische Rontgenstrahllinie 22 erstreckt, senkrecht zu der Ebene des Rowland-Kreises. Bei einem solchen gasförmigen Auffänger ist es deshalb besonders vorteilhaft, die Elektronenlinse 38 und das Spektrometer 28 so anzuordnen, daß der Mittelstrahl der Photoelektronen, der von dem Spektrometer aufgefangen wird, senkrecht zu der Ebene des Rowland-Kreises 20 verläuft, wie es durch die ausgezogenen Linien in Fig. 4 dargestellt ist. Dieselben Überlegungen gelten gleichfalls, wenn ein Elektronenspektrometer 28 in einem ESCA-System ohn-2 eine Elektronenlinse 38 verwandt wird.

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In den Fig. 5 und 6 ist ein anderes Elektronenspektrometer 50 und eine Elektronenlinse 52 von der Art gezeigt, wie sie in dem in Fig. 1 dargestellten ESCA-Systern verwandt werden können, um den Auffangwinkel und somit die Empfindlichkeit des Systems zu vergrößern, ohne das Auflösungsvermögen des Systems nachteilig zu beeinflussen. Das Elektronenspektrometer 50 umfaßt zwei halbkugelförmige Elektroden 54 und 56, die auf verschiedenen Potentialen V. und V₂ gehalten werden. Diese halbkugelförmigen Elektroden sind so abgeändert, daß das J Spektrometer ein konisches Eintrittsende 58 mit einer Symmetrieachse 60 aufweist, die durch die Mitte C der halbkugelförmigen Elektroden läuft.

Die Elektronenlinse 52 weist vier Paare von konischen fächerförmigen Elektroden 62,64,66 und 68 auf, die dieselbe Symmetrieachse 60 wie das konische Eintrittsende 58 des Elektronenspektrometers 50 besitzen. Diese Elektrodenpaare 62,64,66 und 68 sind elektrisch voneinander isoliert und sie werden auf von } einander unabhängig einstellbaren Potentialen ^V3»^V4»^vc ^un<* Vg gehalten, um drei unabhängig voneinander veränderliche Potentialdifferenzen zu schaffen, und zwar V. - V₃ zwischen dem ersten und dem zweiten Paar 62 und 64, V₅ - V- zwischen dem ersten und dem dritten Paar 62 und 66 und V- - V, zwischen dem ersten und

ο ο

dem vierten Paar 62 und 68. Durch Einstellung dieser drei unabhängig voneinander veränderlichen Potentialdifferenzen kann die Größe und die Lage des Auffängerbildes und die kinetische Energie der Photoelektronen, die in das Elektronenspektrometer 50 eintreten, so gesteuert werden, daß man für einen ausgedehnten

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Energiebereich, wie er oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert wurde, eine Dispersionskompensation erzielt.

Die Elektronenlinse 52 ist so fest angeordnet, daß ihre kleinste konische öffnung in der Nähe des Auffängers 10 und ihre größte konische öffnung in der Nähe des konischen Eintrittsendes 58 des Elektronenspektrometers 5ojliegt. Die konischen öffnungen der Elektronenlinse 52 sind am schmälsten in radialer Richtung und am weitesten in Umfangsrichtung, so daß die Λ Fokussierungswirkung der Elektronenlinse hauptsächlich oder vollständig in radialer Richtung und nur leicht, wenn überhaupt, in Umfangsrichtung auftritt. Hierdurch wird bewirkt, daß der Auffangwinkel in Urnfang sr ich tung vergrößert wird, wodurch eine größere Empfindlichkeit des Spektrometers für ein gegebenes absolutes Auflösungsvermögen erhalten wird.

Idealerweise sollte der Auffänger 10 auf einer konischen Fläche liegen, die die angrenzenden Oberflächen des Elektrodenpaares 62 im rechten Winkel schneidet und die durch die Symmetrieachse 60 der Elektronenlinse 52 oder in der Nähe dieser Symmetrieachse verläuft. Je näher der Auffänger 10 an der Symmetrieachse 60 der Elektronenlinse 52 liegt, um so mehr können die Aberrationen verringert werden. Alle Photoelektronenstrahlen, die durch die Elektronenlinse 52 aufgefangen werden, verlaufen nahezu senkrecht zu den konischen Oberflächen, die die Kanten der Linsenöffnungen und des Eintrittsendes 58 des Elektronenspektrometers 50 bilden. Dies tragt auch dazu bei, die Aberrationen zu verringern. Die Elektronenlinse 52 erzeugt ein Bild der aufgefangenen Strahlen in einem Konus 70, der durch die Mitte C der halbkugelförmigen Εΐεφ§φφ§$§ JbJw^S^ verläuft.

Claims

P 21> 43 323.2-52

Schutzansprüche

Vorrichtung für die £lektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) mit einer Quelle zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung entlang einer ersten Achse, einem Monochromator mit einem Dispersionselement, das auf der ersten Achse in dem Weg de: elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, wobei der Monochromator einen kleinen Wellenlängenbereich der Strahlung entlang einer zweiten Achse auf einem Auffänger fokussiert, der auf der zweiten Achse und auf dem Rowland-Kreir des Monochromators angeordnet ist, wodurch von dem bestrahlten Auffänger entlang einer dritten Achse Elektronen emittiert werden, einem Detektor, einem Elektronenspektrometer, das auf der dritten Achse in der Bahn der anittierten Elektronen angeordnet ist, wobei das Elektronenspektrometer von dem bestrahlten Auffänger emittierte Elektronen auf dem Detektor fokussiert, dadurch gekennzeichnet , daß eine Elektronenlinse

(38) mit wenigstens vier FokussierungseJementen (40 - 46, 62 bis 68) vorgesehen ist, die längs der dritten Achse (26) in dem Elektronenweg zwischen dem Auffänger (10) und dem Elektronenspektrometer (28) angeordnet sind und wenigstens drei voneinander unabhängig einstellbare elektrische Parameter ergeben und die Elektronenlinse ein Abbild des bestrahlten Auffängers abgibt und die von diesem Abbild ausgehenden Elektronen durch das Elektronenspektrometer gelangen, wobei die Gesamtstreuung der Elektronenlinse und des Elektronenspektrometers die Dispersion des Monochromators

(18) im wesentlichen ausgleicht.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (12) auf dem Rcwland-Kreis (20) des Monochromators (18) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (12) eine Röntgenstrahlquelle ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet. daß die Elektronenlinse (38,52) eine Symmetrieachse (26,60) hat, die in 3er Ebene des Rowland-Kreises (20) des Monochromators (18) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Elektronen.' inse (38,52) eine Symmetrieachse (26, 60) hat, die mit de- Ebene des Rowland-Kreises (20) des Monochromators (18) einen endlichen Winkel bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der Elektronenlinse senkrecht zu der Ebene des Rowland-Kreises des Monochromators liegt,
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Achse (26) senkrecht auf der Ebene des Rcwland-Kreises (20) des Monochromators (18) steht und das Elektronenspektrometer (28) so auf der dritten Achse angeordnet ist, daß der Mittelstrahl der durch das Elektronenspektrometer aufgefangenen Elektronenmission senkrecht auf der Ebene des Rowland-Kreises des Monochromators steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 _f dadurch gekennzeichnet , daß die Potentialdifferenzen (V₄ - V₃; Vc "* V₃; Vg - V_) zwischen einem ersten (40) und einem zweiten (42), dem ersten (40) und einem dritten (44) und dem

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ersten und einem vierten (46) der Fokussierungselemente einsteilbar sind zur Steuerung der Größe und Lage des Abbildes des anyeauiahlten AuffSnfsrs (IG) und des Verhältnisses zwischen der endgültigen und der anfänglichen kinetischen Energie der von dem angestrahlten Auffänger emittierten und durch das Elektronenspektrometer gelangenden Elektronen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenzen der Fokussierungselemente derart sind, daß die Größe und Lage des angestrahlten Auffängers konstant gehalten ist, während des angestrahlten Auffängers in dem ausgewählten Energiebereich des Elektronenspektrometers beschleunigt oder abgebremst werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungselemente aus allgemein konischen, ringförmigen Elektroden (40 bis 46) bestehen und symmetrisch um die dritte Achse (26) herum und im Abstand voneinander entlang dieser dritten Achse angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Elektronenspektrometer ein Paar halbkugelförmiger Elektroden aufweist, die mit unabhängig voneinander einstellbaren Potentialen zur Fokussierung von Elektronen innerhalb des gewählten Energiebereiches auf den Detektor betrieben sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Elektronenspektrometer ein allgemein konisches Eintrittsende (58) mit einer Symmetrieachse (6O) aufweist, die durch die Mitte (C) der halbkugelförmigen Elektroden (54, 56) hindurch verläuft, die Fokussierungselemente vier Paare von allgemein konischen,

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fächerförmigen Elektroden (62 bis 68) umfassen und diese fächerförmigen ^lektrodenpaare dieselbe Symmetrieachse wie das konische Eintrittsende des Spektrometers besitzen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Bild des bestrahlten Auffängers (10) durch die Elektronenlinse (52) an dem konischen Eintrittsende (58) des Elektronenspektrometers (50) in einem Konus (70) gebildet wird, dessen Scheitelpunkt in der Mitte (C) der halbkugelförmigen Elektroden liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η ζ e i c h-n e t , daß die halbkugelförmigen Elektroden, die Strahlenquelle., der Monochromator, der Auf fänger, das Elekhronenspektrometer und die Elektronenlinse derart angeordnet sind, daß

_u sin 0· sin«p . E_c . tan9

P sin (Θ+γ) E_n κ ρ

ist, wobei ρ der mittlere Radius der halbkugelförmigen Elektroden des Elektronenspektrometers, R der Radius des Rowland-Kreises des Monochromators, M die Vergrößerung der Elektronenlinse, 0d^r Winkel zwischen der zweiten Achse und einer Tangente an den Rowland-Kreis im Schnittpunkt der zweiten Achse und der angestrahlten Oberfläche des Auffängers, ψ der Winkel zwischen der dritten Achse und der angestrahlten Oberfläche des Auffängers, γ der Winkel zwischen der angestrahlten Oberfläche des Auffängers und einer Tangente an den Rowland-Kreis des Monochromators am Schnittpunkt der zweiten Achse und der angestrahlten Oberfläche des Auffängers, E die kinetische Energie des zentralen Elektronenstrahles im Elektronenspektrometer und E die mittlere Energie der Photonen in der in der charakteristischen Linie der Röntgenstrahlung ist.

793251521,*.»