Спосіб дослідження структури і елементного складу речовини і пристрій для здійснення цього способу (мікрозонд іонний)

Винахід відноситься до області аналітичного приладобудування і призначено для дослідження речовини ядерно-фізичними методами і може бути використано в матеріалознавстві, мікроелектроніці, геології, медицині, біології, охороні навколишнього середовища, а також у нанолітографії при створенні шаблонів. Відомий спосіб дослідження структури й елементного складу речовини, реалізований у мікрозонді іонному. (Стаття V.M. Prozesky, W.J. Przybylowicz, Е. Van Achterbergh, C.L. Churms, C.A. Pineda, K.A. Springhorn, J.V. Pilcher, C.G. Ryan, J. Kritzinger, H. Schwitt, T. Swart, The NAC nuclear microprobe facility. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, В104 (1995), 36-42). Цей спосіб включає операцію колімування пучка після його прискорення, з наступним вибором потрібного сорту іонів і формування зонда. Основний недолік даного способу і пристрою для реалізації цього способу полягає в його високій енергоємності і великих габаритах пристрою, тому що виділення потрібного сорту іонів у мас-аналізаторі роблять з пучка, який пройшов через прискорювач і потребує на проведення даного аналізу великих енергетичних витрат, і великогабаритного устаткування. Система для формування зонда з такого пучка має протяжні розміри (4-8м) і вимагає великої кількості устаткування. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним як прототип, є спосіб дослідження структури й елементного складу речовини, реалізований у мікрозонді. RBS/ PIXE (Стаття К. Inoue, К. Ishibashi, Y. Kawata, N. Suzuki, М. Kimura, S. Adachi, К. Tokushige, К. Yamada, Compact nuclear microprobe system for RBS/ PIXE, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B54, (1991), 518-531). При цьому способі дослідження пучок прискорених іонів колімують, потім з нього виділяють потрібний сорт іонів, після цього остаточно формують фазовий портрет пучка за допомогою другого коліматора, а за допомогою магнітних квадрупольних лінз фокусують пучок у зонд на мішені. Аналіз структури й елементної сполуки речовини виробляється в результаті детектування вторинних продуктів взаємодії пучка зі зразком. Відома конструкція скануючого іонного мікрозонда (Стаття К. Inoue, К. Ishibashi, Y. Kawata, N. Su zuki, and A. Aral, H. Fukuyama, M. Kimura, S. Adachi, К. Tokushige, К. Yamada, Compact nuclear microprobe system for RBS/ PIXE, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B54, (1991), 518-531), обрана нами як прототип. Ця конструкція мікрозонда містить джерело іонів, прискорюючу трубк у, мас-аналізатор, зондоформуючу систему, що включає формуватель фазового портрета пучка і скануючу систему. Крім того, є камера взаємодії пучка зі зразком. Слід зазначити, що дана конструкція вирішує задачу створення зонда мікрометричних розмірів з достатньою величиною струму п учка для аналізу стр уктури й елементного складу речовини. Однак проведення мас-аналізу вже прискореного пучка вимагає, як і в аналогу великих габаритів масаналізуючого пристрою, а, відповідно, і великих витрат енергії. Оптика пристрою, що реалізують відомий спосіб, вимагає протяжних дрейфових проміжків пучка, що істотно збільшує розміри пристрою, а, отже, вимагає додаткового устаткування для забезпечення транспортування пучка, що також впливає на розміри пристрою, енергоємність і вартість усього процесу. В основу винаходу поставлена задача створення енергоекономічного способу і компактного, малогабаритного високонадійного пристрою (мікрозонда іонного) для дослідження структури й елементного складу речовини, у якому поєднання процесу прискорення і фокусування пучка іонів, що пройшов мас-аналіз, значно скорочує дрейфові проміжки, кількість і розмір обслуговуючого уста ткування, що істотно знижує споживану потужність і розміри пристрою. Поставлена мета досягається тим, що в способі дослідження структури й елементного складу речовини, що включає генерацію пучка іонів, його прискорення, вибір потрібного сорту іонів у пучку, формування фазового портрета пучка, фокусування і сканування, відповідно до винаходу, потрібний сорт іонів у пучку вибирають відразу після його генерації, потім формують фазовий портрет пучка і після цього його прискорюють. Поставлена мета досягається також тим, що в пристрої для дослідження структури й елементного складу речовини (у мікрозонді іонному), що містить джерело іонів, прискорюючу трубку, мас-аналізатор, зондоформуючу систему, що включає формуватель фазового портрета пучка, фокусуючу і скануючу системи, а також камеру взаємодії пучка зі зразком, відповідно до винаходу, мас-аналізатор розташований безпосередньо за джерелом іонів, а прискорююча трубка включена в зондоформуючу систему і розташована після формувателя фазового портрета пучка. У якості формувателя фазового портрета пучка можуть бути використані коліматори. Перед прискорювачем може бути розміщена погоджувальна аксіально-симетрична оптика, що є частиною фокусуючої системи. Саме вибір потрібного сорту іонів, який здійснюється відразу після його генерації, коли енергія іонів мала, дозволяє знизити розміри самого мас-аналізатора і споживану потужність. Формування фазового портрета пучка перед прискорюючою трубкою зменшує імовірність електричних пробоїв і, отже, радіаційне навантаження, що підвищує безпеку і надійність роботи. Використання сукупності всіх істотних ознак дозволило також скоротити кількість іоно-оптичних елементів на шляху транспортування пучка, від джерела іонів до досліджуваного зразка, звести до мінімуму дрейфові проміжки, що в сук упності зменшує подовжні розміри установки і підвищує енергоекономічність, надійність мікрозонда. Приклад ілюструючий використання винаходу. ВЧ-джерело іонів генерує пучок іонів з основною компонентою Н +, нормалізованою яскравістю пучка 35па/(мкм 2*мрад2*Мэв), енергія іонів на вході в мас-аналізатор складає 20 Кэв, розміри об'єктного коліматора 48*41мкм 2, коефіцієнти зменшення фокусуючої системи 114*114, максимальна магнітна індукція на полюсному наконечнику магнітної квадрупольної лінзи 0,35Тл, на виході з прискорюючої трубки отримують енергію пучка 2,0Мэв, відносний розкид іонів у пучку по енергії 10-4, робоча відстань (відстань від останньої магнітної квадрупольної лінзи до мішені) 15см, розміри пучка на мішені 0,5*0,5мкм 2, струм п учка 100пА, растр сканування 500*500мкм 2 з перекручування розмірів плями не більш 2%. На фіг.1. схематично зображений пристрій для дослідження структури й елементного складу речовини (мікрозонд іонний). Мікрозонд іонний містить: джерело іонів 1 за ним розташований мас-аналізатор 2 обоє розташовані у високовольтному терміналі 3. За мас-аналізатором 2 розташована зондоформуюча система 4, що включає формуватель фазового портрета пучка, виконаний у виді об'єктного 5 і кутового 6 коліматорів, попередню фокусуючу систему, що включає погоджувальну аксіально-симетричну оптику 7 і прискорюючу трубку 8. Основна частина фокусуючої системи включає квадрупольні лінзи 9. Після квадрупольних лінз 9 розміщена скануюча система 10. Високовольтний термінал і частина зондоформуючої системи, за винятком квадрупольних лінз 9, знаходяться в посудині високого тиску 11. Камера 12 взаємодії пучка зі зразком (не показаний) зв'язана зі скануючою системою 10. Мікрозонд іонний працює в такий спосіб. Пучок іонів, отриманий з іонного джерела 1, звичайно містить декілька компонент. З метою вибору потрібного сорту іонів з певною енергією пучок проходить через мас-аналізатор 2. Після цього починається формування зонда. Після мас-аналізатора 2 пучок іонів пропускають через формуватель фазового портрета пучка, виконаний у виді об'єктного 5 і кутового 6 коліматорів, де виробляється формування початкового фазового портрета пучка. Після цього пучок проходить погоджувальну аксіально-симетричну оптику 7 і прискорюючу трубк у 8, де відбувається фокусування пучка і його прискорення. Остаточне фокусування пучка і формування зонда на мішені з мінімально-можливими розмірами при заданій величині струму відбувається в квадрупольних лінзах 9 (у даному конкретному випадку застосований «Російський квадруплет»). Скануюча система 10 зв'язана з камерою 12 взаємодії пучка зі зразком (не показаний) і забезпечує переміщення плями мішені й у кожній фіксованій позиції відбувається детектування вторинних продуктів взаємодії пучка іонів з атомами мішені для одержання інформації про елементний склад речовини. Використання пропонованого способу дослідження структури й елементного складу речовини й іонного скануючого мікрозонда для здійснення цього способу дозволяє в порівнянні з існуючими: - знизити споживану потужність і одночасно підвищити надійність роботи пристрою; - створити компактний іонний скануючий мікрозонд малих розмірів; - зменшити вплив вібрацій.