Parametry transportu elektronów przez dolną przesłonę dławiącą

Wzmocnienia sygnału w kolejnych sektorach, zaznaczonych na rys. 7.2 (I, II i III), K1, K2, K3 wyznaczane są jako stosunek liczby elektronów po przejściu przez granicę obszaru do liczby elektronów na wejściu tego obszaru:

, 0, , Z i i i N K N = (7.1)

gdzie: Ki – wzmocnienie sygnału w danym obszarze,

N_Z,i – liczba elektronów po przejściu górnej granicy danego sektora (staje się liczbą elektronów na wejściu kolejnego sektora), dla trzeciego sektora jest to liczba elektronów która dotrze do anody,

N_0,i – liczba elektronów na wejściu danego sektora, dla pierwszego sektora jest to liczba elektronów startujących z powierzchni stolika.

Całkowite wzmocnienie sygnału K_t jest iloczynem wzmocnień poszczególnych obszarów, bądź po prostu stosunkiem liczby elektronów, które docierają do anody, do liczby elektronów, które startują ze stolika przedmiotowego:

1 2 3 A , c SE N K K K K N = ⋅ ⋅ = (7.2)

gdzie: Kc – wzmocnienie całkowite,

K1, K2, K3 – wzmocnienia poszczególnych sektorów,

NA – liczba elektronów docierająca do anody zastępczej,

NSE – liczba elektronów startujących ze stolika przedmiotowego.

Parametry te ukazują wpływ napięć zasilających oraz kształtu, rozmiaru i położenia elektrod systemu na sprawność transportu elektronów. Natomiast odchylenie standardowe odniesione do średniej liczby elektronów przekraczających granicę między sektorami może być uznane za proporcjonalne do stosunku szumu do sygnału (N/S) na granicy danego obszaru, podobnie jak w rozdziale 6.

Na rys. 7.3 przedstawione są wartości wzmocnienia poszczególnych obszarów (linie ciągłe) oraz wzmocnienie całkowite (linia przerywana) w zależności od różnych parametrów pomiarów. Z kolei, na rys. 7.4 prezentowane są wartości odchylenia standardowego odniesione do średniej liczby elektronów przekraczających granicę sektora (interpretowane jako stosunek szum – sygnał, N/S), dla tych samych wartości parametrów jak na rys. 7.3.

Z wykresów wynika, że największy wpływ na całkowite wzmocnienie sygnału, ma kształt i napięcie elektrod w pierwszym, największym sektorze, gdzie kaskada jonizacji ma możliwość rozwinięcia się. Im wyższe napięcie na przesłonie dławiącej tym większy stopień jonizacji. Taka tendencja widoczna jest również na rys. 7.4b. Przez otwór w elektrodzie ekranującej o coraz większej średnicy wypływa coraz więcej pola elektrycznego generowanego przez przesłonę dławiącą umożliwiając jonizację coraz bliżej stolika przedmiotowego, dzięki czemu sygnał przechodzący przez otwór w przesłonie dławiącej jest coraz większy. W wypadku rys. 7.3d, rolę wzmocnienia jonizacji odgrywa odległość układu elektrod przesłony dławiącej od stolika przedmiotowego. Pomimo zmniejszonego obszaru ekstrahowana jest większa ilość sygnału, który może być następnie wzmocniony. Zmiany napięcia elektrody ekranującej (rys. 7.3c) umożliwiają regulację skupiania elektronów wtórnych z jednoczesnym zwiększeniem stopnia ekstrakcji sygnału. Zwiększone napięcie elektrody ekranującej powoduje zwiększenie napięcia na drodze swobodnej Uλ tuż przy stoliku przedmiotowym i zwiększenie współczynnika ekstrakcji. Jednak gdy jest ono jeszcze stosunkowo niskie umożliwia dobre skupianie elektronów w otworze przesłony. Powyżej 50 V elektrony są już przyciągane przez elektrodę ekranującą, co uwidacznia się stratami w sygnale.

Rys. 7.3. Wzmocnienie sygnału elektronów w poszczególnych sektorach obszaru wejściowego (linia ciągła) oraz całkowite wzmocnienie systemu detekcyjnego (linia przerywana)

(argon 5 hPa, γ = 0,05, średnica przesłony dławiącej D_TA = 0,6 mm) w funkcji: a) napięcia przesłony dławiącej U_TA (D_SE = 1,6 mm, U_SE = 0 V, U_a = 1,2⋅U_TA),

b) średnicy przesłony ekranującej DSE (USE = 0 V, UTA = 100 V, Ua = 120 V), c) napięcia przesłony ekranującej USE (DSE = 1,6 mm, UTA = 100 V, Ua = 120 V), d) odległości stolik - przesłona ekranująca H_SE (D_SE = 1,6 mm, U_SE = 0 V, U_TA = 100 V,

Rys. 7.4. σ/µ – odchylenie standardowe odniesione do średniej liczby elektronów przechodzących przez granicę sektorów obszaru wejściowego (argon 5 hPa, γ = 0,05,

średnica przesłony dławiącej D_TA = 0,6 mm, dla 20 próbek przepływu przy 20 elektronach wejściowych w próbce) w funkcji:

a) napięcia przesłony dławiącej U_TA (D_SE = 1,6 mm, U_SE = 0 V, U_a = 1,2⋅U_TA), b) średnicy przesłony ekranującej DSE (USE = 0 V, UTA = 100 V, Ua = 120 V), c) napięcia przesłony ekranującej U_SE (D_SE = 1,6 mm, U_TA = 100 V, U_a = 120 V), d) odległości stolik - przesłona ekranująca H_SE (D_SE = 1,6 mm, U_SE = 0 V, U_TA = 100 V,

Ua = 120 V) [63].

Przedstawione obliczenia były wykonywane przy stałym stosunku napięcia przesłony dławiącej i anody (UA = 1.2⋅UTA), co skutkowało stałym poziomem wzmocnienia w sektorze III. Z tego względu wysokie były również straty w sektorze II, mianowicie w niewielkim obszarze przesłony dławiącej. Ze względu na niskie napięcie anody elektrony rozpraszane w gazie trafiały w ścianki otworu. Projektując zatem rozkład elektrod we wnętrzu komory pośredniej należy ten fakt wziąć pod uwagę.

Ważnym parametrem mówiącym o jakości danego rozwiązania jest stosunek szumu do sygnału. Z rys. 7.4 wynika, że największy szum generowany jest w sektorze drugim, czyli w otworze przesłony dławiącej. Ten obszar można uznać za wąskie gardło całego systemu.

w rozdziale 6 teorią rozpraszania wstecznego elektronów emitowanych z obiektu przez molekuły gazu, zależnego od ich energii początkowej i natężenia pola ekstrakcyjnego.

7.3. Wnioski

Obliczenia przeprowadzone za pomocą programu MC-SIMION dowodzą, iż wpływ na sprawność transportu sygnału elektronów wtórnych ma wiele parametrów. Jednym z głównych jest napięcie elektrod tworzących przesłonę dławiącą. Większe napięcie przesłony dławiącej powoduje intensywniejsze powielanie elektronów w sektorze pierwszym, dzięki czemu więcej elektronów może się znaleźć w obszarze otworu przesłony dławiącej. Jednak nie tylko zwiększanie napięcia przesłony jest ważne. Napięcie elektrody ekranującej wpływa zarówno na poprawę ekstrakcji elektronów z powierzchni stolika przedmiotowego, jak również na wspomniane powielanie lawinowe. Oczywiście wzrost napięcia ekstrakcyjnego może się odbywać na zasadzie zwiększenia otworu w elektrodzie ekstrakcyjnej lub zmniejszenia odległości roboczej pomiędzy elektrodą ekranującą a stolikiem przedmiotowym. Ważnym spostrzeżeniem jest to, iż napięcie anody zastępczej, a co za tym idzie schemat ułożenia elektrod w obszarze pośrednim może mieć duży wpływ na sprawność transportu w sektorze drugim obszaru wejściowego, który, jak wynika z obliczeń, jest wąskim gardłem na drodze sygnału do końcowego systemu detekcyjnego. Analiza wpływu elektrod w obszarze pośrednim zostanie przedstawiona w kolejnym rozdziale, gdyż należy tu uwzględnić rzeczywiste rozwiązania, które będą generowały pole elektryczne w miejscu anody zastępczej.