能量和角度多道的环形电子能谱仪的性能研究

　　环形电子能量分析器(TEEA)是一种吸收了半球能量分析器和筒镜能量分析器的优点而发展起来的可以同时测量电子能量和角度分布信息的静电型能量分析器,其探测效率比传统的半球能量分析器高2-3个量级。这一特性使得TEEA在很多低计数率的实验中得到广泛应用,如双光电离研究[1]、共振俄歇谱测量[2]、气相原子的光电子角分布研究[3]、固体表面光电子衍射研究[4,5]以及固体表面的磁二向性[6]和“自旋-极化”[7]实验,等等。

　　另一方面,利用扫描隧道显微镜(STM)针尖产生的场发射电子激发表面原子,再用传统的能量分析器来探测其退激发的俄歇电子或者能量损失电子,是一种有希望进行微区乃至纳米尺度的原子识别的手段[8]。但在此类实验中,如果要达到纳米级的空间分辨能力且保证无损探测,那么照射到样品上的束斑也必须很小且束流不能过大,此外,针尖样品间的电场对二次电子的出射也有一定的压制效应,这些因素导致了目前此类实验极低的计数率,因而无法对固体表面的元素分布进行描述[8-10]。为此,我们以Western Australia大学J. F. Wil-liams小组发展的TEEA[11,12]为基础建立起一套能量和角度多道的电子能谱仪,这台谱仪的探测极角为90°,同时测量的方位角范围大约为245°,正好满足我们结合场发射针尖进行微区元素识别的需要。本文系统地研究了各电子光学单元的电位对谱仪能量分辨、能量线性及能窗宽度的影响,为今后运用本装置进行固体表面能谱学和微区原子识别研究工作打下了基础。此外,还对仪器的非对称性对谱仪能量分辨的影响进行了定量的讨论,为进一步提高谱仪的能量分辨提供了可能。

　　1　谱仪的结构

　　谱仪的剖面结构如图1所示,大致分为五个部分:电子枪、筒型入射透镜系统(I1、I2、I3)、TEEA、锥型出射透镜系统(O1、O2、O3)和位置灵敏探测器。其中,热发射电子枪安装在谱仪正上方,与谱仪的对称轴共轴。电子束由电子枪产生后沿谱仪的中轴线入射,在反应区(图中“×”所示处)与样品作用后产生二次电子,其中只有以极角90°左右(相对于入射电子束方向)出射的二次电子能够通过I1的狭缝进入入射透镜系统。入射透镜系统由三个中间带狭缝的套筒I1、I2和I3组成,其中,I1的狭缝宽1mm,电位接地,保证了反应区为无场区,并对二次电子进行极角选择;I2的狭缝宽20 mm,调节其电位VI2可以对入射电子聚焦;I3的狭缝宽1mm,所加电压为VI3,作用是将电子能量减速或加速到通过能。电子束通过入射透镜后进入TEEA,TEEA是整个谱仪的核心部分,由内外两个环面组成,在内外环之间所加偏压的作用下,电子被偏转135°后在出口处色散。中心轨道上运行的电子的能量即为TEEA的通过能Ep,它由内外环的几何尺寸以及内外环之间的电势差ΔV决定。