SE509644C2 - Analysanordning och förfarande - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 509 644 2 stämma sammansättning och djupfördelning av element samt läget av föroreningar i kristallmatriser. Vid dessa experi- ment är i normalfallet energin hos de infallande partiklarna lägre än targetkärnans Coulomb-barriär. Dessa tekniker an- vänds i nästan alla forskningsområden inom materialvetenska- pen.

När de infallande jonernas energi är högre än targetkärnornas Coulomb-barriär, åstadkommer jonstrålen kärnreaktioner. De resterande produkterna, partiklar och (eller) gammastrálar, detekteras av lämpliga detektorer. Detta utgör grunden för Nuclear Reaction Analysis (NRA). Djupinformation erhålles genom att variera strålens energi eller genom att mäta ener- gifördelningen hos de utträdande (sekundära) laddade parti- klarna. En speciell gren av NRA är Resonant Profiling-meto- den.

Användning av multilager av material, med skikttjocklekar på ett fåtal atomlager, är nu väl etablerad inom halvledartekno- login. Den utgör basen för helt nya applikationer (t.ex. inom fiberoptiska kabelsystem). Den har också öppnat möjligheter att studera viktiga fundamentala system inom fysiken som t.ex. isolerade kvantumkällor. Metalliska multilager och deras mer välordnade former, metalliska supergitter//mönster, är ännu inte så välutvecklade. De kan dock komma att ge ny förståelse av hur elektroniska och magnetiska strukturer uppför sig i allmänhet, liksom att erbjuda möjligheter till åtskilliga olika applikationer. Mest diskuterat för närvaran- de är applikation av deras magnetiska egenskaper i kompakta datorminnen och i sensorer baserade på magnetoresistivitet, men också användning av multilager för röntgen- och neutron- speglar för olika slags spektroskopi är möjlig.

I dag är inga tekniker tillgängliga för att analysera kemisk sammansättning och djupfördelning hos dessa avancerade mate- rial med tillräcklig precision.

Användning av Mev jonstrålar för att undersöka sammansättning 10 15 20 25 30 35 509 644 3 och struktur hos material har ökat kraftigt under de sista 20 åren. Från dess början i tidigt 1970-tal med ett fåtal pion- järforskare finns numera hundratals MeV-acceleratorer världen runt, som används för jonstràleanalys.

I princip består MeV jonstråleanalys av alla tekniker där ett material bombarderas med MeV-joner och där partiklarna som kastas ut från materialet detekteras för att ge information om materialets sammansättning. De viktigaste av dessa tekni- kerna är de, där bombardemanget av joner gör att laddade partiklar kastas ut från target. Till dessa tekniker hör Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), några Nuclear Reaction Analysis (NRA) tekniker samt Energy Recoil Detection (ERD). RBS har blivit en av de mest allmänt använda tekniker- na för kvantitativ bestämning av djupfördelningar av tunga element. NRA utgör en unik metod att bestämma djupfördel- ningen av lätta element såsom väte, kol, kväve och syre. ERD är en ny lovande och mycket känslig metod för att mäta lätta element, inkluderande väte, i godtyckliga material. Den analyserande förmågan för alla dessa metoder kan förbättras avsevärt med en magnetisk spektrometer för analysen av de utkastade partiklarna i stället för de vanligen använda ytbarriärdetektorerna.

Utförandet varierar mellan de nämnda metoderna, men samtliga baserar sin förmåga att bestämma djupfördelningen av det analyserade elementet på mätning av den detekterade parti- kelns energi. Den helt dominerande detektortypen för sådana studier är ytbarriärdetektorn, som har en energiupplösning på omkring 15 keV (halvvärdesbredd) för He-partiklar av några Mev och mycket sämre energiupplösning för tunga joner såsom kol och syre. Magnetspektrometern som föreslås här kommer att ha en upplösning på l keV för 4 MeV He-joner och lika god upplösning för 4 Mev tunga joner. Denna förbättring av upp- lösningen innebär en dramatisk förbättring av djupupplösning med dessa metoder. I vissa fall kommer djupupplösningen att närma sig atomiska dimensioner och därmed erbjuda nya och viktiga mätverktyg. 10 15 20 25 30 35 509 644 4 Det finns åtskilliga andra viktiga fördelar att vinna genom användning av en magnetspektrometer i stället för en ytbarri- ärdetektor, men förbättringen av djupupplösningen är en av de viktigaste egenskaperna hos magnetspektrometern. Det är därför meningsfullt att beskriva dessa förbättringar mer detaljerat. Alla här nämnda metoder får fram djupinformatio- nen genom det faktum att laddade partiklar förlorar energi när de penetrerar material. Det är energiförlusten hos parti- klarna när de rör sig in i och ut ur targetmaterialet som används för att bestämma djupet i materialet som undersöks.

För alla metoderna kan djupupplösningen uttryckas (approxima- tivt) som: = AE ° dz/dx (1) där o är djupupplösningen. AE är energispridningen hos de detekterade partiklar som kommer från ett specifikt djup i target, och dE/dx är energiförlusten per väglängd inkluderan- de energiförlust av både infallande och detekterad partikel.

Termen AE inkluderar bidrag från detektorupplösning, energi- spridning i den infallande strålen, energispridning hos de detekterade partiklarna beroende på detektorns ändliga dimen- sioner (kinematisk spridning) samt från spridning i energi- förlust när partiklarna färdas genom fast material (strag- gle). Moderna acceleratorer kan vanligtvis opereras så att bidraget från strålens energispridning kan försummas. Nära materialets yta kan straggle försummas. Magneter kan användas så att man kompenserar för kinematisk spridning.

Sålunda kommer en förbättring av detektorns upplösning från de l5 keV, som är typiskt för en ytbarriärdetektor, till 1 keV med en magnet att också förbättra djupupplösningen med en faktor 15 nära ytan. Detta innebär att en konventionell RBS- mätning som hade en upplösning nära ytan på 20 nm mätt med en ytbarriärdetektor kommer att ha en djupupplösning på 1,3 nm mätt med en högupplösande magnet. En NRA-mätning av kvävepro- 10 15 20 25 30 35 5 filen vid ytan av ett prov med användning av reaktionen l4N(d,a)l2C, som kanske hade en djupupplösning på 50 nm mätt med en ytbarriärdetektor, får en djupupplösning nära ytan på 3,3 nm med en magnetspektrometer.

Mätningar med en högupplösande magnet ger visserligen alltid bättre djupupplösning än mätningar gjorda med en ytbarriärde- tektor, men vid tillräckligt djup in i target ger ändå strag- gle det största bidraget till djupupplösningen. I det läget blir fördelarna med en högupplösande magnet mindre viktiga. Även i fallet att man gör en RBS-mätning med en He-stràle (ett ganska ofördelaktigt fall) måste man emellertid gå så djupt som omkring 300 nm innan straggle blir jämbördig med 15 keV detektorsupplösning. På det djupet är djupupplösningen med en magnet fortfarande ungefär 40% bättre än med en yt- barriärdetektor.

Sammanfattningsvis ger användningen av en högupplösande magnetspektrometer för att detektera utkastade laddade parti- klar i stället för en ytbarriärdetektor en förbättring av djupupplösningen vid IBA-mätningar med en storleksordning nära ytan av materialet som skall undersökas, och denna förbättring kvarstår flera hundra nm in i materialet.

Ytterligare en förbättring, lika viktig som den beskriven ovan, är möjlig att ástadkomma med en magnetspektrometer. När RBS används för att analysera ett prov, kan djupupplösningen förbättras genom minskning av termen AE i ekvation (1) enligt ovan, eller genom att öka termen dE/dx i ekvationen. Man kan t.ex. öka dE/dx nästan med en faktor 10 genom att gå fràn He- till O-stràlar (båda vid 0,4 MeV/amu i Si). Detta förbättrar då djupupplösningen nära ytan med en storleksordning om detektorupplösningen inte samtidigt försämras. Ytbarriärde- tektorer förlorar olyckligtvis energiupplösning ännu snabbare än ökningen av dE/dx, så därför är det inte någon vinst med att använda O-strålar i stället för He för att göra RBS med sådana detektorer. En magnetspektrometer har emellertid samma energiupplösning för 0 och He, och erbjuder därför en möjlig- 10 15 20 25 30 35 509 644 6 het att utnyttja den förbättring av djupupplösning, som principiellt erbjudes med tunga joner.

En annan fördel som ges med bakátspridning av tunga joner är en förbättring av massupplösningen. Energin hos en jon, som sprids elastiskt från ytan av ett prov ges av konserveringen av energi och impuls i en två-kroppars-kollision. Vid 180 grader ger detta helt enkelt: ÛH4'Û5]z E: [ÛH'+"E Ebeam (2 ) 'där E är den spridda partikelns energi, ml och m2 är respek- tive massor hos projektil och target, och Ebeam är strålens energi. Man kan därför bestämma targets massa genom att mäta E om man känner projektilens massa och stràlens energi. En svårighet med konventionell He RBS är att alla "tunga" targe- tatomer ger nära lika spridningsenergi. Exempelvis är skill- nad i energi E enligt ovanstående formel bara 2 keV när man sprider 2 MeV från targetmassorna 100 amu och 101 amu. Denna skillnad blir omätbar med en 15 keV ytbarriärdetektor. Om man däremot använder 8 Mev O för RBS, blir skillnaden i E för massorna 100 och 101 så stor som 27 kev, vilket skulle vara lätt att mäta med en magnetspektrometer.

Sammanfattningsvis ger användning av en magnetspektrometer i stället för en ytbarriärdetektor en förbättrad djupupplösning nära ytan med en storleksordning vid alla de IBA-tekniker, som bygger på mätning av energin hos den detekterade parti- keln. Dessutom erhålles en dramatisk förbättring vid ba- kàtspridning av tunga joner på grund av större dE/dx för tunga joner än för He. Bakåtspridning av tunga joner skulle också ge en massupplösning nära ytan bättre än 1 amu för alla targetelement vid användning av en magnetspektrometer.

Förutom den grupp av förbättringar som kort beskrivits ovan och som är en följd av den bättre energiupplösningen hos en 10 15 20 25 30 35 509 644 7 magnetspektrometer, så finns det en annan och nästan lika viktig egenskap hos magnetspektrometern vid användning för IBA. Magnetspektrometrar tillåter nämligen mätning av kärn- reaktioner och spridningar med låg sannolikhet även i närvaro av intensiva elastiskt spridda partiklar. De flesta NRA- metoder baserade på detektering av laddade partiklar kräver något system för att hindra elastiskt spridda partiklar att nà detektorn. Utan ett sådant system skulle detektorn slösa bort praktiskt taget all tid med att räkna elastiskt spridda partiklar. Den vanliga metoden att eliminera dessa händelser är att placera en absorptionsfolie framför detektorn. Foliens tjocklek väljs sådan att den är precis tjock nog att stoppa alla elastiskt spridda partiklar, men tunn nog för att släppa igenom de kärnreaktionspartiklar som behövs för NRA-analysen.

Användningen av en sådan absorbator har två fundamentala problem. Den ena är att närvaron av en sådan folie resulterar i straggle av NRA-partiklarna med åtföljande förlust av djupupplösning. Den andra är att den eliminerar de flesta kärnreaktioner som är möjliga för NRA-analys. Endast sådana kärnreaktioner, som ger partiklar med räckvidd mycket längre än de elastiskt spridda partiklarnas, kan användas.

En magnetspektrometer erbjuder ett naturligt sätt att undvika dessa problem. Partiklarnas dispersion ger den höga impul- supplösning som behövs för analysen, medan en kiseldetektor i magnetspektrometerns fokalplan kan urskilja den stora ener- giskillnaden mellan olika laddningstillstànd, och därigenom unikt bestämma energin på de infallande partiklarna. Det blir därför möjligt att mäta även ganska svaga kärnreaktionsparti- klar i närvaro av intensiv elastisk spridning. Dessutom kommer dessa NRA-partiklar att detekteras med mycket högre energiupplösning och därmed mycket bättre djupupplösning.

Denna förmåga hos en magnet att fysiskt separera elastiskt spridda partiklar från andra har också mycket viktiga appli- kationer i Energy Recoil Detection (ERD), där lätta elements position bestäms genom att bombardera target under en liten vinkel och mäta de lätta joner som slås ut från target av 10 15 20 25 30 35 509 644 8 dessa infallande joner. Denna teknik används ofta för be- stämning av djupfördelningsprofiler av väte. Då används en absorptionsfolie framför detektorn för att stoppa de intensi- va elastiskt spridda partiklarna. Genom att välja lämpligt magnetfält eller genom att placera en solid platta framför detektorn i fokalplanet för att stoppa elastiskt spridda partiklar kan man göra ERD-mätningar med mycket bättre dju- pupplösning och känslighet än vad som för närvarande är möjligt i system med ytbarriärdetektorer. I gynnsamma fall bör denna metod kunna ge flera storleksordningar förbättring i känslighet för väteanalys i förhållande till alla andra tidigare använda tekniker.

B. Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med uppfinningen är att lösa de problem med otill- räcklig upplösning som tidigare medel och metoder lider av.

Problemet löses i en första aspekt genom en förbättrad metod som definieras i krav 1, och i en andra aspekt genom en apparat för materialanalys med hög upplösning som definieras i krav 15.

I en tredje aspekt av uppfinningen beskrives en apparat som tillåter hantering av prover i det ultrahögvakuum som erfor- dras inne i provkammaren i utrustningen enligt uppfinningen.

I denna aspekt av uppfinningen, definierad i krav 4, beskrivs ett hanteringssystem som tillåter manipulering av ett prov eller target under ultrahögvakuum av omkring 1O'10 mbar. Det tillåter snabb inladdning av många prover. Tidigare sådana system har fordrat långa perioder för utgasning genom pump- ning för att åstadkomma önskad vakuumnivà innan mätningar kunde utföras och därför tillät endast ett fåtal mätningar per dag. Med uppfinningen är det också möjligt att svepa proverna för att göra lateral kartläggning av dem.

Ytterligare möjligheter till applikationer av denna uppfin- ning blir tydliga efter den detaljerade beskrivning som följer. Man bör ändå förstå att den detaljerade beskrivningen 10 15 20 25 30 35 509 644 9 och specifika exemplen, fastän de indikerar de främsta egen- skaperna hos uppfinningen, endast ges för att förtydliga, eftersom olika ändringar och modifikationer i förhållande till denna detaljerade beskrivning inom ramen för uppfin- ningsidén blir uppenbara för fackmännen på området.

Den föreliggande uppfinningen förstås tydligare av den deta- ljerade beskrivning som ges nedan och av de medföljande ritningarna, som ges endast för förtydligande, och får inte ses som begränsande av denna uppfinning, och där Fig. l är en schematisk vy av ett system enligt uppfinningen; Fig. 2 är en vy uppifrån av magnetspektrometern enligt uppfinningen med övre halvan avlägsnad; Fig. 3 är ett snitt längs linje A-A i Fig 2; Fig. 4 är en delvis sektionerad vy av systemet för provmanipulering; Fig. 5 visar en provhàllare; Fig. 6 visar en sammanställning av provhàllaren och införingsstaven; Fig. 7 visar en kyld version av provhàllaren; och Fig. 8 är en graf som visar den förbättring av djupupplösningen, som àstadkommes med uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av de främsta egenskaperna Refererande till Fig. 1 visas där i förenklad form de grund- läggande elementen i ett system enligt uppfinningen för materialanalys med hög upplösning. 10 15 20 25 30 35 509 644 10 Systemet består av en partikelstrålkälla 1, en vakuumkammare 2. Placerade inuti denna vakuumkammare är ett system 3 för hantering av prov (eller target), en magnet 4 och en fokal- plansdetektor 5.

Varje komponent skall nu beskrivas separat i detalj.

Som redan nämnts i diskussionen om bakgrunden till uppfin- ningen kan partikelstrålkällan vara av olika slag, och den utgör inte en del av uppfinningen i och för sig. Ett belysan- de exempel på strålkälla är en van de Graaff-accelerator.

Varje lägeskänslig detektor med tillräcklig geometrisk upp- lösning (bättre än 0,1 mm) som är känd och kommersiellt tillgänglig kan användas i uppfinningen, och detektorn utgör således inte i och för sig en del av uppfinningen.

En nyckelkomponent för ett lyckat utförande av uppfinningen är provhanteringssystemet i allmänhet betecknat med referens- nummer 3. Tidigare kända system har fungerat så att prover har förts in i vakuumkammaren under atmosfäriskt tryck, och därefter har kammaren evakuerats. Detta har åtskilliga nack- delar. Framför allt blir det betydligt mer tidsödande om ens möjligt att reducera trycket till önskad nivà, alltså ultra- 10 högvakuum på 10' mbar. Detta är bl a en konsekvens av att fukt fäster vid ytorna i vakuumkammaren.

Provhanteringssystemet i uppfinningen gör det alltså möjligt att l) ladda ett flertal prover i torr kvävgas och därigenom reducera nerpumpningstid, och att 2) maximera tryckexponeri- ngen av detektorerna till 10-6 mbar.

Provhanteringssystemet 3, som visas översiktligt i Fig. 4, består av tre huvuddelar: en laddningskammare 6, en ultrahög- vakuumventil 7 ansluten till nämnda kammare 6 och en analys- kammare 8, där proverna utsätts för jonstrålar.

Laddningskammaren 6 kan placeras i en gasreningskammare för 10 15 20 25 30 35 so9 s44 11 rening med torr kvävgas från någon lämplig källa.

Provhållaren 9 (Fig. 5), försedd med ett flertal prover 10 placeras inuti laddningskammaren 6. Provhållaren innefattar en provpositioneringsskena ll gjord av till exempel stål eller koppar. Det senare materialet används när man önskar kylning. Längs sidorna på nämnda skena ll finns fjäderhållar- stavar 12 fästade mot skenan 11 med skruvar. Hållarstavarna 12 håller fästfjädrarna 13, med vilka proverna hålls på plats på nämnda positioneringsskena ll. Skenan 11 är försedd med en lateralt utskjutande övre del 14. Nämnda del 14 är monterad inuti en cylindrisk bayonettdel 15. Nämnda bayonettdel 15 har en öppning nertill med en diameter som passar till vidden på skena ll, och den är smalare än den laterala utsträck- ningen av nämnda övre del 14. Ett fjädrande element 16 finns mellan bayonettens botten och övre delen 14 och åstadkommer därmed en fjädrande funktion vid kopplingen.

Bayonettdelen 15 har två diametralt placerade och väsentligen L-formade urtag 17. Dessa urtag passar mot två pinnar 18 som sitter på en manipulatordel 19 för manipulering av proverna i analyskammaren för bl.a. optimering av dessas läge (manipula- torn beskrivs mer nedan).

Laddning av prover utföres som följer: Provhàllaren 9 inkluderande bayonettdelen 15 placeras inuti laddningskammaren 6. En gaffelformad överföringsstav 20 (Fig. 6), som sticker ut genom botten av kammaren via en vakuumtät- ning, och som har en påskjutningsdel 20' som kan manövreras från utsidan, skjutes uppåt tills den griper i urtagen 21 i nämnda bayonettdel 15. Varje ben 22 på gaffeln 20 har en låsmekanism 23. Nämnda låsmekanism 23 innehåller en utskju- tande del 24 från spetsen av varje ben. Nämnda utskjutande delar 24 är väsentligen T-formade, och bildar därigenom hakarna 25, 26. När gaffeln (eller överföringsstaven) har skjutits in så långt som möjligt i nämnda bayonett 15, så vrides gaffeln något, så att hakarna 25, 26 går över den inre 10 15 20 25 30 35 509 644 12 ytan 27 av bayonettdel 15. Därigenom àstadkommes en läsande funktion.

När provet är rätt placerat inuti laddningskammaren 6, evaku- eras denna. När önskat tryck uppnåtts, öppnas ventilen 7. Överföringsstaven och gaffel 20 trycks uppåt och för med sig provhàllaren tills denna är placerad i omrâdet för ultrahög- vakuum UHV. I detta läge passar urtagen 17 i bayonettdelen 15 till pinnarna 18 i manipulatorn 19. Genom att vrida prov- hållaren med hjälp av överföringsstaven 20 kommer pinnarna 18 att bli låsta i de L-formade urtagen 17. När denna operation har slutförts är det en enkel sak att lossa de T-formade hakarna 25, 26 från deras fästen i bayonettdel 15 genom att vrida dem till ett läge varifrån de kan dras ut från prov- hållaren och ner i laddningskammaren, varefter UHV-ventilen 7 kan stängas igen.

Manipulatorn 19 kan nu manövreras för att positionera provet till rätt läge i X-Y-Z-riktningarna. Den kan drivas av en elektrisk motor och/eller manövreras manuellt. Mekanismen är placerad innanför en metallbälg för att göra systemet till- räckligt läckfritt.

Nu kommer magneten 4 beskrivas i detalj.

Magneten 4 enl. Fig. 2 är en splitpolespektrograf. Den är baserad på en spektrograf utformad och beskriven av Harald A.

Enge 1964 (Nuclear Instr. and Meth. 28, 126, 1964). Magneten enligt denna uppfinning är i huvudsak densamma som nämnda kända magnet. Den består av två poler monterade på ett gemen- samt returok 33. Partiklar spridda från ett prov eller target 10 böjs av eller deflekteras först i en första dipol, dipol I, och sedan i en andra dipol, dipol II. Polgeometrin är vald så att alla partiklar med samma impuls fokuseras till en punkt i fokalplanet. Partiklar med olika impuls träffar olika punkter, och genom att avläsa den punkt där en partikel träffar fokalplanet, så kan också dess impuls bestämmas. Ett energiområde Emax:Emin på 8:1 kan avläsas samtidigt på detta 10 15 20 25 30 35 5-09 644 13 sätt.

Fastän det är att föredra att använda två dipoler för att uppnà den önskade màngsidigheten, så är det möjligt att förse spektrometern med endast en dipol. Både enkla och dubbla dipoler är därför inom remane för uppfinningsidén.

Polkanterna är dessutom bestämda till sin form (se artikeln av Enge enl ovan) så att vertikalfokusering uppnås och första och andra ordningens aberrationer nästan är eliminerade.

Magneten exciteras av ett enda par spolar, som omger de två polerna.

Vid ingången till dipol I (D1) finns en extra stálkant 36 benämnd "fältclamp". Den hjälper till att forma den ganska kraftigt krökta fältkanten i det området.

Magnetens två poler är monterade på ett gemensamt returok 33.

De är också exciterade av ett enda par spolar 28, som omger de två polerna.

Polerna Dl, D2 och delvis oket 33 är bearbetade av endast två stålplattor 30. Varje platta utgör hälften av magneten. På detta sätt kan de tekniska kraven för jonstràleanalys upp- fyllas, nämligen l) att de geometriska toleranserna måste vara mycket snäva, och 2) att vakuumet i systemet helst skall vara i storleksordningen lO'1O mbar, fast principen för upp- finningen fungerar även vid högre tryck, sàsom lO'8 eller till och med 10'6 mbar, Vid högre tryck blir förorening av proverna ett problem, och precisionen försämras snabbt. De mekaniska toleranserna begränsas enbart av den precision som kan erhållas med den använda fräsmaskinen. Polytorna och angränsande okytor utgör de ytor som är exponerade mot va- kuum. Stålytorna är metallpläterade för att ge dem utgas- ningskarakteristika liknande rostfritt stàl. Den bästa ytbe- handlingen är med kemisk nickelplätering, som ger en icke- porös yta. Alla vakuumytor urgasas genom värmebehandling/- bakning. 10 15 20 25 30 35 509 644 14 I Fig. 2 visas ena halvan av vakuumkammaren uppifrån.

Som nämnts tidigare är varje halva bearbetad ur en enda järnplatta. "Topologin" av de bearbetade ytorna är utmärkt genom djupsiffror givna i millimeter mätta från en noll-nivå, som är kontaktytan mellan de två plattorna. Profilen av ytan ses tydligt i snittet på Fig.3, som är gjort längs linjen A-A i Fig. 2 och visar de två halvorna hopmonterade för att utgöra det kompletta magnetjärnet.

Spolen 28, också indikerad med ett kryss, är placerad i ett spår 29 som är fräst ur stálplattan 30 från baksidan. På insidan finns en urfräsning 31, motsvarande spåret 29. Till- sammans lämnar de en sektion 32 med tunt material som för- binder dipolerna (Dl och D2) med returoket 33. Detta är en nyckeldetalj i systemet och skall förklaras nedan.

Dipolerna D1 och D2 formas genom att material bearbetas bort från stálplattan sà att de önskade formerna skapas. Polgeo- metrin som sådan är känd. I stället för att lämna ett luftgap mellan dipolerna och returoket, eller i stället för att göra den delen av omagnetiskt material, görs emellertid denna del här av järn. Materialet där blir dà magnetiskt mättat redan vid låga excitationer av magneten, men det är gjort så tunt (2 - 4 mm, helst 3 mm), att det extra magnetflödet genom denna sektion lätt kan tas om hand av returoket. Fältmönstret i det användbara magnetgapet blir praktiskt taget opáverkat.

Det är två fördelar med denna design. För det första blir det möjligt att med hög precision tillverka varje halva av spekt- rometern frán en enda stálplatta och undviker extra detaljer av andra material. För det andra erhålles ett helmetallsys- tem, vilket är fördelaktigt för ultrahögvakuum.

Detektorkammaren 34 innehåller en fokalplansdetektor 5. En lämplig detektor skall ha en geometrisk upplösning bättre än 0,1 mm. Sådana detektorer är kommersiellt tillgängliga, och en person kunnig på området kan finna en lämplig detektor. 10 15 20 25 509 644' 15 I ett utförande kan man placera en elektrostatisk deflektor framför detektorn för att elektrostatiskt separera partiklar med olika laddning. Detta kan helt enkelt vara ett par plat- tor arrangerade på ömse sidor om detektionsplanet.

Provet är placerat i den cirkulära kammaren 37. Manipula- tionssystemet är placerat så att det når in i den nämnda kammaren.

Det finns en kanal 38 för jonstrålen från t.ex. en accelera- tor riktad mot provkammaren. En annan kanal 39 finns för inspektionsändamål, så att target kan observeras via tele- vision.

Pà utsidan av de två magnethalvorna är svetsat ett svep av rostfritt stål som fullbordar vakuumkammaren.

I Fig. 8 är en graf som visar den förbättring av djupupplös- ningen som erhålles genom uppfinningen.

Som uppfinningen beskrivits är det uppenbart att den kan varieras pà många sätt. Sådana variationer får inte betraktas som avvikelser från andan och meningen med uppfinningen, och alla sådana modifikationer, som skulle vara uppenbara för en person kunnig på området är ämnade att vara innefattade i de följande kraven.

Claims (12)

5-09 644 ib- NYA PATENTKRAV

1. En magnetspektrometer med ett jonoptiskt system för fokusering av partikelstrålar pà en lägeskänslig fokalplans- detektor; vilket system omfattar åtminstone en dipol (Dl, D2), exciterad av spolar (28) placerade runt nämnda di- pol(er), och ett returok (33), k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda dipoler (D1,D2) och nämnda returok (33) är för- bundna genom en tillräckligt tunn järnbrygga (40) så att nämnda brygga blir magnetiskt mättad redan vid låg excitation av magneten.

2. Magnetspektrometern enligt krav 1 innefattande en lägeskänslig detektor (5).

3. Magnetspektrometern enligt krav 2, där nämnda di- pol(er) (Dl, D2) är sådana att joner som har samma impuls fokuseras på samma fläck på detektorn (5).

4. Magnetspektrometern enligt något av kraven 1-3, bestående av två halvor, där varje halva bearbetas ur en platta av solitt stål, och där vakuumytorna av järn är me- tallpläterade.

5. Magnetspektrometern enligt krav 4, där nämnda pläte- ring är kemisk nickelplätering.

6. Magnetspektrometern enligt något föregående krav med en elektrostatisk deflektor framför detektorn för att elekt- rostatiskt separera partiklar med olika laddning.

7. En apparat för analys med hög upplösning av koncen- trationsfördelningen i skiktade material, bestående av a) en partikelstrålkälla (1): i 509 644 i? b) en anordning för manipulation av prov eller target under högvakuum; c) en magnetspektrometer enligt krav 1 arrangerad för att detektera joner spridda från ett target (10) som bestrà- las av en partikelstràle från nämnda partikelstràlkälla (1); varvid d) nämnda manipulationsanordning och nämnda mag- netspektrometer inneslutna i ett hölje med ultrahögvakuum.

8. Apparaten enligt krav 7, där provmanipulatorn in- nefattar a) en laddningskammare (6) för inladdning av prover (10) vid atmosfärstryck; b) en ultrahögvakuumventil (7), som förbinder nämnda laddningskammare (6) och nämnda analyskammare (8): c) ett överföringsorgan (20, 20') för att flytta ett provhållaraggregat (11, 12, 13, 15), som har ett flertal prover (10) fästade pà sig, från nämnda laddningskammare (6) in i nämnda analyskammare (8) med ultrahögvakuum.

9. Apparaten enligt krav 8 innefattande provhàllarorgan (11, 13), en bayonettdel (15) fjädrande förbunden (16) med den övre änden (14) av nämnda provhàllarorgan (11), en över- föringsorgan (20, 20') med kopplingsorgan (23, 24, 25) för fäste av nämnda bayonettdel (15, 21, 27), varvid nämnda överföringsorgan (20, 20') sträcker sig genom botten av nämnda laddningskammare (6) via en vakuumtätning.

10. Apparaten enligt krav 9 med nämnda överföringsorgan 509 644 íš (20, 20') som har formen av en gaffel med två ben (22), som vardera har kopplingsorgan (23, 24, 25), och där nämnda ben (22) är riktade longitudinellt längs den nämnda provhállaror- ganet (ll).

11. ll. Apparaten enligt krav 9 eller 10, där nämnda prov- hållarorgan (ll) är gjort av ett material med god värmeled- ningsförmága såsom koppar för kylningsändamål.

12. Apparaten enligt något av kraven 7-ll innehållande organ för att åstadkomma ett skydd av torr inert gas under laddning av prover.