Вплив паразитичних компонентів поля магнітних квадрупольних лінз на роздільну здатність високоенергетичного ядерного мікрозонда - Автореферат

Одним з основних напрямків у галузі вдосконалення мікрозонда є підвищення його роздільної здатності, яка визначається розмірами і струмом пучка на мішені. В процесі досліджень виявилось, що одним з головних факторів, який впливає на роздільну здатність мікрозонда, є присутність паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи, викликаних недосконалістю виготовлення і/або збирання лінз, неоднорідністю матеріалу полюсних наконечників і явищем гістерезису. З вищезазначеного випливає, що спроби зменшити негативний вплив паразитичних компонент поля магнітних квадрупольних лінз були повязані з підвищенням якості структури поля лінз. В даній дисертації вперше запропоновано альтернативний підхід щодо розвязання цієї задачі, коли розглядаються не окремо взяті фокусуючи системи, а деяка їх множина, для якої проведено дослідження впливу паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи на роздільну здатність мікрозонду. Мета даної роботи полягає в тому, щоб на основі проведених чисельних досліджень знайти фокусуючі системи, найменш чутливі до фізичних і технологічних недосконалостей магнітних квадрупольних лінз для підвищення роздільної здатності ядерного мікрозонда.У першому розділі розглянуто фактори, які впливають на роздільну здатність мікрозонда, де особлива роль відводиться фокусуючої системі. Відзначається, що в більшості найвдаліших зразків мікрозонда для фокусування високоенергетичних пучків іонів використовуються магнітні квадрупольні лінзи. У значній кількості як теоретичних, так і експериментальних досліджень відзначається негативна роль паразитичних компонент поля магнітних квадруполів. У звязку з тим, що необхідно враховувати характер взаємодії пучка з паразитичними компонентами поля лінз, ставиться вимога контрольованої точності визначення аберацій.Такий вигляд поля витікає з припущення існування прямолінійної фізичної осі лінзи, вздовж якої , тому така модель має назву осьової. Крім того, розглянуто поле для лінзи, оберненої відносно осі на кут . Також використовувалась традиційна антисиметрична модель: де W2(z) - головна квадрупольна компонента поля; В силу зворотних моделей поля динаміка пучк в магнітної квадрупольної лінзі описується рівняннями руху пучка заряджених часток з прямолінійною осьовою траєкторією. Поряд із фазовим простором x,x’,y,y’,?, де x,y - поперечні координати, x’,y’ - кути нахилу траєкторій часток до осі системи, ? - хроматична якість пучка, яка характеризується роздільною здатністю часток за імпульсом ?=?p/p, вводиться поняття простору фазових моментів: - моменти першого порядку;Побудовано двопараметричну множину фокусуючих систем на базі триплету магнітних квадрупольних лінз, де за параметри вибрані довжина системи та обєктна відстань. Вперше визначено характер впливу різних паразитичних компонент поля магнітних квадрупольних лінз на динаміку пучка в триплетних конфігураціях фокусуючої системи. У такій постановці задачі одержано аналітичний вираз для усіх коефіцієнтів паразитичних і власних аберацій магнітної квадрупольної лінзи 2-го і 3-го порядків для прямокутної моделі повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля лінз. Для визначення повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля в реальних конструкціях лінз розроблено нову методику відтворення і аналізу 3D поля магнітної квадрупольної лінзи. Показано, що для отримання пучка на мішені з мікронними і субмікронними розмірами слід використовувати короткі фокусуючи системи з довжиною 1.4-2.0м і рознесеною конфігурацією лінз, які найменш чутливі до впливу паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи.

2. Основний зміст

Методи розвязання поставленої задачі та основні результати, одержані в дисертації, полягають у наступному: 1. Побудовано двопараметричну множину фокусуючих систем на базі триплету магнітних квадрупольних лінз, де за параметри вибрані довжина системи та обєктна відстань.

2. Розроблено новий підхід шодо формування на мішені пучка із заданими розмірами при оптимальному емітансі (струмі) за рахунок вибору відповідних розмірів обєктної і кутової діафрагм для кожної фокусуючої системи множини.

3. Залежність оптимального емітансу від розмірів пучка на мішені має експериментальне підтвердження на мікрозонді Мікроаналітичного дослідного центру (MARC) Мельбурнського університету.

4. Критерієм вибору фокусуючих систем, найменш чутливих до впливу паразитичних компонент обрана величина оптимального емітансу за інших рівних умов: хроматичної якості пучка, рівнів паразитичних компонент поля лінз і розмірів пучка на мішені.

5. Вперше визначено характер впливу різних паразитичних компонент поля магнітних квадрупольних лінз на динаміку пучка в триплетних конфігураціях фокусуючої системи.

6. У визначенні іонно-оптичних властивостей фокусуючих систем враховані секступольна, октупольна та додекапольна паразитичні компоненти.

7. При розрахунках паразитичних аберацій сумісно з власними застосовано метод занурення в простір фазових моментів для розвязання нелінійних рівнянь руху пучка заряджених часток у полі магнітної квадрупольної лінзи.

8. У такій постановці задачі одержано аналітичний вираз для усіх коефіцієнтів паразитичних і власних аберацій магнітної квадрупольної лінзи 2-го і 3-го порядків для прямокутної моделі повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля лінз.

9. Достовірність розрахунку аберацій базується на порівнянні моделей лінз з аналітичним і чисельним розвязанням рівнянь руху пучка, а також в порівнянні з розрахунками чисельними кодами інших авторів.

10. Для визначення повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля в реальних конструкціях лінз розроблено нову методику відтворення і аналізу 3D поля магнітної квадрупольної лінзи.

11. Методика базується на вимірюваннях поля на циліндричнії поверхні поблизу полюсних наконечників лінзи, які використані як крайові умови для розвязання 3D рівняння Лапласа.

12. Тестування методики виконано на моделях лінз, в яких 3D скалярний потенціал можна визначити аналітично.

13. Установлено, що внутрішню точність визначення мультипольних компонент поля складають квадрупольна ~0.1%, секступольна і октупольна 1%, додекапольна <10% компоненти.

14. Показано, що для отримання пучка на мішені з мікронними і субмікронними розмірами слід використовувати короткі фокусуючи системи з довжиною 1.4-2.0м і рознесеною конфігурацією лінз, які найменш чутливі до впливу паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи.

15. Встановлено, що для задач, які потребують спеціального розділення з нанометричними розмірами пучка на мішені, необхідно враховувати технологічні обмеження щодо виготовлення обєктних діафрагм мінімальних розмірів.

16. Показано необхідність урахування несиметричного разташування кутової діафрагми відносно оптичної осі, що може дати змогу збільшити величину струму пучка на мішені в декілька разів.

Список опублікованих праць здобувача

1. Brazhnik V.A., Dymnikov A.D., Jamieson D.N., Lebed S.A., Legge G.J.F., Ponomarev A.G., Storizhko V.E. Numerical optimization of magnetic nonlinear quadrupole systems in an ion microprobe with given spot size on the target // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 1995. - B 104. - P. 92-94.

Brazhnik V., Khomenko V., Lebed S., Ponomarev A. Some possibilities of nuclear microprobe focusing system improvement // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 1995. -

B 104. - P. 69-76.

3. Lebed S., Ponomarev A. Field reconstruction technique for testing magnetic quadrupole lenses // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 1997. - B 130. - P. 90-96.

4. Lebed S.A., Ponomaryov A.J. Methods of calculating the 5-th order intrinsic aberrations in magnetic quadrupole and octupole lenses including real magnetic fields. -Суми, 1993. - 18 c. - (Препр. / АН України. Ін-т прикладної фізики, IAP 06-93).

5. Lebed S.A., Ponomarev A.G. Numerical-experimental method for investigation of the 3D magnetic field in quadrupole lenses. -Сумы, 1993. - 9c. - (Препр. / АН України. Ін-т прикладної фізики, IAP 08-93).

6. Brazhnik V.A., Dymnikov A.D., Jamieson D.N., Lebed S.A., Legge G.J.F., Ponomarev A.G. and Storizhko V.E. Numerical studies of triplet and russian quadruplet quadrupole lens systems with the given spot size on the target, for use in microprobe // Proc. 8-th Australian Conf. on Nucl. Tech. of Analysis, AINSE, Lucas Heights (Australia), N.S.W. 17-19 November 1993. - P. 18-20.

7. Лебедь С.А., Пономарев А.Г. Восстановление 3D картины поля в рабочей области прецизионной магнитной квадрупольной линзы // Тез. докл. конф. “Техника и физика электронных систем и устройств”.- Сумы: СУМГУ. 18-20 мая 1995.- С. 111-112.