Spectromctres Electrostatiques. Partie I1

P. ALLARD ET J.-D. CARETTE Laboratoire de Physique Atomiqrie et Molkculaire, Dkpartemerzt de Physique, et Centre de rechercltes sur les atornes et

les molkcules, Facultk des Sciences, Unioersitk Laval, Qrie'bec 10, Qrikbec

R e ~ u le 25 janvier 1971

Dans ce deuxieme article, on prCsente les rCsultats de mesures effectutes dans le but de vCrifier les conclusions d'une Ctude des propriCtCs du condensateur cylindrique utilisC comme spectromttre Clec- trostatique d'Clectrons (partie I). Ces mesures sont relikes a la distribution angulaire des Clectrons a la sortie du spectromttre, a la valeur moyenne de I'energie des Clectrons en forlction de l'angle de sortie, a la mCthode utilisCe pour la mesure de la distribution compltte des Clectrons transmis par l'appareil et enfin h la IintaritC des caractCristiques de transmission du spectromttre.

In this paper we present results of measurements done in order to verify the conclusions of a study concerning the cylindrical condenser used as an electrostatic electron spectrometer. The measurements are related to the angular electron distribution at the exit of the spectrometer, to the average value of the electron energy as a function of the exit angle, to the method of measuring the whole energy distribution of transmitted electrons, and finally to the linearity of the transmission characteristics of this spectrometer.

Canadian Journal of Physics, 49, 2132 (1971)

Nous prCsenterons au cours de cet expos6 un aprbs la fente de sortie de ce dernier. La courbe certain nombre de rCsultats expkrimentaux ob- du courant mesurC en fonction de la difference de tenus partir de mesures destinies a vCrifier les potentiel reprksente alors la distribution en h e r - conclusions de la premibre partie de ce travail. gie des Clectrons, de facon plus ou moins fidble Deux spectrombtres ~lectrostati~ues ont CtC utili- selon les calculs prtsentts par Delage en premibre sCs a cette fin. Leurs caracteristiques gComCtriques partie. sont celles du sClecteur dCsignC par I a la Fig. 2,de Dans la deuxibme mtthode d'analyse la diffi- la premibre partie du travail. Un des spectromb- rence de potentiel entre les deux dibdres est main- tres est utilisC comme source d'klectrons mono- tenue nulle ou constante et au moyen d'un cir- cinCtiques et est dCsignC par le terme de sClecteur cuit, prCsentC en (c) de la Fig. 1, on balaie la d'Clectrons, alors que l'autre est utilisC pour diffkrence de potentiel entre les grilles de focalisa- dkterminer les propritt~s et caractkristiques du tion par rapport a 1'Cquipotentielle de la tra- faisceau d'klectrons transmis par le sClecteur, et jectoire circulaire qui passe par le centre des en consCquence est appelC analyseur. fentes d'entrte et de sortie de l'analyseur. Cette . .

Cquipotentielle est maintenue au potentiel Vd des dibdres en appliquant sur les grilles de focalisa- I. MCthode de mesure tion les potentiels appropriCs, soit sur la grille

Le schema de la Fig. 1 illustre les deux procCdes interieure: d'analyse qui sont susceptibles d7etre- utilids. Selon la ~remibre mCthode, on aiuste les Doten- V , = Vd - 2 Vo In (a /Ro) tiels des grilles de focalisation di s~lecteu; et de le potentiel qui correspond A l'anal~seur de facon ce qu'ils un de la trajectoire circulaire (de rayon R,), donne faisceau d'klectrons dont 1'Cnergie nominale est par la relation la mCme. Puis au moyen d'un montage du type dCsignC par (b) a la Fig. 1, on balaie,de k t [2] Vo = A V,/ [2 ln (bla)] d'autre de zCro, la difference de potentiel appli- quCe entre les dibdres du sClecteur et de l'ana- le parambtre AV, Ctant la diffkrence de potentiel lyseur. Tous les Clectrons du faisceau sont alors ( V , - V,) appliquCe entre les Clectrodes de accklCrCs ou freinks selon la polarit6 du potentiel rayon a et b. appliquC, de telle sorte qu'en fonction dela valeur En bref dans la premibre mCthode, on opere en de ce potentiel une fraction diffkrente des Clec- maintenant la fenetre de transmission de l'ana- trons est transmise par l'analyseur et mesurCe lyseur a une Cnergie constante et en balayant en

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FIG. 1. En (a) on trouve la reprksentation schema- tique du sklecteur et de l'analyseur, en (b) le circuit utilisk pour effectuer l'analyse par la mkthode de freinage et d'accklkration et en (c) celui utilisk pour la methode de balayage de la fenCtre de transmission.

Cnergie les Clectrons de la distribution, alors que dans la seconde mtthode c'est 1'Cnergie de la fenCtre de transmission qui est balayCe et 1'Cnergie nominale des Clectrons du faisceau demeure in- changCe.

Puisque le faisceau issu du stlecteur posskde une ouverture angulaire d'environ 30°, les expC- rimentateurs ont I'habitude de placer les deux dikdres, celui du sClecteur et celui de I'analyseur, le plus prks possible l'un de I'autre, afin que l'analyseur puisse accepter la presque totalitt du faisceau transmis par le stlecteur. MCme si la majeure partie du faisceau dYClectrons est alors injectCe dans I'analyseur les calculs de Delage montrent que la distribution mesurte, selon l'une ou l'autre des mCthodes dtcrites prCcCdemment, ne correspond pas 2 la distribution rCelle de I'Cner- gie des Clectrons du faisceau. Cependant si l'on injecte dans l'analyseur un faisceau dont l'ouver- ture angulaire est faible, environ de 3", les mCmes calculs montrent que la distribution mesurCe cor-

respond assez fidklement i la distribution rtelle. Ainsi, comme le propose Delage, si on divise l'angle d'ouverture du faisceau en tranches angu- laires, Aa - 3", et qu'on effectue la somme des distributions partielles mesurte pour chacune des tranches, on devrait alors obtenir une reprC- sentation assez prCcise de la distribution en Cner- gie des Clectrons issus du sClecteur.

A cette fin le montage que nous avons construit permet de placer l'analyseur A une distance varia- ble du selecteur, soit de 0.5 a 2 cm. De plus I'analyseur est placC sur un plateau qui peut pivoter autour d'un axe passant par la fente de sortie du dlecteur, ce qui permet l'analyse angu- laire du faisceau.

Un schema 2 17Cchelle de ce montage est prC- sent6 la Fig. 2. On peut y observer comment la gComttrie du montage, distance entre les dikdres et largeur des fentes, permet de n'injecter dans le sClecteur qu'une tranche angulaire Aa du faisceau d 'Clectrons.

Le banc d'optique Clectronique qui constitue ce montage est plact dans une chambre A vide CvacuCe par une pompe A diffusion et une pompe mtcanique. La ligne d'kvacuation est interceptke par des pieges a froid, un pikge A eau et un pikge azote liquide, afin dYempCcher les remontCes d'huile. Les alimentations des tensions sont effec- tutes au moyen de sources rCgulCes, dont la stabilitt est de + 0.1 mv. Le courant a la sortie de I'analyseur est collect6 par une cage de Faraday et mesurt au moyen d'un Clectrometre. Enfin, dans le but d'iliminer tout champ magnttique dans la rigion des spectromktres, mCme le champ magnttique terrestre, l'appareil est blind6 au moyen d'un Ccran de Co-Netic.' Ce dernier sert Cgalement d'Ccran Clectrostatique.

Le montage que nous avons c o n p et construit a d'abord CtC utilisC pour mesurer quelle est la dis- tribution angulaire des Clectrons A la sortie du sClecteur I. Les rCsultats obtenus sont prCsentCs 5 la Fig. 3, ou l'on trouve Cgalement la courbe cal- culCe par Delage (partie I). En deuxikme lieu, on a mesurC une sCrie de distributions partielles, c'est- &-dire la distribution en Cnergie des Clectrons con-

'Les blindages magnktiques de type Netic et Co-Netic sont fabriquts et distribuks par: "Perfection Mica Com- pany, Magnetic Shield Division, 740 Thomas Drive, Ben- senville, Ill. 60106, U.S.A.

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L A MESURE DES DISTRIBUTIONS PARTIELLES

DU SELECTEUR

DE L'ANALYSEUR

0 .5 1 1.5

FIG. 2. Reprisentation a I'tchelle des fentes de sortie du selecteur et d'entrke de I'analyseur. On indique comment sont dkterminees la largeur de la tranche angulaire Aa et de son angle moyen a, dans le cas de I'analyse angulaire.

tenus dans une tranche angulaire de largeur Act, situte a un angle moyen ct par rapport a la normale au plan de sortie du stlecteur. La valeur de l'tnergie correspondant au maximum de cha- cune de ces distributions est prtsentte a la Fig. 4, en regard de la valeur calculte par Delage. De plus a la Fig. 5 on trouvera quelques courbes de distributions partielles, soit pour une valeur de la tranche angulaire Act = 2", dont l'angle moyen s'ttend de O a 16". Les courbes correspondant a un angle moyen de 2, 4, 6 et 8" n'y sont pas tracees afin de ne pas trop encombrer la figure. Enfin a la Fig. 6 on a tract la courbe qui correspond A la distribution totale. C'est la somme des distribu- tions partielles. Cette courbe correspond a la courbe calculee 2 du stlecteur I prCsentCe a la Fig. 3 de la premiere partie. On notera que la dis- symktrie de la distribution est bien mise en evidence.

Un test de bon fonctionnement d'un spec- trometre Clectrostatique consiste a verifier la lintaritt de ce fonctionnement, selon l'tq. [2] qui relie l'tnergie des tlectrons a la difference de potentiel AV,. Plusieurs verifications de ce type ont kt6 effectuees au cours de ce travail. Nous en prtsentons un exemple la Fig. 7. On y trouve un graphique de la difference de potentiel entre les grilles de focalisation en fonction du potentiel V, du plan contenant la fente d'entrte du selecteur, les paires de valeurs AV, et V, sont mesurtes lorsque le courant d'klectrons atteint le maximum

COURANT d ' e -

ANGLE DE SORTIE

- CALCULS 0 mar+ MESURES

FIG. 3. Courbe calculie et valeurs mesuries du nom- bre total d'klectrons a la sortie du selecteur en fonction de I'angle de sortie.

a la sortie du stlecteur. Ceci correspond au maxi- mum de la distribution. Selon la relation [2] les points ainsi mesurts doivent se situer sur une droite dont la pente est donnee par 2 In (bla). Pour le stlecteur utilist, cette valeur de la pente devrait

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~ N E R G I E MOYENNE EN FONCTION 0

V) w DE L'ANGLE DE SORTIE Z A Z W - > x courbe thiorique 2 o 0 A x voteurs expirimentales

*

A 2 0

X 0

4 a

ANGLE DE SORTIE RADIANS

FIG. 4. Courbe calculCe et valeurs mesurCes de 1'Cnergie correspondant au maximum de la distribution en Cnergie des electrons contenus dans une tranche angulaire Acr, en fonction de cr.

DlSTRlBUTlONS PARTIELLES AVEC ACI =2O

POUR a = 0 ~ , - 1 0 ~ , - 1 2 ~ ~ 1 4 ~ ~ 1 6 ~

-

- 4 _ -

N

- 0

SOMME DES

DISTRIBUTIONS

AV = 0.14 eV

1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

~ N E R G I E (ev) 1.12 1.20 1.28 1.36 1.44 1.52

FIG. 5. Quelques distributions en Cnergie des Clec- trons contenus dans une tranche Aa situCe a un angle de FIG. 6 . Sornme des distributions partielles. Elle cor- sortie moyen a. respond la distribution totale.

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AVg vs. V f

S ~ L E C T E U R I l o , I

PENTE MoYENNE M E S U R ~ E : 0 . 5 8

w PENTE C A L C U L ~ E : 2 I n k = 0 .70 i: n

A

W a

-I- z W

G

- 2 W 0

li I 0

POTENTIEL DE LA FENTE V f (VOLTS)

FIG. 7. Mesures des valeurs AV, et V, qui correspondent aux maxima du courant transmis par le illustre la lintaritt d'optration de I'appareil.

Ceci

III. Discussion des rksultats I I

Ctre Cgale B 0.7 alors que celle mesurCe est Cgale a

Comme en tkmoignent les donnCes expCri- - mentales prksenttes aux Figs. 2 A 6 , le fonctionne- ment du spectrom6tre cylindrique s'effectue, du moins qualitativement, de la f a ~ o n prCvue par les calculs exposCs dans la premi6re partie. MalgrC 5 -

C

les Ccarts qui sont observCs entre les valeurs cal- - a culCes et celles mesurCes, on peut accepter ces 'T rCsultats comme tr6s satisfaisants. En effet, il faut 4 - 2 se rappeler que les calculs sont effectuCs dans des

I

conditions idCales. Les deux principaux facteurs al

qui ont CtC nCgligCs, sont d'abord la configuration 3 - P

des Cquipotentielles au bout des Clectrodes de I- z focalisation, pr6s des plans du di6dre, ensuite l'influence de la charge d'espace que constitue le

s 3

faisceau d 'Clectrons lui-mCme. Cette derni6re peut 2 - Q

Ctre mise en Cvidence par des mesures semblables B celles dont les rtsultats sont prCsentCs A la Fig. 7. Cette sCrie de mesures est effectuCe pour diverses

-

valeurs de la densit6 du courant, cette derni6re Ctant contr6lCe par la tempkrature du filament. Plus la densit6 de courant est grande, plus la 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 valeur de la pente mesurCe est faible et plus elle

FIG. 8. Courbe de distribution en tnergie mesurte s'C1oigne de la calculCe. A l'opposC si On sans balayage angulaire, en plaqant I'analyseur A environ utilise un courant d'kmission du filament tr6s 1 - du selecteur. faible, de l'ordre de A ou moins, la pente

0.58. Nous expliquerons plus loin 1'Ccart entre la valeur mesurCe et celle calculCe.

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mesurCe devient alors trts voisine de la valeur calculCe.

On remarquera que les droites de la Fig. 7 inter- ceptent l'axe horizontal pour des valeurs nCga- tives du potentiel de la fente d'entrCe; ceci est cause par la presence des potentiels de contact aux bornes du filament d'Cmission. Ces derniers sont tvaluCs a environ 2 V pour le filament utilisC.

Enfin relativement aux mCthodes d'analyse utilistes pour mesurer les caractCristiques d'une distribution en Cnergie, les rCsultats prCsentCs a la Fig. 8 illustrent bien la supCrioritC de la mCthode d'analyse angulaire que nous proposons. Cette dernitre mesure a CtC effectuCe au moyen de deux sClecteurs semblables places a une distance de 1 mm l'un de l'autre et dont les conditions d'opkrations sont semblables a celles de la Fig. 6. I1 est facile de vCrifier que les largeurs h la base et celles a demi-intensite de la distribution sont plus Ctroites que celles de la distribution ~Celle, en- viron d'un facteur 213. Cette observation renforce

la conclusion tirCe des calculs de Delage relative- ment aux mCthodes d'analyse. Ces ~Crifications experimentales montrent bien que contrairement A ce qu'ont fait les expCrimentateurs jusqu'ici, on doit multiplier et non diviser les largeurs de dis- tributions mesurCes par un certain facteur, de l'ordre de 312, afin d'obtenir une valeur de ces caractkristiques plus prts de la rCalitC.

Remerciements

Nous tenons 5 remercier le Professeur P. Marmet et le Docteur M. Baril pour les discus- sions et suggestions qu'ils nous ont accordCes au cours de ce travail. Egalement, nous voulons remercier MM. M. Mailhot et R. Roy, techni- ciens, qui nous ont assist6 au cours du montage de nos appareils. Nous sommes aussi reconnaissants envers M. A. Laverditre, dessinateur, et madame C. Michaud, dactylographe. Ce travail a CtC rendu possible gr2ce a un octroi du Conseil National de Recherches du Canada.

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