Der $\mu$-ESCA Analysator

Als Analysator im $\mu$-ESCA Energiefilter wurde ein SHA (SHA=simulierter hemisphärischer Analysator) nach der Bauart von Jost [24] verwendet. Der Analysator wurde nicht als abbildender Filter verwendet, sondern diente dazu, lokale Photoemissionsspektren von Probenorten aufzuzeichnen, die mittels der Irisblende ausgewählt wurden. Der SHA zeichnet sich durch eine gegenüber einem echten Halbkugelanalysator sehr kompakte Bauform aus. Ein Sektor des kugelsymmetrischen Potentials wird beim SHA durch vier nicht kugelsymmetrische Elektroden nachgebildet. Der Rezipient des SHA wurde aus $\mu$-Metall gefertigt, um äußere Magnetfelder abzuschirmen. Abb. 2.2 zeigt ein Photo des PEEM mit angebautem $\mu$-ESCA Filter.

  

Abbildung: Photografische Ansicht des PEEM mit angebautem $\mu$-ESCA Analysator

In Abb. 2.3 ist schematisch der Aufbau des Energieanalysators gezeigt.

  

Abbildung 2.3: Schematischer Aufbau des Energieanalysators.

Das Netz der Außenkugel wurde im Bereich um die optische Achse des Mikroskops unterbrochen, um zu vermeiden, daß das Netz im PEEM-Bild zu sehen ist. Dadurch entsteht in diesem Bereich eine Abweichung vom kugelsymmetrischen Potential des idealen Halbkugelanalysators. Im Betrieb konnte jedoch kein nachteiliger Einfluß dieser Unterbrechung des Netzes beobachtet werden. Die Innenkugelelektrode ist ein abgefaster Halbzylinder. Die Außenkugelelektrode ist als Netz geformt, um das Auslösen von Sekundärelektronen zu verhindern. Mittels einer Lineardurchführung (links im Bild) läßt sich die Eintrittsblende vor die Öffnung in der Grundplatte positionieren. Sowohl für die Eintrittsblende als auch für die Austrittsblende vor dem Channeltron wurden Durchmesser von 1mm gewählt. Dies erwies sich als guter Kompromiß zwischen Auflösung und Intensität. Das Spektrometer besitzt eine Wurfweite (Abstand zwischen Eintritts- und Austrittsblende, bzw. Durchmesser der Sollbahn) von 100mm. Für die Energieauflösung $\Delta E$ eines Halbkugelanalysators gilt bei Vernachlässigung der Winkeldivergenz des einfallenden Strahls [25]

$$\frac{\Delta E}{E_0}=\frac{d}{W},$$ (1)

wobei d der Blendendurchmesser und W die Wurfweite darstellt. E₀ ist die Sollbahnenergie der Elektronen und kann durch Wahl der Spannungsdifferenz zwischen Innen- und Außenkugel variiert werden. Im Betrieb wurden relativ hohe Sollbahnenergien von typischerweise 40eV gewählt. Damit ergibt sich bei dem benutzten Blendendurchmesser von 1mm eine Energieauflösung von $\Delta E=0.4eV$. Diese Auflösung erwies sich bei der durch den Multilayer-Monochromator vorgegebenen energetischen Breite des anregenden Lichts als hinreichend.

  

Abbildung: Streuung von Meßwerten bei externer (oben) und interner (unten) Signalauskopplung am Channeltron.
Die Quadrate geben das ursprüngliche Spektrum an. Die durchgezogenen Kurven zeigen die quadrierten Abweichungen vom Mittelwert. Im oberen Teil liegt die quadratische Abweichung deutlich oberhalb des Spektrums. Im unteren Teil sind die Kurven praktisch deckungsgleich, d.h. die Streuung folgt dem statistischen $\sqrt {n}$-Gesetz.

Die Zählimpulse des Channeltrons (Verstärkung 10⁶-10⁸) wurden über den Spannungsabfall an einem $1M\Omega$ Widerstand kapazitiv durch einen 20pF Kondensator ausgekoppelt. Die Signalauskopplung aus dem im Vakuum befindlichen Channeltron des Analysators wurde zunächst extern bewerkstelligt. Es zeigte sich aber, daß diese Methode anfällig gegen äußere Störeinflüsse ist. Der Auskoppelkondensator wurde daraufhin in den Rezipienten verlegt. Damit wurden Störeinflüsse, etwa durch HF-Einstreuungen vollständig eliminiert. In Abb. 2.4 ist demonstriert, daß sich auch an einem Speicherring mit vielen Störquellen vollkommen störungsfreie Messungen durch Signalauskopplung im Vakuum durchführen lassen. Die Streuung der Meßwerte ist dann minimiert, wenn sie nur noch statistisches Rauschen enthalten. Dies bedeutet eine mittlere Abweichung des Meßwerts n um höchstens $\sqrt {n}$ vom Mittelwert. Sind der Messung Störeinflüsse überlagert, so wird die Abweichung vom Mittelwert größer. Die mittlere quadratische Abweichung der Meßwerte sollte bei rein statistischer Streuung das Spektrum reproduzieren (wegen $(\sqrt{n})^2=n$). Die beiden Teile in Abb. 2.4 zeigen EEL-Spektren mit Auskopplung außerhalb (oben) und innerhalb (unten) des Rezipienten. Die durchgezogenen Kurven sind die quadratischen Streuungen der Meßwerte. Sie wurden erzeugt durch Quadrieren der Differenz aus einem stark geglätteten mit dem ursprünglichen Spektrum. Das Resultat muß zum Vergleich erneut geglättet werden. Im mit externer Auskopplung aufgenommenen Spektrum verläuft die quadrierte Fehlerstreuung deutlich oberhalb des Spektrums. Sie ist sogar um ein mehrfaches größer. Dies zeigt, daß hier die Streuung der Meßwerte von äußeren Störungen dominiert wird. Im Gegensatz hierzu zeigt das im unteren Teil von Abb. 2.4 dargestellte Spektrum minimale Streuung der Meßwerte. Die quadrierte Streuung fällt mit dem ursprünglichen Spektrum zusammen und folgt dem Kurvenverlauf. Die störungsfreie Meßwertaufnahme ist für mikrospektroskopische Experimente von besonderer Bedeutung, da in der Regel sehr geringe Zählraten von den kleinen betrachteten Ausschnitten der Probenoberfläche erhalten werden.