Многоканальный энергоанализатор заряженных частиц

 

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий входную щелевую диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых выполнен с отверстиями, и выходную диафрагму со щелевыми отверстиями , установленную параллельно указанному электроду и соединенную с ним гальванически, отл ич аю щ и и с я тем, что, с целью повьшения точности путем достижения изохронности фокусировки, увеличения светосилы анализатора и диапазона исследуемых энергий при неизменных габаритах и разрешений, входная щелевая диафрагма установлена перпендикулярно выходной диафрагме со щелевыми отверстиями, а выходная диафрагма-расположена от электрода с отверстиями на расстоянии, ном удвоенному расстоянию от указанного электрода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 4(51) Н О1 J 49/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О ПОКРЫТИЙ (2i) 3541858/24-21 (22) 17.01.83 (46) 07.02.85. Бюл. № 5 (72) В.П.Афанасьев, Л.А.Баранова, M.Ï.Ïåòðîâ и С.Я.Явор (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (53) 621.384.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 427275, кл. G 01 L 27/62, 1972.

2. Койдан В.С. Многоканальный анализ по энергиям ионов и быстрых атомов перезарядки при исследовании высокотемпературной плазмы.-"ПТЭ", 1971, ¹ 3, с. 63-66(прототип). (54)(57) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий входную щелевую диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых выполнен с отверстиями, и выходную диафрагму со щелевыми отверстиями, установленную параллельно указанному электроду и соединенную с ним гальванически, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности путем достижения изохронности фокусировки, увеличения светосилы анализатора и диапазона исследуемых энергий при неизменных габаритах и разрешений, входная щелевая диафрагма установлена перпендикулярно выходной диафрагме со щелевыми отверстиями, а выходная диафрагма. расположена от электрода с отверстиями на расстоянии, равном удвоенному расстоянию от указанного электрода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы.

1138856

25

Зо

Изобретение относится к устройствам для анализа по энергии и массе заряженных частиц и может применяться для исследования плазмы, поверхчости вещества, процессов электронных и атомных столкновений и т.д.

Известен многоканальный энергоанализатор, содержащий диспергирующий элемент, .цилиндрические канальные конденсаторы и детекторы. В качестве диспергирующего элемента используются либо электростатические конденсаторы, либо электромагниты.

Во время работы анализатора пучок ионов входит в однородное поле диспергирующего элемента, разворачивается им в широкий "веер", проходит через цилиндрические канальные конденсатдры и региутрируется детекторами (1) .

Однако этому анализатору присущи неизохронность фокусировки, малая светосила и недостаточно боль,шой диапазон исследуемых энергий.

Неизохроиность фокусировки заключается в том, что время нахождения заряженных частиц в поле анализатора различно для частиц с неодинаковыми начальными условиями (координатами и углами влета). Частицы, одновременно пришедшие в плоскость входной щели, в выходную щель попадают неодновременно. Отсутствие изохронности фокусировки не позволяет использовать анализатор в тех применениях, где требуется высокое временное разрешение, например в импульсных режимах работы.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является многоканальный энергоанализатор заряженных частиц, содержащий входную щелевую диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых выполнен с отверстиями, и выходную диафрагму со щелевыми отверстиями, установленную параллельно указанному электроду и соединенную с ним гальванически. К плоским электродам прикладывается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая между ними однородное электрическое поле.

Пучок заряженных частиц через . входную щель входит в однородное

0 поле под углом 45, отклоняется им на 90 и фокусируется ка выходные

О щели, расстояния которых от входной щели пропорциональны энергии частиц (2) .

Однако известное устройство обладает неизохронной фокусировкой, малой светосилой и недостаточно широким энергетическим диапазоном. Например, для анализатора с,линейными размерами 300 мм, при разрешении 17., отношение верхней границы диапазона исследуемых энергий к нижней не превышает 3,5, в то время как исследовательские задачи требуют, чтобы оно было порядка 10. При наличии пространства дрейфа, которое предшествует анализатору в экспериментах на плазменных установках, входные углы пучка не превышают 0,5 . В то же о время размер входной щели определяется разрешением и, например, для приведенных габаритов и разрешения не должен превышать 1 мм. Светимость анализатора, равная произведению светосилы на площадь входной щели, не превышает 0,05Х мм, тогда как необходимое значение должно быть на порядок выше. Временное разрешение анализатора не лучше 10Х, что обусловлено неизохронностью фокусировки, и более чем на порядок превышает требуемую величину.

Целью изобретения является повышение точности путем достижения изохронности фокусировки, увеличения светосилы и диапазона исследуемых энергий при неизменных габаритах и разрешении. (Цель достигается тем, что в многоканальном энергоанализаторе заряженных частиц, содержащем входную щелевую, диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых выполнен с отверстиями, и выходную диафрагму со щелевыми отверстиями, установленную параллельно указанному электроду и соединенную с ним гальванически, входная щелевая диафрагма установлена перпендикулярно выходной диафрагме со щелевыми отверстиями, а выходная диафрагма расположена от электрода с отверстиями на расстоянии, равном удвоенному расстоянию от указанного электрода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы.

При указанной взаимной ориентации входной щелевой диафрагмы и выходной диафрагмы со щелевыми отверстиями широкий пучок частиц запускается в анализатор параллельно плоским электродам и фокусируется иэохронно в плоскости, расположенной параллельно электроду с отверстиями, на расстоянии, равном удвоенному расстоянию от указанного электрода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы, где и следует ïîìåщать выходную диафрагму со щелевыми отверстиями. При этом расстояния от входа в анализатор до выходных щелей пропорциональны корню квадратному из энергии частиц, что позволяет расширить диапазон исследуемых энергий при сохранности габаритов устройства.

При движении заряженных частиц в однородном электрическом поле с точностью до членов второго порядка малости и при .C/У 1 координата 4 частицы, достигающей плоскости

1 =-3(, выражается формулой 4еМ ) 2 2 2 l в 1Яеч с5 где — расстояние от оси пучка до электрода, E — энергия частицы, 8 — заряд частицы, — разность потенциалов между электродами, 3

0 — проекция угла наклона траектории частицы на плоскость $2 (плоскость чертежа), / — проекция угла наклона траектории на плоскость XZ -, дЧ вЂ” координата частицы на входе в анализатор.

Выражение (1) не содержит членов, пропорциональных д, что говорит о наличии фокусировки по ширине пучка, в отличие от известного устройства, где осуществляется фокусировка по углу од. Член, пропорциональный Ж в выражении (1), аналогичен члену, пропорциональному ширине входной щели в соответствующем выражении для известного устройства. Остальные члены в выражении (1) являются аберрационными.

Координата K частицы на плоскости выходной диафрагмы, как видно из формулы (1), пропорциональна «Е

В известном устройстве соответствующая координата пропорциональна .

Таким образом, предлагаемый анализа1138856 4 тор при сохранении габаритов дает выигрыш в величине диапазона исследуемых энергий тем больше, чем шире этот диапазон. При одинаковом энергетическом диапазоне предлагаемое устройство обладает существенно меньшими габаритами.

Анализ движения заряженных частиц в анализаторе показал, что время пролета частицы от входа в анализатор до выходной щели описывается выражением 4(— 1+ — +, (2)

15 где m — масса частицы.

Из выражения (2) следует, что в первом порядке время пролета частйцы зависит только от 0/m и не зависит от координат и углов влета частицы.

Таким образом, фокусировка в предлагаемом устройстве изохронна. Это позволяет проводить исследование энергетического спектра частиц с высоким временным разрешением, что важно при изучении быстропротекающих процессов.

Кроме того, изохронность фокусировки позволяет использовать предлагаемый анализатор в качестве времяпроО летного масс-спектрометра высокого разрешения с одновременным энергетическим анализом.

Предлагаемый анализатор хорошо согласуется с пространством дрейфа, которое, как правило, предшествует анализатору в экспериментах на плазменных установках и служит для про-. странственного разнесения объема плазмы и анализатора. В этом пространстве пучок коллимируется и углы1

4Г и на входе в анализатор малы. В выражение для светимости анализатора L, которая пропорциональна числу частиц, достигающих детекторы

L = „21)h (3) б где Ь вЂ” размер пучка на входе в анализатор в плоскости X Z линейно

- входят угловые и линейные размеры пучка на входе в анапизатор. Посколь50 ку углы М и при наличии пространства дрейфа перед анализатором малы, то большое значение приобретает возможность увеличивать дg при сохранении разрешения. В предлагае55 мом анализаторе hg входит в ширину линии изображения аберрационным образом (квадратично), а в известном устройстве — линейно (ширина вход1138856

Составитель А.Нестерович

Редактор А.Шишкина Техред З.Палий Корректор О.Тигор

Заказ 10697/40 Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ной щели). Поэтому светимость предлагаемого анализатора по сравнению с известным в этих условиях существенно выше.. Например, при линейных размерах 300 мм и разрешении 1Х светимость предлагаемого анализатора больше светимости известного устройства в 20 раз.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит входную щелевую диафрагму 1, плоские параллельные электроды 2 и 3, причем в электроде 3 имеются отверстия 4, а в выходной диафрагме 5 вырезаны щелевые отверстия 6.

Электроды 2 и 3 расположены перпендикулярно входной щелевой диафрагме. Выходная диафрагма 5 расположена параллельно электроду 3 на расстоянии, равном удвоенному расстоянию от электрода 3 до центра отверстия входной диафрагмы 1.

Устройство работает следующим образом.

На электроды 2 и 3 от источника напряжения подается разность потенциалов, обеспечивающая между электродами однородное электрическое поле. Пучок заряженных частиц через входную диафрагму 1 попадает в однородное поле и отклоняется им на угол, зависящий от энергии частиц.

Каждая моноэнергетическая составляющая пучка проходит через отверстия

4 в электроде 3 и изохронно фокусируется на щелевые отверстия 6 выходной диафрагмы 5. Растояния от входной диафрагмы до выходных щелей, измеренные вдоль оси L, пропорциональны корню квадратному из энергии, соответствующей моноэнергетической составляющей.

Рассчитаны параметры анализатора, предназначенного для исследования электронов с диапазоном энергий

1-10 кВ, Выходная диафрагма 5 длиной 300 мм имеет шесть щелей по числу каналов, которое ограничено размером детекторов. Размер был принят

5 равным 90 мм. Углы k и )" равны по о

0,5, линейный размер пучка на входе в анализатор 20 20 мм; При размерах выходных щелей от t мм в шестом канале до 0,5 мм в первом канале разрещающая способность равна 17.

В известном устройстве при том же разрешении возможно исследование частиц с энергией в диапазоне 1—

3,5 кВ (т.е. в 3 раза меньше, чем в предлагаемом устройстве), а светосила, определяемая в данном случае площадью пучка на входе в анализатор, меньше в 20 раз светосилы предлагаемого устройства. Вследствие

20 изохронности фокусировки временное разрешение предлагаемого устройства не хуже 0,5X., в то время как у известного устройства оно не лучше 10Х.

Таким образом, предлагаемый многоканальный анализатор обладает существенными преимуществами по сравнению с известными. Обладая изохронной фокусировкой, он допускает применение в схемах, требующих высокого

30 временного разрешения, в частности в импульсных. Высокая светосила анализатора дает возможность исследовать пучки заряженных частиц малой интенсивности (в десятки раз меньше, чем это допускают известные приборы). Расширение диапазона исследуемых энергий при сохранении габаритов и разрешении существенно повышает объем получаемой информации.

40 Предлагаемый анализатор может найти применение в широком круге физических исследований, где требуется знание энергетического распределения (или распределения по массам) заряженных частиц, в частности в установках по диагностике высокотемпературной плазмы.