Массэнергоанализатор

 

.Изобретение относится к технике диагностики параметров пучков заряженных частиц. Цель . изобретения ,- увеличение динамического диапазона по энергии массанализатора и уменьшение его габаритов. Массэнергоанапизатор содержит круглые с диаметром D полюса электромагнита, образующие магнитостатическую отклоняющую систему с зазором &. Пластины 2 с зазоро м S(j , образующие электростатическую отклоняющую систему, расположены в зазоре магнита.Расположенные под углами токоприемники 3,-3 образуют детектирующую систему каналов анализатора. Пластины 2 выполнены в виде пар секторов, образующих отдельные каналы по числу токоприемников 34-3. В описании приведено условие для определения ширины пластин 2, измеряемой вдоль оптической оси канала и зазора между ними. Для улучшения параметров прибора пучок ионов, вводимых в анализатор, может вводиться под углом, отличным от нуля. Наклонный ввод пучка ионов позволяе-т свести к минимуму влияние краевого электростатического поля. 1 3.п. ф-лы. 3 ил. § (Л го со о ij;; со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

41 А1 (19) (11) (11) 4 Н 01 J 4 9/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

;Э .4

«а

twas

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3938426/24-21 (22) 14.06.85 (46) 15.02.87. Бюл. У 6 (72) И.H. Волков, В.И. Михайлов и И.Н. Сливков (53) 621.384.6(088.8) (56) Сакабе и др. ПНИ, 1980, У 10, 23.

Хан и др. ПНИ, 1978, N - 4,,,,54.

Воловски Е. и др, ЖТФ, 1982, 52, в.2, 366.

Волков И.Н., Громов Г.Л., Михайлов В.И., Сливков И.H. ПТЭ, 1985, Р 6.

Борзенко В.П. и др. ЖСТФ, 48, 1174, 1978. (54) МАССЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР (57) .Изобретение относится к технике диагностики параметров пучков заряженных частиц. Цель . изобретения — увеличение динамического диапазона по энергии массанализатора и уменьшение его габаритов. Массэнер- гоанализатор содержит круглые с диаметром D полюса электромагнита, образующие магнитостатическую отклоняющую систему с зазором 0 . Пластины

2 с зазором о, образующие электростатическую отклоняющую систему, расположены в зазоре магнита.Расположенные под углами токоприемники

3,-3 z образуют детектирующую систему к;.налов анализатора. Пластины 2 выполнены в виде пар секторов, образующих отдельные каналы по числу токойриемников 3 -3>. В описании приведено условие для определения ширины пластин 2, измеряемой вдоль оптической оси канала и зазора между ними.

Для улучшения параметров прибора пучок ионов, вводимых в анализатор, может вводиться под углом, отличным от нуля. Наклонный ввод пучка ионов позволяет свести к минимуму влияние краевого электростатическо) о поля.

1 э.п. ф-лы. 3 ил.

1290431

Изобретение относится к технике диагностики параметров пучков заряженных частиц.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона по энергии массэнергоаналиэатора с параллельными электрически { и магнитным полями при сохранении его разрешающей способности за счет специального выбора соотношения между величинами этих полей в каждом из каналов массэнергоанализатора, а также уменьшение его габаритов.

На фиг,1 и 2 представлены схема устройства, характерные траектории ионов в анализаторе; на фиг. 3 — линейная р азвертка вдоль траектории ионов ОПи.

Границы пар пластин показаны пунктиром йа фиг. 2.

Устройство содержит круглые с диаметром D полюса 1 электромагнита, образующие магнитостатическую отклоняющую систему с зазором 8в, параллельные электроды 2 с зазором Я образующие электростатическую отклоняющую систему, расположенные в рабочем зазоре магнита, и токоприемники 3 ° 1-3.п (П,-П„), расположенные под углами Г, — „ соответственно и образующие детектирующую систему каналов анализатора. Нирины электродов .я„ под разными углами ; неодинаковы и возрастают при изменении ; от, до „ . Зазоры 3,„. под разными углами в общем случае могут быть неодинаковыми и уменьшаться с изменением от ; до „, т.е. электроды со стороны зазора в этом случае образуют ступенчатую систему, Токоприемники 3.1-3.п расположены на высотах Z: относительно продолжения входной оси 00, которые в общем случае могут иметь несколько различные, .о близкие значения. Расстояния между детекторами и наружным краем электродов Х„; в общем случае также могут быть неодинаковыми.

Устройство работает следующим образом.

При подключении полюсов 1 и электродов 2 к источникам питания в зазорах ов и о <, создаются магнитное В и электрическое E поля. Ионы входят в анализатор по оси 00 . Вначале

I можно считать угол входа пучка ионов в анализатор в = О. Попадая в магнитное поле В, ионы -.с различными параметрами движутся по круговым траекториям с радиусами о;, отклоняются им по азимуту и в результате выходят из него под углами ; . Проходя на участках Х„; этих траекторий в простран5 стве между электродами иона отклоняются электрическим полем E на углы о{, и благодаря этому попадают в тов! коприемники 3.;{„. с ординатами Z;.

Из принципиальной схемы, представленной на фиг. 3, можно видеть, что для улучшения параметров анализаторапрототипа с приемниками 3,-3 в (П -П„) размещенными на параболе Томсона, 15 необходимо увеличить ординаты Z{ù

1 Щ {) и уменьшить ординаты Z;,т.е. рас1{вах положить приемники на прямой Z=coIIst.

Это полая{ение и реализуется в рассматриваемом анализаторе, в котором ординаты Z; могут иметь или одинаковые или близкие друг другу значения. Но в этом случае необходимо обеспечить условные постоянства параметра КЯ ионов (постоянство отношения массы

m иона к заряду q), попадающих в приемники 3,-3„(П„-П ) при Е=сопз

И B=COIISt.

Магнитное поле В (Гс) круглых по люсов связано с углом отклонения иона ;в канале i соотношением:

290.Г{{Г);

67Г;р ;, Т ) где (КЯ); рассчитано для ионов, попадающих в канал i, Я вЂ” энергия иона

35 в эВ а угол У отсчитывается от относительного направления оси у против часовой стрелки (фиг. 2), D в см.

Отклонение иона, вызванное элект40 рическим IIQJIpM в 1 м канале

К, U ()

= ° тат, от "

Здесь К . = (1+2 ) — коэф п Хк

4 -- п

45 фициент, характеризующий эффективность системы электростатического отклонения в канале

Х„; — ширина пластин, измеряе50 мая вдоль траектории ионов данного канала, т.е, вдоль оптической оси данного канала.

Радиус траектории ионов в магнит55 HQM поле круглых полюсов определяется соотношением:

Р= — (tgg; +,) - (3)

2 cosg;

1 2 904.3 1

Таким образом можно получить соотУ ношение

m/òÐ D 1z (tgy;+ tg2!; б!) Z;

Ч7Чр 290 Ке bå

В

x— (4) из которого следует, что параметр

KQ ионов одинаков для всех каналов при условии

10 бХ„;(4,;1(l ° 2 )

При Е = const (условие одинаково- 15

ro разрешения во всех каналах) постоянство параметра KQ достигается тем, что параметры системы электростатического отклонения в каналах анализатора делаются неодинаковыми и выбираются с учетом соотношения (5), в то время, как в обычном анализаторе Томсона они одинаковы для всех каналов.

Величина M -= -0,2-0,4 выбирается исходя из конструктивных параметров анализатора и устанавливается окончательно в ходе расчетов. Например, для одного из разработанных анализаторов этого типа, описанного ниже, M = 0,28.

Таким образом, соотношение (5) для заданных ;, Z;, Z ; определяет зависимость между Х„ и 8Е, Первоначально проводится расчетХ .для некотороя! 35 го зазора 3 = const одинакового для всех каналов, после чего может выясняться,что для некоторых каналов целе1сообразно выбрать другое, например, меньшее значение О, поскольку для реализации однородности электрического поля необходимо, чтобы эта величина была значительно меньше Х„;.

Углы )";, под которыми. размещаются токоприемники, желательно выбирать таким образом, чтобы получить

45 примерно равномерную логарифмическую шкалу по параметрам КЯ и Я/Q, б что удобно для измерений в указанной области применения.

Можно показать, что при использовании круглых магнитных полюсов с

D 100 мм в диапазоне углов )г; и

60 — +60 без каких-либо конструктивных затруднений размещаются 8-10 измерительных каналов с детектирующими схемами на основе ФЭУ, обеспечивающих динамический диапазон по энергии -10 .

Таким образом, магпптное поле круглых полюсов хорошо сочетается с предложенной системой электростатического отклонения, позволяя реализовать заложенные в ней возмож—

23 гас(= °

П (6) Если пучок входит в ту же систему наклонно под углом с(у края верхней пластины, испытывая отклонение в направлении F., проходит через зазор, почти касаясь пластины, и выходит у противоположного края верхней пластины (фиг. 1), то выполняется соотношение

tg = = 8М, . (7)

48е х„

Отклонение от первоначального направления пучка до входа в систему определяется при этом углом 2 ю6

85 причем tg2 о = (рассматривается и случай малых !х,) . Таким образом, наклонный ввод пучка позволяет в том же зазоре 8 получить в 4 раза

Е большее отклонение и, соответственно, в 4 раза большее разрешение по сравнению со случаем g, = О, что существенно, когда электростатическая система расположена внутри магнитного зазора и величина о определяет и $ . При наклонном вводе пучка на пластины должно быть подано в 4 раза большее напряжение, что не вызывает особых трудностей в диапазоне рабочих напряжений порядка нескольких сотен вольт °

-Кроме того, наклонный ввод пучка позволяет свести к минимуму влияние краевого электростатического поля, сделав ввод и вывод пучка вблизи средней плоскости зазора. При вводе пучка с g. = О это сделать невозможно. ности.

Для улучшения параметров прибора можно выбрать отличный от нуля угол

g, входа пучка ионов в анализатор.Это позволяет при этом же зазоре fi увеличить отклонение Z, а следовательно улучшить разрешение.

Действительно, если пучок входит в отклоняющие пластины с длиной К„, и зазором 3Е, почти касаясь одной из пластин, и выходит, почти касаясь другой, угол выхода пучка из пластин определяется соотношением

1290431

Что касается краевого магнитного поля, то ввод с o4 0 несколько увеличивает влияние на входе и уменьшает на выходе (при К, ф 0 на входе пучок ближе по высоте к одному из полюсов, чем при с = О, на выходе из магнитного поля, практически совпадающем с выходом из электрического, положение обратное). Однако возможное влияние краевого магнитного поля даже для самого низкоэнергетического первого канала, где оно больше, чем в других каналах, меньше влияния краевого электростатического поля, так как отношение зазора к длине пути и поле для магнитного поля существенно меньше, чем для электростатического. Но главное состоит в том, что вход и выход из магнитного поля во всех каналах осуществляется по нормали (свойство круглых полюсов).Поэтому краевой эффект влияет лишь на эквивалентный расчетный диаметр полюсов и не приводит к перемещению пучка по вертикали, что могло бы повлиять на чувствительность и разрешение по энергии, определяемое поэтому только электростатическим полем. (х - 0,13D) + (у- 0,23D) (8) - D> /16, Ширины пластин Х„; определяются как и ранее из соотношения (5).

Угол о6 определяется из условия

tg ос 3 /2Х и выбирается максиПри наклонном входе пучка под углом Ы желательно обеспечить условие, при котором ионы во всех каналах, отклоняясь по круговым траекториям в магнитном поле, входили бы в электростатическую систему вблизи средней плоскости ее зазора.:Для этого длины их траекторий в магнитном поле. до входа в эту систему должны быть примерно одинаковыми, т.е. это определяет требования к форме пластин со стороны входа в них ионов.

Путем последовательных графоаналитических расчетов было установлено, что укаэанное условие выполняется, если внутренние по отношению к магниту края пластин электростатического отклонения имеют форму, ограниченную дугой окружности, определяе, мой в системе х, у уравнением

5

45 мально возможным. Его наиболее реаль ное значение может быть меньше предельной величины tg g = 8> /2X, по технологическим причинам, например по необходимости пропустить через рабочие зазоры по входной оси юстировочный стержень диаметром 2-3 мм и т.п. Х вЂ” длина траектории иона от входа в магнитостатическую отклоняющую систему до внутренней поверхности электродов. Таким обраЬом, предложенная система электростатического отклонения с изменяющимися от канала к каналу параметрами обеспечивает требуемое одинаковое разрешение во всех каналах и увеличивает динамический диапазон при улучшении энергогабаритных показателей прибора, т.е..приводит к достижению поставленной цели.

B реальном устройстве нет необходимости делать отклонения 2„. в каналах строго одинаковыми, достаточно, если они будут имеrb близкие значения. При этом упрощается решение ряда конструктивных вопросов.

Экспериментальная проверка работоспособности устройства производилась на восьмиканальном массэнергоанализаторе ионов, позволяющем регистрировать исны с массами m = (1-30)n P и энергиями на единицу заряда E/Q

=1 — 100 кэВ. Динамический диапазон прибора по параметру С /Q равен 75. Разрешение прибора по энергии и массам в каналах анализатора составляет

-(4,5+1,3), шаг по параметру f /Q между соседними каналами "1:2.

Корпусом анализатора является его внешний магнитопровод, состоящий из толстостенного цилиндра с дном и фланца, закрывающего открытый конец цилиндра. Внутри корпуса на дне цилиндра и фланце укреплены круглые цилиндрические полюсные наконечники, в зазорах между которыми и создается рабочее магнитное поле.

В этом зазоре на специальных изоляторах помещены пластины электростатической системы отклонения. В корпусе анализатора имелось восемь отверстий для вывода разделенных ионных пучков на детектирующие схемы каналов, В качестве детекторов использовались ион-электронные вторично-эмиссионные конверторы и сцинциляторы с ФЭУ на выходе. Наружный диаметр корпуса 164 мм, внутренний

1290431

По сравнению с прототипом прибор имеет лучшие показатели по габаритам, разрешению и динамическому диапазону по энергии и, кроме того, обеспечи- 20 вает временное разрешение 10 с, Характеристики разработанного анализатора экспериментально исследованы на пучке ионов K с энергией

1 кэВ. Опытные значения параметров хорошо согласуются с расчетными значениями.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Иассэнергоанализатор, содержащий магнитостатическую отклоняющую систему с круглыми полюсами, плоскости которых параллельны между собой, и электростатическую отклоняющую систему, образованную параллельными пластинами, расположенными в зазоре между полюсами и подключенными к системе питания, а также токоприемники, отличающийся тем, что, 40 с целью уменьшения габаритов и увеличения динамического диапазона по энергии при сохранении разрешающей способности, пластины электростатической отклоняющей системы выполне- 45 ны в виде пар секторов, образующих отдельные каналы по числу токоприемников, причем ширины пластин„ ((щ, и измеряемые вдоль оптической оси канала и зазор между ними SE, (м1имеют в i-х каналах анализатора значения, определяемые из условия (1+2 Х„; Х„;

Х„;. 4 ОЕ;

55 где M = 0,2-0,4;

140 мм, высота 112 мм, диаметр полюсов 98 мм, магнитный зазор 12 мм.

Зазор между пластинами электростатической системы 3 ; = 9-4,5 мм, ширина пластин Х„; = 6,4-60 мм. В приборе использовался наклонный ввод пучка в анализатор под углом С = 5, поо этому .внутренние края пластины в соответствии с выражением (8) ограничены окружностью с радиусом 25 мм. 10

Радиальный размер блока детектирующих элементов . 40 мм. Максимальное маг;нитное поле в зазоре 12 кГс, максимальное напряжение между пластинами

- 1,3 кВ. 15 ; †-азимутальные углы в плоскости, параллельной плоскости полюсов, под которыми размещаются токоприемники, отсчитываемые от оси, перпендикулярной к входной оптически кой оси анализатора и проходящей через центр полюсов;

Z; — высоты, на которых размещаются оси токоприемников в каналах анализатора, отсчитыз ваемые от продолжения входной оси анализатора в направлении оси полюсов;

Х вЂ” расстояния от внешнего по

К отношению к магниту края пластин до токоприемников, причем ширины пластин X и расстоя- ния Х„; измерены в каждом канале вдоль оптической осп, являющейся дуD гой окружности радиуса p, = — (tg) ; +

) в ппепелах магнитного зазоCOB), ра и касательной к этой окружности вне его, где D — диаметр полюсов, причем все окружности проходят через точку пересечения входной оси анализатора с поверхностью входной апертуры магнитостатической отклоняющей системы, а их центры расположены на прямой, проходящей через упомянутую точку перпендикулярно входной оси анализатора, при этом величина

3 ° выбрана из условия Е ° c< („, в

Е каждом иэ каналов °

2. Массэнергоанализатор по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешения массэнергоанализатора, входная ось анализатора наклонена к средней плоскости зазора, а внутренние по отношению к магниту края пластин электростатической системы имеют общую границу, являющуюся дугой окружности, определяемой уравнением (х — О, 13D) + (у -0,23D) = D2 /16, где х,у — координаты в прямоугольной системе координаТ., расположенной в плоскости полюсов, причем ось х совпадает с проекцией на эту плоскость входной.оси анализатора, а начало — с центром полюсов.

1290431

tgrue2

BHHHGH Эаказ 7910/52 Тираж 7?О Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4