Электростатическая линза

 

Изобретение относится к электронной оптике и может быть использовано в ускорительной технике. Цель изобретения - увеличение предела энергии фокусирующих частиц и изменение напряжения источника пйтайия. Центральный электрод (Э) 2 содержит нити, образующими веретеннообразный Э.Нити веретеннообразного электрода полностью ипи частично находятся внутри Э 1. Концы нитей могут быть закреплены на металлической спице центрального Э 2. Последний может быть выполнен в виде двух колец, размещенных по краям линзы. При этом нити пересекаются в геометрическом центре линзы . Нити могут быть скреплены замкнутой металлической нитью, имеющей форму многоугольника с вершинами в точках соединения нитей. При этом Э 1 могут быть выполнены секционированными . Для повышения тока частиц путем увеличения числа пучков линза вьтолнена многоканальной. Конструкция линзы заставляет частицы пучка (ч) 6, проходящие между нитями веретенообразного Э и внутренней поверхностью Э 1, испытывать направленное к оси действие сип электрического поля, возникающего за счет разности потенциалов на этих Э. Суммарный поперечный импульс для Ч, проходя1цих вблизи оси, уменьшается до нуля с уменьшением их расстояния до оси. Поскольку поперечный импульс с увеличением расстояния от оси растет, могут быть реализованы условия, при которых все Ч фокусируются в фокальной области или вообще в одной точке . 6 з,п. ф-лы, 8 ил. i а С 01 СП) со 4 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 H 05 Н 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 30.03.90. Бюл. N - 12 (21) 4048557/24-21 (22) 03.04.86 (71) Московский инженерно-физический институт (72) А.В.Нестерович (53) 621.384 ° 6(088.8) (56) Жигарев А.А. Электронная оптика и электронно-лучевые приборы. М.: .Высшая школа. 1972, с ° 78-83.

Каретников Д.В. и др. Линейные ускорители ионов. М.: Госатомиздат, 1962, с. 188. (54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЛИНЗА (57) Изобретение относится к элект. ронной оптике и может быть использовано в ускорительной технике. Цель изобретения — увеличение предела энергии фокусирующих частиц и изменение напряжения источниха питайия. Цент.ральный электрод (Э) 2 содержит нити, .образующими веретеннообраэный Э.Ни- " ти веретеннообразного электрода полностью или частично находятся внутри

Э !..Концы нитей могут быть закреп" лены на металлической спице центрального Э 2. Последний может быть вы„„SU„„1356949 А 1 полнен в виде двух колец, размещенных по краям линзы. При этом нити пересекаются в геометрическом центре линзы. Нити могут быть скреплены замкнутой металлической нитью, имеющей форму многоугольника с вершинами в точках соединения нитей. При этом

Э 1 могут быть выполнены секционированными. Для повышения тока частиц путем увеличения числа пучков линза выполнена многоканальной. Конструкция линзы заставляет частицы пучка (Ч) 6, проходящие между нитями веретенообразного Э и внутренней поверхностью Э 1, испытывать направленное к оси действие сил электрического поля, возникающего за счет разности потенциалов на этих Э. Суммарный поперечный импульс для Ч, проходящих вблизи оси, уменьшается до нуля с уменьшением их расстояния до оси. Поскольку поперечный импульс с увеличением расстояния от оси растет, могут быть реализованы условия, при которых все Ч фокусируются в фокальной области или вообще в одной точке. б з.п. ф-лы, 8 ил.

949

1 1356

Изобретение относится к электронной. оптике электроннолучевых прибо-ров и -может быть использовано в ускорительной технике при создании инжек5 торов заряженных частиц с энергиями до сотен ИэВ и каналов их транспор,тировки.

Целью изобретения.является увеличение предела энергии фокусируемых 1Q .частиц и уменьшение напряжения источника .питания при сохранении эффективности фокусировки, улучшение фокусировки за счет устранения хромати- . ческих аберраций, а- также расширение 1Á функциональных возможностей линзы за счет одновременной регистрации тока и положения центра тяжести пучка и новышенйе тока частиц за счет увеличения числа пучков. 20

На фиг. 1 изображена лииза с провдлочным электродом веретенообразной формь»; на фиг. 2 — линза с проволочным электродом в виде конусов с общей вершиной; фиг. 3 иллюстрирует методи- 25 ку расчета оптимальной формы электродов для этого варианта; на фиг. 4 нормировочная зависимость для определения этой формы; на фиг. 5 — характерные зависимости токопрохождения 30 частиц от числа линз; на фиг. 6— линза с одним из электродов, выполненным в виде коллектора тока вторичных электродов; на фиг. 7 - линза с проволочным электродом, имеющим пролетный. канал на оси; на фиг. 8— один из вариантов многоканальной линзы.

Линза содержит цилиндрические электроды 1 трехэлектродной линзы, до электрод 2 с продольными нитямн, замк;»утую нить 3 в форме многоугольника, Электроды 1 и 2 расположены таким образом, что нити полностью или частично находятся внутри электро- . дов 1. Электрод 2 (на фиг. 1) отличается тем, что снабжен дополнительным веретенообразным электродом, образованным, например, при натяжении металлических нитей, предпочтительно из тугоплавкого металла (вольфрам, титан), концы которых прикреплены (йриварены) к концам тонкой металлической спицы. В отдельных случаях вместо спицы может быть использован капилляру внутри которого проходят нити. Электрод 2 (фнг.: 2) может быть образован при пропускании нитей внутрь кольца в центре линзы н их последующем натяжении, при аэимутальном вращении кольцевых держателей нитей с их последующим пересечением в центре, либо сваркой нитей в этой точке.

Вариант линзы, показанный на фнг.7, может быть проще всего реализован пропусканием нитей внутрь замкнутой нити 3 и их натяжением между кольцевыми держателями. При этом нить 3 . приобретает форму многоугольника.

Иногоканальная линза может быть вы-. полнена с использованием тех же технологических приемов, которые описаны выше для одноканальных вариантов.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образок.

Частицы пучка. (область пучка заштрихована), проходя через область, расположенную между внешней поверхностью веретенообразного проволочного электрода 2 и внутренней поверхностью первого цилиндрического электрода 1, испытывают направленное к оси действие снл электрического поля, возникающего за счет разносйи потенциалов на этих электродах.

Частицы, проходящие вблизи оси, испытывают действие большей силы, чем удаленные от оси, но вследствие того, что путь, проходимый ими в этом поле, уменьшается до нуля для частиц, проходящих в непосредственно близости от оси, суммарный поперечный импульс для этих частиц также уменьшается до нуля с уменьшением их расстояния от оси (предполагается, что вследствие того, что продольный импульс значительно больше поперечного, отклонение траектории частиц внутри самой линзы пренебрежимо мало). Это означает, что поскольку с увеличением расстояния от оси поперечный импульс растет, могут быть реализованы условия, при которых все частицы фокусируются в фокальной области, или вообще в: одной точке (идеальная фокусировка). Действие фокусирующих полей внутри второго цилиндрического электрода идентично уже рассмотренному.

Аналогично осуществляется фокусировка в варианте линзы, показанном на фиг. 2;

Для определения формы внутренней поверхности цилиндрических электродов 1, обеспечивающей оптимальные условия фокусировки {минимизация аберраций), могут быть использованы з 13569 известные методы расчета или моделирования (1). Для вариантов, рассмотренных- вьппе, одно из наиболее точных аналитических приближений может быть получено на основе расчетных выражений. Смысл введенных обозначений и расчетная модель иллюстрируется на фиг. 3-. Учитывая, что угол отклонения траектории частиц от первоначального 10 направления, параллельного оси Z, определяется в линейном приближении тонкой. линзы соотношением поперечного и продольно1 о импульсов (соответственно Р„ и Р )» можно запйсать 15

Рг г (1)

Р, Z<

Используя известные выражения для импульсов

49 ь,!еш (Z) =r<=.!»еЕ* (9) Z

Р,= Р„ДЕ=2 РгаЕ=2„— Е (Е )dK, 25

30 и справедливо приближения цилиндрического конденсатора дпя вычисления поля между обкладками конденсатора, у которого внутренняя обкладка является конической, но с малым (otic) углом раствора конуса, а именно (1, с. 171) . е (z)= цу

Г r (5)

rln. вне!е ( где гв„е - (Е) - радиус точки внутренней поверхности вйешнего электрода 1, можно получить уравнение для определениЯ. г ь„е„, (Е)

45 ца,РУ dZ е (6)

2цфЕ . ) of Z о внев (Е) --= (1- д )

I!!

» о (10) В каждом практическом случае число нитей до!жно определяться компромиссом между потерями пучка на нитях с одной стороны и азимутальн!.:.й неоднородностью пучка при уменьшении числа нитей из-за вносимой этим электрическим полем неоднородностью с другой стороны. В частности, при малом количестве линз число нитей может быть достаточно большим (более 10), тогда как при их использовании, например, в качестве фокусирующих элементов в трубках дрейфа линейных ускорителей, когда N=10-15, их число рекомендуется выбирать в пределах 6-8. Рекомендуемая толщина нитей — 0,05-1, 1 мм (2), 50 (7) r,„,„(Z)= d2e

Цв 1Е, где

"zd!

P, U (3) (Z и m — заряд и масса фокусие руемых частиц), а также учитывая,,что при o((< 1

Z=of

Ее где ш

Решение этого уравнения имеет вид -, Можно показать путем дифференцирования зависимости (7), что

2 ц Е Е*(ц ц ) (8)

В нормированном виде приведенные выражения для R, и Z представлены на фиг. 4, Пользуясь данной зависимостью можно, не проводя всех вычислений, провести конструкторскую проработку реального устройства и оценить параметры его литания. Характерной особенностью электродов 1 является наличие щели между ними (фиг 2) в центральной плоскости.

Это является неизбежным следствием того обстоятельства, что в точке пересечения нитей в центре напряженность электрического поля (по крайней мере в расчетном приближении} неограниченно возрастала бы без этой щели; причем быстрее, чем уменьшаетея длина области действия фокусирующих полей, т.е. частицы могли бы сильно отклоняться (перефокусироваться) рн приблнжении к оси.

При прохождении через линзу часть пучка высаживается на нитях.

На фиг. 5 показана зависимость отношения тока пучка I .после прохожде- . !! ния N „„, к току на входе в фокусирующую систему .I для различных соотношений площади, занимаемой нитями в поперечном сечении (Б„), к площади, занимаемой пучком (S ), рассчитанная по формуле где сФ = — для =--(ci) с = — ()».

Бн 1

» 10 20 .

/= — (в )

30

135б949

1О

Образование вторичных электронов

При попадании на нити частиц пучка может быть использовано для регистрации наличия и величины тока пучка фокусируемых частиц, а также для определения положения центра тяжести пучка, следовательно, для регулировки пространственного расположения

Пучка и линзы с целью улучшения характеристик пучка. Это реализуется за счет выполнения одного из цилиндрических электродов 1 линзы, предпочтительно того, который расположен вблизи поверхности нитей, бомбардируемои частицами пучка, секционированным (см. фиг. 6). Иа фиг. зто левый, а на фиг. 2 — правый электроды. Регистрация тока вторичных электродов, ускоряемых электрическим радиальным полем на каждую из секций, позволяет однозначно установить величину тока фокусируемых частиц на каждую нить, регистрируя тем самым и смещение пучка.

Если пучок частиц имеет трубчатую конфигурацию, а также, если не обходимо минимизировать потери пучка в приосевой области, где плотность

Пучка максимальна, особенно для пучКов, максимальная расходимость которых обнаруживается на периферической

Части, наиболее целесообразно использование варианта линзы, показанного на фиг. 7. Специфической особенностью этой линзы является возможность выполнения наружного электрода 1 беэ щелей, как в первых двух вариантах, поскольку нити не пересекаются на оси и опасного с точки зрения перефокусировки возрастания электрического поля при приближении к оси нет.

Однако, необходимо отметить, что выполнение внешнего электрода 1 единым также возможно, поскольку не приводит в действительности к существенному ухудшению свойств пучка, но конструктивно проще. Это объясняется тем, что предположение об эквивалентности цилиндрической и конической поверхности и о ее азииутальной непрерывности в действительности не реализуется, а толщина нитей конечна, т.е. Напряженность поля не "бесконечна" вблизи оси.

Наиболее полно преимущества предложенных вариантов линз проявляются

При фокусировке нескольких параллельных пучков, расположенных на близком расстоянии. Использование известных типов линз затруднено тем обстоятельством, что вследствие влияния соседних каналов в электродах одиночньгх или иммерсионных линз, нарушается пространственная конфигурация и азимутальная однородность пучков. В вариантах с использованием линз с проволочными электродами (фиг. 8) такое влияние исключается, поскольку в неэквипотенциальном пространстве дей-. ствия фокусирующих сил все частицы движутся внутри электредов, полностью экранирующих их от соседних каналов.

В качестве характерных примеров технической реализации линза можно привести вариант линзы, показанный на фиг. 2 с электродами, у которой

Z 10 см; Z*=! с», г =0,74 см;

c(=0,2, О, =125 кВ, U>=f кВ. Фокусирующая способность той же величины достигается в линзе-прототипе при напряжении на два порядка больше, чем Б .

Таким образом, предложенное уст-. ройство позволяет существенно (до двух порядков) снизить напряжение электростатической фокусировки и увеличить предельные энергии фокусируемых на тех же расстояниях частиц, заметно расширяя область применения электростатических линз.

Формула изобретения

1. Электростатическая линза, содержащая три электрода цилиндрической формы, установленные соосно, и источник питания, один полюс которого подключен к центральному электроду, а другой — к крайним электродам, отличающаяся тем, что, с целью увеличения предела энергии фокусируемых частиц и уменьшения напряжения источника питания при сохранении эффективности фокусировки, центральный электрод содержит металлические нити, натянутые внутри крайних электродов по образующим конусов, соосных с осью линзы, 2. Линза по и. 1, и т л и ч а ющ а я с я тем, что вдоль оси линзы внутри электродов расположена металлическая спица, а металлические нити одними концами закреплены на кольце, установленном в центре линзы, а другими - на концах спицы.

Е*= †- — Z r*=a(eZ*

Чу

2г ч о

Фие. Р

Фие;8

13569

З.Линзапоп. 1, отличающ а я с я тем, что центральный электрод содержит два кольца, установленные по.краям линзы, а металлические нити натянуты между кольцами и пересекаются в геометрическом центре линзы, 4. Линза по пп. 1 и 3, о т л ичающая с я тем, что., с целью 10 улучшения фокусировки эа счет уменьшения хроматических аберраций, электроды, установленные между кольцами, выполнены с внутренней поверхностью, определяемой уравнением 15 /2 1 э э

Ф

Е r где Е = — К = †r н Š— радиус и э Z* э r " продольная координата точки поверхности20 в прямоугольной системе координат с началом в вершине конусов (м);

r* и Е* - радиус и продольная координата точки поверхности (м), раслоло» женной наиболее близко к оси, опреде- 25 ляемые выражениями где Š— фокусное расстояние лин-. 30 эы (и); o(- угол полураствора конусных поверхностей (раз), по которым натянуты нити, V — напряжение источника питания (В), V, - потенциал пучка (В), при этом U

49

5. Линза по пп. 1 и 3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью снижения потерь тока эа счет высаживания частиц на нитях в приосевой области, нити скреплены с помощью замкнутой металлической нити, имеющей форму многоугольника с вершинами в точках соединения нитей.

6. Линза по пп. 1 — 5, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей линзы эа счет одновременной регистрации тока и положения центра тяжести пучка, а также регулировки положения линзы, по крайней мере один из крайних электродов выполнен секционированным с продольными разрезами в плоскостях, проходящих через ось линзы между соседними нитями, а каждая секция подключена к источнику питания через автономный измеритель тока.

7. Линзе но пп; 1-6, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения тока частиц эа счет увеличения числа пучков, она выполнена многоканальной, так что крайние электроды имеют вид дисков с пролетными отверстиями, а внутренние электоопы выполнены в виде общей обечайки с пролетными отверстиями, соосными отверстиям дисков, при этом конфигура" ция электродов с нитями в каждом иэ пролетных каналов идентична.

1356949

o,е

f г Я I g3 ff

Фию. Ф г щ ц ц нн авив. 6

Рие.6

Жив. 7

Составитель И.Цимбалов

Техред IJ.Сердюкова Корректор А.Тяско

Редактор О.Филиппова

Заказ 998

Тираж 660 Подписное рщщщ1 государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграФическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4