Способ определения энергетического спектра пучка ионов

 

СОВХОЗ COElEr Ñ11ÈÕ

COQ4A ЛИСТГ " 1 ЕО 1ИХ

1 ЕСПУБЛИН

А1 (1) 5

ПРИ ГННТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ фЩ® ;я л

®И7т- ГЩУ; „,г, "- А&Ц ;р»;--; °

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРИТИЯМ и ABTOPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ((46) 23.07.92.Бюл. N" 27 (21) 4747318/25 (22) 09.10.89 (72) А.С. Артемов (53) 621.387,424(068.8) (56) Тронь А.И., лещенко A.B, Монитор фазового распределения пучка протонов линейного резонансного ускорителя.Труды VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна: ОИЯИ, т. ?, с. 125, 1981.

Бг.ерЬеп 1. ° et al. Иеаввг пр Ьелп

er0ittance for high-energy 11-accelerators. 1ЕЕЕ Transactions on NuclearScience, ч. NS — 28, ll 3, р, 2174, 1981.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в физических исследованиях пучков ионов.

Известен способ измерения энергетического спектра пучка ионов с использованием магнитных анализаторов; известны устройства, включающие различные типы магнитных анализаторов, для реализации этого способа.

К недостаткам этого способа и соответствующих устройств относится полная потеря пучка ионов в процессе измерения и больагие размеры магнитных анализаторов для ионов высоких энергии °

Известны также способы измерени я энергетического cnектра пучка ионов по энергетическому сп кгру эл ктронов, рождающихся при э.-- имолейсгвии части пучка ио юв с I<. пут <упярной ми(54) СПОСОБ ОПРЕДЕПКНИя ВНГГЕТИ 1ЕCKOГО СПЕКТРА ПУЧКА ИОНОВ (57) Изобретение относитеH к измерительной технике, Целью изобретения является упрощение способа путем уменьшения массогабаритных характеристик системы измерения. Для этого с помощью магнитного анализатора измеряют энергетический спектр электронов, образующихся при фотоиониэации быстрых нейтральных частиц, находящихсn в определенном каантовом состоянии, и по этому спектру восстанавливают энергетический спектр пучка ионов, 2 ил. шенью, и устройства для осуцествления этих способов.

К недостаткам этих способов и соответствующих устройств от носится невысокая точность измерения энергетического спектра пучка ионов в области малых энергий и невозможность измерения при транспортировке пучка ионов ао внешних электромагнитных полях.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности являются способ измерения энергетического спектра пуч" ! ка ионов и устройство для его осущестоления содержащее разделенные пролет— ! ной базой мишень для преобразования части пучка ионов в нейтральные частицы и иишень для ионизации этих частиц, а также магнитный анализатор энергетического спектра образовавшихся заряженных частиц. Способ измерения основан на использовании быстрых нейтраль16798 78 ных частиц, образующихся .при взаимодействии части пучка ионов с мишенью, в качествО носителя информации об энергетическом спектре пучка ионов при его транспортировке во внешних элект5 ромагнитных полях. Энергетический спектр нейтральных частиц, вылетевших из «анала транспортировки пучка ионов, измеряют с помощью магнитного анализатора после их ионизации на корпуску" лярной мишени. Таким образом, энергетичес1<ий спектр пучка ионов восстанавливают по энергетическому спектру быстрых вторичных ионов после ионизующей мишени. Результирующая точность измерений определяется точностью, с которой быстрые нейтральные частицы повторяют энергетический спектр пучка ионов, величиной возмущения энергетического спектра нейтральных частиц при их ионизации и энергетическим раз решением магнитного анализатора. !

Недостатком этого технического реI шения являются использование Ьыстрых 25 вторичных ионов, оЬразуюцихся при ионизации быстрых нейтральных частиц, для измерения с помоцью магнитных анализаторов энергетического спектра пуч ка ионов и большие массогабаритные ха-3р рактеристики системы измерения для ионов высоких энергий.

Целью изоЬретения является упроще,ние способа путем уменьшения массогабаритных характеристик системы измере. ния.

Поставленная цель достигается тем, что с .помоцью магнитного анализатора измеряют энергетический спектр электронов, образующихся при Фотоионизации быстрых нейтральных частиц, находящих" ся в определенном квантовом состоянии, и по этому спектру восстанавливают энергетический спектр пучка ионов, Для этого за мишенью для преобразо" 4g вания ионов в быстрые нейтральные час" тицы с различными квантовыми состояниями, на пролетной базе этих частиц, Ф располагают мишень в виде потока фотонов, частота которых превосходит по- < рог фотоионизации с определенного квантового состояния нейтральной частицы, а за Фотонной мишенью размещают магнитный анализатор. энергии электро" ов Фотоионизации, Предлагаемый способ отличается тем, что энергетический спектр пучка ионов восстанавливают по энергетическому спектру электронов, образующихся при фотоионизации быстрых нейтральных час. тиц, находящихся в определенном квантовом состоянии.

Устройство для осуществления предлагаемого способа имеет мишень для ионизации в виде потока фотонов, частота которых превосходит порог фотоионизации нейтральных частиц в определенном квантовом состоянии, а также магнитный анализатор электронов фотоионизации. ьпосоЬы измерения энергетического спектра пучка ионов по энергетическому спектру электронов и устройства для их осуцествления широко известны.

Однако использование электронов для измерения энергетического спектра быстрых нейтральных частиц, образую- . щихся при взаимодействии части пучка ионов с мишенью, и восстановление, таким образом, энергетического спектра этих ионов по энергетическому спектру электро IQB образующихся при фотоионизации быстрых нейтральных час" тиц в определенном квантовом состои; нии, позволяет проводить измерения при транспортировке пучка ионов во внешних электромагнитных полях, а так" же уменьыить массогабаритные характерйстики системы измерения.

На Фиг. 1 представлена схема устройства для осуцествления предлагаемого способа; на Фиг. 2 - Фотонная ми" шень.

Устройство содержит мишень 1 для преобразования части пучка ионов в

I нейтральные частицы с различными кван" товыми состояниями, фотонную мишень 2, расположенную на пролетной базе нейт" ральных частиц за пределами канала транспортировки пучка ионов, и магнит" ный анализатор 3 электронов фотоионизации. Расстояние между мишенями 1 и

2 выбирают из условия пренебрежимого воздействия внешних электромагнитных полей канала транспортировки пучка ионов (например, магнитное поле на участке поворота ионов) на электроны фотоионизации. В качестве мишени 1 используют тонкие и узкие пленочные мишени различных типов, пересекающие часть пучка ионов, либо пространственно-локализованные газовые мишени, эффективно преобразующие часть пучка ионов в нейтральные частицы с представляющими интерес квантовыми состояниями.

6Ея bin

Ee En

40

50

Е =-У Е

Яю ец„

<л ния п.

167>8

В качестве носителей информации об энергетическо л слектре пучка ионов используют быстрые нейтральные частицы с таким квантовым состоянием и, для которого подбором частоты фотонов

5 мишени 2 в системе покоя нейтральной частицы может быть обеспечено необходимое для измерения отношение числа электронов Фотоионизации из этого квантового состояния к числу электронов Фотоионизации из других квантовых состояний общего потока рожденных на мишени 1 быстрых нейтральных частиц. При этОм толщину и тип мишени 1 выбирают из условия необходимого превышения плотности потока рожденных на ней нейтральных частиц над плотностью потока фоновых нейтральных частиц в тех же квантовых состояниях в области 20 фотонной лишени 2, образующихся в результате перезарядки ионов на оста" точном газе 9 последующих радиационностолкновительных переходов между квантовьвли состояниями на пролетной базе 25 до области Фотоионизации.

Анализ кинематики двухчастичного развала нейтральной частицы при поглощении фотона (Фотоионизация) показывает, что электроны дотоионизации повто- 30 ряют энергетический спектр быстрых нейтральных частиц с квантовым состоя" нием и с точностью где Ип, т — масса покоя нейтральной частицы и электрона соответственно;

h - постоянная Планка;

9== частота фотона в ла<

tl частицы;

OC - угол пересечения потоков нейтральных частиц и Фотонов;

Е - средняя энергия;;зйтИ ральных частиц; средняя энергия элект ронов фотоионизации; порог Фотоионизации нейтральной частицы из квантового состоя78

В соответствии с этим выражением подбором час тоти Фотонов Q вблизи порога фотоионизации E обеспечивал ют требуе лую точность соответствия энергетических спектров электронов фотоионизации и нейтральных частиц, 1

Необходимую в процессе измерения среднюю мощность Р1,(в Вт) фотонной мишени 2 оценивают из условия

G p 1, P 11 10 .а -=-----. к Г С л (31

".Р hM Дх L sing v

ОТ О где а — необходимая для измерения кратность превышения плотности потока электронов фото" ионизации из квантового состояния и над Фоновыми электронами после магнитного анализатора 3 в области детектора Д

3 - среднее сечение столкновительной ионизации на остаточном газе из различных квантовых состояний р потока быстрых нейтральных частиц за мишенью 1, см 2 (Я) " сечение фотоионизации нейтральной частицы из квантового состояния и Фотонами С 2 частотой Я, см

1. - расстояние от мишени 1 до магнитного анализатора,, см;, Р - давление остаточного газа на пролетной базе нейтральных частиц, мм рт.ст.

Поперечный к плоскости пересечения потоков Фотонов и нейтральных частиц размер фотонной мишени ионизации

Дх (см) и радиус осевой траектории магнитного анализатора электронов фотоионизации г (см) выбирают в соот" ветствии с требуемым значением разрешающей силы анализатора R. 5 случае использования секторного магнитного анализатора с однородным полем со скошенными под углом Р торцами и углом поворота Я разрешающую силу анализатора оценивают с помощью выражения е To ° В

1<л-2 - - 2 sin- л

Ьар Ьх 2 х f3+ctg — c.tg(- -Е)) .

Я ,2 2

Уст ройст во ра бота ет следующим образом.

1679878

В результате взаимодействия части пучка ионов, 4 с мишенью 1, расположенной в канале транспортировки пучка, происходит преобразование ионов в

S быстрые нейтральные частицы с определенными квантовыми состояниями. Эти нейтральные частицы покидают канал транспортировки пучка ионов и взаимодействуют с фотонной мишенью 2, расположенной на пролетной базе L, На этой мишени происходит их ионизация с рожд нием электронов B основном из представляющего интерес квантового ,состояния п. Энергетический спектр этих электронов измеряют магнитным анализа торопил 3 и по неллу восстанавливают энергетический спектр ионов в обрасти мишени 1 канала транспортировки пучка.

Таки<л образом, так как энергия элеm ктронов фотоионизации в - - раз меньше

Hp энергии ионов ионизации, используемых по прототипу, массогабаритные характеристики магнитного анализатора и всей систе<лы из<леренЧя значительно меньше массогабаритных характеристик прототипа. При этом аналогичную, как и у прототипа, точность измерения энерге.тического спектра пучка ионов достигают подбором частоты фотонов Яо, угла Q, а также величин г„ и g x.

Уменьшение массогабаритных характеристик системы измерения. приводит к улучшению е е технико -- экономических показа-35 телей, t

П р и и е р. Измеряют энергетический спектр пучка Н -ионов с энергией

Е,<= 0 ИэВ в канале транспортировки (используемом в прототипе). Пучок быстрых нейтральных атомов Н образуется, как и в прототипе, при обдирке менее 3 ; пучка Н -ионов на узкой полимерной фольге толщиной - 700 А, расположенной перед поворотным магнитом в канале транспортировки пучка ионов.

В качестве носителей информации об энергетическом спектре пучка Н -ионов используют H(2s)-атомы (=„ =3,395 эВ) находящиеся в метастабильном Zs"êçàHтовом состоянии и составляющие 5Ф общего потока образующихся на обдирочной <лишени Н -атомов..После поворотного магнита они отделяются от Н - и

<.с

Н -компонент и выходят из канала тран-Л спортировки пучка ионов для анализа энергетического спектра. В качестве мишени для ионизации H(2s)-атомов используют поток фотонов т N -лазера

2 с длиной волны 9,3371 А (Ъ(д

3,678 эВ). Средняя энергия. образующихся при этом электронов фотоионизации составляет Е = 27 кэВ. При измерении энергетического спектра пучка Н -ионов с той же точностью бс„-"" + 4 ° 10, как и в прототипе, выби"k рают g. 76,08 + д,об", g = 11

r0 = 10 см, х = 10 " см, Р 40 .

Величина магнитного поля анализатора энергетического спектра электронов фотоионизации составляет при этом

Н = 54 Э. В соответствии с величинами

G<< ()lQ= 3, з В ) -1 0 см, р ф1=3 10 =м для Р т 10 < мм рт. ст,, L 200 см, а = 10 необходимая в процессе измерения средняя мощность фотонной мишени ионизации предлагае<лого устройства составляет Рр е 1О Вт.

Изобретение позволяет уменьшить массогабаритные характеристики систеMbt измерения и обеспечивает ту же точность изслерения энергетического спектра пучка Н -ионов при значитель" ном снижении энергозатрат.

Фор лула изîбретения

Cnocob определения энергетического спектра пучка ионов, включающий преобразование части пучка ионов в нейтральные частицы с различными квантовыми состояниями, ионизацию этих частиц, измерение с помоцью магнитного анали" затора энергетического спектра образовавшихся при ионизации заряженных частиц и восстановление по этому спектру энергетического спектра пучка ионов, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа путем уменьшения массогабаритных характеристик системы измерения, воздействуют на поток нейтральных частиц фотонным излучением с частотой фотонов, превышающей порог фотоионизации нейтральных частиц с определенным квантовым состоянием, и измеряют энергетический спектр образующихся при этом электронов.

Фиг. 2

Составитель С. Кондратенко

Техред A.Êðàâ÷óê Корректор Н. Ревская

Редактор Г. Бельская

Заказ 2826. Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113335, Москва, W-.35, Раушская наб., д. 4/5 ъ

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина, 191