Способ определения характеристик ионов космической плазмы

 

Изобретение относится к способам исследования излучения и потоков элементарных частиц и может быть использовано для определения концентрации и полной функции распределения ионов магнитосферной плазмы масс-спектрометрическим способом . Целью изобретения является повышение чувствительности способа. Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, разделение ионов в пространстве дрейфа и определение концентрации ионов и распределение их по энергии в зависимости от времени пролета, на ионы воздействуют ускоряющим и отражающим полями со сферическим распределением потенциалов , связанными по величине определенны-, ми соотношениями. 1 ил..;

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) Н 01 J 49/40

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ Э бд о»

С) (21) 4783282/21 (22) 22.01.90 (46) 30,03,92. Бюл, ¹ 12 (71) Физико-технический институт им.

А,Ф.Иоффе АН СССР (72) В.T.Коган, А.К.Павлов, А.Д.Казанский и

С.Г. Буцев (53) 621.384(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1173465, кл. Н 01J 49/32, 1984.

G.Gloeckler et а1. The charge — energe—

mass spectrometer for 0,3 — 300 Kev/е lons

on the ampTE ССŠ— IEEE Ttans. on

Geoscience Remofe Senling, 1985. V. GE-23, ¹5,,р. 234-240. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОНОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ (57) Изобретение относится к способам исследования излучения и потоков элементарИзобретение относится к способам исследования излучения или потоков элементарных частиц и может быть использовано для определения характеристик ионов космической плазмы.

Одной из важнейших задач в настоящее время является проведение быстрого измерения концентрации и функции распределения ионов в магнитосферах планет в связи с особой изменчивостью характеристик потоков заряженных частиц в этих областях. Решение этой задачи имеет большое значение для геофизики, физики космического пространства и физики плазмы.

Масс-спектрометрический метод является наиболее эффективным для решения таких задач,.Известные способы анализа ионов в постоянных электрических и маг„„SU „„1723601 А1 ных частиц и может быть использовано для определения концентрации и полной функции распределения ионов магнитосферной плазмы масс-спектрометрическим способом. Целью изобретения является повышение чувствительности способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, разделение ионов в пространстве дрейфа и определение концентрации ионов и распределение их по энергии в зависимости от времени пролета, на ионы воздействуют ускоряющим и отражающим полями со сферическим распределением потенциалов, связанными по величине определенны-, ми соотношениями.. 1 ил. нитных полях не позволяют определять одновременно все основные характеристики потока и возникает необходимость проводить последовательные измерения. Это приводит к ограничению скорости анализа из-за большой продолжительности цикла измерений >10 — 10" с, Известен способ.(1) определения характеристик ионов космической плазмы, включающий последовательное воздействие на поток постоянным однородным магнитным полем и аксиальным электростатическим полем, векторы напряженностей которых на разделяющей их границе параллельны.

Он позволяет одновременно определять по количеству регистрируемых ионов и их пространственному распределению функцию распределения ионов по энергии для

1723601 каждой измеряемой массы последовательно. Применение магнитного и электрического полей определенной величины и конфигурации позволило получи ь время цикла измерений характеристик потока 5 ионов 104 за счет одновременного измерения спектра по энергии в широком диапазоне, Основные недостатки аналога — ограничение возможностей одновременного изме- 10 рения характеристик ионов энергетическим распределением. Функцию распределения по углам можно определить лишь после последовательных измерений.

Наиболее близким по технической сущ- 15 ности и достигаемому результату к предложенному (2) является способ определения характеристик ионов космической плазмы, включающий воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, 20 измерение после дрейфа количества ионов, времени их прихода и пространственного распределения, определение по измеренным параметрам концентрации и функции распределения ионов в исследуемом потоке 25 по одному из двух пространственных углов.

Такой способ позволяет проводить одновременный анализ для широкого спектра масс по одному из углов функции распределения ионов. Полный цикл измерений со- 30 ставляет 10 с.

Недостатком прототипа является низкая чувствительность вследствие необходимости проведения последовательного анализа энергетического спектра ионов и 35 функции распределения ионов по второму пространственному углу.

Целью изобретения является повышение чувствительности способа.

Поставленная цель достигается тем, что 40 в известном способе, включающем воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, измерение после дрейфа количества ионов, времени их прихода и пространственного распределения, 45 определение по измеренным параметрам концентрации и функции распределения ионов в исследуемом потоке по одному из двух пространственных углов, согласно изобретению, после ускорения ионы в интерва- 50 лах времени t> с периодом повторения Тп вводят в дрейфовый промежуток через коллимирующее отверстие, после дрейфа на них воздействуют отражающим электрическим полем, образованным разностью по- 55 тенциалов р»р, причем ускоряющее и отражающее электрические поля имеют сферическое распределение потенциала, а величины разностей ускоряющего и отражающего потенциалов задаются из соотношения

r2 — r1 Е (Т иц е I r ц Q 2108

1 где Е(Тмин) = 2 (Емин + E»«+ 2eq °

Т(Емакс ) Т(Емин)

«впуск — — — r кэВ-Т(Е}-интервал

А(Е кс — Е ин) времени от момента входа иона с энергией

Е в дрейфовый промежуток до момента его измерения, с; г1 — внутренняя граница области, отражения, см; г2 — наружная граница области отражения, см; E«H — минимальная

ЭНЕрГИя ИССЛЕдуЕМЫХ ИОНОВ, КЭВ; Емакс максимальная энергия исследуемых ионов, кэВ; TM> — минимальное время пролета, с, для ионов с энергией Е (Тмин): е — заряд электрона; ц — кратность ионизации иона А коэффициент из выражения Т = А(Е2

Е(Тмин)) + Тмин аппроксимирующего выраЖЕНИЕ ДЛЯ Т(Е) На УЧаСтКЕ От Емин ДО Емакс, при этом одновременно с определением упомянутых характеристик по тем же параметрам определяют функции распределения ионов по второму пространственному углу и по энергии.

Одним из необходимых признаков предложенного способа является введение ионов через коллимирующее отверстие в дрейфовый промежуток, что позволяет обеспечить одновременное измерение угловой функции распределения ионов в исследуемом потоке с распределением по энергии, Отсутствие коллимирующего отверстия исключает возможность проведения одновременных измерений. Интервал времени tU выбирается из соотношения

tU« Тмин, В случае нарушения соотношения резко снижается разрешающая способность по энергии, Период Т необходимо выбрать из соотношения Тц > Тмин(Ммакс), где MMàêñ — наибольшая масса диапазона иззмеряемых ионов, B противном случае невозможно проводить измерения характеристик ионов заданного диапазона масс.

Введение ионов в дрейфовый промежуток следует проводить после ускорения, что увеличивает чувствительность процесса анализа ионов с низкими скоростями, Необходимым существенным признаком является также воздействие на ионы отражающим эл, полем, образованным разностью потенциала р,р, Такое воздействие позволяет обеспечить высокую чувствительность способа. Отсутствие отражающего электрического поля не позволяет повысить чувствительность относительно

1723601 прототипа. Кроме того, распределение потенциалов в ускоряющем и отражающем электрических полях должно быть сферически симметричным. Только такая форма поля позволяет совместить во времени анализ состава и углового распределения исследуемых ионов.

Критичными признаками предлагаемого способа в совокупности с описанными признаками являются также величины указанных потенциалов, которые выбираются из соотношения, приведенного в формуле изобретения, Выполнение соотношения (1) позволяет одновременно для широкого спектра ионов определять функцию их распределения не только в пространстве координат, но и в пространстве скоростей.

Невыполнение соотношения (1) нарушает условия одновременности измерения характеристик космической плазмы, в том числе и функции распределения ионов по второму пространственному углу и по энергии. Определение последней характеристики является также существенным признаком заявленного способа, поскольку, это позволяет получить полную картину распределения ионов в пространстве координат и скоростей, что приводит к увеличению чувствительности.

Таким образом, каждый из перечисленных признаков необходим, а их совокупность достаточна для решения поставленной задачи.

Докажем соответствие предлагаемого способа критерию существенные отличия.

Определение характеристик ионов космической Плазмы проводится с помощью разнообразных способов анализа в статических магнитных и электрических полей и по времени пролета, Однако информация, получаемая с их помощью, не позволяет одновременно определять характеристики исследуемого потока, что увеличивает цикл измерений. Наибольший прогресс достиг- . нут в следующих способах. Первый — использует разделение ионов в статических электрическом и магнитном полях (1), В нем одновременно измеряется функция распределения ионов по энергии в широких пределах последовательно для каждого сорта ионов, что примерна в 10 и более раз повышает чувствительность по отношению к традиционным. Во втором способе, использующем времяпролетную методику, одновременно измеряется функция распределения ионов по одному пространственному углу для широкого спектра исследуемых масс. Здесь также не представляется возможным одновременно определять пространственные и энергетические характери. стики, так как это по1ребовало бы значительного увеличения размеров масс-спектрометра, 5 Для приведенных способов цикл измерения составляет соответственно 10 и. 10 з с при условии равномерного заполнения функции распределения исследуемых ионов в потоке 510 ион /см . стер.с. В б 2

10 конечном счете последовательный анализ снижает информативность измерений, что равносильно снижению чувствительности. и не дает возможности точно определить функцию распределения ионов в быстроменяю15 щемся потоке.

Одновременное определение функции распределения ионов в широком диапазоне масс, энергией и углов до настоящего вре мени не осуществлен:

20 Авторами впервые предложена определенная связь между ускоряющим и отражающим электрическими полями по величине и геометрии, причем ранее закономерности влияния ее на повышение чувствительности

25 известно не было, соотношение потенциалов указанных полей предлагается находить по выведенной авторами зависимости.

Таким образом, новая совокупность взаимосвязанных существенных признаков

30 обеспечивает одновременную селекцию ионов по массе. энергии и направлению движения, т,е, достигнут положительный эффект, изложенный в цели изобретения.

На чертеже представлена схема анали35 затора для реализации предложенного способа. содержащего источник 1 ионов с областью 2 ускорения. областью 3 дрейфа ионов, областью 4 отражения ионов и приемник 5 ионов, 40 Способ определения характеристик ионов космической плазмы реализуется следующим образом. Исследуемые ионы (для верхней магнитосферы Земли: Н, Не, Не, О, О ) подают в область воздействия

45 ускоряющего сферического поля («=500B) и увеличивают их кинетическую энергию на величину e,, q, где q — кратность заряда иона. Далее ионы вводят каждый (T, =4мкс) в течение 20 нс через входное колли50 мирующее отверстие диаметром 3 мм в бесполевой дрейфовый промежуток. Область ускорения должна находиться в пределах

1,5 см от коллимирующего отверстия, которое, в свою очередь, удалено на 1.5 см от

55 центра кривизны сетчатых пластин радиусами rq = 12 см и г2 = 15 см, имеющих сферическую форму и обеспечивающих отражающее поле за счет подачи на них разности потенциалов р„ г, 1500 В. После

1723601 отражения и дрейфа ионы вводят on входное отверстие приемника. расположенное относительно центра кривизны пластин с радиусами поверхностей гi и гг на расстоянии 1,5 см в сторону, противоположную по 5 отношению ко входному окну. В качестве приемника ионов компонент низкой распространенности используется шевронная сборка микроканальных пластин с координатно-чувствительным коллектором, 10

Измерения осуществляются следующим образом. Распределение ионов, например, Н по энергии определяется через измерение зависимости интенсивности регистрируемого приемником потока частиц 15 от времени. Для диапазона энергии 0 — 1 кэВ время прихода ионов водорода на приемник изменяется ат Т(Емакс) = 0,626 мкм до

T(EM«) = 0,864 мкс; причем разрешающая способность flo энергии изменяется так: для 20

Е = 35 эВ ".-1,0; для Е = 500 эВ Е 3,3;

Е,„ для Е =- 1 кВ .-4,0. Концентрацию ионов

Н можно определить как в дифференциаль- 25 ном, для каждого значения энергии или угла, так и в интегральном виде, сопоставляя интенсивности сигналов от различных ионов за соответствующий интервал времени, Разрешающая способность по массе на 30 уровне основания составляет 2, т,е. позволяет уверенно разрешать все укаэанные компоненты магнитосферной плазмы Земли. Измерение углового распределения исходного потока проводится на некотором 35 расстоянии от области пространственной фокусировки пучка. Выбор этого расстояния ъ1,5 см обеспечивает разрешающую способность по любому из углов 15 . На чувствительную поверхность приемника 40 проецируется картина распределения интенсивности потока в двух взаимно перпендикулярныхх координатах, соответствующих двум исходным пространственным углам.

Несмотря на то, что пример конкретной 45 реализации приведен только для ионов Н и только для магнитосферы Земли, общность . свойств — наличие одновременной селективности способности ионов по массе, энергии и направлению движения — позволяет 50 считать. что предлагаемый способ применим для широкого спектра плазменных объектов.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает 55 повышение чувствительности в 10-100 раз, что увеличивает информативность исследований в космическом пространстве и позволяет получить мгновенную полную функцию распределения исследуемых ионов. Такая возможность обеспечивае1ся бла одаря созданию условий одновременной селекции ионов по массе, энергии и направлению движения.

Способ позволяет проводить анализ состава магнитосферной плазмы и особенно эффективен при изучении потоков с широким угловым и энергетическим распределением ионов, Формула изобретения

Способ определения характеристик ионов космической плазмы, включающий воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, разделение ионов в пространстве дрейфа, измерение количества ионов, времени их прихода и пространственног0 распределения, определение по измеренным параметрам концентрации и функции распределения ионов в исследуемом потоке по одному из двух пространственных углов. отличающийся тем. что, с целью повышения чувствительности, после ускорения ионы в интервалах времени tu с периодом повторения Т„вводят в дрейфовый промежуток через коллимирующее отверстие, после дрейфа на них воздействуют отражающим электрическим полем, образованным разностью потенциалов р«р причем ускоряющее и отражающее электрические поля имеют сферическое распределение потенциала, а величины разности ускоряющего и отражающего потенциалов определяют из соотношения

Гг Г1 Е (Тмин) е гг ЦQ21ОЯ где (Тмиi,) = 1/2 (Емин + Ем„, + 2eq

Eмакс Т Емин

Т(Е) — интервал времени от момента входа иона с энергией Е в дрейфовый промежуток до момента его измерения, е;

r1 — внутренняя граница области отражения, см; гг — наружная граница области отражения, см, Емии — минимальная энергия исследуемых ионов, кэВ, Емакс максимальная энергия исследуемых ионов, кэВ, Тмин МИНИмаЛЬНОЕ ВРЕМЯ ПРОЛЕта ДЛЯ ионов с энергией Е(Тмин); е — заряд электрона:

q — кратность ионизации иона, 1723601

Составитель А.Катинова

Техред М,Моргентал Корректор С.Черни

Редактор Т,Орловская

Заказ 1066 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

А - коэффициент из выражения Т =- А(ЕЕ(Тмин)) + Тмин, аппроксимирующего выра2 жения для Т(Е) на участке от Е я до Емакс. при этом одновременно с определением упомянутых характеристик по тем же параметрам определяют функции распределения ионов по второму пространственному углу и по энергии.