Способ изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к области электронной и ионной оптики и может быть использовано в магнитных спектрометрах и транспортных системах. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей аксиально-симметричной магнитной линзы (МЛ), за счет расширения диапазона изменения ее светосилы. Сущность изобретения: для получения максимальной величины светосилы МЛ формируют магнитное поле частями распределенной обмотки, по крайней мере, с двумя максимумами распределения, минимумы которого совпадают с промежуточными фокусами МЛ, а максимумы - с местоположением наибольших отклонений траекторий заряженных частиц. В смежных частях обмотки магнитные поля могут иметь противоположное направление. Части обмотки МЛ выполняются в виде сопряженных секций, поперечное сечение каждой из которых и всей обмотки в целом имеет форму прямолинейных геометрических фигур - треугольника, трапеции, параллелограмма в различных сочетаниях. 9 ил., 1 табл. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 J 37/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4880164/21

{22) 05,11.90 (46) 23.08.93, Бюл. М 31 (71) Казахский государственный университет им. С.М. Кирова (72) В.И. Балашов (56) Кельман В.M. и Явор С.Я. Электронная оптика. Л.: Наука, 1988. с.198.

Ахметов К.М., Балашов В.И. и Невинный

Ю.А. Вопросы точности в ядерной спектроскопии. Вильнюс, 1984, с.194. (54) СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ СВЕТОСИЛЫ

АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОЙ МАГНИТНОЙ ЛИНЗЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к области электронной и ионной оптики и может быть использовано в магнитных. спектрометрах и транспортных системах. Целью изобретения является расширение функциИзобретение относится к области электронной и ионной оптики, в частности к формированию моноэнергетических потоков заряженных частиц магнитными линзами, что может быть использовано в магнитных спектрометрэх. транспортных линзах и других электронно-оптических и ионна-оптических приборах.

Цель изобретения состоит в увеличении диапазона изменения светосилы эа счет увеличения максимального значения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изменения светосилы аксиальна„„БЦ„„1835566 А1 ональных возможностей аксиально-симметричной магнитной линзы (МЛ), за счет расширения диапазона изменения ее светосилы. Сущность изобретения: для получения максимальной величины светосилы

МЛ формируют магнитное поле частями распределенной обмотки, по крайней мере, с двумя максимумами распределения, минимумы которого совпадают с промежуточными фокусами МЛ, а максимумы — с местоположением наибольших отклонений траекторий заряженных частиц, В смежных частях обмотки магнитные поля могут иметь противоположное направление. Части обмотки МЛ выполняются в виде сопряженных секций, поперечное сечение каждой из которых и всей обмотки в целом имеет форму прямолинейных геометрических фигур— треугольника, трапеции, параллелограмма в различных сочетаниях, 9 ил., 1 табл. симметричной магнитной линзы с распределенной обмоткой, создающей магнитное поле с конфигурацией, задаваемой конфигурацией плотности ампер-витков вышеупомянутой обмотки, когда минимальную величину светосилы создают использованием "одногорбого" распределения магнитного поля и режима работы линзы без дополнительных промежуточных фокусов, а максимальную величину светосилы линзы создают использованием режима работы линзы с одним или несколькими промежуточными фокусами, согласно изобретению, максимальную величину светосилы получают, включая части обмотки линзы и

1835566 формируя из "одногорбого" распределения магнитного поля линзы "многогорбое" распределение, минимумы которого совпадают с фокусами линзы или находятся на минимально достижимом расстоянии от фокусов линзы. ) (ель изобретения достигается и тем, что ток в вышеупомянутых частях обмотки включают в направлениях, создающих магнитное поле в смежных областях распределенил, эаключенных между соседними минимумами, с противоположными направлениями.

Поставленная цель достигается еще и тем, что в аксиально-симметричной магнитной линзе распределенная обмотка, формирующая магнитное поле, состоит из секций и распределение плотности ампер-витков в вышеназванных секциях имеет форму, позволяющую формировать "одногорбое" и

"многогорбые" конфигурации магнитного поля, В частности, распределение плотности ампер-витков в вышеназванных секциях может иметь прямоугольную форму, кроме того, распределение плотности ампер-витков в вышеназванных секциях может иметь треугольную, трапециевидную форму и одновременно треугольную, трапециевидную формы и форму параллелограмма.

На фиг.1 а представлена трапециевидная конфигурация магнитного полл линзы и проекции траекторий заряженных частиц для случаев без промежуточных фокусов, с одним и с двумя промежуточными фокусами для варианта с фокусировкой пучка на выходе линзы; на фиг.1 б представлена трапециевидная конфигурация магнитного поля линзы и проекции траекторий заряженных частиц в случае режимов работы линзы без промежуточных фокусов„с одним и с двумя промежуточными фокусами для варианта с параллельным пучком на выходе линзы; на фиг.2 (а,б,в) изображены "одногорбая" и

"двухгорбые" конфигурации магнитного поля, соответствующие конструкции обмотки линзы фиг.7, составленной из секций с треугольным распределением плотности ампер-витков, и соответствующие траектории заряженных частиц; на фиг.3 (а,б,в) представлены "одногорбая" и "двухгорбые" конфигурации магнитного поля, соответствующие конструкции обмотки линзы фиг.8 с трапециевидным распределением плотности ампер-витков в секциях, и траектории заряженных частиц; на фиг,4 (а,б,в) —."одногорбая". "двухгорбая" и "трехгорбая" конфигурации магнитного поля, соэданные с помощью секций с прямоугольным распределением плотности ампер-витков конструкции фиг.6, и соответствующие траектории заряженных частиц; и

55 на фиг.5 (а,б,в,г,д) даны возможные конфигурации магнитного поля, созданные с одновременным использованием секций конструкции фиг.9 с треугольным, трапециевидным и в форме параллелограмма распределением плотности ампер-витков, и соответствующие т раектории заряженных частиц.

Аксиально-симметричная магнитная линза, изображенная схематично на фиг.6,7,8,9, представляет собой (фиг.7) цилиндрическую вакуумную камеру из немагнитного материала 1 с намотанной на внешнюю поверхность цилиндра аксиальную обмотку из медного провода 2, Обмотка

2 разбита на секции 3,4,5, имеющие отдельные электрические выводы. Распределение плотности витков в секциях вдоль оси цилиндрической камеры имеет, согласно изобретен и ю.: прямоугольную (фи r,6), треугольную (фиг.7), трапециевидную (фиг,8) формы, форму параллелограмма или их комбинацию (фиг.9) и другие формы, позволяющие формировать с помощью секций

"одногорбое" и "многогорбые" конфигурации магнитных полей. Секции обмотки могут накладываться друг на друга или располагаться вдоль оси цилиндрической камеры с некоторыми промежутками в зависимости от вида создаваемых конфигураций магнитного поля.

Линза работает следующим образом (фиг,7). Внутри вакуумной камеры 1 размещается у одного из ее концов источник электронов или других заряженных частиц 10, а на выходе линзы в противоположном конце камеры приемное устройство, которое представляет из себя детектор электронов или другое устройство 9, в котором используется сформированный пучок моноэнергетических электронов или других заряженных частиц. Секции 3,4,5 соединяют последовательно друг с другом и подключают к источнику постоянного тока так," чтобы магнитное поле имело в секциях одно направление вдоль оси камеры. Увеличивая ток в обмотке 2, т.е. напряженность магнитного поля, добиваются, чтобы пучок электронов, двигающихся по винтовой линии вдоль оси линзы, пересекал ось линзы в месте расположения приемного устройства или, для варианта формирования параллельного пучка, был параллелен оси линзы на ее выходе, Дальнейшее увеличение тока в обмотке приводит к тому, что винтовые траектории электронов будут пересекать ось линзы в промежуточной области между источником и приемным устройством, т.е, будут создаваться один или несколько дополнительных

1835566

55 промежуточных фокусов, в зависимости от величины напряженности магнитного поля.

Может быть осуществлен режим включения секций, когда секция 4 закорочена или отключена, и последовательно соединены с источником постоянного тока последовательно включенные секции 3.5 с одинаковым направлением магнитных полей. то в этом случае формируется "двухгорбая" треугольная конфигурация магнитного поля.

Соответствующей величиной тока добиваются, чтобы траектории электронов пересекали ocb линзы вблизи минимума поля в центре его распределения. Кроме того, может быть реализован предпочтительный режим работы, дающий наибольшее увеличение светосилы, когда последовательно соединенные секции 3,5 включены таким образом, что создают магнитные поля с противоположным направлением, и изменением величины тока добиваются промежуточной фокусировки пучка электронов в среднем минимуме распределения поля и фокусировки или параллельности пучка электронов на выходе линзы, Пример осуществления способа изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы.

Аксиально-симметричная магнитная линза была выполнена, согласно конструкции, изображенной на фиг.б, где распределение плотности витков в шести секциях

3,4,5,6,7;8, длиной каждая 40 см, имело прямоугольную форму. Общая длина обмотки составляла 240 см, диаметр камеры — 10 см, точка фокуса предметного пространства, т.е. место расположения источника электронов находилось на расстоянии 150 см от центра линзы. Местоположение приемного устройства находилось на расстоянии 230 см от центра линзы, В первом режиме работы линзы все секции 3,4,5,6,7,8 обмотки соединялись последовательно с одинаковым направлением магнитных полей по оси линзы. Величина тока в обмотке, т.е, напряженность магнитного поля, выбиралась так, чтобы обеспечить либо фокусировку пучка электронов на выходе линзы, либо параллельный пучок без осуществления дополнительной фокусировки в промежуточной части линзы. Во втором режиме работы линзы секции 3,4,5 соединялись последовательно с одним направлением магнитного поля, а секции 6,7,8 — с противоположным направлением поля, Увеличивая величину тока (напряженность магнитного поля) в 2 раза достигалась промежуточная фокусировка в центральной части линзы вблизи минимума распределения магнитного поля.

Величина светосилы, т.е. количества регист5

50 рируемых приемным устройством электронов, увеличивалась по сравнению с первым режимом в 8 раз.

В третьем режиме работы линзы соединяли последовательно попарно секции 3,4. затем 5,6 и 7,8, причем направления поля в парах совпадаЛи, и далее эти пары соединя-. лись последовательно таким образом, чтобы направления полей соседних пар были бы противополо>кны. Увеличивали величину тока по сравнению с первым режимом работы приблизительно в 3 раза и достигали двух дополнительных промежуточных фокусировок; Величина светосилы возрастала по отношению к первому режиму в 19 раз.

Значения светосилы в процентах от полного телесного угла 4 zt. для различных режимов работы линзы и вариантов формирования пучка электронов приведены в таблице, Из данных таблицы следует вывод. что светосила аксиально-симметричной магнитной линзы возрастает при переходе от режима без промежуточных фокусировок и "одногорбого" распределения магнитного поля к режимам с одной и двумя дополнительными промежуточными фокусировками при использовании соответственно "двухгорбого" и "трехгорбого" распределений магнитного поля. Подобным образом обеспечивается получение "одногорбого" и "двухгорбого" распределений магнитного поля и первого и второго режимов работы линзы и, следовательно, изменения светосилы линзы B конструкциях, представленных на фиг.7,8 и соответствующим им конфигурациям магнитных полей на фиг.2 (а,б,в) и 3 (а,б,в), а также достижение "одногорбого", "двухгорбого" и "трехгорбого" распределений магнитного поля и трех режимов работы в случае конструкции обмотки фиг.9 и соответствующих конфигураций магнитных полей, представленных на фиг.5 (а,б,в,г,д).

Предпочтительным способом изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы является способ, осуществляемый с помощью конструкции, представленной на фиг.6 с конфигурациями поля, приведенными на фиг.4 (а,б,e), т.е, конструкции, имеющей прямоугольное распределение плотности ампер-витков в секциях обмотки, создающей магнитное поле линзы, обеспечивающий наибольший диапазон изменения светосилы.

Использование предлагаемых конструкций аксиально-симметричных магнитных линз и способа изменения их светосилы позволяет увеличить светосилу линзы в 8 раз при использовании "двухгорбого" распределения магнитного поля, создаваемого обмоткой с секциями с прямоугольным рас1835566

Величины светосилы (проценты от полного телесного угла 4 л) аксиально-симметричной магнитной линзы с обмоткой из секций с прямоугольным распределением плотности ампер-витков.

Одногор- ()дногор- Двухгорбое рас- бое рас- бое распредел, предел. предел, Двухгор-; бое расTpexrop- Трехгорбое рас- бое распредел. и редел.

Паралле- Фокусильный пу- ровка на предел, ПараллеФокусировка на выходе

Паралле- Фокусильный пу- ровка на льный пучок выходе чок чок выходе

Без промежуточных фо0,015

0,064 кусов

С одним промежуточным

0,121

0,334 фокусом

С двумя промежуточны0,283

0,672 ми фокусами пределением плотности ампер-витков, и в

19 раз при использовании "трехгорбого" распределения магнитного поля. При этом используются соответственно режимы работы линзы с одним и с двумя дополнительными промежуточными фокусами.

Увеличение светосилы в случае прототипа равно соответственно 3 и 4. Кроме того, абсолютное значение светосилы линзы с прямоугольным распределением плотности ампер-витков в секциях при приблизительно одинаковых значениях для режима без промежуточной фокусировки больше по сравнению с прототипом при одинаковой апертуре и расстоянии от источника электронов до приемного устройства для режиМа с одним промежуточным фокусом в 2 раза и для режима с двумя промежуточными фокусами в 5 раз.

Формула изобретения

1.Способ изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы с распределенной обмоткой путем формирования магнитного поля с одним максимумом распределения по оси линзы для минималь-. ной величины светосилы и увеличения напряженности магнитного поля до образования промежуточных фокусов, для максимальной величины светосилы формируют магнитное поле частями обмотки по крайней мере с двумя максимумами распределения, минимумы которого совпадают с промежуточными фокусами, а максимумы— с местоположением наибольших отклоне5 ний траекторий, 2.Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитные поля от смежных частей обмотки формируют с противоположными направлениями.

10 3.Устройство для изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы, содержащее распределенную вдоль продольной оси обмотку, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональ15 ных возможностей за счет расширения диапазона изменения светосилы, части обмотки выполнены в виде сопряженных секций, поперечное сечение каждой из которой и всей обмотки в целом имеет форму

20 прямолинейных геометрических фигур.

4.Устройство поп.З, отл ича ющееся тем, что поперечное сечение секций обмотки имеет форму трапеции.

5.Устройство поп.3,отл ич.а ю ще ес я тем, 25 что поперечное сечение секций имеет форму треугольника. а обмотки — форму трапеции.

6.Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что поперечное сечение секций имеет форму сопряженных треугольни30 ка, трапеции и параллелограмма, а обмотки — форму трапеции.

1835566 ь Р ь се"

Ю

/. с Г с с

4жг. с ь с — т—

Ъ

l ь

/ ь г ь г л

1835566

Фиг. 3

1835566

1835566

Фиг. Ь

Фиг. 7

183556б

4иг. В

Фиг. 9.

Составитель B.E àëàøîâ

Техред М.Моргентал Корректор; И.Шулла

Редактор

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

Заказ 2983 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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