Ахроматический электростатическийспектрометр с поперечным отклоняющимэлектрическим полем

 

" Цфл и с .

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Оц 425244

Союз Советскин

Социалистических

Респубпик (61) Зависимое от авт, свидетельства (22) Заявлено 28.06.71 (21) 1673525/26-25 с присоединением заявки ¹ (32) Приоритет

Опубликовано 25.04.74. Бюллетень № 15

Дата опубликования описания 26.09.74 (51) М. Кл. Н 01j 39/34

Государственный комитет.

Совета Министров СССР оо делам изаоретений и открытий (53) УДК 621.534.6 (088.8) (72) Автор изобретения (71) Заявитель

Б. И. Савин

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени

Государственный университет им. М. В. Ломоносова (54) АХРОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛ ЕКТРОСТАТИ ЧЕСКИ Й

СПЕКТРОМЕТР С ПОПЕРЕЧНЫМ ОТКЛОНЯЮ1ЦИМ

ЭЛ ЕКТРИЧ ЕСКИМ ПОЛ ЕМ

Изобретение относится к тем областям экспериментальной физики и техники, в которых изучается и используется отклонение заряженных частиц, а также исследуются энергетические спектры потоков заряженных частиц в лаборатории и космическом пространстве, Известны электростатические спектрометры с поперечным отклоняющим электрическим полем, содержащие пару секторных коаксиальных цилиндрических электродов, регистратор заряженных частиц и источник питания. Известны также ахроматические системы, в которых отсутствует радиальная дисперсия на выходе, но в которых, кроме электрического поля цилиндрического конденсатора, используется еще и однородное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра.

Выделение необходимого интервала энергий

E==AE/Е0 (Е0 — равновесная энергия) из исследуемого потока в отклоняющих системах обычно производится как самой отклоняющей системой, так и входным окном регистратора на выходе из отклоняющей системы.

Если радиальныи размер б входного окна регистратора меньше ширины зазора Лг между отклоняющими электродами, то не все частицы, прошедшие через отклоняющую систему, попадут в регистратор, Это объясняется существованием радиальной дисперсии Р„ из-за которой частицы с разными энергиями, находящимися внутри интервала, пропускаемого отклоняющей системой, выходят из зазора на разных радиальных расстояниях.

Дисперсия по энергии после отклоняющей

5 системы приводит также к тому, что место входа частицы в спектрометр, величина и ориентация приемного телесного угла спектрометра сильно зависят от энергии частицы из числа энергий, находящихся внутри всего интер10 вала E.

Повышение чувствительности спектрометра путем увеличения доли потока, попадающего в регистратор, в обычных спектрометрах требует уменьшения дисперсии Вв или увеличе15 ния размера 6. Дисперсия секторного цилиндрического конденсатора с углом сектора Ф, средним радиусом зазора ro (радиус равновесной орбиты) и с Лг/rp«1 равна Вв=

20 2/ — 01 (1 — cos V 2 Ф).

Уменьшить дисперсию Вв можно, уменьшив угол Ф или радиус r . Однако, например, в обычных электростатических спектрометрах для исследования малоинтенсивных потоков

25 частиц в присутствии фона, устанавливаемых на космических аппаратах, попытка уменьшения радиуса ro или угла Ф приводит к нежелательным последствиям.

Уменьшение угла Ф влечет за собой возра30 стание фона от ультрафиолетового излучения

425244

15

20 - 1 /2+ Р3

Фс sin 2Ф„

tg

1 2 2 — сов! 2<1>, Солнца, так как при меньших углах Ф укорачивается длина криволинейного зазора, и ультрафиолетовое излучение меньше ослабляется при многократных отражениях в нем.

Уменьшение угла Ф увеличивает также неопределенность угла и места входа потока в зазор.

Уменьшение радиуса rp влечет за собой необходимость повышения разности потенциалов между отклоняющими электродами для сохранения максимальной регистрируемой прибором энергии.

Уменьшение размера б тоже нс всегда возможно. У таких перспекгивных регистраторов как канальные электронные умножители диаметр самого канала = 1 мм, установка же входной воронки на канальный умножитель для увеличения апертуры приводит к необходимости учета зонной характеристики воронки, и, кроме того, увеличивает собственный фон регистратора.

Поэтому. в обычных спектрометрах нельзя увеличить чувствительность, не ухудшив при этом других характеристик прибора.

Целью изобретения является повышение чувствительности и пространственной избирательности спектрометра. При этом одновременно увеличивастся интервал Е и уменьшается неопределенность условий входа частиц

B зазор по сравнению с обычным электростатическим спектрометром„геометрические параметры которого одинаковы с параметрами предложенного спектрометра.

Для этого отклоняющие электроды выполнены в виде трех пар, расположенных последовательно таким образом, что поверхности электродов в соседних парах имеют общие касательные, проведенные через обращенные друг к другу края электродов, причем электроды, имеющие общую касательную, находятся с противоположных сторон от этой касательной, углы секторов крайних пар равны между собой и связаны с углом сектора средней гары соотношением

На фиг. 1 приведена схема спектрометра; на фиг. 2 — схема радиальной фокусировки траекторий частиц разных энергий, а также увеличение энергии Е в предложенном спектрометре в сравнении с известным спектрометром с такими же параметрами Ф и Лг/rp.

Лхроматический электростатический спектрометр содержит крайние 1, 2 и среднюю 3 пары электродов, регистратор 4 и источник питания 5.

Спсктрометр работает следующим образом.

Пары электродов 1, 2, 3 подключаются к источнику питания 5. На выходе из сектора 2 размещается регистратор 4, вход пары электродов 1 облучается исследуемым потоком заряженных частиц. Пучок траекторий отклоняется в соседних участках в противополож30

65 ных направлениях. Сумма длин зазоров равна

r,Ô:= г,(2Ф, + Ф,).

На фиг. 2 приве;. ены траектории частиц с разными энергиями в координатах сг, р, где ср — угол с вершиной в центре кривизны поверхностей электродов, о — радиальное расстояние частицы от равновесной орбиты, выраженное в единицах rp.

Уравнение траекгории в зазоре между обкладками цилиндрического конденсатора для нерелятивистских энергий и при условии

Лг/гс((1, обычно выполняющемся в реальных конструкциях спектрометров рассматриваемого типа, имеет вид

1 — / Š— 1;

sin P2q+(, — — cos 2 + —

fr2, 2)

2 (2) где индекс 1 относится ко входу в зазор. Из (2) видно, что частица в зазоре совершает гармоническое колебание с амплитудой около стабильной орбиты, радиус которой (1+Е/2) . Отклоняющая система спектрометра пропускает на выход частицы, траектории которых в процессе колебаний не касаются электродов.

На фиг. 2 жирными сплошными линиями показаны траектории частиц, которые колеблются около соответствующих стабильных орбит с энергиями Е|, Еь .. - E„а с.

Г1ри переходе в средний сектор направление электрического поля изменяется на противоположнос и стабильные орбиты смещаются под ось абсцисс (см. фиг. 2). Войдя в средний сектор, частицы вынуждены продолжить колебания около сместившихся орбит, поэтому наклон траекторий уменьшается и становится равным нулю на угловом расстоянии Ф,/2 от начала среднего сектора. В случае, когда длина прямолинейного промежутка между соседпими секторами мала по сравнению с зазоI ром Лг и когда р — — р =0, угол Ф,/2 одинаков для всех энергий в интервале Π— Е„„,, и связан с углом Ф„соотношением (1).

В предложенном спектрометре плоскость са=Ф„+Ф,/2 является плоскостью симметрии отклоняющей системы; траектории справа от этой плоскости будут зеркальными отражениями траекторий слева от нее. Поэтому частицы с энергиями в интервале Π— Е„„;,, вошедшие с расстояния о =р =0, выйдут из отклоняющей системы при р=р =0, что означает радиальную фокусировку по энергии.или отсутствие дисперсии.

Суть изобретения состоит в выполнении отклоняющей системы спектрометра в виде трех секторов, расположенных приведенным на фиг. 1 образом, с угловыми размерами их, подобранными в соответствии с соотношением (!) так, чтобы траектории частиц, входящих

425244

tg

Фс sin ) 2Ф»

1 2 2 — cos 2Ф„ фиг 1

I с расстояния р — — р1 =О, имели симметричный вид относительно плоскости ч>=Ф»+Ф,/2.

Расчеты, основанные на соотношении (2), и эксперименты с опытным образцом спектрометра показали, что дисперсия по энергии в таком спектрометре практически отсутствует и при рь р ь0.

11а фиг, 2 показан эффект увеличения Ема»с в предложенном спектрометре по сравнению с Е„,„,, в известном спектрометре с одной парой отклоняющих электродов при одинаковых

Ф и Лг/r . Предельная траектория с Е„,,„;, показана жирной пунктирной линией, соответствующая ей стабильная орбита — тонкой пунктирной линией.

В предложенном спектрометре частица с

Е„„;, в среднем секторе удерживается в зазоре из-за смещения ее стабильной орбиты под ось абсцисс, в известном спектрометре такая частица попала бы на стенку.

Опытный образец спектрометра имел цилиндрические электроды с Лг/г> — — 0,05, rc> ——

=80 мм, Ф„=2б, Ф,=38 . Вход облучался направленным пучком электронов с энергией около 5 кэв при р1 и og, близких к нулю. Диаметр пучка на входе в зазоре составлял

= 0,3 мм, выходной пучок наблюдался по свечению на экране регистратора, отстоявшего на

=30 мм от выхода из последнего сектора, Смещение пятна на экране не превышало

0,15 мм в интервале E=23%.

Предмет изобретения

Ахроматический электростатический спектрометр с поперечным отклоняющим электрическим полем, содержащий парные секторные коаксиальные круговые цилиндрические отклоняющие электроды, регистратор заряженных частиц и источник питания, о т л и ч а ющи йс я тем, что, с целью повышения чувствительности и пространственной избирательности, отклоняющие электроды выполнены в виде трех пар, расположенных последовательно таким образом, что поверхности электродов в соседних парах имеют общие касательные, проведенные через обращенные друг к другу края электродов, причем электроды, имеющие общую касательную, находятся с противоположных сторон от этой касательной, углы секторов крайних пар равны между собой и связаны с углом сектора средней пары соотношением

25 где Ф» — угол сектора крайней пары, Ф,—

30 угол сектора средней пары.

425244 ил. Г

Составитель Л. Биллим

Техред E. Борисова Корректор А. Дзесова

Редактор А. Зиньковский

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2653/16 Изд ¹ 741 Тирани 760 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5