Многоканальный анализатор атомных частиц

 

г- -, ° Фр п

%: ъ1 ио б оц

Oll ",ИИ

Союз Советских

Социалистических

Республик (i ii695444

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл. (22) Заявлеио08.02. 78 (21) 2577378/18-25 с присоединением заявки М

Н 01 Ю 49/00

Гооудеротеенный комитетСССР ао делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.06. 81 Бюллетень Ле 22

Дата опубликования описания 18,06 .8 1 (о3) УДК 62!,387. .424 (088.8) B. B, Афросимов, Л. П. Овсянникова, М. П. Петров и С. Я. Явор (72) Авторы изобретения

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Йоффе (71) Заявитель (54)МНОГОКАНАЛЬНЬЙ АНАЛИЗАТОР АТОМНЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к устройствам для анализа по энергии и(иrm ) массе нейтральных и заряженных частиц, испускаемых плазмой.

Известен многоканальный анализатор

5 атомных частиц состоящий из ионизационной камеры, плоского конденсатора, йграющего роль диспергирующего элемента, и набора детекторов (1 ).

Пучок ионов из ионизационной ica10 меры входит под углом 45 в поле конденсатора и фокусируется этим послем на ту же пластину. Ионы разных энергий фокусируются в разные точки этой

Ф 15 пластины, проходят через выходные щели и регистрируются набором детекторов, Недостатками известного анапизатора является малая относительная светосила высокоэнергетических каналов по сравнению с низкоэнергетическими и засветка детекторов электромагнитным излучением плазмы, 2

Указанные недостатки в значительной мере устранены в конструкциях многоканального анализатора (2). .: В анализаторах этого типа между диспергирукицим элементом и детектораб ми расположены цилиндрические канальные конденсаторы число которых равно числу детекторов. Плоскость симметрии цилиндрических конденсаторов совпадае. с плоскостью "дисперсии диспергирующег< элемента. В качестве диспергирующего элемента используются либо электростатические конденсаторы, либо электромагнитны. В айализаторе с электромагнитом вместе с анализом по энергии возможен анализ частиц по массе.

Наиболее близким к предлагаемому является анализатор, состоящий из ионизационной камеры диспергирующего элемента, выполненного, например в виде круглого электормагнита,цилиндрическим канальных конденсаторов, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью

3 6954 дМЪйерМй" дйсйергирующего элемейта, и детекторов f3).

Этот анализатор работает"следующИм образом, Пучок ионов из ионизационной камеры входит в однородное поле диспергирующего элемента (электромагнита разворачивается им в широкий веер, проходит через входные отверстия ци- . 4 линдрических конденсаторов, подфокуаируется ими и попадает в детекторы, Диспергирукиций элемент отклоняет кайдув моноэнергетическую составляющую на угол, определяемый ее эйергией. Угол меяду осевыми траекториями различных ионоэнергетических составляющих пропорционален угловой дйс"персии диспергирукщего элемента..

44, 4 лучу, соединяющему центр отклонения с центром входного отверстия цилиндрйческого конденсатора, предназначенного для частиц с энергией Е, на

Величину, определяемую соотношением

1 е+еаи К-1- .е еаза 1_#_

<+ q+ q j se

Смещение центра кривизны краер пластин относительно центра отклонения диспергирующего элемента приводит к неартогональному входу осевых траекторий моноэнергетичных пучков в зазор между пластина, что вызывает преломление траекторий и, таким образом, увеличивает дисперсию прибора. Меняя разность потенциалов в криволинейном зазоре между пластинаии, можно управлять величиной дисперсии. Поле s зазоре между пластинами дополнительно фокусирует заряженные частицы в направлении, перпендикулярном плоскости дисперсии, благодаря чему достигается увеличение чувствительности анализатора., Алгоритм расчета величин смещений ! проекций центров кривизны краев пластин на плоскость дисперсии относительНедостатками известного анализатора являются малая величина диперсии, не20 возможность управления величиной дисперсии в выбранном участке эгергетичес— ,кого диапазона и малая чувствительность анализатора.

Все это исключает возможность детального изучения исследуемого энергетического спектра;

Цель изобретения - увеличение дисперсии, управление величиной диспер" сии в выбранном участке энергетического -дйапазона и "увеличение чувстви тельности анализатора.

Это достигается тем, что в многоканальном анализаторе, включающем ио- 35 низационную камеру, диспергирукиций элемент, цилиндрические канальные конденСаторы, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью дисперсйЙ днсйергирующего элемен1а, и детекторы, за диспергирукп им элементом после довательно по ходу пучка расположен дйспер гирующе-фокусирукицйй элемент, выполненный в виде, по крайней мере, двух пластин симметричных дтнОснтель 45 но плоскости дисперсии, причем обращейййе" один к другому "кра пЛас гин имеют форму дуг концентрических окружностей, проекция- центра кривизйы

koTopbm на плоскость дисперсии смещена5, относительно центра отклонения дис- пергирующего элемента на величину, определяемую величиной дисперсии по

"заданйому алгоритму, При выполнении диспергирующе-фоку55 сирукюцего элемента в виде двух пластин проекция центра кривизнй краев пластин смещена относительно центра от клонения диспергирукщего элемента по где К вЂ” коэффициент увеличения дисперсии;

AU — разность потенциалов в зазоре между пластинами, В, R — величина, равная полусумие радиусов кривизны краев

BJI aC TH H в

2 — угловая дисперсия диспергирующего элемента; Д - интервал разрешаемых энергий, Дж; энергия частиц в выбранном „ участке энергетического диапаэона Дж. ф - заряд частиц, Кл.

Автораии заявки установлено, что если проекция центра кривизны краев, по крайней мере, двух пар пластин диспергирующе-фокусирующего элемента на плоскость дисперсии анализатора смещена относительно центра отклонения диспергирующего элемента, то дисперсия анализатора увеличивается. Величина дисперсии зависит от величины смещения этих центров оДин относительно другого.

5 .:695444 но центра отклонения диспергиру1още- . первого криволинейного зазора отго элемента следукщий. носительно центра отклонения диспер-

Сначала определяют, требуемое число гирующего элемента; пар пластин, задаваясь величиной Расчет расположения второго кривоэнергии Е, в области которой тре- линейного зазора проводят поэтапно. буется исследовать эгергетический . После прохождения первого зазора спектр; и интервалбм. АЕ разрешаеьых пучок не имеет единого центра отклоэнергий. Эти значения Е и bE, а так- кения. Поэтому расчет проводят для же величину дисперсии D диспергирующе- каждой из энергий Е на которую

I элемента подставляют в формулу (1) 1р настРоены цилиьИрйческие конденсаторы и получают зависимость отношения д1й (1 — номер канала). Проекцию центра от коэффициента К увеличения диспер-: кРивизны на плоскость дисперсии второсии и разностн потенцаилов QQ в Го зазора располагают на том же луче криволинейном зазорЕ, образованном что и проекцию центра кривйзны nepaorc двумя парами пластин зазора. По заданным Е„., К, gE D,b,g, используя формулу 01 определяют два IR =1 (K,SU). (.) набора значений ц1 и, . то же время для охвата криволи- - Выбирают номер канала, которому нейным зазором всего пучка заряжен" - соответСтвуют величины с1 и К отлиных частиц, выходящих из "диспергирую- УО чие котоРых от соответСтвУющих велищего элемента, необходимо выполнение чин s сосед к..к"налаХ. Минимально следующего условия.. - - - . Эти значения с3 и R принимают за

2.E.. . $ ) .искомое смещение-центра и радиус криЭ Ь визны. второго криволинейного зазора.

Поскольку разность потенциалов .;2$ Проведя траекторный анализ диспер-

gQ в криволинейном зазоре имеет гирунще-фокусирующего элемента, распредел, в частности пробойное напря-: считанного по йриведенному алгоритму, жение, то по формулам(2) и(3) опре : уточняют расположейие цилиндрических деляют максимальную величину коэф- канальных кондейсаторов. фициента увеличения дисперсии, кото- зр На чертеже изображена конструкрая может быть достигнута при задан- ция конкретного выполненйя предложенных параметрах. Если требуемый коэффи- ного многокайального анализатора 1ее циент К увеличения дисперсии больше проекция íà nnîñêîñòü дисперсии).

Полученного,- то ставят еще одну"пару.: Многоканальный анализатор состоит пластин; Проводят аналогичный анализ З их ионизационной камеры 1 и распои определяют, достаточно ли двух: ложенных последовательно по ходу пучкРиволинейных зазоров, и т. д. - ка диспергирующего элемента 2, дисперРасполагают проекцию цейтра кри- "" "уирующе-фокуснруищего элемента 3, визны первого криволинейного зазора:. цилиндрических канальных конденсатона луче, соединяющем центр откло- 4p ров 4 и детекторов 5. нения диспергирующего элемента с . диспергирующий элемент выполнен в центром входного отверстия цилиндри-" виде круглого магнита с центром отклоческого конденсатора, настроенного,. нения в точке 6, диспергирующе-фокуна энергию Е. сирукщий элемент- в виде четырех пар пластин, образующий три кривоОпределяют радиус кривизны Р криВО,линейных зазора проекции центров линейного зазора траекторным методом кривизны которых на плоскость дис- из расчета токопрохождения в двух .:: персии расположены" в точке" 6 (первый взаимно перпендикулярйых плоскостях .. зазор), в точке 7 (второй зазор) и

Оценивают качество фокусировки вне ш1 в точке 8 (третий зазор1. Число циосевых пучков относительно осевогр линдрических конденсаторов - десять. для каждой моноэнергетичной состав . Число детекторов - десять. лялей в отдельности. Выбирают такой радиус R, кривизны, при которой наи- . Многоканальный анапизатор рабобольшая часть пучка попадает в окно тает следующим образом. детектора. Превая и четвертая пары пластин

По заданным Е, ЬЕ, К, b,Q, заземлены, На вторую и третью пары зная R и используя формулу(1),находят подачи соответственно такие потенцавеличину смещения с1 центра кривизны лы, что в первом и третьем зазорах

7 69544 образуется поле, замедляющее заряженmke""частйцы,--a во втором- зазоре— йоле, ускоряющее частицы.

Пучок "заряженных частиц иэ ионизационной камеры 1 попадает в однородное поле диспергирующего элемента 2. Ось пучка перпендикулярна силовым линиям однородного поля элект-

" " pîìàãíè÷ à è лежит в плоскости его дисперсии. 10

Электромагнит разворачивает пучок по эгергии в широкий веер, На первом криволинейном зазоре, проекция цент-ра кривизны которого на плоскость дисперсии совпадает с центром отклонения диспергйрующего элемента, за- ряженные частицы испытывают предварительное замедление. При этом осевые траектории, ортогональные к"зазору, тфоходят его не преломлясь. Внеосевые jp пучки,неортогональные к" зазбру,не- сколько подфокусируются, что сйособствует увеличению чувствительности анализатора.

Второй криволинейный зазор, центр кривизйй которого смещен oTHocHTeJIsHQ

"ц>ейтра"отклонения диспергирующего элемента вперед по ходу пучка, благодаря неортогонаЛьному входу в зазор увеличивает расходимость пучка, одно- щ временно ускоряя заряженные частицы.

Третий криволинейный зазор, центр

"кривизны которого смещен относительно центра отклонения назад, против хода пучка, также увеличйвает расходимость пучка, но замедляет заряженные частицы.

Таким образом, второй и третий криволинейные зазоры увеличивают дисперсию анаЛизатора. :*::- ", 4p

После прохождения дйСпергирующе" фокусирующего элемента 3, заряженные частицы попадают в цилиндрические кон денсаторы 4, подфокусируются ими и затем регистрируются детекторами 5. .4g

Величину дисперсии можно менять, меняя потенциалы на пластинах диспергирующе-фокусирующего элемента. При этом появляется возможность выбрать из диапазона измеряемых энергий интере- 50 сук61ий поддиапазон для его детального йСследования.

В плоскости, перпендикулярной йлоскости дисперсии, диспергирующефокусирующий элемент фокусирует заряженные частицы. Это приводит к увеличению чувствительности айализатора

8 целом.

Предложенная конструкция многоканального анализатора позволяет регулировать величину диепрсии путем изменения потенциалов на пластинах диспергирующе-фокусирующего элемента.

Управляемая величина дисперсии — новое свойство, которым не обладает ни один. известный анализатор.

При"йоДаче на вторую и третью пары пластин потенцаилов — 0,70 кВ и

+ 3,5 кВ соответственно, дисперсия анализатора предлагаемой конструкции больше дисперсии анализатора— прототипа в 5 раз. Поэтому возможен детальный анализ пучка по энергии (например, от 1 кэВ до 5 кэВ, от 3 кэВ до 15 кэВ, от 5 кэВ до 25 кэВ).

Чувствительность предлагаемого анализатора в. 1,5-2 раза вьппе чувствительности анализатора-прототипа.

Формула изобретения

Ф

1. Многоканальный анализатор атомйых частиц, включающий ионизационную камеру, диспергирующий элемент, цилиндрическйе канальные . конденсаторы, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью дисперсии диспергирующего элемента, и детекторы> о т л и ч а юшийся ТеМ> что, с целью увеличейия дисперсси,- управления величиной дисперсии в выбранном участке энергетического диапазона и увеличения чувствительности анализатора, за диспер гируй@им элементом последовательно по ходу пучка расположен диспергирующефокусирующий элемент, выполненный в вйде по крайней Мере, двух пар пластин, симметричных отйосительно плоскости дисперсии, причем обращенные один к другому края пластин имеют форму дуг концентрических окружностей, йроекция центра кривизны которых на плоскость дисперсии смещена относительно центра отклонения диспергирующего элемента на величину, определяемую величиной дисперсии по заданному алгоритму.

2. Анализатор ио п, 1, о т л ич а ю шийся тем, что ири выполнении диспергирующе-фокусирующего элемента в виде двух пар пластин проекция центра кривизны краев пластин смещена относительно центра отклонения диспергирующего элемента ио .лучу, соединяющему центр отклонения с

9 695444 центром входного отверстия цилиндрического конденсатора, предназначенного для частиц с энергией Е, на ве", личину, определяемую соотношением

К-1

1г где

К вЂ” коэффициент увеличения дисперсии;

ЬО - разность потенциалов в зазоре между пластинами, В;

1 — величина, равная полусумме радиусов кривиз ны краев пластин, м;

9 — угловая дисперсия диспергирующего элемента;

ЬЕ - интервал разрешающих энергий, Дж;

Я -энергия. частиц в выбранном участке энергетического диапазона„ Дж;

e — заряд частиц, Кл;

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Койдан В.С., ПТЭ, РЗ, с.63-66, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 427275, кл. 5 01 М 27/62, 1972.

3. И. П. Гладковский и др. Аннотацйя и доклад на П Всесоюзном совещании по диагностике горячей плазмы, 1977 (прототип).

Составитель А, Магомедов

Редактор Т. Колодцева Техред А. Бабинец Корректор Л. Иван

Заказ 4524/18 Тираж 784 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,4