Магнитный тороидальный спектрометр заряженных частиц

 

1. МАГНИТНЫЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С многократным отклонением пучка, содержащий тороидальную катушку с внутренним профилем в виде центра, источник, апертурную/ анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы , детектор частиц, отличающийся тем, что, с целью увеличения углового азимутального аксептанса и дисперсии спектрометра, ось окна-апертурной.диафрагмы, направленная от источника, образует угол с осью симметрии катуижи в радиальной плоскости, равный 135, а источник, анализирующие промежуточные и конечная диафрагмы расположены на расстоянии Л2 друг от друга вдоль оси симметрии тороидальной катушки, определяемом соотношением Л Z /61 2, 95/ где внутренний диаметр тороидальной катушки . 2.Спектрометр по п.1, о т л и чающийся тем, что, с целью . повышения разрешающей способности спектрометра, внутри полостей токовых витков тороидальной катушки установлены дополнительные корректирукщие тороидально-секступольные и тороидально-октупольные кат.ушки, расположенные посредине промежутSS ков между источником, промежуточ (/) ными и конечной анализирующими диафрагмами на расстоянии г- 2,82о1 от оси симметрии тороидальной катушки. 3.Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения площади источника, разреч шающей способности и уменьшения СО размера детектора, источник и анао: лизирующая конечная диафрагма выполнены в форме прямоугольных кони00 ческих поверхностей с вершинами, 14 направленными в сторону от источника к детектору частиц. СО

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11)

3(51) . Н 01 J 49/44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3003327/18-25 (22) 14.11.80 . (46) 15.03.84. Бюл. Р 10 (72) Н.И.Тарантин (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.387.424(088.8) (56) 1. Владимирский В.В. и др.

Двойной светосильный бетаспектрометр, ПТЭ, 1956, 9 1, С.13.

2. Третьякова Е.Ф. Тороидальный бета-спектрометр с высокой разрешающей способностью. Изв. AH СССР, сер. фив. 1975, т.39, с. 583 (прототип). (54)(57) 1. ИАГНИТНЫИ ТОРОИДАЛЬНЫИ

СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ с многократным отклонением пучка, содержащий тороидальную катушку с внутренним профилем в виде центра, источник, апертурную, анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы, детектор частиц, о т л и = ч а ю щ и и сятем,,что, с целью увеличения углового азимутального аксептанса и дисперсии спектрометра, ось окна апертурной.диафрагмы, направленная от источника, образует угол с осью симметрии катушки в радиальной плоскости, равный 1350, а источник, анализирующие промежутвчные и конечная диафрагмы располо.жены на расстоянии dZ друг от друга вдоль оси симметрии тороидальной катушки, определяемом соотношением ЛУ o1„= 2, 95 где d — внутренний диаметр тороидальной катушки.

2. Спектрометр и о п.l, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности спектрометра, внутри полостей токовых витков тороидальной катушки установлены дополнительные корректирукщие тороидально-секступольные и тороидально-октупольные катушки, расположенные посредине промежут- «ю ков между источником, промежуточными и конечной анализирующими диафрагмами на расстоянии г.= 2,82d от оси симметрии тороидальной катушки. С, 3. Спектрометр по п.l, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения площади источника, разре-; шающей способности и уменьшения размера детектора, источник и анализирукхцая конечная диафрагма выполнены в форме прямоугольных конических поверхностей с вершинами, направленными в сторону от источника к детектору частиц.

963413

Изобретение относится к магнит- ным спектрометрам заряженных части с в ысок ой ра з решающей способностью по импульсам и может быть использовано в области ядерной физики для измерения спектров бета-частиц и электронов конверсии, испускаемых при радиоактивном распаде ядер, а также в рентгено-электронном анализе для измерений спектров фотоэлектронов.

Известны безжелезные тороидальные спектрометры бета-частиц и электронов конверсии (1). Отличительной особенностью этих спектрометров яв" ляется их более высокий по сравнению 15 с спектрометрами других типов угловой аксептанс.

Известен магнитный тороидальный спектрометр заряженных частиц с многократным отклонением пучка, содер- 20 жащий тороидальную катушку с внутренним профилем в виде цилиндра, источник, апертурную, анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы, детектор частиц Г2 3., 25

Недостатком спектрометра является использование только одной трети всех межвитковых зазоров тороидальной катушки, обусловленное выбором ординарного угла отклонения у() частиц в магнитном поле Ч 180, приводящее к снижению величины азимутального углового аксептанса, неполное использование тороидального поля для диспергирования анализи- 35 руемых частиц, наличие дефокусирую-. щего действия краевого поля тороидальной катушки для некоторой части частиц, имеющих отрицательный угол входа, снижающего коэффициент трансмиссии частиц через межвитковые зазоры, отсутствие коррекции качества фокусировки пучка.

Целью. изобретения является увеличение углового азимутального ак- 45 септанса и дисперсии спектрометра.

Эта цель достигается тем, что в магнитный тороидальный спектрометр заряженных частиц с многократным отклонением пучка, содержащий то-5О роидальную катушку с внутренним профилем в виде цилиндра, источник, апертурную, анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы, детектор частиц, ocb окна апертурной диафргамы, направленная от источника, образует угол с осью симметрии катушки в радиальной плоскости, равный 135, а источник, анализирующие промежуточные и конечная диафрагма расположены на расстоя- 60 нии й2 друг от друга вдоль оси симметрии тороидальной катушки, опреде ляемом соотношением й2/d< = 2i95< где d — внутренний диаметр тороидальной катушки, С целью повышения б5 разрещающей способности спектромет. ра, внутри полостей токовых витков тороидальной катушки установлены дополнительные корректирующие тороидально-секступольные и тороидально-октупольные катушки, расположенные посредине промежутков между источником, промежуточными и конечной анализирующими диафрагмами на расстоянии v = 2,82Ю„от оси сим,метрии тороидальной катуыси. С це лью увеличения площади источника, .разрушающей способности и уменьшения размера детектора источник и анализирующая конечная диафрагма выпол.нены в форме прямоугольных конических поверхностей с вершинами, направленными в сторону от источника к детектору частиц.

Предлагаемый магнитный тороидальный спектрометр .заряженных частиц с многократным отклонением частиц представлен схематически на чертеже. Здесь 1 - апертурная диафрагма; 2 — токовые витки тороидальной катушкиу 3 — источник заряженных частицу 4 - экран, 5 - корректирующие катушкир б — промежуточная анализирующая диафрагма;

7 - осевая и крайние траектории анализируемых частицу 8 - детектор частиц; 9 — конечная анализируемая диафрагма. Для простоты на чертеже представлена схема спектрометра с двумя отклонениями частиц (N=2) тогда как оптимальный вариант предполагает N=- 4-б.

Траектории анализируемых частиц в спектрометре определяются тем, что ось окна апертурной диафрагмы, направленная на источник, образует угол+/2 135О, в радиальной плоскости спектрометра с осью симметрии тороидальной катушки, а показатель тороидального поля K= 0,98 (В прототипе 9/2 = 90 и К=0,743) . Ординарный угол отклонения пучка частиц при этом составляет 9 -- 270 (В прототипе 9=380 ). При выбранных параметрах магнитного поля спектрометра тороидальная катушка с профилем рабочей части в виде цилиндра обеспечивает фокусировку частиц первого порядка одновременно в радиальном и аксиальном сечениях пучка с промежуточной азимутальной перетяжкой пучка на половине пути частиц от входного и выходного стигматических фокусов. Значения параметров ч = 270 и К=0,98 следуе3 из совместного рассмотрения условий .радиальной

Ф/>

-Ксозф/Я ксоз 3Ч

К КЕ 5(пф/Я созе +

+сей Ф/2 -s

963413 и аксиальной фокусировок частиц в указанном поле для источника и изображения, расположенных на оси сим метрии тороидальной катушки

1 ф/2

Ф. Ф/2+РКсо Ф/2 р kcosV о где,V. —. изменяющийся угол наклона вектора скорости частицы к оси симметрии поля при ее движении. В условии (2), впервые полученном в свя.зи с настоящим изобретением, учтена краевая фокусировка частиц рассеянным полем на входной и выходной границах наряду с меридиональной фокусировкой в торондальном поле.

На чЕртеже изображен вариант спектрометра с источником и конечной анализирующей диафрагмой, смещенными от оси симметрии на равные расстоя- О ния 8 разные стороны. При этом также обеспечивается стигматическая фокусировка пучка при тех же значениях

М и К в силУ равенства единице коэффициента продольного смещения.

Источник, промежуточные и конечная анализирующие диафрагмы расположены соответственно в местах начального, промежуточных и конечного стигматических фокусов на расстоянии dZ друг от друга, удовлетворяющем соотношению ьХ/d =2,95, У где И„ — внутренний диаметр тороидальной катушки (В прототипе

Dl/с =1,36). 35

Телесный угол спектрометра, определяемый тем, что .в спектрометре используются все межвитковые зазоры, в 2,1 раза больше, чем у прототипа при одинаковых значениях ин- 40 тервала углов в радиальной плоскости. Дисперсия спектрометра по нормали к оси пучка составляет

3 =2,97 Р„,N, где Р, — радиус максимального удаления оси пучка от оси 45 симметрии тороидальной катушки. (В прототипе 1) =2, 06 Р, И ) . Расстояние между источником и конечной анализирующей диафрагмой равняется

2= 1,05 Р, И (В прототипе 2=1,29Р H) . 50

При шести отклонениях пучка частйц выигрыш в дисперсии составляет более полутора раз по отношению к прототипу при одних и тех же внешних продольных и поперечных размерах спектрометров. . Краевая фокусировка частиц обеспечивает более жесткую их трансмиссию через межвитковые зазоры, более устойчивую к случайным возмущениям.

Наличие промежуточных перетяжек

Ьучка в местах его наибольшего радиального расхождения используется в предлагаемом в спектрометре для эффективного исключения радиальных аберраций второго и третьего порядков с помощью дополнительных тороидально-секступольных .и тороидаль% но-октупольных катушек. На чертеже представлены то. оидально-секступольные корректирующие катушки с полярностью для исключения отрицательной квадратичной аббррации, имеющей место в рассматриваемом случае.

Применение корректирующих катушек повышает разрешающую способность спектрометра или дает воэможность испольэовать пучок с больг.им угловым раствором в радиальной плоскости.

Для исключения радиальной аберрации, обусловленной протяжностью источника в,азимутальном направлении, источник и конечная анализирующая диафрагма выполнены в виде прямых конусов, причем эмиттирующая поверхность источника частиц и направленная к пучку поверхность анализируемой диафрагмы. противопо- . ложны по знаку выпуклости. Для уменьшения размера детектора частиц эмиттирующей поверхностью источника служит внутренняя вогнутая поверхность конуса, а встречной по- . верхностью анализирующей диафрагмывнешняя выпуклая поверхность конуса.

Таким образом, изобретение Позволяет значительно повысить аксепти" руемый азимутальный угол спектрометра, относительную дисперсию, обеспечить более жесткую азимутальную фокусировку частиц, что приводит к повышению коэффициента трансмиссии частиц, и коррекцию аберраций второго и третьего порядков для улучшения качества фокусировки пучка.

963413

Составитель С.Простов

Редактор О.Юркова Техред М.Кузьма Корректор В.Бутяга

"ЗС ;-Зак аз 234 7/1 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раувх:кая наб., д. 4/5

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