МАСС-СПЕКТРОМЕТР ЦИКЛОТРОННОГО ТИПА Российский патент 1994 года по МПК H01J49/38 

Изобретение относится к исследованиям в атомной и ядерной физике - элементному и изотопному анализу вещества, прецизионному измерению масс атомных ядер, выполняемых с помощью масс-спектрометров, анализаторов заряженных частиц.

Известен широко масс-анализатор, используемый статические магнитные и электрические поля, в меньшей степени - прибор с высокочастотными электромагнитными полями. К последнему типу относится применение циклотронов в качестве масс-спектрометров заряженных частиц, где режим резонансного ускорения частиц с данной массой Am, зарядом Zq в магнитном поле B высокочастотным напряжением с угловой частотой ω_в.ч.определяется условием: ω_в.ч. = h ω_o, где ω_o - угловая частота обращения частиц (ω_o= ); h - номер гармоники высокочастотного напряжения. Сдвиг частицы по фазе относительно в. ч. напряжения в процессе ускорения (или замедления) за N оборотов пучка определяется отличием частоты обращения частицы от частоты ускоряющего напряжения: Δsinϕ ≃ 2ΠNhЕсли фазовое движение иона совершается в пределах ±π/2, то разрешающая способность циклотрона R = = ΠhN может быть достаточно высокой при выборе определенных значений h и N.

Разница в частотах обращения частицы и в. ч. поля вызывается отличием в заряде, массе ускоряемого иона от резонансного Δ m, а также неточностью в распределении реального магнитного поля по радиусу от изохронного
ΔB = B - B_из: = + - Считая возможным формирование магнитного поля с отличием от изохронного на уровне 10^-5, при использовании такой токовой коррекции поля, возможно получение значений R на уровне 100000.

В качестве прототипа данного предложения можно взять масс-спектрометр с разрешающей способностбю R ≃ 10000-25000 для масс в области 250. Это прибор с высокой гармоникой (h=100) высокочастотного замедляющего поля с напряжением до 200В и двумя оборотами (N=2) пучка в однородном магнитном поле. Он включает в себя источник, магнит и высокочастотную систему (дуант).

Недостатком прибора является недостаточный коэффициент разрешения по массам ионов. Число оборотов частиц ограничивается двумя ввиду резкого (быстрее чем 1/N) падения интенсивности анализируемого пучка, движущегося в однородном магнитном поле.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и интенсивности пучков масс-спектрометра циклотронного типа.

Цель достигается тем, что анализируемый пучок с выбранным отношением с энергией W циркулирует по магнитной дорожке с секторно-фиксирующим магнитным полем (или на определенном радиусе секторно-фокусирующего изохронного циклотрона), радиус которой соответствует магнитной жесткости ионов, предназначенных для анализа. Последние извлекаются из дугового ионного источника открытого типа (фиг. 1), находящегося под положительным потенциалом относительно земли Vu, (W=ZqVu), с помощью вытягивающей щели. Ионы заполняют дорожку анализатора до интенсивности, максимум которой (n_пред) определяется сдвигом частот бетатронных колебаний до резонансного значения, вызываемым собственным пространственным зазором пучка.

Существенными отличиями предлагаемого изобретения является использование в масс-спектрометре совершенно новых элементов, не известных в технической и патентной литературе.

На фиг. 1 представлен кольцевой секторно-фокусирующий масс-спектрометр; на фиг. 2 - магнит; на фиг. 3 - ионный источник 1.

Масс-спектрометр содержит полюс 1 электромагнита, катушку 2 возбуждения, кольцевое ярмо 3 электромагнита, секторные накладки 4, открытый ионный источник 5 дугового типа: 5₁ - катод, 5₂ - антикатод, 5₃- анодный конус, 5₄ - нить накаливания, вытягивающий электрод 6, дефлектор 7, фокусирующий магнитный канал 8, радиально-ограничивающие щели 9, дуант 10.

МП - медианная поверхность электромагнита масс-спектрометра.

Кольцевой секторно-фокусирующий масс-спектрометр содержит магнитную дорожку, которая образована ярмом 3 электромагнита с катушкой 2 возбуждения, установленной на центральном сердечнике.

Дуговой ионный источник работает импульсно (несколько мс), на время заполнения кольца пучком ионов, высокочастотная система - непрерывно. Исследуемое вещество подается в источник в виде газа в область анодного конуса 5₃, а с целью получения ионов из твердотельных веществ, например, анализа радиоактивных продуктов из предварительно облученных мишеней, последние могут быть установлены в разряд различными способами, например, в антикатод 5₂.

В одной из долин магнитной структуры устанавливается дуант 10 с угловой протяженностью ϕ_∂, при этом гармоника высокочастотного напряжения h выбирается из условия h= 2 k π /ϕ_∂ , где K=1, 2... - целое, (рад), когда резонансные ионы (чья частота обращения ω_o = ω _в.ч./h при прохождении дуанта не изменяют своей энергии (ΔW = 2ZqV_osin = 0) и остаются на дорожке масс-спектрометра, в то время как ионы с отличием по массе Δ m или заряду Δ Z будут приобретать либо терять энергию, что приведет к возбуждению радиальных колебаний и в дальнейшем к потере их на радиально-ограничивающих диафрагмах 9.

Проанализированный пучок ионов сбрасывается (выводится) на детектор импульсным дефлектором 7, фокусируясь в рассеянном магнитном поле масс-спектрометра радиально-фиксирующим каналом. Как известно, интенсивность пучка ионов (без учета потерь частиц на остаточном газе) ограничивается (n_пред) кулоновским сдвигом частот бетатронных колебаний до резонансных значений. Для рассматриваемой магнитной структуры циклотрона, характеризуемой параметрами:
≃ 3 кГс (B_холма=4 кгс; B_долины=2 кгс;
ν_r=1,06; ν_z=0,32; R=40 см, и для ионов, скажем, с А=80, Z=8, извлекаемых из источника с потенциалом V_и=70 кВ, n_пред составит около 10¹⁰ частиц (≈ 1 мА). Одним из отличий от прототипа является использование секторно-фокусирующей структуры, чем достигается увеличение динамического аксентанса циклотрона, устраняются потери по вертикали, увеличивается интенсивность пучка. Возможно, по сравнению с прототипом, значительное повышение числа оборотов N анализируемого пучка. Повышение номера гармоники в. ч. напряжения h до 200-300 (f в. ч. ≃ 100 мГц) значительно сокращает габариты в. ч. системы (например, четвертьволнового резонатора). В этих условиях возможно получение разрешающей способности масс-анализатора выше 10⁵.

Применение: анализ пучков заряженных частиц, продуктов ядерных реакций, сепарация ионов с целью идентификации химического, элементного и изотопного состава вещества, измерения масс атомных ядер. Сущность изобретения: многократное пропускание анализируемого пучка через высокочастотную систему (дуант) и сепарация частиц в магнитном поле из-за разности частот обращения ионов и вычокочастотного поля. Устройство содержит электромагнит с секторно-фокусирующим в обеих плоскостях магнитным полем, дуговой ионный источник открытого типа, высокочастотную систему (дуант) с определенной угловой протяженностью. 3 ил.

МАСС-СПЕКТРОМЕТР ЦИКЛОТРОННОГО ТИПА, содержащий источник ионов, анализирующую систему, включающую магнит и дуанит, и приемник ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности, в него введены дополнительные магнитные сектора, выполненные с возможностью фокусировки пучка ионов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а ионный источник выполнен дуговым с отверстием в аноде для прохождения пучка ионов, расположенном в медианной плоскости магнита, а катод и антикатод расположены по разные стороны медианной плоскости, при этом дуант выполнен с угловой протяженностью fd = 2Kπ / h(pад) , где h - номер гармоники ускоряющего напряжения, K=1,2 - целое.