ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1994 года по МПК H01J49/48 G01T1/36 

Изобретение относится к спектрометрии корпускулярных излучений, преимущественно к исследованию энергетических спектров космических частиц на ИСЗ и космических аппаратах.

Известны электростатические спектрометры для измерения дифференциальных энергетических спектров, содержащие электростатические анализаторы, в которых применяется отклоняющий конденсатор с неплоскими пластинами, чаще всего с пластинами сферической [1] или цилиндрической [2] формы. Однако расширение диапазона исследуемых энергий в сторону их увеличения усложняет реализацию анализаторов подобного типа, так как требует прецизионного изготовления криволинейных поверхностей с большим радиусом кривизны.

Известен также дифференциальный электростатический спектрометр типа плоского электронного зеркала [3], в котором анализируемые частицы вводятся в зазор плоского конденсатора через отверстие в одной из пластин под углом θ к пластине, а выводятся через другое отверстие в той же пластине после отклонения частиц в электрическом поле конденсатора. Однако при высоких энергиях эффективный размер входного окна в таком спектрометре становится весьма малым и чувствительность спектрометра мала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению представляется устройство с двумя плоскими конденсаторами, состыкованными под некоторым углом (далее - шевронный анализатор). Схема расположения электродов опубликована в [4]. Однако в [4] решена лишь математическая задача об электрическом поле в зазоре такого шевронного конденсатора с полубесконечными пластинами. Приведенное в [4] шевронное расположение является необходимым, но еще не достаточным условием построения дифференциального анализатора. Очевидно также, что анализатор с полубесконечными пластинами неработоспособен.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал/шум путем указания ограничений на геометрические и электрические параметры такого анализатора, достаточные для обеспечения его работы в нужном дифференциальном режиме.

Цель достигается тем, что угол шеврона выбирается равным 180^о - 2 β, где угол β находится в пределах ≅ tgβ ≅ , где 2d - величина зазора между пластинами конденсатора; L - длина пластины (фиг. 1).

Целью изобретения является также повышение чувствительности анализатора.

Анализатор (фиг. 1) содержит пару плоских конденсаторов с обкладками 1, 2 и 3, 4, источник 5 питания и детектор 6. Исследуемые частицы попадают внутрь конденсатора (1, 2) через его торец 7. На фиг. 2-6 показаны траектории частиц, соответствующие минимальной T₁ и максимальной T₂ энергиям частиц, проходящих через анализатор и попадающих на детектор. На фиг. 2 показаны также система координат и величины, используемые ниже при вычислении граничных энергий T₁ и T₂.

Анализатор работает следующим образом. Заряженная частица влетает в зазор анализатора в точке y_o (фиг. 2) под углом α , определяемым из соотношения tgα = = y, и далее движется в электрическом поле Е по траектории, описываемой уравнением
y = _ x²+yx+y_o (1) где K = , qe - заряд частицы; T_∞ - кинетическая энергия частицы в свободном от поля пространстве.

Минимальной энергии T₁ соответствует K₁ и в первом конденсаторе траектория с y_o= = -d (d - полуширина зазора между пластинами), y_k = d (y_k - значение y в точке касания x_k), y_k' = 0, y_L' = -tgβ (y_L' - значение y' при выходе из зазора первого конденсатора). Во втором конденсаторе траектория с T₁ симметрична траектории в первом конденсаторе относительно вертикали на фиг. 2. Для отыскания K₁, x_k, y_o', y_L воспользуемся уравнением траектории (1) для x = L.

y_L= - L²+yL-d а также продифференцированным по x уравнением (1) в точке x = x_k
-tgβ = - L+y Напишем также соответствующие уравнения для x = x_k
d = - x2k

+ yx_k-d
0 = - x_k+y Из этих уравнений находим связь между K₁, tg β и геометрией конденсатора λ =
k₁ = Подставив в эту формулу K₁= ,E = = , где U - разность потенциалов между пластинами конденсатора, а также выразив tg α в единицах λ , т.е. положив tgα=γλ , получим окончательно для T₁
T₁ = qeU (2) При λ<<1
T₁≈ qeU Зависимость от λ,γ показана на фиг. 7.

Максимальной энергии T₂ соответствует K₂. При угле β₁ , отвечающем соотношению tgβ = =λ (т.е. γ = 1), анализатор оптически непрозрачен, его пропускание частиц с энергией T₂=∞ становится нулевым (фиг. 3), при дальнейшем увеличении β анализатор становится дифференциальным, т.е. пропускает только частицы с энергиями, находящимися между T₁ и T₂.

Зависимость T₂ (λ,γ) в интервале углов β между β₁ и β₂ , показанными на фиг. 3 и 4, находится с использованием условий на входе и выходе y_o = d, y_L = -d, y_L' = -tg β . Для уравнения траектории (1) в этом интервале имеем
-d = - L²+yL+d Дифференцируя по x в точке x = L, имеем также
-tgβ = - L + y Зависимость T₂ (λ,γ), полученная из этих уравнений, имеет вид
T₂= qeU (3) При λ<<1
T₂= qeU При β=β₂ (фиг. 4) условия на входе и выходе имеют вид y_o = d, y_o' = 0, y_L = -d, y_L' = - tg β₂, а T₂= qeU и tg β₂ = 2 λ , т. е. γ = 2.

В интервале углов β между β₂ и β₃ (фиг. 4 - 6) траектории частиц с T₂ определяются величинами y_k = d, y_k' = 0, y_L= = -d, y_L' = -tg β . Соответствующая пара уравнений для части траектории (фиг. 5), начинающейся в x_k, будет иметь вид
-d = - (L-x_k)²+d
-tgβ = - (L-x_k) Полученная из этих уравнений зависимость T₂ (λ, γ) выражается как
T₂= qeU (4) При λ<<1
T₂≈ qeU При β = β₂, когда γ= 2, (4) совпадает с (2). Оба участка (3) и (4) показаны на фиг. 7.

Предельный угол β=β₃ анализатора соответствует случаю, когда T₁ = T₂, т. е. случаю, когда анализатор "запирается" и перестает пропускать частицы. Уголβ₃ определяется соотношением tgβ₃=4λ , т.е. γ = 4. Значение T₂ = T₁ при β₃ равно qeU .

Таким образом, предлагаемое устройство в виде двух одинаковых простых плоских конденсаторов, расположенных в форме шеврона (фиг. 1), без каких-либо дополнительных коллиматоров на входе, снабженное только источником питания и детектором частиц, образует дифференциальный электростатический спектрометр с границами пропускания по энергии T₁ и T₂ в интервале углов β , определяемом соотношением λ≅tgβ≅4λ.

Шевронный электростатический анализатор такого спектрометра позволяет продвинуться в область высоких энергий без изменения формы пластин конденсаторов или U путем лишь изменения угла шеврона и расстояния между пластинами; позволяет изменять ширину полосы пропускания T₂-T₁ при данном λ путем изменения β ; прост по конструкции и в изготовлении, так как имеет плоские обкладки отклоняющих конденсаторов и не требует специального коллиматора на входе; входным окном служит торец первого конденсатора.

Наличие двух одинаковых конденсаторов не является необходимым условием конструкции предлагаемого устройства. Анализатор в виде расположенных под углом 180^о - 2 β двух конденсаторов с разными λ₁ и λ₂ также работоспособен, но значения T₁ и T₂ для такого анализатора будут отличаться от приведенных на фиг. 7.

Для работы в области высоких энергий предлагаемый одиночный шевронный анализатор будет иметь малую величину λ , если на его продольный габарит наложены ограничения, а следовательно, малую площадь входного зазора и малую чувствительность. Однако шевронная геометрия, в отличие от сферической или цилиндрической, позволяет увеличить чувствительность в n раз путем объединения n одинаковых пар рассмотренных конденсаторов в пакет (фиг. 8). Обкладками соседних пар служат в таком пакете изолированные один от другого проводящие слои, нанесенные на противоположные стороны пластин из изоляционного материала.

В качестве примера рассмотрим характеристики шевронного анализатора с T₂ = =1,2 МэВ; U = 20 кВ; γ = 3. Значение λ для диапазона γ 2...4 находится по формуле (4)
λ²= = = 1.87·10^-3
λ = 4.32·10^-2
tgβ=3λ=0,1296; β=7^o25' Значение T₁ находится по формуле (2)
2 = 0.02 = ΔT = T₂-T₁ = 1,2-0,824 = 0,376 МэВ. Средняя энергия T_o = (T₁+T₂)/2 = 1,042 МэВ. ΔT/T_o= = 0,376/1,042 = 0,361 = 36,1%. ( ΔT/T_o)_1/2 = =18%, что вполне приемлемо для измерений в космическом пространстве. В случае же цилиндрического конденсатора с 2d = Δr= 1 см для энергии T_o≃ 1 МэВ при U = =20 кВ потребовались бы отклоняющие пластины с радиусами кривизны ~ Δr = · 1 = 100 см = 1 м. Многослойный шевронный анализатор может быть изготовлен, например, из фольгированного стеклотекстолита.

Использование: относится к спектрометрии корпускулярных излучений, преимущественно к исследованию энергетических спектров на космических аппаратах. Анализатор образован двумя плоскими конденсаторами. За ними расположен детектор. Повышение его чувствительности достигается путем указания ограничений на его геометрические параметры и выполнения его в виде пакета из одинаковых анализаторов. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий анализатор, выполненный из двух пар одинаковых плоских конденсаторов, расположенных в форме шеврона, источник питания и детектор заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум путем обеспечения дифференциального режима, угол шеврона равен 180^o - 2β , где угол β находится в пределах, указываемых соотношением
≅ tgβ ≅ ,
где 2d - величина зазора между пластинами конденсатора, м;
L - длина пластины. 2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, анализатор выполнен в виде пакета из расположенных одна над другой одинаковых пар упомянутых плоских конденсаторов, при этом обкладки соседних пар конденсаторов выполнены в виде изолированных один от другого проводящих слоев, нанесенных на противоположные стороны пластины из изоляционного материала.