ИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Российский патент 1998 года по МПК H01J3/14 H01J27/02 

Изобретение относится к ионно-оптическим бесплечевым и плечевым системам с аксиально-симметричными магнитными полями, в том числе и к многозвенным ионно-оптическим системам, в частности к масспектрометрам и электромагнитным сепараторам, и может быть использовано с целью выделения малых количеств изотопов тяжелых элементов, с целью рекуперирования энергии ионов средних масс, с целью дополнительной фокусировки ионов средних масс перед входом в приемное устройств, с целью создания учебно-демонстрационных разделительных установок настольного типа, осуществляющих разделение изотопов элементов и т.д.

Известны ионно-оптические системы, осуществляющие фокусировку ионных пучков с помощью аксиально-симметричного магнитного поля [1], [2].

Известная ионно-оптическая система [2], содержащая магнит с двумя полюсными наконечниками, вакуумную камеру, ионный источник, приемное устройство, характеризуется тем, что профиль магнитных накладок обеспечивает угол фокусировки ионов в горизонтальной плоскости установки равный

и ширину симметричной рабочей дорожки
Δr = r₀(0,5r₀<r₀<1,5r₀), или Δη = 1(-0,5<η < 0,5)
где
;
H₀ - магнитное поле на окружности r₀;
m₀ - расчетная масса иона;
U - ускоряющее ионы напряжение;
e - заряд иона;
Цель изобретения увеличение разрешающей способности ионно-оптической системы.

Теоретические предпосылки.

Новая запись дифференциального уравнения ионной траектории, выделенная автором в четвертом приближении, с использованием второго закона Ньютона, "силы Лоренца", предложенной автором новой полярной системы координат, в которой полярный угол отсчитывается от оси y по часовой стрелке, бинома Ньютона, приспособленного для отрицательных дробных показателей степени, позволила при определенных расчетных значениях n_ν(ν - порядок фокусировки ионов по горизонтальным углам вылета α n = ψ/π; выявить выгодность использования при конструировании магнитного поля в бесплечевых ионно-оптических системах вместо общепринятого однородного - поля 1/r. Т.о., согласно теории, существуют два варианта магнитного поля.

,
A_i, в частности, могут соответствовать условиям фокусировки i порядка.

Рассмотрение траектории иона во вспомогательных новых полярных системах координат с измененными расчетными радиусами - r_ОH позволило выявить условия, при которых прекращается фокусировка ионных пучков, что позволило увеличить рабочую дорожку, размер которой ранее определялся условиями, вытекающими из основного уравнения ионной траектории и фактически соответствовал ограничениям применяемого в теории аксиально-симметричных магнитных полей математического аппарата.

Возможность теоретического определения полей рассеяния в случае прямых границ секторного магнита (в этом случае их проще компенсировать и известным методом "шиммирования") выдвигает на первый план именно эти плечевые установки, где фокусировка достигается не только за счет точно рассчитываемого краевого эффекта, но и за счет соответствующего подбора коэффициентов A_i подобно тому, как это предложено делать в бесплечевых ионно-оптических системах.

Новый термин "практическое разрешение" (т.е. требование определенной величины просвета между ионными пучками с Δm₀= ±1 ) позволяет сопоставить ионно-оптические системы с различными значениями n и определить с точки зрения удельной производительности, отнесенной к площади магнита, наилучшую систему, т. е. определить, соответствующие ей оптимальные параметры - n_opt; r_0opt;,α_1opt ; d_opt (d_opt - оптимальная ширина щели ионного источника).

В рамках теории рассеяния ионов кратность обогащения при прочих равных условиях (остаточное давление в камере, частота пробоев и пр.) определяется отношением дисперсии D к длине ионной траектории L.T.k.D пропорциональна n², а L пропорциональна n, то ионно-оптическая система с разбалансом предпочтительнее многозвенной системы, для которой и D, и L пропорциональны числу звеньев. Однако в случае выделения одного изотопа с использованием эффективного диафрагмирования ионно-оптическая система, состоящая из 2-3 звеньев (с возросшей рабочей дорожкой практически до размеров 2r₀), с точки зрения кратности обогащения становится конкурентоспособной.

Окончательный выбор ионно-оптической системы должен быть сделан на основании экономического расчета, учитывающего производительность, стоимость изготовления и эксплуатации ионно-оптической системы.

Из теории следует, что минимальная радиальная аберрация за счет горизонтальной расходимости пучка в случае осуществления фокусировки второго или третьего порядка соответствует в первом случае n² = 2,34, во втором n²=2,34.

Минимальная вертикальная аберрация за счет вертикальной расходимости пучка (двойная фокусировка) соответствует, как известно, значениям n², равным 1, 2, 5, 10.

Предлагаемая ионно-оптическая система содержит магнит с двумя полюсными наконечниками, вакуумную камеру, ионный источник и приемное устройство, расположенное в бесплечевой ионно-оптической системе на расстоянии ψ = nπ, в плечевой nπ+λ₁+ -λ₂, где λ₁,λ₂ - длины плеч в единицах r₀, nπ - угол магнитного поля. В бесплечевой системе при n >2 во избежание экранирования ионного пучка источником, а при n>3 и приемным устройством (в плечевой системе при n>1 во избежание пересечения плеч) в ионно-оптическую систему вводится необходимый разбаланс либо за счет смещения или поворота ионного источника в ту или иную сторону в горизонтальной или вертикальной плоскости, либо за счет электрических полей плоского или аксиально симметричного конденсатора.

Предлагаемые новые эффективные ионно-оптические системы требуют и новые подходы при их создании - повышенную точность расчетов с учетом всех видов аббераций, повышенную точность изготовления профиля магнитных накладок, повышенную степень стабилизации ускоряющего ионы напряжения и тока электромагнитных катушек. Изменяются и повышаются требования к источнику и приемному устройству, к их конструкции и материалам - они не должны экранировать ионный пучок и не влиять на магнитное поле.

Должны быть минимальными характерные конструктивные элементы, от которых зависит величина разбаланса. Все второстепенные элементы должны быть вынесены за пределы рабочей области. Материал должен быть "прозрачным" для силовых магнитных линий. Возможно придется уменьшать высоту ионного источника и высоту магнитного зазора, уменьшать в случае больших масс m₀ угловую расходимость ионного пучка в горизонтальной плоскости, что удастся возможно сделать с помощью системы диафрагм на выходе из источника, устроенных по принципу каналирующих ионные пучки монокристаллических решеток или используя искусственно созданный монокристалл.

Реализация изобретения позволит осуществить выделение изотопов тяжелых элементов; повысить кратность обогащения (за счет увеличения n); повысить производительность (за счет увеличения рабочей дорожки) создать миниатюрную настольную ионно-оптическую систему (для разделения изотопов малых масс) в учебных и демонстрационных целях; создать многозвенный электромагнитный сепаратор (для выделения одной высококачественной пробы) с малыми r_о (и с почти удвоенной шириной рабочей дорожки), или систему однотипных оптимальных сепараторов; осуществить усиленное диафрагмирование ионного пучка как вне, так и внутри приемного устройства, в последнем случае за счет дифференциальных диафрагм, в качестве варианта с одновременным торможением ионного пучка и изготовлением мишеней непосредственным облучением ионным пучком заданной энергии (авторская заявка N 2038268 от 24 июля 1974 г); освободиться от загрязняющего нейтрального фона с помощью отклоняющего пучок конденсатора внутри приемного устройства (авторская заявка N 2019774 от апреля 1997 г); осуществить рекуперацию энергии или дополнительную фокусировку ионного пучка, установив систему электродов перед приемным устройством.

Сущность изобретения заключается в том, что угол магнитной фокусировки выбран равным или большим 360^o за счет соответствующего распределения магнитного поля H (Z), сконструированного на основе однородного поля или поля I/Z, причем последнее при определенных условиях имеет явное преимущество по сравнению с первым, а необходимый разбаланс системы осуществлен либо за счет электрического поля, параллельного или перпендикулярного магнитному, либо за счет наклона ионного пучка в плоскости, перпендикулярной к средней плоскости ионно-оптической системы или за счет смещения начального ионного пучка относительно ларморовой (расчетной) окружности. 2 з.п. ф-лы.

1. Ионно-оптическая система с аксиально-симметричным магнитным полем, содержащая магнит с двумя полюсными наконечниками, вакуумную камеру, источник ионов, приемное устройство, отличающаяся тем, что размер полюсных наконечников выбран из условия создания рабочей области, ограниченной радиусом, превышающим 1,5r_о, где r_о радиус ларморовской окружности для ионов массы m_о, но не более, чем r_к, выйдя за пределы которого ионы не могут быть сфокусированы в районе приемного устройства, а профиль полюсных наконечников выбран из условия создания следующего магнитного поля

или

где η = (r-r₀)/r₀;
H_о магнитное поле на окружности;
K₁, K₂ 1, 2, K целые числа. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в вакуумной камере для осуществления разбаланса за счет отклонения ионного пучка размещен плоский и/или цилиндрический конденсатор. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что источник ионов для осуществления разбаланса выполнен со смещением по отношению к расчетной круговой траектории, лежащей в средней плоскости ионно-оптической системы, и/или наклонен относительно касательной к радиусу-вектору в точке вылета ионов.