СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПУЧКА Советский патент 1995 года по МПК H01J49/36 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для диагностики высокоскоростных потоков нейтральных частиц в физике молекулярных пучков, в газодинамике, металловедении.

Целью изобретения является повышение точности определения параметров молекулярного пучка и упрощение способа при анализе активных компонентов высокоскоростных пучков за счет уменьшения фона и исключения влияния начальной скорости пучка и сокращения ряда технологических операций.

Способ реализуется следующим образом.

Молекулярный пучок пропускают через анализатор радиочастотного масс-спектрометра. В камере ионизации анализатора определенная часть нейтральных частиц пучка и остаточной атмосферы преобразуется в положительные ионы практически без изменения их исходной скорости.

Поле, тормозящее ионы между первой сеткой анализатора и камерой ионизации, препятствует проникновению в селекционирующую систему анализатора ионов с тепловыми скоростями, образованными в камере из фоновых молекул и частиц пучка, испытавших столкновение со стенками анализатора, т.е. тех частиц, которые увеличивают погрешность. Положительный потенциал U_т "вытягивающей" сетки должен быть достаточен для торможения ионов с тепловой скоростью из "хвоста" распределения.

Потенциалом
U_т>
где К постоянная Больцмана;
е заряд электрона, задерживаются более 99,4% частиц с температурой Т.

Сквозь "первую сетку" на селекционирующую систему проходят ионы с высокой направленной скоростью, образовавшиеся из нейтральных частиц собственно пучка. Таким образом, обеспечивается анализ истинного состава пучка. Точность измерения плотности при этом определяется только погрешностью самого анализатора, которая составляет 10%
Между "первой сеткой" и селекционирующей системой анализатора создают ускоряющие ионы поле, которым осуществляют развертку масс. Под действием этого поля ионы приобретают направленную скорость, зависящую от их массы. Проходя селекционирующую систему, которая настроена на определенное значение скорости (синхронную скорость), ионы получают в зависимости от своей скорости, а следовательно, и массы, различный прирост энергии. Максимальный прирост энергии получают ионы с синхронной скоростью. Задерживающая сетка с соответственно подобранным потенциалом пропустит на коллектор только эти синхронные ионы, которые вызовут пики ионного тока в моменты совпадения скорости ионов определенной массы с синхронной скоростью. Величина пиков пропорциональна плотности высокоскоростных частиц выделенной массы.

Дальнейшее повышение тормозящего потенциала на "первой сетке" приводит к задержке и высокоскоростных ионов, что уменьшает амплитуду регистрируемого пика ионного тока. Когда потенциал сетки, тормозящий ионы, достигнет величины U_Т1/2^М, соответствующей средней скорости ионов массы М, будут задержаны те ионы массы М, скорость которых меньше . Число их будет равно числу ионов, прошедших сетку, т.е. таких, скорость которых больше . Это следует из определения средней скорости высокоскоростных пучков. При этом амплитуда пика ионного тока составит половину от исходной. Величина тормозящего потенциала ан "первой" сетке составит в этом случае
Uмт

_1/2= что позволяет определить среднюю скорость частиц с массой М

В моменты уменьшения амплитуды пиков в 2 раза отмечают значение тормозящего потенциала на сетке U_T1/2i^M, величину пика ионного тока I_1/2i^M и положение пиков на оси развертки U_Pi^M. Массу М_i составляющей пучка определяют по формуле:
М_i КU_pi^M, где К постоянная развертки масс-спектрометра, указанная в паспорте прибора. Скорость i компоненты пучка определяют по формуле
=
Плотность i составляющей пучка n_i определяют по формуле
n_i 2I_1/2i^-M ˙α˙γ_i где γ_i- относительная вероятность ионизации i компоненты, определяемая по таблицам;
α- чувствительность анализатора, определяемая при калибровке по инертному газу.

Ионы, потерявшие направленную скорость и прошедшие сквозь "первую сетку", обладают только некоторым разбросом скоростей от 0 до величины, определяемой шириной распределения. Затем эти ионы ускоряются напряжением развертки U_р до синхронной скорости.

Развертку масс осуществляют относительно потенциала "первой сетки", при этом восстановления начальной скорости не происходит, и при значении потенциала U_1/2 смещение шкалы масс ΔМ/М значительно меньше, поскольку определяется не начальным значением направленной скорости , а полушириной распределения скоростей.

Таким образом, смещение шкалы масс следующее:

где ΔЕ полуширина энергетического распределения частиц потока. При V 10⁶ км/с Е ≈10 эВ, ΔЕ< 0,5 эВ и ΔМ/М не превышает 0,5%
Способ может быть реализован с помощью схемы, представленной на чертеже, которая содержит источник 1 молекулярного пучка, коллиматор 2, анализатор 3 радиочастотного масс-спектометра, электронный блок 4, потенциометр 5, регистратор 6. В анализаторе 3 имеются камера 7 ионизации, так называемая "первая" сетка 8, задерживающая сетка 9; в электронном блоке 4: генератор 10 развертки, генератор высокой частоты 11, источник питания 12, электрометрический усилитель 13.

Анализируемый пучок от источника 1 направляют через коллиматор 2 на анализатор 3. Развертку масс осуществляют пилообразным напряжением с генератора 11 развертки относительно потенциала сетки 8, которую для этого заземляют соединяют с корпусом установки. Между сеткой 8 и камерой 7 ионизации создают поле, тормозящее ионы, прикладывая к камере 7 отрицательное относительно корпуса напряжение от источника питания 12.

С помощью потенциометра 5 устанавливают величину этого напряжения, равную
U_т= при Т 300 К, U_т 0,16 В.

Регистрируют пики ионного тока с усилителя 13 на регистраторе 6. Подстройкой напряжения U_з на задерживающей сетке анализатора 3 добиваются необходимой степени разрешения и подавления гармонических пиков по известной методике. Увеличивают величину тормозящего поля сетки 8 с помощью потенциометра 5 и наблюдают за амплитудой пиков ионного тока. В моменты уменьшения амплитуды пиков в 2 раза отмечают значение тормозящего поля на сетке 8, величину пика ионного тока и положения пиков на оси развертки, которые учитывают при вычислении параметров пучка по приведенным выше формулам.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО ПУЧКА, содержащий операции ионизации и разделения ионного пучка путем развертки спектра масс электрическим напряжением и регистрации пиков ионного тока, по величине и положению которых на оси развертки определяют плотность и массовый состав исследуемого пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения способа, на пути ионного пучка между камерой ионизации и первой сеткой создают тормозящее электрическое поле, задерживающее фоновые ионы с тепловыми скоростями, а напряжение развертки прикладывают между первой сеткой и селекционирующей системой анализатора, измеряют пик выбранного компонента, затем увеличивают потенциал тормозящего электрического поля до значения, при котором величина выбранного пика уменьшается в два раза, снова регистрируют величину и положение выбранного пика на оси развертки и значение тормозящего потенциала, по которому определяют величину скорости выбранного компонента молекулярного пучка.