Массэнергоанализатор Советский патент 1987 года по МПК H01J49/26 

11

Изобретение относится к технике диагностики параметров пучков заряженных частиЦо

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона по энергии массэнергоанализатора с параллельными электрически f и магнитным полями при сохранейии его разрешающей способности за счет специального выбора соотношения между величинами этих полей в каждом из каналов массэнергоанализатора, а также уменьшение его габаритов.

На фиг. 1 и 2 представлены схема устройства, характерные траектории ионо в анализаторе; на фиг. 3 - линейная Ьазвертка вдоль траектории ионов ОПи Границы пар пластин показаны пунктиром На фиг. 2.

Устройство содержит круглые с диа метром D полюса 1 электромагнита, образующие магнитостатическую отклоняющую систему с зазором Ва параллельные электроды 2 с зазором -S g , образующие электростатическую отклоняющую систему, расположенные в рабочем зазоре магнита, и токоприемники 3.1-З.п (П,-П), расположенные под углами у, -Уп соответственно и образующие детектирующую систему каналов анализатора. Ширины электродов разными углами у; неодинаковы и возр астают при изменении у; от Y до у . Зазоры под разными углами в общем случае могут быть неодинаковыми и уменьшаться с изменением ; от до у , т.е. электроды со стороны зазора в этом случае образуют ступенчатую систему.

Токоприемники 3.1-З.п расположены на высотах Z относительно продолжения входной оси 00, которые в общем случае могут иметь несколько различные, ьо близкие значения. Расстояния между детекторами и наружным краем электродов Jfnj в общем случае также могут быть неодинаковыми.

Устройство работает следующим образом.

При подключении полюсов 1 и электродов 2 к источникам питания в зазорах 00 и создаются магнитное В и электрическое Е поля. Ионы входят в анализатор по оси ОО . Вначале можно считать угол входа пучка ионов в анализатор об 0. Попадая в магнитное поле В, ионы f различными параметрами движутся по круговым траектош

f5

.

20

25

30

35

40

риям с радиусами д , отклоняются им по азимуту и в результате выходят из него под углами j)f; . Проходя на участках JCp,; этих траекторий в npoctpaH- стве между электродами иона отклоняются электрическим полем Е на углы и благодаря этому попадают в тоDl

коприемники 3.;(fj; с ординатами Z ,

Из принципиальной схемы, представленной 1га фиг. 3, можно видеть, что для улучщения параметров анализатора- прототипа с приемниками 3,-3 (П,-П) размещенными на параболе Томсона, необходимо увеличить ординаты Z, и уменьшить ординаты Z; ,т.е. расположить приемники на прямой Z const. Это положение и реализуется в рассматриваемом анализаторе, в котором ординаты Z; могут иметь или одинаковые или близкие друг другу значения. Но в этом случае необходимо обеспечить условные постоянства параметра K-Q ионов (постоянство отношения массы га иона к заряду q), попадающих в приемники 3 ,-3„ (П.,-П) при E const и B const.

Магнитное поле В (Гс) круглых по- пюсов связано с углом отклонения иона У; Б кана.пе i соотношением:

2904(Kg); + + r)

где (Kg), рассчитано для ионов, попадающих в канал i, - энергия иона в эВ, а угол У; отсчитывается от относительного направления оси у против часовой стрелки (фиг. 2), D в см.

Отклонение иона, вызванное электрическим полем в i-M канале:

В

(1)

5

0

Zj

К

El

КЕ; Е;

Здесь К

EI

(/Q )i

V . V- .

- -(1+2 4-)

х„

Лп;

фициент, характеризующий )ективность системы электростатического отклонения в канале i; ширина пластин, измеряемая вдоль траектории ионов данного канала, т.е. вдоль оптической оси данного канала. Радиус траектории ионов в магнит- 5 ном поле круглых полюсов определяется соотношением:

D

2 tgy

1

coSjV;

-) - (3)

Таким образом можно получить соотношение

/ D N2 (tgif;+ tg y; +1)Z / onn V /с.

290

KET/S

El

В2

(4)

из которого следует, что параметр KQ ионов одинаков для всех каналов при условии

M ); const ( U2);

При Z- const (условие одинаково 1 .

го разрешения во всех каналах) постоянство параметра KQ достигается тем, что параметры системы электростатического отклонения в каналах анализатора делаются неодинаковыми и выбираются с учетом соотношения (5), в то время, как в обычном анализаторе Томсона они одинаковы для всех каналов„

Величина М 0,2-0,4 выбирается исходя из конструктивных параметров анализатора и устанавливается окончательно в ходе расчетов. Например, для одного из разработанных анализа

торов зтого типа, описанного ниже, М 0,28.

Таким образом, соотношение (5) для заданных у;, Z;, Z ; определяет зависимость между Jpii и 5(г; о Первоначаль EI

но проводится расчет; .для некоторого зазора Sg const, одинакового для всех каналов, после чего может выясняться, что для некоторых каналов целе- {сообразно выбрать другое, например.

меньшее значение

Е

поскольку для

реализации однородности электрического поля необходимо, чтобы эта величина была значительно меньше Xpj.

Углы У;, под которыми,размещаются токоприемники, желательно выбирать таким образом, чтобы получить примерно равномерную логарифмическую шкалу по параметрам К и /Q, что удобно для измерений в указанной области применения.

Можно показать, что при использовании круглых магнитных полюсов с D . 100 мм в диапазоне углов V; - 60 - +60° без каких-либо конструктивных затруднений размещаются 8-10 измерительных каналов с детектиру- ющими схемами на основе ФЭУ, обеспечивающих динамический диапазон по энергии .

105)

4г fj

Таким образом, магнитное поле круглых полюсов хорошо сочетается с предложенной системой электростатического отклонения, позволяя реализовать заложенные в ней возмож- ности.

Для улучшения параметров прибора можно выбрать отличный от нуля угол об входа пучка ионов в анализатор.Это позволяет при этом же зазоре а увеличить отклонение Z , а следовательно улучшить разрешение.

Действительно, если пучок входит в отклоняющие пластины с длиной X., и зазором Sg J почти касаясь одной из пластин, и выходит, почти касаясь другой, угол выхода пучка из пластин определяется соотношением

20

tgod

6

(6)

0

5

Если пучок входит в ту же систему наклонно под углом с. У края верхней пластины, испытывая отклонение в направлении Е, проходит через зазор, почти касаясь пластины, и выходит у противоположного края верхней пластины (фиг. 1), то выполняется соотношение

4§Е

tgto

Хо

tg«i,

(7)

Отклонение от первоначального направления пучка до входа в систему определяется при этом углом 2oG ,

причем- tg2oi

(рассматривается

0

5

случай малых об) . Таким образом, наклонньш ввод пучка позволяет в том же зазоре 8 получить в 4 раза большее отклонение и, соответственно, в 4 раза большее разрешение по. сравнению со случаем еС О, что существенно, когда электростатическая система расположена внутри магнитно п

и 8,

го зазора и величина u g определяет

0

5

g . При наклонном вводе пучка на пластины должно быть подано в 4 раза большее напряжение, что не вызывает особых трудностей в диапазоне рабочих напряжений порядка нескольких сотен вольт.

Кроме того, наклонньп ввод пучка позволяет свести к минимуму влияние краевого электростатического поля, сделав ввод и вывод пучка вблизи средней плоскости зазора. При вводе пучка с сС О это сделать невозможно.

51

Что касается краевого магнитного поля, то ввод с oi О несколько увели- чивает влияние на входе и уменьшает на выходе (при Л О на входе пучок ближе.по высоте к одному из полюсов чем при (si О, на выходе из магнитного поля, практически совпадающем с выходом из электрического, положение обратное), Однако возможное влияние краевого магнитного поля даже для самого низкоэнергетического первого канала, где оно больше, чем в других каналах, меньше влияния краевого электростатического поля, так как отношение зазора к длине пути и поле для магнитного поля существенно меньше, чем для электростатического. Но главное состоит в том, что вход и выход иэ магнитного поля во всех каналах осуществляется по нор- мали (свойство круглых полюсов).Поэтому краевой эффект влияет лишь на эквивалентный расчетный диаметр полюсов и не приводит к перемещению пучка по вертикали, что могло бы повлиять на чувствительность и разрешение по энергии, определяемое поэтому только электростатическим полем.

При наклонном входе пучка под углом ot желательно обеспечить усло- вие, при котором ионы во всех кана- лах, отклоняясь по круговым траекториям в магнитном поле, входили бы в электростатическую систему вблизи средней плоскости ее зазора.,Дпя этого длины их траекторий в магнитном поле, до входа в эту систему должны быть примерно одинаковыми, т.е. это определяет требования к форме пластин со стороны входа в них ионов.

Путем последовательных графоаналитических расчетов было установлено что указанное условие выполняется, если внутренние по отношению к магниту края пластин электростатического отклонения имеют форму, ограниченную дугой окружности, определяемой в системе х, у уравнением

(х - 0,130)2 + (у-0,230)2 OV16.(8)

Ширины пластин Хп; определяются как и ранее из соотношения (5).

Угол об определяется из условия tgcc Sg/2XQ и выбирается макси5

43

| О 5 0

5

50

5

5

16

мально возможным. Его наиболее реальное значение может быть меньше предельной величины tg pd &g /2)0 по технологическим причинам, например по необходимости пропустить через рабочие зазоры по входной оси юсти- уовочный стержень диаметром 2-3 мм и т.п. X - длина траектории иона от входа в магнитостатическую отклоняющую систему до внутренней поверхности электродов. Таким образом, предложенная система электростатического отклонения с изменяющимися от канала к каналу параметрами обеспечивает требуемое одинаковое разрешение во всех каналах и увеличивает динамический диапазон при улучшении энергогабаритных показателей прибора, т.е. приводит к достижению поставленной цели.

В реальном устройств.е нет необходимости делать отклонения Z. в каналах строго одинаковыми, достаточно,если они будут иметь близкие значения. При этом упрощается решение ряда конструктивных вопросов.

Экспериментальная проверка работоспособности устройства производилась на восьмиканальном массэнергоанали- заторе ионов, позволяющем регистрировать ионы с массами m (1-30)inp и энергиями на единицу заряда /Q 1-100 кэВ. Динамический диапазон прибора по параметру 6/Q равен 75. Разрешение прибора по энергии и массам в каналах анализатора составляет (4,5+1,3)%, шаг по параметру 8/Q меидау соседними каналами .

Корпусом анализатора является его внешний магнитопровод, состоящий из толстостенного цилиндра с дном и фланца, закрывающего открытый конец цилиндра. Внутри корпуса на дне цилиндра и фланце укреплены круглые цилиндрические полюсные наконечники, в зазорах между которыми и создается рабочее магнитное поле.

В этом зазоре на специальных изоляторах помещены пластины электростатической системы отклонения. В корпусе анализатора имелось восемь отверстий для вывода разделенных ионных пучков на детектирующие схемы каналов. В качестве детекторов использовались ион-электронные вторично-эмиссионные конверторы и сцинци- ляторы с ФЭУ на выходе. Наружный диаметр корпуса 164 мм, внутренний

712

lAO мм, высота 112 мм, диаметр полюсов 98 мм, магнитный зазор 12 мм. Зазор между пластинами электростатической системы 9-4,5 мм, ширина пластин Хг,; 6,4-60 мм, В приборе использовался наклонный ввод Пучка

в анализатор под углом «; 5, поэтому внутренние края пластины в соответствии с выражением (8) ограничены окружностью с pa 5иycoм 25 мм. Радиальный размер блока детектирующих элементов 40 мм. Максимальное маг- нитное поле в зазоре кГс, максимальное напряжение между пластинами /- 1,3 кВ.

По сравнению с прототипом прибор имеет лучшие показатели по габаритам разрешению и дин амическому диапазону

по энергии и, кроме того, обеспечи- 20 вдоль оптической оси, являющейся ду- вает временное разрешение . гой окружности радиуса pl ( + Характеристики разработанного ана- 2

+ г-) в пределах магнитного зазолизатора экспериментально исследованы на пучке ионов К с энергией 1 кэВ. Опытные значения параметров хорошо согласуются с расчетными значениями.,

Формула изобретения

1. Массэнергоанализатор, содержащий магнитостатическую отклоняющую систему с круглыми полюсами, плоскости которых параллельны между собой, и электростатическую отклоняющую систему, образованную параллельными пластинами, расположенными в зазоре между полюсами и подключенными к системе питания, а также токоприемники, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и увеличения динамического диапазона по энергии при сохранении разрешающей способности, пластины электростатической отклоняющей системы вьшолне- ны в виде пар секторов, образующих отдельные каналы по числу токоприемников, причем ширины пластин/| | шТ , измеряемые вдоль оптической оси канала и зазор между ними LM имеют в i-x каналах анализатора значения, определяемые из условия

м (tgyj -Hnltg y; +1) Z;

(Х; /48Ei)/(U2X,,/х„; )

где М 0,2-0,4;

Х- --азимутальные углы в плоскосZ; полюсов, под которыми размещаются токоприемники, отсчитываемые от оси, перпендикулярной к входной оптичест , кой оси анализатора и проходящей через центр полюсов; высоты, на которых размещаются оси токоприемников в каналах анализатора отсчитываемые от продолжения входной оси анализатора в направлении оси полюсов; расстояния от внешнего по отношению к магниту края пластин до токоприемников, ричем ширины пластин и расстояия XK,- измерены в к аждом канале

Jf.- Kt

20 вдоль оптической оси, являющейся ду- гой окружности радиуса pl ( + 2

25 ,

30

+ г-) в пределах магнитного зазоCOS У|

ра и касательной к этой окружности |Вне его, где D - диаметр полюсов, причем все окружности проходят через точку пересечения входной оси анализатора с поверхностью входной аперту- ры магнитостатической отклоняющей системы, а их центры расположены

на прямой, проходящей через упомянутую точку перпендикулярно входной оси анализатора, при этом величина выбрана из условия Е в

35 каждом из каналов.

2. Массэнергоанализатор по п,1, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешения масс- энергоайализатора, входная ось ана40 лизатора наклонена к средней плоскости зазора, а внутренние по отношению к магниту края пластин электростатической системы имеют общую границу, являющуюся дугой окружнос45 ти, определяемой уравнением

(x-0,13D)i + (y-0,23D)2 D2/16,

х,у - координаты в прямоугольной системе координат, расположенной в плоскости полюсов, причем ось X совпадает с проекцией на эту плоскость входной-оси анализа- тора, а начало - с центром

полюсов.

(/7п)

фиг. 2

.Изобретение относится к технике диагностики параметров пучков заряженных частиц. Цель . изобретения,- увеличение динамического диапазона по энергии массанализатора и уменьшение его габаритов. Массэнергоанапизатор содержит круглые с диаметром D полюса электромагнита, образующие магнитостатическую отклоняющую систему с зазором &. Пластины 2 с зазоро м S(j , образующие электростатическую отклоняющую систему, расположены в зазоре магнита.Расположенные под углами токоприемники 3,-3 образуют детектирующую систему каналов анализатора. Пластины 2 выполнены в виде пар секторов, образующих отдельные каналы по числу токоприемников 34-3. В описании приведено условие для определения ширины пластин 2, измеряемой вдоль оптической оси канала и зазора между ними. Для улучшения параметров прибора пучок ионов, вводимых в анализатор, может вводиться под углом, отличным от нуля. Наклонный ввод пучка ионов позволяе-т свести к минимуму влияние краевого электростатического поля. 1 3.п. ф-лы. 3 ил. § (Л го со о ij;; со