Способ определения энергетического спектра пучка ионов Советский патент 1992 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в физических исследованиях пучков ионов.

Известен способ измерения энергетического спектра пучка ионов с использованием магнитных анализаторов; известны устройства, включающие различные типы магнитных анализаторов, для реализации этого способа.

К недостаткам этого способа и соответствующих устройств относится полная потеря пучка ионов в процессе измерения и большие размеры магнитных анализаторов для ионов высоких энергий.

Известны также способы измерения энергетического спектра пучка ионов по энергетическому электронов, РОЖД1ЮЩИХСЯ При tl- 1НМПДГМ1С ГПИИ

части пучкл ионов г к- :iriy. купярной миС

шенью, и устройства для осуществления этих способов.

К недостаткам этих способов и соответствующих устройств относится невысокая точность измерения энергетического спектра пучка ионов в области малых энергий и невозможность измерения при транспортировке пучка ионов йо внешних электромагнитных полях.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности являются способ измерения энергетического спектра пучка ионов и устройство для его осуществления содержащее разделенные пролетной базой мишень для преобразования части пучка ионов в нейтральные частицы и мишень для ионизации этих частиц, а также (магнитный анализатор энергетического спектра образовавшихся заряженных частиц. Способ измерения основан на использовании быстрых нейтраль 1

оо

оо

них частиц, образующихся при взаимодействии чисти пучка ионов с мишенью,- и качестве носителя информации об энергетическом спектре пучка ионов при его транспортировке во внешних электромагнитных полях. Энергетический спектр нейтральных частиц, вылетевших из Канала транспортировки пучка ионов, измеряют с помощью магнитного знали- jo затора после их ионизации на корпускулярной мишени. Таким образом, энергетический спектр пучка ионов восстанавливают по энергетическому спектру быстрых пторичных ионов после ионизу- 15 ющой мишени. Результирующая точность измерений определяется точностью, с которой быстрые нейтральные частицы повторяют энергетический спектр пучка ионов, величиной возмущения энергети- рп ческого спектра нейтральных частиц при их ионизации и энергетическим раз- решением магнитного анализатора. Недостатком этого технического решения являются использование быстрых 25 вторичных ионов, образующихся при ионизации быстрых нейтральных частиц, для измерения с помощью магнитных анализаторов энергетического спектра пум-1 ка ионов и большие массогабаритные ха-зд рактеристики системы измерения для ионов высоких энергий.

Целью изобретения является упроще- ,иие способа путем уменьшения -массога- баритных характеристик системы измере ния.

Поставленная цель достигается тем, что с -помощью магнитного анализатора измеряют энергетический спектр электронов, образующихся при фотоионизации дд быстрых нейтральных частиц, находящихся в определенном квантовом состоянии, и по этому спектру восстанавливают энергетический спектр пучка ионов.

Для этого за мишенью для преобразо-дз зации вания ионов в быстрые нейтральные частицы с различными квантовыми состояниями, на пролетной базе этих частиц, располагают мишень в виде потока фо35

фотоиониэации быстрых нейтральных ча тиц, находящихся в определенном квлн товом состоянии.

Устройство для осуществления пред лагаемого способа имеет мишень для ионизации в виде потока фотонов, час тота которых превосходит порог фотоионизации нейтральных частиц в определенном квантовом состоянии, а также магнитный анализатор электронов фо- тоионйзации.

Способы измерения энергетического спектра пучка ионов по энергетическо му спектру электронов и устройства для их осуществления широко известны

Однако использование электронов для измерения энергетического спектра быстрых нейтральных частиц, образую- щихся при взаимодействии части пучка ионов с мишенью, и восстановление таким образом, энергетического спектра этих ионов по энергетическому спектру электронов, образующихся при фотоионизации быстрых нейтральных час тиц в определенном квантовом состоянии, позволяет проводить измерения при транспортировке пучка ионов во внешних электромагнитных полях, а так же уменьшить массогабаритные характеристики системы измерения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - фотонная ми шень.

Устройство содержит мишень 1 для преобразования части пучка ионов в нейтральные частицы с различными ква товыми состояниями, фотонную мишень расположенную на пролетной базе нейт ральных частиц за пределами канала транспортировки пучка ионов, и магни ный анализатор 3 электронов фотоиони Расстояние между мишенями 1 и 2 выбирают из условия пренебрежимого воздействия внешних электромагнитных полей канала транспортировки пучка ионов (например, магнитное поле на

тонов, частота которых превосходит по-SQ участке поворота ионов) на электроны

рог фотоионизации с определенного квантового состояния нейтральной частицы, а за фотонной мишенью размещают Магнитный анализатор энергии электро- ов фотоионизации.55

Предлагаемый способ отличается тем, что энергетический спектр пучка ионов восстанавливают по энергетическому спектру электронов, образующихся при

фотоионизации. В качестве мишени 1 ис пользуют тонкие и узкие пленочные мишени различных типов, пересекающие часть пучка ионов, либо пространствен но-локализованные газовые мишени, эффективно преобразующие пасть пучка ионов в нейтральные частицы с представляющими интерес квантовыми состоя ниями .

o 5 п 5

5

фотоиониэации быстрых нейтральных частиц, находящихся в определенном квлн- товом состоянии.

Устройство для осуществления предлагаемого способа имеет мишень для ионизации в виде потока фотонов, частота которых превосходит порог фотоионизации нейтральных частиц в определенном квантовом состоянии, а также магнитный анализатор электронов фо- тоионйзации.

Способы измерения энергетического спектра пучка ионов по энергетическому спектру электронов и устройства для их осуществления широко известны.

Однако использование электронов для измерения энергетического спектра быстрых нейтральных частиц, образую- щихся при взаимодействии части пучка ионов с мишенью, и восстановление, таким образом, энергетического спектра этих ионов по энергетическому спектру электронов, образующихся при фотоионизации быстрых нейтральных частиц в определенном квантовом состоянии, позволяет проводить измерения при транспортировке пучка ионов во внешних электромагнитных полях, а также уменьшить массогабаритные характеристики системы измерения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - фотонная ми шень.

зации

Устройство содержит мишень 1 для преобразования части пучка ионов в нейтральные частицы с различными квантовыми состояниями, фотонную мишень 2, расположенную на пролетной базе нейтральных частиц за пределами канала транспортировки пучка ионов, и магнитный анализатор 3 электронов фотоиони- Расстояние между мишенями 1 и 2 выбирают из условия пренебрежимого воздействия внешних электромагнитных полей канала транспортировки пучка ионов (например, магнитное поле на

участке поворота ионов) на электроны

участке поворота ионов) на электроны

фотоионизации. В качестве мишени 1 используют тонкие и узкие пленочные мишени различных типов, пересекающие часть пучка ионов, либо пространственно-локализованные газовые мишени, эффективно преобразующие пасть пучка ионов в нейтральные частицы с представляющими интерес квантовыми состояниями .

энергетическом спектре пучка ионов используют быстрые нейтральные частицы с таким квантовым состоянием п, для которого подбооом частоты фотонов мишени 2 в системе покоя нейтральной частицы может оыть обеспечено необходимое для измерения отношение числа электронов фотоионизации из этого квантового состояния к числу электронов фотоионизации из других квантовых состояний общего потока рожденных на мишени 1 быстрых нейтральных частиц. При этом толщину и тип мишени 1 выбирают из условия необходимого пре- вышения плотности потока рожденных на ней нейтральных частиц над плотностью потока фоновых нейтральных частиц в тех же квантовых состояниях в области фотонной мишени 2, образующихся в результате перезарядки ионов на остаточном газе и последующих радиационно- столкновительных переходов между квантовыми состояниями на пролетной базе до области фотоионизации.

Анализ кинематики двухчастичного развала нейтральной частицы при поглощении фотона (фотоионизация) показывает, что электроны сротоионизации повто- ряют энергетический спектр быстрых нейтральных частиц с квантовым состоянием п с точностью

UKn

Еп

.1у« №z€&l

2л)т

подбором частоты фотонов (О вблизи порога фотоионизации 6- обеспечивают требуемую точность соответствия энергетических спектров электронов фо Тоионизации и нейтральных частиц, Необходимую в процессе измерения среднюю мощность Pjnl0 Вт) фотонной мишени 2 оценивают из условия

- Ъ «s р - L, Р„ ft Ъ -10 -а

О Jn(u

. POCT h-tt) ux L sintf. v

Ф

ft

где

J.

а - необходимая для измерения кратность превышения плотности потока электронов фотоионизации из квантового состояния п над фоновыми электронами после магнитного анализатора 3 в области детектора Д ;

среднее сечение столкнови- тельной ионизации на остаточном газе из различных квантовых состояний р потока быстрых нейтральных частиц за мишенью 1, см 2

U((0) - сечение фотоионизации нейтральной частицы из квантового состояния п фотонами С частотой СО, см ; 1,ф - расстояние от мишени 1 до

магнитного анализатора, см;

Vе

де М, m - масса покоя нейтральной частицы и электрона соответственно;Ь - постоянная Планка;

s6)0(l-f5ncos)|}{, частота фотона в лабораторной системе координат;

v - скорость нейтральной

частицы;

Oi - угол пересечения потоков нейтральных частиц и фотонов;

средняя энергия ;;зйт- ральных частиц;

п

Е

п - средняя энергия электронов фотоионизации;

6п порог фотоионизации нейтральной частицы из квантового состояния п.

ост

давление остаточного газа на пролетной базе нейтраль- ных частиц, мм рт.ст.

Поперечный к плоскости пересечения потоков фотонов и нейтральных частиц размер фотонной мишени ионизации Дх (см) и радиус осевой траектории магнитного анализатора электронов фотоионизации г0(см) выбирают в соответствии с требуемым значением разрешающей силы анализатора R. В случае использования секторного магнитного анализатора с однородным полем со скошейными под углом Ј торцами и углом поворота Ј разрешающую силу анализатора оценивают с помощью выражения

Kfc2

ЕЈ „ 2 p. sin | х

Дх2

ДЕ,

jtft+ctg | -ctg(| -aj.

Устройство работает следующим образом.

7167

В результате взаимодействия части пучка ионов k с мишенью 1, расположенной в канале транспортировки пучка происходит преобразование ионов в быстрые нейтральные частицы с определенными квантовыми состояниями. Эти нейтральные частицы покидают канал транспортировки пучка ионов и взаимодействуют с фотонной мишенью 2, расположенной на пролетной базе L. На этой мишени происходит их ионизация с рождением электронов в основном из представляющего интерес квантового состояния п. Энергетический спектр этих электронов измеряют магнитным анализатором 3 и По нему восстанавливают энергетический спектр ионов в области мишени 1 канала транспортировки пучка о

Таким образом, так как энергия элераз меньш

т

ктронов фотоиониэации в -fiМПэнергии ионов ионизации, используемых

по прототипу, массогабаритные характеристики магнитного анализатора и всей системы измерения значительно меньше массогабаритных характеристик прототипа. При этом аналогичную, как и у прототипа, точность измерения энерге4 -

тического спектра пучка ионов дости гают подбором частоты фотонов С00 , угла об , а также величин г0 и Д х. Уменьшение массогабаритных характеристик системы измерения приводит к улучшению ее технико-экономических показа телей.

Пример. Измеряют энергетический спектр пучка Н -ионов с энергией Е ИэВ в канале транспортировки

(используемом в прототипе). Пучок быстрых нейтральных атомов Н образуется, как и в прототипе, при обдирке менее 3% пучка Н -ионов на узкой полимерной фольге толщиной 700 А, расположенной перед поворотным магнитом в канале транспортировки пучка ионов. В качестве носителей информации об энергетическом спектре пучка Н -ионов используют H(2s)-aTOMbt (pj, 3,393 эВ), находящиеся в метастабильном 2з-кзан- товом состоянии и составляющие / 5% общего потока образующихся на обдирочной мишени Н -атомов. .После поворотного магнита они отделяются от и

Н -компонент и выходят из канала тран

спортировки пучка ионов для анализа энергетического спектра. В качестве мишени для ионизации Н(2s)-атомов ис- пользуют поток фотонов от Ng-лазера с длиной волны А (Ъ&)0 3,678 эВ). Средняя энергия образующихся при этом электронов фотоионизации составляет EQ 27 кэВ. При иэмерении энергетического спектра пучка Н -ионов с той же точностью

-10 , как и в прототипе, выби- u|iрают 06 7б,08в± 0,и6°, Ј 1Ь, г0 10 см, Дх , б bQ°.

Величина магнитного поля анализатора энергетического спектра электронов фотоионизации составляет при этом Н jb Э. 13 соответствии с величинами (nu) 3,4 3 0 1 j frcM2, для Роет 10 мм рт.ст., LmX 200 см, а 10 необходимая в процессе измерения средняя мощность фотонной мише- ни ионизации предлагаемого устройства составляет Pv к. 10 Вт.

Изобретение позволяет уменьшить массогабаритные характеристики системы измерения и обеспечивает ту же точность измерения энергетического спектра пучка Н -ионов при значительном снижении энергозатрат.

HOD.

Формула изобретения

Способ определения энергетического спектра пучка ионов, включающий преобразование части пучка ионов в нейтральные частицы с различными квантовыми состояниями, ионизацию этих частиц, измерение с помощью магнитного анализатора энергетического спектра образовавшихся при ионизации заряженных частиц и восстановление по этому спектру энергетического спектра пучка ионов, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа путем уменьшения массогабаритных характеристик системы измерения, воздействуют на поток нейтральных частиц фотонным излучением с частотой фотонов, превышающей порог фотоионизации нейтраль- ,ных частиц с определенным квантовым состоянием, и измеряют энергетический спектр образующихся при этом электро&($№птрвны)

WnW Jу

Фае. 2