Способ спектрометрического анализа заряженных частиц с фокусировкой в двух ортогональных направлениях Советский патент 1992 года по МПК H01J49/44 H01J49/30 

Изобретение относится к спектре- V скопии заряженных частиц и может

. быть использовано в масс-спектро- метрии, бета-спектроскопии, электронной спектроскопии, ядерной спектроскопии и других областях в качестве способа прецизионного разделения заряженных частиц по энергии или массе.

Целью изобретения является увели чение чувствительности и разрешающей способности за счет улучшения качества анализируемого пучка в средней плоскости и увеличения дисперсии пуч ка по импульсу с сохранением фокусировки в направлении, перпендикулярном средней плоскости.

Фокусировку пучка по угловому раз бросу и разделение на моноимпульсные компоненты осуществляют в магнитном поле, напряженность которого в средней плоскости изменяют по закону.

1+А ч

н(г) ,. +А

Г0

31725290

положения элементов ионно-оптической7 системы и ход оптической оси} 8 - зависимости отклонений заряженных с частиц от осевой траектории в плоскости изображения в зависимости от начального углового отклонения для предлагаемого (кривая l) и известного (кривая II) способов, Ю На фиг. 1 и 2 показаны ось 1 симметрии, щель 2 источника заряженных частиц, входная диафрагма 3, оптическая ось Ц, выходная диафрагма 5, детектор 6 заряженных частиц и источник 7 заряженных частиц. Кроме того, на фиг о 26 отношение радиального отклонения в плоскости изображения к дисперсии по импуль- СУ Д1р начальное угловое отклонение,,

-)% О)Предлагаемый способ заключается

в следующем.

- 15

20

с Ю

- 15

с Ю

20

Изобретение найдет применение при разделении заряженных частиц по энергии или массе в масс-спектромет- рии, бета-спектроскопии, электронной и ядерной спектроскопии при научных исследованиях. Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и чувствительности. Анализируемый пучок заряженных частиц направляют в аксиально-симметричное магнитное поле с напряженностью НС2ГНоЬ Л 11/3 .(Г/Г0)2-ЬЛ причем ионный пучок вводят через кол- лимирующую щель, центр которой расположен на расстоянии га от оси. симметрии, под углом (f0 к окружности г г0, определяемом соотношением 3/4-r0/R0(1+A), где г - расстояние от оси симметрии; Н0 напряженность поля при г r0-;R0- параметр, численно равный .радиусу кривизны траекторий исследуемых заряжённых частиц в однородном магнитном поле с напряженностью Н0; А - константа, лежащая- в пределах -1 A 4R0/3r0 - 1. При движении в магнитном поле моноимпульсного пучка заряженных частиц происходит фокусировка пучка в средней плоскости в некоторой точке на осевой траектории При этом имеет место фокусировка как в радиальном, так и в аксиальном направлении, а также разделение пучка с первоначально различными импульса.ми на моноимпульсные компоненты. В точке фокуса установлена диафрагма ;. включающая моноимпульеный компонент пучка. 2 ил о § а Es3 :л

а ионный пучок вводят через коллими- рующую щель, центр которой расположен на расстоянии г0 от оси симметрии, под углом У0 к окружности г - iЈ определяемым соотношением

cosq f -|a (1+A),

4 Rr

(2)

где г Н„

расстояние от оси симметрии;напряженность поля при

г . г.

о

R - параметр, численно равный радиусу кривизны траекторий исследуемых заряженных частиц в однородном магнитном поле с Напряженностью HQj

А - константа, лежащая в пределах

- : Ас 5 Ј-.. .3 г0

При указанных условиях достигается сигматическая фокусировка в двух ортогональных направлениях и более высокое по сравнению с известным способом качество фокусировки в средней плоскости

На фиг. 1 показана динамика заряженных частиц в магнитном поле с напряженностью по формуле (1)} на ; фиг.2 - устройство, реализующее предлагаемый способ, где си - схема рас0

5 Анализируемый пучок заряженных частиц направляют в аксиально-симметричное магнитное поле с напряженностью (1)„ Пучок диафрагмируется по ширине щелью 2 (фиг.2), установQ ленной в магнитном поле на расстоянии го от оси симметрии, и кол- лимируется щелью по угловому разбросу таким образом, чтобы оптическая ось k составляла с окружностью г г0 угол , определяемый соотношением (2). Двигаясь в магнитном поле с напряженностью (1), моноимпульсный пучок заряженных частиц фокусируется в средней плоскости в некоторой точке на осевой траектории При этом имеет место фокусировка как в радиальном, так и в аксиальном направлениях, причем указанная объемная фокусировка является идеально стигматичной, т.е. траектории в указанных ортогональных направлениях вблизи оптической оси 4 идентичны. Кроме фокусировки в магнитном поле, осущестп вляется и разделение пучка с первоначально различными импульсами на моноимпульсные компоненты. В точке фокуса устанавливается диафрагма 5, выделяющая моноимпульсную компонен.- ту пучка. Затем выделенная таким образом моноимпульсная компонента детектируется детектором заряженных частиц. Развертка спектра импульсов анализируемого пучка осуществляет5

5

51

ся изменением параметра Н0 - индук- ции магнитного поля.

Способ осуществляется следующим образом.

Вбилизи средней плоскости ионно- оптической системы формируют магнитное поле () с параметром А | .

Формирование необходимого магнитного поля может быть осуществлено бо подбором полезадающих элементов - катушек и токов в них, либо за счет выбора надлежащей формы полюсных наконечников. Параметр Н0 выбирают

так, что,s 0,829. В точке с поо

лярными координатами г0 и уо 0

(фиг„2а) располагают образец так, что направление наиболее вероятного вылета заряженных частиц (начальное направление осевой траектории) составляет угол ( 29,12° с окружностью г г0 . Детектор заряженных частиц расположен в точке с координатами г 3,388 и ,у4 291,79°. Вблизи источника и детектора помещают коллимирующие диафрагмы. Проводят численный эксперимент на ЭВМ - расчет хода траекторий заряженных частиц вблизи осевой траектории в средней плоскости и в аксиальном направлении. В результате расчета траекторий методом Рунге-Кутта подтверждается стигматическая фокусировка. Кроме того, найдены следующие значения для ионно-оптических характеристик: коэффициент дисперсии по импульсу Ьо 8,97, коэффициент оптического увеличения Д, 1,71, угол поворота пучка % .

На фиг.26 представлена рассчитанная для предлагаемой схемы зависимость приведенного отклонения up частиц ;от осевой траектории в плоскости фокуса в зависимости от начального углового отклонения Atf (кривая I), а для сравнения - график аналогичной зависимости для известной (кривая II). Графики (фиг.26) позволяют определить значения максимальных угловых разбросов utf , при которых возможно достичь

значений разрешающей способности R 1000 и R 5000, соответственно получают АСр 8° и ДС 6°.

Ф о р м у л а изобретения Способ спектрометрического анализа заряженных частиц с фокусировкой в двух ортогональных направлениях, заключающийся в формировании пучка заряженных частиц, коллимировании его по ширине с помощью коллимирую- щей щели, пространственном разделении его на моноимпульсные компоненты ti фокусировке по угловому разбросу в аксиально-симметричном магнитном поле, выделении моноимпульсного компонента пучка путем диафрагмирования в плоскости фокуса и последующем детектировании выделенного мо- ноимпульсного - компонента, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности, магнитное поле

формируют по закону

H(r -

а ионный пучок вводят через колпи- мирующую щель, центр которой расположен на расстоянии г от оси. симметрии, под углом ( к окружности

г ir

cos

определяемым соотношением 3/4- r/R (1+A),

9о

где г

- расстояние от оси симметI . - : .

40 Но) напряженность поля при

L RO - параметр численно равный

.радиусу кривизны траекторий исследуемых заряженных частиц в однородном магнитном поле с напряженностью Н0;

А - константа, лежащая в пределах. .

Ј-.ЈЈ t 3 г0

Йот./