Способ изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H01J37/14 

Изобретение относится к области электронной и ионной оптики, в частности к формированию моноэнергетических потоков заряженных частиц магнитными линзами, что может быть использовано в магнитных спектрометрах, транспортных линзах и других электронно-оптических и ионно-оптиче- ских приборах.

Цель изобретения состоит в увеличении диапазона изменения светосилы за счет увеличения максимального значения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изменения светосилы аксиальносимметричной магнитной линзы с распределенной обмоткой, создающей магнитное поле с конфигурацией, задаваемой конфигурацией плотности ампер-витков вышеупомянутой обмотки, когда минимальную величину светосилы создают использованием одногорбого распределения магнитного поля и режима работы линзы без дополнительных промежуточных фокусов, а максимальную величину светосилы линзы создают использованием режима работы линзы с одним или несколькими промежуточными фокусами, согласно изобретению, максимальную величину светосилы получают, включая части обмотки линзы и

00

ы ел ел о о

формируя из одногорбого распределения магнитного поля линзы многогорбое распределение, минимумы которого совпадают с фокусами линзы или находятся на минимально достижимом расстоянии от фокусов линзы. Цель изобретения достигается и тем, что ток в вышеупомянутых частях обмотки включают в направлениях, создающих магнитное поле в смежных областях распределения, заключенных между соседними минимумами, с противоположными направлениями.

Поставленная цель достигается еще и тем, что в аксиально-симметричной магнитной линзе распределенная обмотка, форми- рующая магнитное поле, состоит из секций . и распределение плотности ампер-витков в вышеназванных секциях имеет форму, позволяющую формировать одногорбое и многогорбые конфигурации магнитного поля, В частности, распределение плотности ампер-витков в вышеназванных секциях может иметь прямоугольную форму, кроме того, распределение плотности ампер-витков в вышеназванных секциях может иметь треугольную, трапециевидную форму и одновременно треугольную, трапециевидную формы и форму параллелограмма.

На фиг.1 а представлена трапециевидная конфигурация магнитного поля линзы и проекции траекторий заряженных частиц для случаев без промежуточных фокусов, с одним и с двумя промежуточными фокусами для варианта с фокусировкой пучка на выходе линзы; на фиг.1 б представлена трапеци- евидная конфигурация магнитного поля линзы и проекции траекторий заряженных частиц в случае режимов работы линзы без промежуточных фокусов,, с одним и с двумя промежуточными фокусами для варианта с параллельным пучком на выходе линзы; на фиг.2 (а.б.в) изображены одногорбая и двухгорбые конфигурации магнитного поля, соответствующие конструкции обмотки линзы фиг.7, составленной из секций с тре- угольным распределением.плотности ампер-витков, и соответствующие траектории заряженных частиц; на фиг.З (а,б,в) представлены одногорбая и двухгорбые конфигурации магнитногополя, соответствующие конструкции обмотки линзы фиг;8 с трапециевидным распределением плотности ампер-витков в секциях, и траектории заряженных частиц; на фиг.4 (а.б.в)-.одногорбая, двухгорбая и трех- горбая конфигурации магнитного поля, созданные с помощью секций с прямоугольным распределением плотности ампер-витков конструкции фиг.6, и соответствующие траектории заряженных частиц; и

на фиг.5 (а,б,в,г,д) даны возможные конфигурации магнитного поля, созданные с одновременным использованием секций конструкции фиг.9 с треугольным, трапециевидным и в форме параллелограмма распределением плотности ампер-витков, и соответствующие траектории заряженных частиц.

Аксиально-симметричная магнитная линза, изображенная схематично на фиг.6,7,8,9, представляет собой (фиг.7) цилиндрическую вакуумную камеру из немагнитного материала 1 с намотанной на внешнюю поверхность цилиндра аксиальную обмотку из медного провода 2. Обмотка 2 разбита на секции 3,4,5, имеющие отдельные электрические выводы. Распределение плотности витков в секциях вдоль оси цилиндрической камеры имеет, согласно изо- бретению: прямоугольную (фиг.6), треугольную (фиг.7), трапециевидную (фиг.8) формы, форму параллелограмма или их комбинацию (фиг.9) и другие формы, позволяющие формировать с помощью секций одногорбое и многогорбые конфигурации магнитных полей. Секции обмотки могут накладываться друг на друга или располагаться вдоль оси цилиндрической камеры с некоторыми промежутками в зависимости от вида создаваемых конфигураций магнитного поля..

Линза работает следующим образом (фиг.7). Внутри вакуумной камеры 1 размещается у одного из ее концов источник электронов или других заряженных частиц 10, а на выходе линзы в противоположном конце камеры приемное устройство, которое представляет из себя детектор электронов или другое устройство 9, в котором используется сформированный пучок моноэнергетических электронов или других заряженных частиц. Секции 3,4,5 соединяют последовательно друг с другом и подключают к источнику постоянного тока так,: чтобы магнитное поле имело в секциях одно направление вдоль оси камеры. Увеличивая ток в обмотке 2, т.е. напряженность магнитного поля, добиваются, чтобы пучок электронов, двигающихся по винтовой линии вдоль оси линзы, пересекал ось линзы в месте расположения приемного устройства или, для варианта формирования параллельного пучка, был параллелен оси линзы на ее выходе.

Дальнейшее увеличение тока в обмотке приводит к тому, что винтовые траектории электронов будут пересекать ось линзы в промежуточной области между источником и приемным устройством, т.е. будут создаваться один или несколько дополнительных

промежуточных фокусов, в зависимости от величины напряженности магнитного поля. Можетбыть осуществлен режим включения секций, когда секция 4 закорочена или отключена, и последовательно соединены с источником постоянного тока последовательно включенные секции 3,5 с одинаковым направлением магнитных полей, то в Этом случае формируется двухгорбая треугольная конфигурация магнитного поля. Соответствующей величиной тока добиваются, чтобы траектории электронов пересекали ось линзы вблизи минимума поля в центре его распределения. Кроме того, может быть реализован предпочтительный ре- жим работы, дающий наибольшее увеличение светосилы, когда последовательно соединенные секции 3,5 включены таким образом, что создают магнитные поля с противоположным направлением, и изме- нением величины тока добиваются промежуточной фокусировки пучка электронов в среднем минимуме распределения поля и фокусировки или параллельности пучка электронов на выходе линзы.

Пример осуществления способа изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы.

Аксиально-симметричная магнитная линза была выполнена, согласно конструк- ции, изображенной на фиг.6, где распределение плотности витков в шести секциях 3,4,5,6,7,8, длиной каждая 40 см, имело прямоугольную форму. Общая длина обмотки составляла 240 см, диаметр камеры - 10 см, точка фокуса предметного пространства, т.е. место расположения источника электронов находилось на расстоянии 150 см от центра линзы. Местоположение приемного устройства находилось на расстоянии 230 см от центра линзы. В первом режиме работы линзы все секции 3,4,5,6,7,8 обмотки соединялись последовательно с одинаковым направлением магнитных полей по оси линзы. Величина тока в обмотке, т.е. напряженность магнитного поля, выбиралась так, чтобы обеспечить либо фокусировку пучка электронов на выходе линзы, либо параллельный пучок без осуществления дополнительной фокусировки в промежуточной части линзы. Во втором режиме работы лин- зы секции 3,4,5 соединялись последовательно с одним направлением магнитного поля, а секции 6,7,8 - с противоположным направлением поля. Увеличивая величину тока (напряженность магнитного поля) в 2 раза достигалась промежуточная фокусировка в центральной части линзы вблизи минимума распределения магнитного поля. Величина светосилы, т.е. количества регистрируемых приемным устройством электронов, увеличивалась по сравнению с первым режимом в 8 раз.

В третьем режиме работы линзы соединяли последовательно попарно секции 3,4. затем 5,6 и 7,8, причем направления поля в парах совпадали, и далее эти пэры соедини лись последовательно таким образом, чтобы направления полей соседних пар были бы противоположны. Увеличивали величину тока по сравнению с первым режимом работы приблизительно вЗ раза и достигали двух дополнительных промежуточных фокусировок. Величина светосилы возрастала по отношению к первому режиму в 19 раз. Значения светосилы в процентах от полного телесного угла 4 л:для различных режимов работы линзы и вариантов формирования пучка электронов приведены в таблице. Из данных таблицы следует вывод, что светосила аксиально-симметричной магнитной линзы возрастает при переходе от режима без промежуточных фокусировок и одногорбого распределения магнитного поля к режимам с одной и двумя дополнительными промежуточными фокусировками при использовании соответственно двухгорбого и трехгорбого распределений магнитного поля. Подобным образом обеспечивается получение одногорбого и двухгорбого распределений магнитного поля и первого и второго режимов работы линзы и, следовательно, изменения светосилы линзы в конструкциях, представленных на фиг.7,8 и соответствующим им конфигурациям магнитных полей на фиг.2 (а,б,в) и 3 (а,б,в), а также достижение одногорбого, двухгорбого и трехгорбого распределений магнитного поля и трех режимов работы в случае конструкции обмотки фиг.9 и соответствующих конфигураций магнитных полей, представленных на фиг.5 (а,б,в,г,д).

Предпочтительным способом изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы является способ, осуществляемый с помощью конструкции, представленной на фиг.6 с конфигурациями поля, приведенными на фиг.4 (а,б,в), т.е. конструкции, имеющей прямоугольное распределение плотности ампер-витков в секциях . обмотки, создающей магнитное поле линзы, обеспечивающий наибольший диапазон изменения светосилы.

Использование предлагаемых конструкций аксиально-симметричных магнитных линз и способа изменения их светосилы позволяет увеличить светосилу линзы в 8 раз при использовании двухгорбого распределения магнитного поля,создаваемого обмоткой с секциями с прямоугольным распределением плотности ампер-витков, и в 19 раз при использовании трехгорбого распределения магнитного поля. При этом используются соответственно режимы работы линзы с одним и с двумя дополнительными промежуточными фокусами. Увеличение светосилы в случае прототипа равно соответственно 3 и 4. Кроме того, абсолютное значение светосилы линзы с прямоугольным распределением плотности ампер-витков в секциях при приблизительно одинаковых значениях для режима без промежуточной фокусировки больше по сравнению с прототипом при одинаковой апертуре и расстоянии от источника электронов до приемного устройства для режима с одним промежуточным фокусом в 2 раза и для режима с двумя промежуточными фокусами в 5 раз.

Формула изобретения 1.Способ изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы с распределенной обмоткой путем формирования магнитного поля с одним максимумом распределения по оси линзы для минимальной величины светосилы и увеличения;напряженности магнитного поля до образования промежуточных фокусов, для максимальной величины светосилы формируют магнитное поле частями обмотки по

крайней мере с двумя максимумами распределения, минимумы которого совпадают с промежуточными фокусами, а максимумы - с местоположением наибольших отклонений траекторий.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что магнитные поля от смежных частей обмотки формируют с противоположными направлениями.

З.Устройство для изменения светосилы аксиально-симметричной магнитной линзы, содержащее распределенную вдоль продольной оси обмотку, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет расширения диапазона изменения светосилы, части обмотки выполнены в виде сопряженных секций, поперечное сечение каждой из которой и всей обмотки в целом имеет форму

прямолинейных геометрических фигур.

4,Устройство по п.З, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что поперечное сечение секций обмотки имеет форму трапеции,

5,Устгхэйство по п.З.от лишающееся тем,

что поперечное сечение секций имеет форму

треугольника, а обмотки - форму трапеции.

б.Устройство по п.З, о т л и ч а:ю щ е ес я тем, что поперечное сечение секций

имеет форму сопряженных треугольник а, трапеции и параллелограмма, а обмотки - форму трапеции.

Использование: изобретение относится к области электронной и ионной оптики и может быть использовано в магнитных спектрометрах и транспортных системах. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей аксиально-симметричной магнитной линзы (МЛ), за счет расширения диапазона изменения ее светосилы. Сущность изобретения: для получения максимальной величины светосилы МЛ формируют магнитное поле частями распределенной обмотки, по крайней мере, с двумя максимумами распределения, минимумы которого совпадают с промежуточными фокусами МЛ, а максимумы - с местоположением наибольших отклонений траекторий заряженных частиц. В смежных частях обмотки магнитные поля могут иметь противоположное направление. Части обмотки МЛ выполняются в виде сопряженных секций, поперечное сечение каждой из которых и всей обмотки в целом имеет форму прямолинейных геометрических фигур - треугольника, трапеции, параллелограмма в различных сочетаниях. 9 ил., 1 табл. (Л

Величины светосилы (проценты от полного телесного угла А л}

аксиально-симметричной магнитной линзы с обмоткой из

секций с прямоугольным распределением плотности

ампер-витков.

IN и

; л

Фиг. 3

л

I I / / /

У

/ I

I

N

tI

ч

|с--

10

Фяг. 6

Фиг. 7

/

X

х V

X X

«иг. 8