АХРОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙСПЕКТРОМЕТР С ПОПЕРЕЧНЫМ ОТКЛОНЯЮЩИМЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ Советский патент 1974 года по МПК H01J49/22 

1

Изобретение относится к тем областям экспериментальной физики и техники, в которых изучается и используется отклонение заряженных частиц, а также исследуются энергетические спектры потоков заряжеппых частиц в лаборатории и космическом пространстве.

Известны электростатические спектрометры с поперечным отклоняющим электрическим полем, содержащие пару сектор-ных коаксиальных цилиндрических электродов, регистратор заряженных частиц и источник питания. Известны также ахроматические системы, в которых отсутствует радиальная дисперсия на выходе, но в которых, кроме электрического поля цилиндрического конденсатора, иснольззется еще и однородное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра.

Выделение необходимого интервала энергий .Е/ЕО (EQ - равновесная энергия) из исследуемого потока в отклоняющих системах обычно производится как самой отклоняющей системой, так и входным окном регистратора на выходе из отклоняющей системы.

Если радиальный размер ё входного окна регистратора меньше щирины зазора Дг между отклоняющими электродами, то не все частицы, прошедщие через отклоняющую систему, попадут Б регистратор. Это объясняется существованием радиальной дисперсии De, из-за которой частицы с разными энергиями.

находящимися внутри интервала, пропускаемого отклоняющей системой, выходят из зазора на разных радиальных расстояниях.

Дисперсия но энергии после отклоняющей системы приводит также к тому, что место входа частицы в спектрометр, величина и ориентация приемного телесного угла спектрометра сильно зависят от энергии частицы из числа энергий, находящихся внутри всего интервала Е.

Повыщение чувствительности спектрометра путем увеличения доли потока, попадающего в регистратор, в обычных спектрометрах требует уменьщения диснерсии DE или увеличения размера б. Дисперсия секторного цилиндрического конденсатора с углом сектора Ф, средним радиусом зазора го (радиус равновесной орбиты) н с АГ/ГО-С равна DE

:..(-)(1-С05|/2Ф).

Уменьщить дисперсию DE можно, уменьщив угол Ф или радиус Гд. Однако, например, в обычных электростатических спектрометрах для исследования малоинтенсивных потоков

частиц в присутствии фона, устанавливаемых на космических аппаратах, попытка уменьщения радиуса Го или угла Ф приводит к нежелательным последствиям.

Уменьшение угла Ф влечет за собой возрастание фона от ультрафиолетового излучения Солнца, так как при меньших углах Ф укорачивается длина криволинейного зазора, и ультрафиолетовое излучение меньше ослабляется при многократных отражениях в нем. Уменьшение угла Ф увеличивает также неопределенность угла и места входа потока в зазор. Уменьшение радиуса Го влечет за собой необходимость повышения разности потенциалов между отклоняюш,илш электродами для сохранения максимальной регистрируемой прибором энергии. Уменьшение размера б тоже не всегда возможно. У таких перспективных регистраторов как канальные электронные умножители диаметр самого канала ж мм, установка же входной воронки на канальный умножитель для увеличения апертуры приводит к необходимости учета зонной характеристики воронки, и, кроме того, увеличивает собственный фон регистратора. Поэтому в обычных спектрометрах нельзя увеличить чувствительность, не ухудшив при этом других характеристик прибора. Целью изобретения является повышение чувствительности и пространственной избирательности спектрометра. При этом одновременно увеличивается интервал Е и уменьшается неопределенность условий входа частиц в зазор по сравнению с обычным электростатическим спектрометром, геометрические параметры которого одинаковы с параметрами предложенного спектрометра. Для этого отклоняюш,ие электроды выполпены в виде трех пар, расположенных последовательно таким образом, что поверхности электродов в соседних парах имеют общие касательные, проведенные через обращенные друг к другу края электродов, причем электроды, имеющие общую касательную, находятся с нротивоположных сторон от этой касательной, углы секторов крайних пар равны между собой и связаны с углом сектора средпен пары соотношением Фс Sin /2 Фк 2-COSJ/M)K На фиг. 1 приведена схема спектрометра; на фиг. 2 - схема радиальной фокусировки траекторий частиц разных энергий, а также увеличение энергии Е в предложенном спектрометре в сравнении с известным спектрометром с такими же параметрами Ф и АГ/ГО. Ахроматический электростатический снектрометр содержит крайние 1, 2 и среднюю 3 пары электродов, регистратор 4 и источник питания 5. Спектрометр работает следующим образом. Пары электродов 1, 2, 3 подключаются к источнику питания 5. На выходе из сектора 2 размещается регистратор 4, вход пары электродов 1 облучается исследуемым потоком заряженных частиц. Пучок траекторий отклоняется в соседних участках в противоположных направлениях. Сумма длин зазоров равна /-„Ф .:: /-„ (2ФК + Фс). На фиг. 2 приведены траектории частиц с разными энергиями в координатах ф, р, где ср - угол с вершиной в центре кривизны поверхностей электродов, р - радиальное расстояние частицы от равновесной орбиты, выраженное в единицах Го. Уравнение траектории в зазоре между обкладками цилиндрического конденсатора для нерелятивистских энергий и при условии &.г/Го, обычно выполняющемся в реальных конструкциях спектрометров рассматриваемого типа, имеет вид Р sin Y2f + (c, - 4 1 cos /2f + 4 , где индекс 1 относится ко входу в зазор. Из (2) видно, что частица в зазоре совершает гармоническое колебание с ам1плитудой f Pi- около стабильной орбиты, радиус которой (). Отклоняющая система спектрометра пропускает на выход частицы, траектории которых в нроцессе колебаний не касаются электродов. , На фиг. 2 жирными сплошными линиями показаны траектории частиц, которые колеблются около соответствующих стабильных орбит с энергиями i, 2,--, макс Р переходе в средний сектор на1правление электрического поля изменяется на противоположное и стабильные орбиты смещаются под ось абсцисс (см. фиг. 2). Войдя в средний сектор, частицы вынуждены продолжить колебания около сместившихся орбит, поэтому наклон траекторий уменьшается и становится равным нулю на угловом расстоянии Фс/2 от начала среднего сектора. В случае, когда длина прямолинейного промежутка между соседними секторами мала по сравнению с зазором Дг и когда р1 р1 0, угол Фс/2 одинаков для всех энергий в интервале и связан с углом Фк соотношением (1). В предложенном спектрометре плоскость Ф Фк-|-Фс/2 является плоскостью симметрии отклоняющей системы; траектории справа от этой плоскости будут зеркальными отражениями траекторий слева от нее. Поэтому частиДы с энергиями в интервале , вошедшие с расстояния pi , выйдут из отклоняющей системы при р , что означает радиальную фокусировку по энергии, или отсутствие дисперсии. Суть изобретения состоит в выполнении отклоняющей системы спектрометра в виде трех секторов, расположенных приведенным на фиг. 1 образом, с угловыми размерами их, подобранными в соответствии с соотношением (1) так, чтобы траектории частиц, входящих

с расстояния pi , имели симметричный вид относительно плоскости ф Фк+Фс/2.

Расчеты, основанные на соотношении (2), и эксперименты с опытным образцом спектрометра показали, что дисперсия по энергии в таком спектрометре практически отсутствует и при ()1, PI 0.

На фиг. 2 показан эффект увеличения макс в предложенном спектрометре по сравнению с Емаке в известном спектрометре с одной парой отклоняющих электродов при одинаковых Ф и АГ/ГО. Предельная траектория с макс показана жирной пунктирной линией, соответствуюпдая ей стабильная орбита - тонкой пунктирной линией.

В предложенном спектрометре частица с макс в среднем секторе удерживается в зазоре из-за смещения ее стабильной орбиты под ось абсцисс, в известном спектрометре такая частица попала бы на стенку.

Опытный образец спектрометра имел цилиндрические электроды с Дг/Го 0,05, Го 80 мм, Фк 26°, Фс 38°. Вход облучался направленным пучком электронов с энергией около 5 кэв при р1 и PJ , близких к нулю. Диаметр пучка на входе в зазоре составлял яйО,3 мм, выходной пучок наблюдался по свечению на экране регистратора, отстоявшего на л;30 мм от выхода из последнего сектора.

Смещение .пятна на экране не

превышало ±0,15 мм в интервале 23%.

Предмет изобретения

Ахроматический электростатический спектрометр с поперечным отклоняющим электрическим нолем, содержащий парные секторные коаксиальные круговые цилиндрические отклоняЕощие электроды, регистратор заряженных частиц и источник питания, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и пространственной избирательности, отклоняющие электроды выполнены в виде трех пар, расположенных последовательно таким образом, что поверхности электродов в соседних парах имеют общие касательные, проведенные через обращенные друг к другу края электродов, причем электроды, имеющие общую касательную, находятся с противоположных сторон от этой касательной, углы секторов крайних пар равны между собой и связаны с углом сектора средней пары соотношением

е sin У2Фк У2 2 - cos /2ФК

где Фк - угол сектора крайней пары, Фс - 30 угол сектора средней пары.

fc/2

f

.2