Электростатический анализатор пото-KOB зАРяжЕННыХ чАСТиц Советский патент 1981 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относитсяк электростатическим .анализаторам, предназначенным для исследованияпотоков заряженных частиц в околоземном и межпланетном пространстве с помощью ко мических аппаратов. Для определения узконаправленных потоков 3:аряженных частиц в космосе, например, потоков ионов солнечного ветра, используют многоканальные ана лизаторы. : Так как регистрация частиц с раз ных направлений проводится разными детекторами, как правило. а ими, служат вторичные электронные умножители, то возможны большие ошибки измерений из-за изменения эффективности детекторов с течением времени. В частности, из-за неопределенности ве личин эффективности детекторов при измерении узконаправленных потоков частиц такими способами нельзя определять концентрации частиц, угол их прихода и проводить частичную обработку информации на борту космическо го аппарата. Механическое углевое сканирование .анализатора не всегда можно испрль овать из-за низкой надежности механических систем в вакууме, большой инертности и жёстких отграничений по массе, габаритам и энергопотреблению научной аппаратуры. Наиболее близким по своей технической сущности к- предлагаемому изобретению является электростатический анализатор, основанный на принципе электрического сканирования его угловой диаграммы направленности, который устраняет пвреш1сленные выше недостатки, присущие известным анализаторам потоков заряженных частиц. Такой анализатор состоит из двух отклоняющих металлических электродов тороидальной формы - одного сплошного, а другого секционированного, коммутирующего устройства, детектора частиц, двух источников напряжения: источника анализируквдего напряжения и источника напряжения расстройки. Один из отклоняющих электродов разрезан по окружности на две (примерно равные) части, а его входная 5 свою очередь разрезана в радиальных направлениях на несколько секций, каждая из который через коммутирующее устройство соединена с истбчником напряжения расстройки. Другой сплошной электрод соединен с источником анализиЕ укядего напряжения. Когда одна Из секций имеет нулевой потенцигш от носительно корпуса (на другие секции подается напряжение расстройки; ,.то на детектор попадают только те части цы, найравлёняе вектора сКорости бт рых. йовпаяакут с нормалью к входу это секции. Поскольку нормали к входным ркнам разных секций имеют разные направлёнияг то за счет переключения нулевого потенциала с одной секции н Другую осуществляется угловое сканир всГййе -диаграммы, направл енности прибо ра. .. . . . Однако в таком анализаторе скани 1р6ванйё оеуй,ёсТ лгйётся по оКр.жкос ти и поэтому диаграмма направленности всехСекций лежит -в области шарового кольца. Это удобно для - изУчёНия угловых распределений ,ква ЭОт УОпньах рсесимметричных потоков У заряженных частиц (например, питчугловых распределений в авроральных областях). Надежное измерение угловых рас пределёний неосесимметричн ых пот6ков с большой степенью направленности (например, потоков ионов солнечного йётраи переходного слоя за фронтом ударной волны) такими приборами не; возможно, так как сканирование в rf таких анализаторах не охватывает вес ; .телесный угол прихода частиц. Цель изобретения измерение уг ловых распределений узкбнаправленных ntoTOKOB зарйжейнах частиц одним дете торОм за счет сканирования угловой Диаграммы направленности анализато ра в пределах всего телесногоугла прихода частиц. Это достигается тем, что электро ды торОйдальнс5го секционированного анализатора со стороны прихода час тйц срезаны так, что нормали к входу каждой еекЦййОрйёНтйровйны в разных н йпраё зёнйях и лежат внущи эаДанно ; fo TeJt:SeHoro угла, ОПределяемого угловым разбросом частиц. На чертеже схематически изображен предлагаемый анализатор. Ана01йзатор состоит из системы от; уклоняющих металлических электродов 1,2,3, детектора частиц 4, источника анализирующего напряжения 5, коммутирующе:го устройстваб и иоточника на Пр1яжёния расстройки 7 / OflHW W of клдня о4й г 5лектр0д ов, например/внешний электрод 2 выполнен сплошным. Он соединен с источником анализирующего напряжения. Другой внутренний электрод 3 разрезан по окружности на две половины так,. чтобы Ф cj/a(на чертеже Ф s; 90°) , причем ближайшая к детекто ру часть соединена с корпусом. Вход йЖй чай1Ь Это1о ЭЛектрОда 5азрезана Врадиальных направлениях на несколь равных ёёкций, кетйрые1Уё:рез КОмг тир квдёе устройство соединены с источником напряжения расстройки. Со стороны прихода частиц как втутренний, так и вшнешний электроды каждой секции срезаны так, что нормали к входу каждой секции,ориенгйрбйаны й разнах направлениях и лежат внутри заданного телесного уг-Ла, определяемого характерным угловым разбросом частиц. На чертеже показан случай, когданормали к входу секций составляют с осью прибора углы о , & , Qni причем угол g больше угла 6. - Параметры анализирующей системы: дК направления нормалей, азимутальное расположение секций с определенным углом Q и количество этих секций определяются требованиями физического .эксперимента к чувствительности прибора, его разрешению по уТЛам и энёргии, а также диапазону его УГЛОВОГО сканирования. . Принцип работы прибора заключается в следукхцем. . В рабОЧ.ем режиме, например, в . режй 1е регистрации положительных ио- НОВ на электроды прибора подаются следующие потенциалы: на электрод 2 - анализирующее напряжение + U, на электрод 3 - потенциал корпуса, , на электроды 1 (кроме одного,имеющего потенциал корпуса-) - напряжение расстройки + Up. Частицы, попадающие на каждую из секций, должны пройти последовательно дваанализирующих промежутка, образованных электродами If 2 и зпектродами 2, 3.. Когда потенциал йлёктрода 1 равен потенциалу корпуса, оба анализирующих промежутка промег жуток 1-2 и промежуток 2-3) будут настроены на Одну и ту же энергию (2jH, где j - коэффициент выигрыша анализирующей системы.. VJ t|ZeU где Ze .-заряд частицы. Частицы, попавшие на э.ту секцию и обладающи.е энергиями в пределах диапазона Е±&Е (где ЛЕ - энергетическое окно прибора), пройдут оба анализирующих промежутки и за.фиксйруются етектором. Частицы, попавшие в любую ругую секцию, должны пройти анализТйрТйщие Промежутки, настроенйые. на разные энергии: /д(1.,-Up ) и Eij, /jUciH и имеющие энергетические окна . 2.- . Частицам, чтобы пройти, оба промежутка (промежуток 1-2, настроенный на энергию Е „ и промежуток 2-3, настроенный на энергию Ej. .jj), необходимо обладать энергией, величина которой лежала бы как внутри диапазона , так и внутри диапазона , -. При опеделенном значении напряжения расстройки Up эти энергетические диапазоны не перекрываются и, следовательно, частицы гибнут на электродах либо одного, либо другого промежутка. Поэтому при подаче напряжения расстройки определенной величины на все секции, кроме одной, частицы пройдут только через зазор между электродами той секции, электрод 1 которой имеет нулевой потенциал, и попадут на детектор. Переключая нулевой потенциал с одной секции на другую, можно осуществить угловое сканирование диаграммы направленности прибора. Направление прихода частиц определяется нормалью к входу секции, через которую прошли частицы. Так как электроды прибора со стороны прихода частиц срезаны под различными углами (на.чертеже 0°, & , QQ), то нормали к входу каждой секции ориентированы в разных направлениях и лежат внутри заданного телесного угла (на чертеже это конус суглом при.вершине 26). Таким образом, за счет переключения нулевого потенциала с одной секци на другую осуществляется угловое сканирование диаграммы направленности прибора, которая лежит внутри конуса с углом раствора 2 02/ где 0- максимальный угол между нормалью к входу секции и осью прибора. Энергетические характеристики потоков частиц определяются как и в ранее известных анализаторах путем.изменения величин анализирующего напряжения. С целью экспериментальной проверки аботоспособностй предлагаемого прибо ра был создан макет со следующими параметрами (см. чертеж): Ф 180, 90,AR|R 0,075, число секций IG,- нормали к входным окнам составляли углы 0° , , , Макет облучался направленньм потоком ионов водорода с энергией 2 кэВ. Эксперименты показали, что путем переключения нулевого потенциала с одной секции на другую осуществляется сканирование угловой диаграммы направленности в конусе с углом 40. При этом, энергетические характеристики и форма угловых характеристик каждой секции были идентичны, а поток ионов регистрировался детектором только в том случае, если его направление в пределах угловой характеристики секции совпадало с направлением, нормЗли к входу этой секции. Формула изобретения Электростатический анализатор потоков заряженных частиц с электрическим сканированием угловой диаграммы направленности, состо5щий из двух электродов тороидальной формы} одного сплошного, а другого секционированного, двух источников непряжения, кон- мутирующего устройства и детектора частиц, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью измерения угловых распределений узконаправленных потоков заряженных частиц, электройы со стороны прихода частиц срезаны так, что нормали к входу каждой секции ориентированы в разных направлениях и лежат внутри заданного телесного угла, определяемого угловым разбросом частиц.