Магнитный тороидальный спектрометр заряженных частиц Советский патент 1984 года по МПК H01J49/44 

Изобретение относится к магнитным спектрометрам заряженных 4acTHL с высокой разрешающей способностью по импульсам и может быть использовано в области ядерной физики для измерения спектров бета-частиц и электронов конверсии, испускаемых при радиоактивном распаде ядер, а также в рентгено-электронном анализе для измерений спектров фотоэлектронов .

Известны безжелезные тороидальны спектрометры бета-частиц и электроноЕ конверсии Cl. Отличительной особенностью этих спектрометров является их более высокий по сравнени с спектрометрами других типов угловой аксептаНС.

Известен магнитный тороидальный спектрометр заряженных частиц с многократным отклонением пучка, содержащий тороидальную катушку с внутренним профилем в виде цилиндра/ источник, апертурную, анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы, детектор частиц Г2.

Недостатком спектрометра ЯВ ляется использование только одной трети всех межвитковых зазоров тороидальной катушки, обусловленное выбором ординарного угла отклонения частиц в магнитном поле Чleo, приводящее к снижению величины азимутального углового аксептанса, неполное использование тороидального поля для диспергирования анализируемых частиц, наличие дефокусирующего действия краевого поля тороидальной катушки для некоторой части частиц, имеющих отрицательный угол входа, снижакидего коэффициент трансмиссии частиц через межвитковые зазоры, отсутствие коррекции качества фокусировки пучка.

Целью изобретения является увеличение углового азимутального аксептанса и дисперсии спектрометра.

Эта цель достигается TeiM, что в магнитный тороидальный спектрометр заряженных частиц с многократным отклонением пучка, содержащий троидальную катушку с внутренним профилет в виде цилиндра, источник, апертурную, анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы, детектор частиц, ось окна апертурной диафрггилы, направленная от источника, образует угол с осью симметрии катушки в радиальной плоскости, равный 135, а источник, анализирующие промежуточные и конечная диафрагма расположены на расстоянии dZ друг от друга вдоль оси симметрии тороидальной катушки,-опреде ляемом соотношением л2/df г 2,95, где сЗ - внутренний диаметр тороидальной ка,тушки. С целью повышения

разрешающей способности спектромет ра, внутри полостей токовых витков тороидальной катушки установлены дополнительные корректирующие торюидально-секступольные и тороидално-октупольные катушки, расположенные посредине промежутков между источником, промежуточными и конечной анализирующими диафрагмами на расстоянии r.2,82d от оси симметрии тороидальной катушки. С целью увеличения площади источника, разрушающей способности и уменьшен размера детектора источник и анализирующая конечная диафрагма выполнены в форме прямоугольных конических поверхностей с вершинами, направленными в сторону от источника к детектору частиц.

Предлагаемый магнитный тороидальный спектрометр .заряженных частиц с многократным отклонением частиц представлен схематически на чертеже. Здесь 1 - апертурная диафрагма; 2 - токовые витки тороидальной катушки; 3 - источник заряженных частиц; 4 - экран, 5 - коректирующие катушки; б - промежуточная анализирующая диафрагма; 7 - осевая и крайние траектории анализируемых частиц; 8 - детектор частиц; 9 - конечная анализируемая диафрагма. Для простоты на чертеже представлена схема спектрометра с двумя отклонениями частиц (), тогда как оптимальный вариант предлагает N 4-6.

Траектории анализируемых частиц в спектрометре определяются тем, что ось окна апертурной диафрагмы, направленная на источник, образует утоп /2 135, в радиальной плоскоти спектрометра с осью симметрии тороидальной катушки, а показатель тороидального поля ,98 (В прототипе - /2тг90° и ,743). Ординарный угол -отклонения пучка частиц при этом составляет 4 270° (В прототипе ) . При выбранных параметрах магнитного поля спектрометра торо1едальная катушка с профилем рабочей части в виде цилиндра обеспечивает фокусировку частиц первого порядка одновременно в радиальном и аксиальном сечениях пучка с промежуточной азимутальной перетяжкой пучка на половине пути частиц от входного и выходного стигматических фокусов. Значения параметров 4 270° и ,9В следуе из совместного рассмотрения условий .радиальной ,

4/2 -Ксо5ф/ггКсозСаЧ

к|ке5 пФ/21 cosie+

(11

65 -«-COS -51п-2Ф/2 0

и аксиальной фокусировок частиц в указанном поле для источника и изображения, расположенных на оси симметрии тороидальной катушки

Ф/2

ЧФ/2. ° . (21

о

где .Ц. - изменяющийся угол наклона вектора скорости частицы к оси симметрии поля при ее движении. В условии (2), впервые полученном в связи с настоящим изобретением, учтена краевая фокусировка частиц рассеянным полем на входной и выходной границах наряду с меридиональной фокусировкой в тороидальном поле. На чертеже изображен вариант спектрометра с источником и конечной анализирующей диафрагмой, смещенными рт оси симметрии на равные расстояуия в разине стороны. При этом такж обеспечивается стигматическая фокусировка пучка при тех же значениях V и К в силу равенства единице коэффициента продольного смещения.

Источник, промежуточные и конечная анализирующие диафрагмы расположены соответственно в местах начального, промежуточных и конечного стигматических фокусов на расстоянии й2 друг от друга, удовлетворяющем соотношению Д1/с1.2,95, где внутренний диаметр тороидальной катушки (В прототипе AZ/03 1, 36).

Телесный угол спектрометра, определяемый тем, что в спектрометре используются все межвитковые зазоры/ в 2,1 раза больше, чем у прототипа при одинаковых значениях интерзлпа углов в радиальной плоскости. Дисперсия спектрометра по нормали к оси пучка составляет Bt2,, где R адиус максимального удаления оси от ос симметрии тороидальной катушки. (В прототипе Т) 12, 06 R N ) . Расстояние между источником и конечной анализирующей диафрагмой равняется 2t 1,05 (В прототипе , При шести отклонениях пучка частиц выигрыш в дисперсии составляет боле полутора раз по отношению к прототипу при одних и тех же внешних продольных и поперечных размерах спектрометров.

. Краевая фокусировка частиц обеспечивает более жесткую их трансмиссию через межвитковые зазоры, более устойчивую к случайным возмущениям.

Наличие промежуточных перетяжек

Ьучка в местах его наибольшего радиального расхождения используется в предлагаемом в спектрометре дли эффективного исключения радиальных аберраций второго и третьего порядков с помощью дополнительных тороидально-секступольных .и тороидаль г но-октупольных катушек. На чертеже представлены тo,JOИдaльнo-ceкcтyдольные корректирующие катуижи с полярностью для исключения отрицательной квадратичной аберрации, имеющей место в рассматриваемом случае. Применение корректирующих катушек повышает разрешающую способность

спектрометра или дает возможность использовать пучок с больишм угловым раствором в радиальной плоскости.

Для исключения радиальной аберрации, обусловленной протяжностью

источника в азимутальном направле- . НИИ,источник и конечная анализирующая диафрагма выполнены в виде прямых конусов, причем эт иттирующая поверхность источника частиц и

направленная к пучку поверхность анализируемой диафрагмы, противопо- ложны по знаку выпуклости. Для уменьшения размера детектора частиц эмиттируютей поверхностью источника служит внутренняя вогнутая поверхность конуса, а встречной по- верхностью анализирующей диафрагмы внешняя выпуклая поверхность конуса. Таким образом, изобретение позволяет значительно повысить аксептируемый азимутальный угол спектрометра, относительную дисперсик, обеспечить более жесткую азимутальную фокусировку частиц, что приводит к повышению коэффициента трансмиссии частиц, и коррекцию, аберраций вторюго и третьего порядков для улучшения качества фокусировки пучка.

1. МАГНИТНЫЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С многократным отклонением пучка, содержащий тороидальную катушку с внутренним профилем в виде центра, источник, апертурную/ анализирующие промежуточные и конечную диафрагмы, детектор частиц, отличающийся тем, что, с целью увеличения углового азимутального аксептанса и дисперсии спектрометра, ось окна-апертурной.диафрагмы, направленная от источника, образует угол с осью симметрии катуижи в радиальной плоскости, равный 135, а источник, анализирующие промежуточные и конечная диафрагмы расположены на расстоянии Л2 друг от друга вдоль оси симметрии тороидальной катушки, определяемом соотношением Л Z /61 2, 95/ где внутренний диаметр тороидальной катушки. 2.Спектрометр по п.1, о т л и чающийся тем, что, с целью . повышения разрешающей способности спектрометра, внутри полостей токовых витков тороидальной катушки установлены дополнительные корректирукщие тороидально-секступольные и тороидально-октупольные кат.ушки, расположенные посредине промежутSS ков между источником, промежуточ(/) ными и конечной анализирующими диафрагмами на расстоянии г- 2,82о1 от оси симметрии тороидальной катушки. 3.Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения площади источника, разреч шающей способности и уменьшения СО размера детектора, источник и анао: лизирующая конечная диафрагма выполнены в форме прямоугольных кони00 ческих поверхностей с вершинами, 14 направленными в сторону от источника к детектору частиц. СО