Способ коррекции энергетического разброса в пучках заряженных частиц

Изобретение относится к оптике заряженных частиц и может быть использовано в энерго- и масс-анализе. Пучок заряженных частиц 1 пропускают через диспергирующий элемент 2. После этого пучок пропускают через корректирующий элемент 3, который представляет собой систему электродов, формирующих электрическое поле, направленное перпендикулярно направлению движения пучка. Диафрагмы 5, 6 и 7 достаточно велики и пропускают все частицы пучка. В момент времени, когда все частицы находятся в объеме корректирующего элемента вблизи поверхности 4, значение электрического потенциала на электродах изменяют таким образом, чтобы изменение потенциала было приблизительно равно ΔФ(Р)≈-W(P)/q, где W(P) - среднее значение кинетической энергии частиц в точке Р, a q - заряд частиц. При выполнении этого условия средняя полная энергия частицы, равная сумме кинетической и потенциальной энергий, после переключения потенциала слабо зависит от координаты точки Р и, соответственно, разброс полной энергии всех частиц пучка становится меньше первоначального разброса кинетической энергии. Технический результат: уменьшение энергетического разброса заряженных частиц в пучках короткой длительности при сохранении числа частиц в пучке. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптике заряженных частиц и может быть использована в энерго- и масс-анализе.

Для уменьшения разброса заряженных частиц (электронов или ионов) по величине их энергии в настоящее время применяются энергетические фильтры (монохроматоры), основанные на пространственной энергетической дисперсии частиц с последующим применением узкой обрезающей диафрагмы, пропускающей только частицы определенного диапазона энергии. Конструкция одного из таких фильтров (омега-фильтр) описана в статье

A.Huber, J.Bärtle, and E.Plies. Initial experiences with an electrostatic Ω-monochromator for electrons // Nuclear Instruments & Method in Physics Research, Section A, 519, № 1-2, 2004, pp. 320-324.

Существенным недостатком способа энергетической фильтрации является уменьшение числа частиц в пучке после его диафрагмирования, что не позволяет применять этот способ в тех задачах, когда потеря частиц недопустима, например в задачах массового или энергетического анализа.

Задачей изобретения является уменьшение энергетического разброса заряженных частиц в пучках короткой длительности при сохранении числа частиц в пучке. Способ может быть применен для компенсации влияния взаимного отталкивания частиц собственным электрическим полем пучка или иных причин возникновения энергетического разброса.

Технический результат достигается тем, что пучок пропускают через электростатический или магнитостатический диспергирующий элемент, после чего к пучку прикладывают быстро переключаемое электрическое поле, изменение потенциала которого ΔФ в каждой точке Р занимаемого частицами объема определяется по формуле

где W(Р) - средняя кинетическая энергия частиц в точке Р в момент переключения поля,

q - заряд частиц.

Предложенный способ коррекции энергетического разброса в пучках заряженных частиц поясняется следующими фигурами, где:

фиг.1. - пример устройства коррекции энергетического разброса в пучке положительно заряженных частиц;

фиг.2 - гистограмма энергетического разброса протонов после коррекции.

Пучок заряженных частиц 1 пропускают через диспергирующий элемент 2, который может быть выполнен в виде электростатической (или магнитостатической) отклоняющей системы. После этого пучок пропускают через специальный корректирующий элемент 3, который представляет собой систему двух или более электродов, формирующих при подаче на них электрического напряжения электрическое поле, направленное перпендикулярно направлению движения пучка. Обрезание пучка диафрагмой не применяется. Представленные на фиг.1 полярности потенциалов электродов соответствуют коррекции энергетического разброса в пучке положительно заряженных ионов. Для пучков электронов или отрицательно заряженных ионов следует поменять знаки потенциалов на противоположные.

Если длительность пучка достаточно мала, то в некоторый момент времени все частицы будут находиться в объеме корректирующего элемента. В этот момент значение электрического потенциала на электродах корректирующего элемента быстро изменяют, причем время изменения потенциалов должно быть меньше времени прохождения пучка частиц через объем элемента. Каждой точке объема Р, плотность частиц в которой в момент изменения потенциала не равна нулю, можно приписать среднюю кинетическую энергию частиц Функция W определяется конструкцией и режимом работы диспергирующего элемента. Изменение напряжения на электродах корректирующего элемента должно быть таково, что изменение электрического потенциала

где Ф₀ и Ф₁ - электрический потенциал до переключения и после переключения соответственно определяется формулой (1).

При выполнении условия (1) полная энергия частицы, равная сумме кинетической и потенциальной энергий, после переключения потенциала слабо зависит от координаты точки Р и, соответственно, разброс полной энергии всех частиц пучка становится значительно меньше первоначального разброса кинетической энергии частиц. После переключения потенциал на электродах остается постоянным вплоть до выхода пучка заряженных частиц из корректирующего элемента, благодаря чему полная энергия частиц не изменяется.

Поскольку электрический потенциал должен удовлетворять уравнению Лапласа, то строгое выполнение равенства (1) в объеме, как правило, невозможно. Однако если длительность пучка частиц достаточна мала, чтобы в момент переключения все частицы оказывались близко в некоторой поверхности 4, то достаточно потребовать выполнения равенства (1) только для точек Р, лежащих на этой поверхности.

Так же, как и при применении способа энергетической фильтрации предельное уменьшение энергетического разброса, достижимое предлагаемым способом, равно энергетическому разрешению диспергирующего элемента как энергетического спектрометра, то есть равно произведению величины градиента функции энергетической дисперсии dW(Р)/dP, умноженной на ширину аппаратной функции (отклика диспергирующего элемента на моноэнергетическое распределение частиц). Но в отличие от способа фильтрации предлагаемый способ коррекции энергетического разброса не приводит к уменьшению числа частиц в пучке.

Упрощенная модификация предлагаемого способа коррекции энергетического разброса состоит в применении корректирующего элемента, содержащего два плоскопараллельных электрода и создающего квазиоднородное электрическое поле в пространстве между ними. Величина изменения напряженности такого поля должна быть равна

где

- градиент функции энергетической дисперсии в некоторой точке P₀, близкой к середине области пространства, занятой частицами пучка в момент переключения электрического поля.

Пример применения устройства, реализующего предлагаемый способ коррекции энергетического разброса в пучке протонов, представлен на фиг.1. Пучок протонов 1 отклоняется электрическим полем цилиндрического конденсатора 2 с радиусами обкладок 8 и 12 мм, играющего роль диспергирующего элемента (на фиг.1 показаны три элементарных пучка частиц с энергиями 900, 1000 и 1100 эВ). Поле цилиндрического конденсатора ограничено входной диафрагмой 5 и промежуточной диафрагмой 6 между диспергирующим и корректирующим элементами. Размер диафрагм достаточно велик для пропускания всех частиц пучка. Через некоторое время после прохождения через промежуточную диафрагму 6 (при средней энергии частиц 1000 эВ это время составляет около 10 наносекунд) пучок частиц оказывается в центре корректирующего элемента, образованного плоскопараллельными электродами 3, промежуточной диафрагмой 6 и выходной диафрагмой 7. В этот момент на электроды 3, расстояние между которыми составляет 6 миллиметров, подастся напряжение различной полярности, величиной ±270 В. На фиг.2 представлена гистограмма энергетического распределения частиц после выхода из корректирующего элемента, полученная методом компьютерного моделирования для пучка с начальным с угловым разбросом 20 миллирадиан и однородным энергетическим распределением в интервале от 900 до 1100 эВ. Ширина энергетического распределения на полувысоте составляет около 16 эВ, что в 12,5 раз меньше энергетического разброса водящего пучка (200 эВ).

Способ коррекции энергетического разброса в пучках заряженных частиц малой временной длительности, заключающийся в том, что пучок пропускают через электростатический или магнитостатический диспергирующий элемент, после чего к пучку прикладывают быстро переключаемое электрическое поле, изменение потенциала которого ΔФ в каждой точке Р занимаемого частицами объема определяется по формуле ΔФ(Р)≈-W(P)/q, где W(P) - средняя кинетическая энергия частиц в точке Р в момент переключения поля, q - заряд частиц.