Электростатический энергоанализатор для параллельного потока заряженных частиц
Изобретение относится к спектроскопии потоков заряженных частиц и может быть использовано при создании электростатических энергоанализаторов с высокой разрешающей способностью по энергии, высокой чувствительностью, простых в конструктивном исполнении и экономичных, для исследований потоков заряженных частиц в космосе или в плазме. Электростатический энергоанализатор содержит внешний и внутренний цилиндрические коаксиальные электроды, плоский ограничивающий электрод, перпендикулярный оси симметрии, имеющий потенциал внутреннего цилиндрического электрода, с выполненным в нем входным окном, выходное окно, выполненное во внутреннем цилиндрическом электроде, приемную диафрагму и детектор, расположенные вне поля в полости внутреннего цилиндрического электрода, поток заряженных частиц, направленных параллельно оси симметрии цилиндрических электродов и расположенный за выходным окном, ограничивающий плоский электрод, перпендикулярный оси симметрии, имеющий потенциал внутреннего цилиндрического электрода. Технический результат: повышение чувствительности и разрешающей способности анализатора. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к спектроскопии потоков заряженных частиц и может быть использовано при создании электростатических энергоанализаторов для исследования потоков заряженных частиц в космосе или в плазме, обладающих высокой разрешающей способностью по энергии, высокой чувствительностью, достаточно простых в конструктивном исполнении и экономичных при изготовлении.
Известен электростатический энергоанализатор для потоков заряженных частиц, содержащий внешний и внутренний коаксиальные цилиндрические электроды, две системы торцовых корректирующих электродов для уменьшения краевых эффектов, детектор с диафрагмой (1. Силадьи М. Электронная и ионная оптика. Перевод с англ., М.: Мир, 1990, с.638). Роль торцовых электродов заключается в том, чтобы устранить искажающее действие краев цилиндров, когда длина цилиндрических электродов не может быть сделана достаточно большой по соображениям компактности прибора. Следует отметить, что и в данном устройстве и в устройствах, описываемых ниже, сами по себе торцовые корректирующие электроды не улучшают фокусировку по сравнению со случаем идеального цилиндрического поля, а лишь препятствуют ее ухудшению в области, близкой к краям цилиндров.
Поток заряженных частиц вводится в цилиндрическое поле таким образом, что после входа вектор скорости частицы перпендикулярен оси симметрии цилиндров и движение частицы по траектории происходит в плоскости, перпендикулярной оси цилиндров. Поскольку этот анализатор обладает фокусировкой только в одном направлении (только в плоскости, перпендикулярной оси симметрии), с помощью щелевой диафрагмы приходится формировать очень узкий пучок частиц. Изменение энергии фокусируемых частиц производится изменением разности потенциалов между электродами.
Процесс анализа частиц по кинетическим энергиям основан на фокусирующем и диспергирующем действии электростатического поля между электродами на поток заряженных частиц. Разрешающую способность анализатора можно характеризовать отношением дисперсии к величине аберрационного размытия точки фокуса. Чем лучше фокусировка пучка, тем больше это отношение и тем выше разрешающая способность анализатора. Фокусировка улучшается с ростом порядка фокусировки, суть которого можно пояснить следующим образом. Запишем разложение в ряд для фокусного расстояния анализатора f(r) в зависимости от координаты входа траектории в поле, где через f(r0) обозначено фокусное расстояние основной (центральной) траектории, считая остальные параметры постоянными.
Здесь r-r0 - радиальное отклонение координаты входа r произвольной траектории пучка от r0 - координаты входа центральной траектории потока. Если в разложении (1) равен нулю коэффициент C1, то имеет место фокусировка первого порядка, если равны нулю коэффициенты C1 и С2, то анализатор обладает фокусировкой второго порядка. Чем выше порядок фокусировки, тем меньше разность f(r)-f(r0) и, соответственно, меньше аберрация.
Упомянутый выше анализатор имеет ряд недостатков. Во-первых, поскольку приходится использовать очень узкий пучок частиц, входящих в анализирующее поле, детектируемый ток и, соответственно, чувствительность измерений невелики. Кроме того, входную и выходную щели невозможно совместить с эквипотенциальными поверхностями поля, поэтому в известной конструкции помимо электродов, устраняющих краевые эффекты цилиндрических электродов, приходится устанавливать дополнительные корректирующие электроды у входной и выходной щелевых диафрагм. Все это делает анализатор сложным по конструктивному исполнению, ухудшая его расчетные параметры по разрешающей способности и чувствительности.
Известен электростатический энергоанализатор на основе цилиндрического зеркала, который способен осуществлять энергетический анализ потока заряженных частиц, вектор скорости которых параллелен оси симметрии цилиндров (пред. патент Республики Казахстан №9186, кл. Н01J 49/48, 2000). Анализатор содержит поток заряженных частиц, скорость которых направлена параллельно оси симметрии анализатора, внешний и внутренний коаксиальные цилиндрические электроды, две системы корректирующих электродов, расположенных по краям цилиндрических электродов и устраняющих влияние краев электродов, входное окно, расположенное в торцовой части анализатора, коаксиальное с цилиндрами, имеющее ограничители направления потока, которые предназначены для отбора частиц, имеющих вектор скорости, параллельный оси симметрии, и выходное окно, выполненное во внутреннем цилиндре, детектор с диафрагмой, которая имеет вид кольцевой щели или отверстия и находится вне поля - в полости внутреннего цилиндра. Анализатор обладает фокусировкой первого порядка. Вследствие того, что анализируемый поток имеет азимутальную симметрию, анализатор обладает при хорошей разрешающей способности высокой чувствительностью.
Недостатком этого анализатора является то, что он обладает фокусировкой первого порядка, что ограничивает достижимую разрешающую способность и чувствительность. Кроме того, нужны корректирующие электроды со стороны входного окна, т.к. плоскость, в которой оно расположено, не совпадает с эквипотенциальной поверхностью данного поля. Необходимы также торцовые корректирующие электроды за выходным окном, расположенные так, чтобы искажения от краевого поля оказались вне области, в которой траектории проникают в выходное окно. Даже при большом количестве электродов не удается полностью компенсировать искажающее влияние краевого поля, что снижает разрешающую способность и чувствительность измерений. Кроме того, для работы корректирующих электродов требуется отдельный источник соответствующим образом подобранных потенциалов. Все это усложняет конструкцию энергоанализатора, увеличивает стоимость. Поток частиц входит в фокусирующее поле через входное окно между корректирующими электродами, поддерживающими поле цилиндрического зеркала в области окна, при этом его интенсивность несколько уменьшается. Все это ограничивает разрешающую способность и чувствительность энергетического анализа потоков заряженных частиц и усложняет конструкцию.
Известен электростатический энергоанализатор (пред. патент РК N 10699, Кл. Н01J 4948, 2001), который способен осуществлять энергетический анализ потока заряженных частиц, вектор скорости которых направлен параллельно оси симметрии цилиндров. Анализатор содержит внешний и внутренний коаксиальные цилиндрические электроды, входное окно, расположенное в торцовой части анализатора, коаксиальное с цилиндрами, имеющее ограничители направления потока, выполненное в плоском ограничительном электроде, перпендикулярном оси симметрии, имеющем потенциал внутреннего цилиндра, также он содержит одну систему корректирующих электродов, расположенных за выходным окном, детектор и диафрагму, находящиеся в полости внутреннего цилиндрического электрода, поток заряженных частиц, вектор скорости которых направлен параллельно оси симметрии анализатора. Здесь нет необходимости в системе корректирующих электродов со стороны входного окна, т.к. оно выполнено в торцовом ограничивающем электроде, с которым совпадает эквипотенциальная поверхность поля, имеющая нулевой потенциал. Недостатком анализатора является наличие системы корректирующих электродов, расположенной за выходным окном, поддерживающей заданное теоретическим расчетом распределение потенциалов вблизи выходного окна. Даже при большом числе корректирующих электродов возможно ухудшение разрешающей способности и чувствительности по сравнению с расчетными значениями, кроме того, как упоминалось выше, усложняется конструкция и система питания энергоанализатора. Это особенно нежелательно, например, при использовании энергоанализатора в космических исследованиях.
Технический результат изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способности по энергии электростатического анализатора. Технический результат достигается тем, что в анализаторе, содержащем внешний и внутренний коаксиальные цилиндрические электроды, входное окно, расположенное в плоском ограничивающем электроде в торцовой части анализатора, выходное окно, выполненное во внутреннем цилиндрическом электроде, детектор и приемную диафрагму, расположенную вне поля - в полости внутреннего цилиндра, поток заряженных частиц, скорость которых параллельна оси симметрии, за выходным окном устанавливается второй плоский ограничивающий электрод, перпендикулярный оси симметрии, имеющий потенциал внутреннего цилиндра. Второй плоский ограничивающий электрод конструктивно располагается за выходным окном и плоскость упомянутого электрода представляет собой эквипотенциальную поверхность поля с нулевым потенциалом. Предлагаемый анализатор обладает фокусировкой второго порядка и более высокой разрешающей способностью по энергии.
Кроме того, в предлагаемом анализаторе отсутствуют краевые поля, т.к. торцевые ограничивающие электроды, создающие положительный эффект фокусировки, электрически соединены с внутренним цилиндром и заземлены. Таким образом, предлагаемый анализатор не нуждается в каких-либо системах защиты от краевых полей. Кроме того, анализатор защищен системой указанных электродов и от внешних электромагнитных полей.
Чтобы из исследуемого потока в анализатор попадали только частицы, имеющие вектор скорости, параллельный оси симметрии, в ограничивающем электроде могут быть, например, выполнены сквозные каналы малого диаметра, имеющие большое отношение длины к диаметру и направленные параллельно оси симметрии. Они располагаются в кольцевой области размером
где Δr - радиальный интервал, в пределах которого частицы проходят в анализатор. Множество таких каналов может быть выполнено с высокой поверхностной плотностью по хорошо известным технологиям, например лучом лазера. Они выполняют одновременно роль входного окна, пропускающего поток частиц, и роль направляющих для вектора скорости потока. В другом примерном варианте в ограничивающем электроде вырезается кольцевое входное окно, имеющее азимутальную симметрию и высотой Δr, снабженное ограничителями направления потока. Таким образом, в предлагаемом анализаторе один из вводимых ограничивающих электродов имеет выполненное в нем входное окно для анализируемого потока частиц и имеет потенциал внутреннего цилиндра, при этом входное окно конструктивно совпадает с эквипотенциальной поверхностью поля, что было недостижимо в известных устройствах.
На Фиг.1 схематически представлено устройство предлагаемого энергоанализатора в разрезе вертикальной плоскостью, содержащей ось симметрии (верхняя часть разреза). Он включает внутренний (1) и внешний (2) цилиндрические электроды, плоский ограничивающий электрод (3) со стороны потока частиц, имеющий электрическое соединение с внутренним цилиндром, содержащий входное окно (4), имеющее центральный радиус R0 и имеющее ограничители направления потока частиц (5), выходное окно (6), детектор с диафрагмой (7), второй плоский ограничивающий электрод (8), имеющий электрическое соединение с внутренним цилиндром, исследуемый поток частиц (9).
Анализатор работает следующим образом. Поток заряженных частиц, имеющих вектор скорости, направленный параллельно оси симметрии, через входное окно, выполненное в первом ограничивающем электроде, проникает в поле параллельно оси симметрии и движется в нем, отклоняясь и фокусируясь под действием существующего распределения потенциала. При этом достигают приемной диафрагмы и регистрируются детектором только частицы, обладающие кинетической энергией, удовлетворяющей условию фокусировки, и проникающие в поле в ограниченном интервале расстояний от оси симметрии, причем координата входа центральной траектории должна иметь определенное значение R0. Изменяя отклоняющий потенциал V, можно получить спектр частиц по кинетическим энергиям. При значении отклоняющего потенциала V в приемную диафрагму пройдут те частицы, для которых выполнено условие, связывающее кинетическую энергию частиц в пучке и величину отклоняющего потенциала на внешнем электроде Е0=γV, где γ - коэффициент связи.
Для расчета параметров анализатора следует сначала рассмотреть потенциал фокусирующего поля, который может быть получен из решения уравнения Лапласа ΔU(R,Z)=0 с граничными условиями U(R1,Z)=U(R, 0)=U(R, L)=0 и U(R2, Z)=V. Здесь R1 и R2 - соответственно радиусы внутреннего и внешнего цилиндрических электродов, L - расстояние между ограничивающими электродами вдоль оси симметрии, вдоль которой направлена координатная ось Z. Для удобства все величины с размерностью длины здесь и ниже будут выражены в единицах R1.
Здесь V - отклоняющий потенциал на внешнем цилиндрическом электроде, β=R2/R1, r0=R0/R1, l=L/R1. Потенциал внутреннего цилиндрического электрода и ограничивающих электродов равен нулю.
I0 и К0 - модифицированные функции Бесселя и Ганкеля.
Для изображенной на Фиг.1 конфигурации проиллюстрируем проведение расчета параметров фокусировки. Нерелятивистские уравнения движения могут быть записаны в следующем виде:
Система уравнений движения (3) решалась численно, т.к. из-за сложного вида потенциала U(r, z) аналитическое решение невозможно. Начальные условия задавались в виде набора координат r0 в интервале (r1, r2) при значении z=0, начальная скорость задавалась из соотношения 
где Е0 - кинетическая энергия заряженных частиц, соответствующая условию фокусировки при данном значении V.
На Фиг.2 представлены аберрационные кривые предлагаемого устройства, из которых с очевидностью следует наличие фокусировки второго порядка для различных режимов работы. Цифры возле аберрационных фигур соответствуют различным значениям параметра γ, а именно: 1: 5.4; 2: 5.55; 3: 5.62; 4: 5.73. Видно, что оптимальные параметры относятся к случаю, когда γ=Е0/eV=5,62. Выбор ширины входного окна основывается на том, чтобы для входящего в поле пучка траекторий достигалась необходимая разрешающая способность прибора. Вследствие азимутальной симметрии (2π) фокусирующего поля окно может быть выполнено с азимутальным размером немногим менее 360° (с учетом необходимых конструктивных перемычек). Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает условие фокусировки второго порядка при большой величине анализируемого потока частиц, что обеспечивает очень высокую чувствительность измерений таким анализатором. Еще одним преимуществом предлагаемого анализатора является то, что он обладает большим отношением Е0/eV, что позволяет регистрировать частицы высоких энергий, используя относительно низкий развертывающий потенциал на внешнем электроде.
При Е0/eV=5,62, r0=1,55, l=6 (все длины в единицах радиуса внутреннего цилиндра) фокусное расстояние анализатора составляет 6,29. При этом дисперсия 
составляет 4, что представляет собой достаточно высокое значение. При большом общем сечении входных каналов или ширине входного окна анализатор обеспечивает высокую разрешающую способность при высокой чувствительности.
Таким образом, предлагаемый электростатический энергоанализатор, использующий фокусирующие и диспергирующие свойства цилиндрического поля (1), ограниченного вдоль оси симметрии двумя ограничивающими плоскими электродами, перпендикулярными оси симметрии, позволяет осуществить энергетический анализ потока заряженных частиц, параллельного оси симметрии в условиях фокусировки второго порядка по Δr, с более высокой чувствительностью и высокой разрешающей способностью по сравнению с известными анализаторами, отличаясь при этом и более простой конструкцией и экономичностью.
1. Электростатический энергоанализатор, содержащий внешний и внутренний цилиндрические коаксиальные электроды, плоский ограничивающий электрод, имеющий потенциал внутреннего цилиндрического электрода, перпендикулярный оси симметрии, с выполненным в нем входным окном, выходное окно, выполненное во внутреннем цилиндрическом электроде, приемную диафрагму и детектор, расположенные вне поля в полости внутреннего цилиндрического электрода, поток заряженных частиц, направленных параллельно оси симметрии цилиндрических электродов, отличающийся тем, что он имеет за выходным окном плоский ограничивающий электрод, перпендикулярный оси симметрии, имеющий потенциал внутреннего цилиндрического электрода.
2. Энергоанализатор по п.1, отличающийся тем, что входное окно выполнено в виде сквозных каналов малого диаметра, параллельных оси симметрии.
3. Энергоанализатор по п.1, отличающийся тем, что входное окно выполнено в форме кольцевой щели, коаксиальной цилиндрическим электродам.
4. Энергоанализатор по п.1, отличающийся тем, что отверстие приемной диафрагмы представляет собой кольцевую щель, коаксиальную цилиндрическим электродам.
5. Энергоанализатор по п.1, отличающийся тем, что отверстие приемной диафрагмы расположено на оси симметрии.
6. Энергоанализатор по п.1, отличающийся тем, что центральный радиус входного окна равен 1,55r1, приемная диафрагма с отверстием расположена на оси симметрии на расстоянии 6,29r1 от плоскости входного окна, где r1 радиус внутреннего цилиндрического электрода.
