Способ анализа заряженных частиц по энергиям и массам и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам, обеспечивающим анализ потоков заряженных частиц по энергиям и массам с помощью электромагнитных полей, и может быть использовано при изучении поверхностей твердых тел, для определения элементного или изотопного состава плазмы рабочего вещества. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей энерго-масс-анализаторов заряженных частиц - достигается тем, что анализ по энергиям и массам ведут в совмещенных радиальных электрическом поле энергоанализатора Юза-Рожанского и магнитном поле фильтра Вина и поперечном к ним продольном электрическом поле фильтра Вина, энергоанализатор Юза-Рожанского и фильтр Вина совмещены в одной конструкции, при этом фильтр Вина выполнен цилиндрическим. Детектор ионов и расстояние между цилиндрическими пластинами определяются условиями фокусировки целевых ионов. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам для анализа ионов по энергиям и массам с использованием электрических и магнитных полей и может быть использовано для определения элементного или изотопного состава, например, плазмы рабочего вещества и при изучении поверхностей твердых тел.

Изобретение относится к перспективному направлению развития науки и технологий «Нанотехнологии и наноматериалы».

Основными областями применения анализаторов заряженных частиц по энергиям и массам - энерго-масс-анализаторов - являются: изучение поверхности твердых тел, исследование структуры вещества и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме, плазменные задачи геофизики и физики космического пространства.

Известны способ анализа заряженных частиц по массам и устройство для его осуществления [Guenter F. Voss. Mass spectrometer and related ionizer and methods // Патент US 6815674. - МПК H01J 49/28. - Опубл. 09.11.2004].

Известный способ включает:

1) создание в рабочей области взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей, причем электрическое поле не обязательно является однородным;

2) ионизацию рабочей (анализируемой) газовой пробы электронным ударом;

3) разделение ионизованных частиц в соответствии с отношением массы к заряду, благодаря движению в электрическом и магнитном полях, перпендикулярных друг другу;

4) регистрацию ионов на детекторе.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) создание в рабочей области взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей;

2) разделение ионизованных частиц в соответствии с отношением массы к заряду, благодаря движению в электрическом и магнитном полях;

3) регистрацию ионов на детекторе.

Недостатками известного способа являются:

1) невозможность анализа пучков заряженных частиц, имеющих начальный разброс по энергиям - в процессе анализа по массе (при заданной величине заряда иона) не предусмотрено выделение моноэнергетичного пучка частиц;

2) невозможность анализа пучков заряженных частиц, имеющих начальный разброс по углам, - отсутствие фокусировки.

Известно устройство масс-анализа [Guenter F. Voss. Mass spectrometer and related ionizer and methods // Патент US 6815674. - МПК H01J 49/28. - Опубл. 09.11.2004].

Устройство содержит:

1) ионизатор;

2) плоские параллельные электроды для создания анализирующего электрического поля;

3) систему создания анализирующего магнитного поля, направление которого перпендикулярно направлению анализирующего электрического поля;

4) детектор.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) параллельные электроды для создания анализирующего электрического поля;

2) система создания анализирующего магнитного поля, направление которого перпендикулярно направлению анализирующего электрического поля;

3) детектор.

Недостатками известного устройства являются:

1) устройство не обеспечивает возможность анализа пучков заряженных частиц, имеющих начальный разброс по энергиям;

2) устройство не обеспечивает анализ пучков заряженных частиц, имеющих начальный разброс по углам, - в нем отсутствует пространственная фокусировка частиц;

3) в связи с отсутствием фокусировки устройство обладает низкой светосилой (чувствительностью).

Известен способ и устройство для масс-анализа [Александров М.Л., Галль Л.Н., Савченко В.Д. Способ энергомасс-спектрального анализа состава веществ и устройство для его осуществления // Патент SU №1178257. - МПК Н01J 49/30. - Опубл. 27.01.1996].

Известный способ реализуется следующим образом:

1) ионный пучок разлагают в спектр по энергии в поперечном относительно направления движения частиц электрическом поле электростатического анализатора;

2) на разложенный в спектр по энергиям ионный пучок воздействуют однородным поперечным относительно направления движения частиц магнитным полем магнитного анализатора;

3) детектирование пучка осуществляют пространственно протяженным детектором в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) на ионный пучок воздействуют поперечным относительно направления движения частиц электрическим полем электростатического анализатора;

2) на ионный пучок воздействуют поперечным относительно направления движения частиц и электрического поля электростатического анализатора магнитным полем магнитного анализатора;

3) осуществляют детектирование пучка на пространственно-протяженном детекторе в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Недостатками известного способа являются:

1) небольшой диапазон энергий ΔW исходного пучка ионов; для анализирующих полей с цилиндрической симметрией (на основной траектории радиусом R) при энергии настройки, равной W, ΔW≈W(S₂/R)<<W, где S₂ - ширина выходной щели энергоанализатора;

2) увеличение ширины спектра по энергии исходного пучка ионов приводит к необходимости увеличения области создания однородного магнитного поля магнитного анализатора, что ведет к росту неоднородности магнитного поля на границе анализатора и его габаритов.

Устройство по патенту [Александров М.Л., Галль Л.Н., Савченко В.Д. Способ энергомасс-спектрального анализа состава веществ и устройство для его осуществления // Патент SU №1178257. - МПК H01J 49/30. - Опубл. 27.01.1996] содержит последовательно расположенные источник ионов с фокусирующими линзами, электростатический тороидальный и магнитный с однородным полем анализаторы и пространственно-протяженный детектор частиц с устройством считывания информации.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) электростатический энергоанализатор;

2) магнитный анализатор;

3) детектор с устройством считывания.

Недостатками известного устройства являются:

1) последовательное включение электростатического энергоанализатора и магнитного анализатора увеличивает габариты устройства и уменьшает его светосилу (чувствительность), в том числе, и из-за наличия электромагнитных полей рассеяния на границах анализаторов;

2) наличие пространственно-протяженного детектора частиц усложняет систему считывания информации.

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство по патенту [Романюк Н.И., Папп Ф.Ф., Чернышова И.В., Шпеник О.Б. Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) // Патент SU №1756973. - МПК H01J 49/48. - Опубл. 23.08.1992].

Способ анализа по прототипу включает:

1) создание поперечного (радиального) относительно направления движения пучка заряженных частиц электрического поля, эквипотенциальные поверхности которого являются цилиндрическими поверхностями;

2) создание однородного магнитного поля, поперечного относительно направления движения пучка заряженных частиц и направления электрического поля;

3) введение пучка заряженных частиц в область действия скрещенных радиального электрического и продольного (направленного вдоль цилиндрических пластин конденсатора, создающего электрическое поле) магнитного полей;

4) разделение пучка заряженных частиц, имеющих заданную массу, по энергиям под действием скрещенных радиального электрического и продольного магнитного полей;

5) регистрация частиц на детекторе, расположенном за выходной диафрагмой.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) создание поперечного (радиального) относительно направления движения пучка заряженных частиц электрического поля, эквипотенциальные поверхности которого являются цилиндрическими поверхностями;

2) создание магнитного поля, поперечного относительно направления движения пучка заряженных частиц и направления радиального электрического поля;

3) введение пучка заряженных частиц в область действия скрещенных радиального электрического и магнитного полей;

4) регистрация частиц на детекторе, расположенном за выходной диафрагмой. Недостатками способа по прототипу являются:

1) невозможность анализа по энергиям пучков заряженных частиц разных масс;

2) невозможность анализа по массам пучков частиц, имеющих различные энергии.

Устройство по прототипу [Романюк Н.И., Папп Ф.Ф., Чернышова И.В., Шпеник О.Б. Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) // Патент SU №1756973. - МПК H01J 49/48. - Опубл. 23.08.1992] включает:

1) электроды для создания поперечного направлению движения пучка заряженных частиц электрического поля, которые выполнены в виде пары коаксиальных цилиндров;

2) систему создания магнитного поля, выполненную так, что направление создаваемого ею однородного магнитного поля перпендикулярно как направлению движения пучка заряженных частиц, так и направлению электрического (радиального) поля - направлено вдоль цилиндрических электродов;

3) входную и выходную диафрагмы, расположенные в области между цилиндрическими электродами.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) электроды для создания поперечного направлению движения пучка заряженных частиц электрического поля, которые выполнены в виде пары коаксиальных цилиндров;

2) система создания магнитного поля, выполненная так, что направление создаваемого ею магнитного поля перпендикулярно направлению движения пучка заряженных частиц;

3) входная и выходная диафрагмы, расположенные в области между цилиндрическими электродами.

Недостатком устройства по прототипу является отсутствие пространственной фокусировки пучка анализируемых заряженных частиц, что уменьшает светосилу (чувствительность) анализатора.

При создании способа анализа заряженных частиц по энергиям и массам и устройства для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройство, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу и была обеспечена возможность анализа потоков ионов как по массам, так и по энергиям, при анализе по массам - возможность работы с немоноэнергетичными пучками ионов, имеющими начальный угловой разброс по скоростям, увеличилась бы светосила прибора и уменьшились его габариты.

Технический результат достигается тем, что в способе анализа заряженных частиц по энергиям и массам, включающем анализ по энергиям в электрическом поле цилиндрического конденсатора - энергоанализаторе Юза-Рожанского, анализ по массам в скрещенных электрическом и магнитном полях фильтра Вина, согласно изобретению анализ по энергиям и массам ведут в совмещенных радиальных электрическом поле энергоанализатоpa Юза-Рожанского и магнитном поле фильтра Вина и поперечном к ним продольном электрическом поле фильтра Вина, при этом угол поворота анализируемых ионов не равен π/2^0,5 (около 127°), как в известном энергоанализаторе Юза-Рожанского, а определяется условиями фокусировки заряженных частиц под действием новой совокупности трех электромагнитных полей.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для анализа заряженных частиц по энергиям и массам, содержащем энергоанализатор Юза-Рожанского и фильтр Вина, согласно изобретению фильтр Вина выполнен цилиндрическим, энергоанализатор Юза-Рожанского и фильтр Вина расположены так, что магнитные полюса фильтра Вина охватывают цилиндрические пластины энергоанализатора Юза-Рожанского, а пластины фильтра Вина, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских круглых электродов, размещенных по обе стороны относительно энергоанализатора Юза-Рожанского и магнитной системы фильтра Вина, при этом детектор ионов расположен в точке поворота траектории на угол

φ=π/ω,

где ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории, 1/рад,

а цилиндрические электроды выполнены с расстоянием между ними, равным

где γ - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории, 1/рад.

Преимуществами заявляемого энерго-масс-анализатора по сравнению с прототипом являются возможность анализа пучков ионов как по энергиям, так и массам и при анализе по массам - работа с немоноэнергетичными потоками заряженных частиц, имеющими начальный угловой разброс по скоростям, большая светосила энерго-масс-анализатора, которые обеспечены тем, что анализ по энергиям и массам ведут в совмещенных радиальных электрическом поле энергоанализатора Юза-Рожанского и магнитном поле фильтра Вина и поперечном к ним продольном электрическом поле фильтра Вина, фильтр Вина выполнен цилиндрическим, энергоанализатор Юза-Рожанского и фильтр Вина расположены так, что магнитные полюса фильтра Вина охватывают цилиндрические пластины энергоанализатора Юза-Рожанского, а пластины фильтра Вина, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских круглых электродов, размещенных по обе стороны относительно энергоанализатора Юза-Рожанского и магнитной системы фильтра Вина, при этом детектор ионов расположен в точке поворота траектории на угол

φ=π/ω,

где ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории, 1/рад,

а цилиндрические электроды выполнены с расстоянием между ними, равным

где γ - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории, 1/рад.

Реализуемые заявляемым устройством новые функции, включающие его способность работать как в качестве энерго-, так и масс-анализатора, при работе в режиме масс-анализатора - диагностировать немоноэнергетичные пучки ионов, имеющие начальный угловой разброс по скоростям, позволяет рассматривать заявляемое устройство в новом качестве - энерго-масс-анализатора Вина-Юза-Рожанского.

Заявляемый способ анализа заряженных частиц по энергиям и массам и устройство для его осуществления поясняются чертежами, приведенным на фиг.1-4.

На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при реализации способа: Е₀ - напряженность электрического поля на равновесной траектории радиуса R; В_r=BR/r, E_r=-E₀R/r.

На фиг.2 показан вид сбоку (по стрелке А на фиг.1) заявляемого устройства.

На фиг.3 показаны зависимости радиального отклонения траекторий ионов от величины азимутальной составляющей скорости. Принято . Начальный разброс скоростей отсутствует.

На фиг.4 показаны зависимости радиального отклонения траектории ионов от величин начальных радиальной и Z-компоненты скоростей ионов при ε=E₀/E_z0=1; E₀, E_z0 - напряженности радиального и продольного анализирующих электрических полей. Принято .

Устройство содержит (см. фиг.1, 2) входную диафрагму 1, аксиально-симметричную систему 2 создания радиального магнитного поля B_r, два аксиально-симметричных цилиндрических электрода 3 для создания радиального электрического поля E_r, два плоских электрода 4, предназначенных для создания однородного, направленного вдоль оси цилиндрических электродов (вдоль оси Z) электрического поля E_z, выходную диафрагму 5 и детектор пучка заряженных частиц 6.

Ниже приведено краткое теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства по данной заявке.

Анализатор представляет собой комбинацию энергоанализатора Юза-Рожанского (ЮР) с радиальным анализирующим электрическим полем Е₀ и фильтра Вина, «свернутого» в цилиндр, с радиальным магнитным полем B_r, которое создано между пластинами энергоанализатора ЮР (образующими цилиндр) и продольным (вдоль цилиндрических пластин - вдоль оси Z) однородным электрическим полем Е_z (см. фиг.1, 2); назовем его энерго-масс-анализатором Вина-Юза-Рожанского (ВЮР).

Уравнения движения однозарядного иона в энерго-масс-анализаторе ВЮР в цилиндрической системе координат имеют вид:

где m - масса заряженной частицы, е - заряд электрона, с - скорость света.

Найдем условия на параметры В, E_z, E₀, при которых ион, входящий в область анализирующих полей в точке с радиусом R со скоростью V_φ0 при V_z0=V_r0=0, остается на траектории радиуса R и в дальнейшем при прохождении анализатора.

Из уравнения (1) следует, что

Напряженность радиального электрического поля E₀, таким образом, определяет энергию заряженных частиц W₀, движущихся по окружности радиуса R.

Используя уравнение (3), зададим азимутальную скорость

такую, чтобы движение вдоль оси Z отсутствовало. Из уравнений (4) и (5) получается соотношение:

из которого видно, что при фиксированных E₀ и В ионы различных масс будут оставаться на главной траектории (радиусом R), если

Для позиционирования на главной траектории иона массой m_i необходимо изменять E_z в соответствии с уравнением (7) - см. фиг.2.

В дальнейшем подробно будем рассматривать как до сих пор не реализованный в данной конфигурации электромагнитных полей и электродов, наиболее сложный - анализ по массам.

Выберем ион массой m₀, для которого, согласно (7), выбрано Е_z0. Введем параметр ε=Е₀/Е_z0 и переменные χ=r/R, ξ=z/R, τ=ω₀t, ω₀=еВ₀/(m₀с) (ω₀ - ларморовская частота). Запишем уравнения (1-3) в безразмерном виде для частицы массой m≠m₀, имеющей энергию .

Постоянная в уравнении (10) равна: при τ=0, для массы m и энергии W. Кроме того,

Тогда соотношение для энергий получается в виде:

Так как для m₀, W₀ из (8) следует, что при τ=0 производная то при условии {τ=0, m, W} получим, что

Тогда постоянная в (10) равна:

и из уравнения (10) получаем следующее соотношение:

Рассмотрим случай, когда отклонения W от W₀ и m от m₀ малы. Начальные разбросы по скоростям dχ/dτ и dξ/dτ в момент времени τ=0 также малы. Уравнения (8-10) в таком случае будут описывать траектории вблизи главной траектории:

W=W₀+δW, m=m₀+δm,

χ=1+χ*.

В момент τ=0 в первом порядке малости по , и производным dχ*/dτ, dξ/dτ из уравнений (8-12) получим:

Учитывая, что в первом порядке малости

уравнения (13) и (14) записываем так:

Начальные условия для уравнений (15), (16) имеют вид:

χ*(0)=0, ξ(0)=0,

Систему (15-16) двух линейных уравнений второго порядка сведем к одному линейному уравнению четвертого порядка:

Начальные условия для уравнения (17) имеют вид:

χ*(0)=0;

Введем функцию . Для нее получим однородное уравнение:

при ρ'(0)=U;

Решим для (19) характеристическое уравнение:

; .

Общее решение уравнения (19) имеет вид:

ρ(φ)=C₁e^γφ+C₂e^-γφ+C₃cos(ωφ)+C₄sin(ωφ).

Постоянные интегрирования C₁, C₂, C₃, С₄ определим из начальных условий (20):

С учетом данных результатов для траектории иона получаем следующее уравнение:

Введем обозначения с учетом которых получим следующее выражение:

Как видно из уравнения (21), ион пересекает траекторию радиусом R (около χ*=0) в случае, если b₁=0 и b₂=0, что может осуществиться (см. фиг.3) при определенных значениях величин δm/δW и U/V, а именно при и Возьмем частицы, которые удовлетворяют таким условиям. Тогда для их траекторий получим следующее уравнение:

При возвращение к χ*(φ)=0 (на радиус R) будет при В случае выбранные частицы сфокусируются при следующем значении угла:

В точках фокусировки ионов с частицы с отходят от положения χ*(φ)=0 на максимальное расстояние, равное . Это означает, что приемник ионов в энерго-масс-анализаторе необходимо располагать в точке поворота траектории иона на угол φ₁=π/ω, на котором целевые ионы с δm=δW=0 фокусируются, а ионы с δm≠0 максимально отходят от основной траектории χ*(φ)=0.

Перейдем к случаю, когда b₁≠0, но начальные поперечные скорости U и V, для упрощения расчетов, но демонстрации эффекта, равны нулю и, следовательно, b₂=0. Для ионов с заданной их траектории определяются величиной δW/W. Пусть значение δW/W=-А_m. Различным δW/W соответствуют траектории двух классов. При δW/W<-А_m величина b₁<0, и ионы, не возвращаясь к χ*=0, уходят при φ→∞ на -∞ по χ*. Однако при δW/W>-А_m величина b₁>0, и ионы некоторое количество раз возвращаются к χ*=0, а при φ→∞ уходят на +∞ по χ*. Обязательно найдется такое значение δW/W, которое лежит в области , и при котором траектория иона с пройдет через χ*=0 при φ=φ₁. Это означает, что в детектор будут попадать ионы и других, кроме m₀, масс и для разделения ионов использование только сепарирующих возможностей данного набора электромагнитных полей недостаточно.

Для достижения поставленной цели привлечем прерывание траекторий нецелевых частиц на цилиндрических электродах анализатора (на стенках канала). Найдем условие, при котором ионы с массами, большими чем m₀+δm (δm>0), попадают на стенки, не дойдя до плоскости детектирования частиц φ=φ₁. Расположим проводящие цилиндрические поверхности, между которыми создается радиальное электрическое поле, на расстояниях и Рассмотрим такую траекторию иона при каком-то, пока неизвестном δW/W=-А_k, когда траектория лежит обязательно выше, чем Причем она касается при каком-то φ=φ₀, то есть Кроме того, пусть данная траектория проходит через точку , φ=φ₁. Тогда частицы с фиксированным значением вообще не попадут на фокусную плоскость φ=φ₁. Действительно, при δW/W<-A_k ионы гибнут на поверхности a при δW/W>-А_k они идут выше критической траектории δW/W=-A_k и гибнут на поверхности . Ионы с массами, большими, чем выбранная масса m, также попадают на электроды.

Таким образом, для фиксированного отношения надо определить критическую траекторию, для чего необходимо найти значения -A_k, χ_c и φ₀. Для этого есть три уравнения:

χ*(φ=φ₁)=χ_c;

χ*(φ=φ₀)=-χ_C.

Запишем эти уравнения, используя (21), при U=V=0:

Для решения системы (24-26) используем малость параметра ^γ/_ω; при этом φ₀<<1. Складывая (24) и (26), получаем:

Разлагая в уравнении (25) sin(ωφ₀) и sinh(γφ₀) до третьего порядка по φ₀, получим:

Из уравнения (27), в свою очередь, получаем:

Подставляя (28) и (29) в уравнение (24), находим:

Траектории частиц, имеющих массы, меньшие m (δm<0), будут располагаться симметрично по отношению к траекториям ионов с массами, большими m (δm>0). Симметрия траекторий будет реализовываться относительно линии χ*(φ)=0. Поэтому формула (30), определяя величину |χ_c|, задает расстояние от χ*(φ)=0 до стенок канала, на которых гибнут ионы с массами, отличающимися от m₀ на величину, большую чем |δm|. В результате, масс-анализ ионов в данном устройстве осуществляется и при наличии начального разброса по энергиям.

Теперь учтем конечный начальный разброс по углу для анализируемого потока ионов. Рассмотрим случай, когда b₂≠0, т.е. Обозначая через S=U(ω²-2)+2V/ε и решая уравнение (21), получаем, что в плоскости детектирования при φ₁=π/ω к величине χ*(φ₁) с b₁=b₂=0 добавляется величина Для того чтобы при наличии углового разброса у ионов исходного потока на детекторе не появлялись нецелевые частицы с массами m₀+Δm, где |Δm| существенно превышало бы |δm|, необходимо выполнение условия:

Используя то, что max|U|=max|V|=θ, где θ - максимальный угловой разброс анализируемого ионного потока, из (31) получим условие на допустимый угловой разброс:

При ε=1 величины γ и ω примерно равны соответственно 0,75 и 1,9. Тогда условие (32) модифицируется:

Таким образом, заявляемый энерго-масс-анализатор обеспечивает диагностику по массам как при определенном энергетическом, так и угловом разбросе у ионов анализируемого потока.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Поток анализируемых ионов с некоторым набором масс, имеющих различные энергии, входит через входную диафрагму в точке с радиусом R при φ=0 в область энерго-масс-анализатора - в зону действия электрических полей: радиального Е₀ и продольного E_z, магнитного поля В, направленного по радиусу. В отсутствие начального углового разброса ион, имеющий начальную скорость V_φ0, остается на траектории радиусом R, если он имеет энергию W₀, задаваемую величиной напряженности радиального электрического поля , аналогично работе энергоанализатора Юза-Рожанского. Движение вдоль оси Z (уход из области выходной диафрагмы; непопадание на детектор) исключается совместным действием полей E_z и В, задающих величину скорости иона, проходящего на детектор, , так же, как работает классический фильтр Вина. Ион другой массы будет оставаться на центральной основной траектории (радиусом R), если напряженность электрического поля Е_z, при фиксированных Е₀ и В, выбрана равной

Если отклонение массы m иона от значения m₀ малы, как и начальные разбросы по скоростям U и V, то при определенных значениях величин δm/δW и U/V, когда , будет наблюдаться пространственная фокусировка частиц (см. фиг.3) после поворота иона в анализаторе на угол В случае частицы сфокусируются при значении угла, равном . В точках фокусировки ионов с частицы с отходят от равновесной траектории на максимальное расстояние, равное .

Возможен случай при некотором значении δW/W, когда траектория иона с пройдет через точку фокусировки частиц с и в детектор будут попадать ионы и других, кроме m₀, масс. Для исключения перемешивания ионов разных масс на детекторе в энерго-масс-анализаторе по данной заявке используется, аналогично классическому фильтру скоростей Вина, прерывание траекторий нецелевых частиц (с массами, отличающимися от m₀ на величину, большую чем |δm|) на цилиндрических электродах анализатора, которые располагаются на расстоянии друг от друга, равном В результате, масс-анализ ионов в данном устройстве осуществляется и при наличии начального разброса по энергиям.

Если есть конечный начальный разброс потока анализируемых частиц по углу, нецелевые частицы не попадут на детектор, когда максимальный угловой разброс анализируемого ионного потока θ, например, для случая равенства напряженностей радиального и продольного электрических полей не превышает величину .

Таким образом, заявляемый энерго-масс-анализатор обеспечивает диагностику по массам как при наличии у ионов анализируемого потока энергетического, так и углового разброса. Для потока ионов одной массы анализатор обеспечивает измерение распределения ионов по энергиям.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Анализируемый поток ионов входит в заявляемое устройство - анализатор Вина-Юза-Рожанского через входную диафрагму 1 (фиг.1, 2) в точке с координатами φ=0, r=R. На заряженные частицы начинают действовать неоднородное радиальное магнитное поле В_r цилиндрического фильтра Вина, которое создается с помощью системы создания магнитного поля 2, неоднородное радиальное электрическое поле Е_r энергоанализатора Юза-Рожанского, которое создается с помощью двух цилиндрических электродов 3, и однородное электрическое поле Е_z цилиндрического фильтра Вина, создаваемое системой электродов 4. В результате энерго-масс-анализа в выходную диафрагму 5 и на детектор (приемник ионов) 6 попадают ионы заданной массы и энергии. На фиг.3 и 4 приведены примеры расчетов траекторий ионов при изменении азимутальной составляющей скорости (фиг.3) и величины начальных радиальной и Z-компоненты скоростей ионов (фиг.4).

Приемник ионов 6 расположен в точке поворота траектории целевого иона на угол φ=π/ω (ω, 1/рад), на котором данные ионы фокусируются, а ионы других масс максимально отходят от основной траектории. Цилиндрические электроды 3 анализатора выполнены с расстоянием между ними, равным

где γ, 1/рад - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории и гибнут на цилиндрических электродах; ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории, - на котором располагается детектор.

1. Способ анализа заряженных частиц по энергиям и массам, включающий анализ по энергиям в электрическом поле цилиндрического конденсатора - в энергоанализаторе Юза-Рожанского, анализ по массам в скрещенных электрическом и магнитном полях фильтра Вина, отличающийся тем, что анализ по энергиям и массам ведут в совмещенном радиальном электрическом поле энергоанализатора Юза-Рожанского и радиальном магнитном поле фильтра Вина и поперечном к ним продольном электрическом поле фильтра Вина, при этом детектор ионов располагают в точке поворота траектории на угол
φ=π/ω,
где ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории, 1/рад,
а цилиндрические электроды энергоанализатора Юза-Рожанского располагают с расстоянием между ними, определяемым формулой

где γ - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории, 1/рад.

2. Устройство для анализа заряженных частиц по энергиям и массам, содержащее энергоанализатор Юза-Рожанского и фильтр Вина, отличающееся тем, что фильтр Вина выполнен цилиндрическим, энергоанализатор Юза-Рожанского и фильтр Вина расположены так, что магнитные полюса фильтра Вина охватывают цилиндрические электроды энергоанализатора Юза-Рожанского, а пластины фильтра Вина, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских круглых электродов, размещенных по обе стороны относительно энергоанализатора Юза-Рожанского и магнитной системы фильтра Вина, при этом детектор ионов расположен в точке поворота траектории на угол
φ=π/ω,
где ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории, 1/рад,
а цилиндрические электроды энергоанализатора Юза-Рожанского выполнены с расстоянием между ними, равным

где γ - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории, 1/рад.