Способ анализа ионов по энергиям, массам и зарядам и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способу и устройству для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам с использованием электрических и магнитных полей и может быть использовано для определения элементного состава, например, плазмы рабочего вещества и при изучении поверхностей твердых тел. Технический результат изобретения – расширение функциональных возможностей существующих энерго-масс-анализаторов. Анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом и линейном фильтре Вина, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов. Анализатор по энергиям, массам и зарядам обеспечивает возможность анализа пучков ионов как по энергиям и массам, так и по зарядам, при анализе по массам и зарядам – работать с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими большой начальный угловой разброс, что обеспечивает большие апертуру и светосилу анализатора. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

 

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

Основными областями применения анализаторов ионов по энергиям, массам и зарядам 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, в частности, с помещением анализатора в область, занятую плазмой.

Для анализа потока ионов по нескольким параметрам, например, массам и энергиям используют последовательно расположенные энерго- и масс-анализаторы.

Известен способ и устройство для энерго-масс-анализа по схеме Маттауха-Герцога [Александров М.Л., Галль Л.Н., Саченко В.Д. Способ энергомасс-спектрального анализа состава веществ и устройство для его осуществления // Патент SU №1178257. - МПК H01J 49/30. - Опубл. 27.01.1996].

Известный способ реализуется следующим образом:

1) осуществляют пространственное разделение траекторий ионов в вертикальном направлении по энергиям и преобразование расходящегося в обоих направлениях пучка ионов в параллельные моноэнергетичные группы ионов в тороидальном электростатическом анализаторе;

2) осуществляют разделение ионов по массам в горизонтальном направлении и фокусировку параллельных пучков в точки фокальной поверхности, совпадающей с детектором, в магнитном анализаторе с однородным полем;

3) регистрируют во взаимно-ортогональных направлениях энерго- и масс-спектры анализируемого вещества пространственно-протяженным детектором.

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

1) осуществляют пространственное разделение траекторий ионов по энергиям;

2) осуществляют разделение ионов по массам;

3) регистрируют энерго-масс-спектр анализируемого потока ионов.

Недостатками известного способа являются:

1) анализ по массам проводится при работе только с моноэнергичными группами ионов исходного пучка; возможность анализа по массам групп ионов с широким непрерывным спектром по энергии отсутствует из-за перемешивания ионов разных энергий на детекторе;

2) увеличение ширины спектра по энергии в исходных группах ионов приводит к необходимости увеличения области создания однородного магнитного поля магнитного анализатора, что ведет к росту его габаритов;

3) отсутствует возможность определения зарядового состава в потоке ионов.

Устройство по патенту [Александров М.Л., Галль Л.Н., Саченко 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, электронно-оптическую линзу вертикальной фокусировки, щелевую диафрагму, расположенную в фокусе электронно-оптической линзы вертикальной фокусировки, электронно-оптическую линзу горизонтальной фокусировки, выходную щель источника ионов, установленную в переднем горизонтальном фокусе электростатического тороидального анализатора, электростатический тороидальный анализатор, магнитный анализатор с однородным полем и пространственно-протяженный детектор частиц с устройством считывания информации.

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

1) энергоанализатор;

2) детектор.

Недостатками известного устройства являются:

1) узкая входная апертура устройства, которая определяется размерами обязательных вертикальной и горизонтальной щелей, установленных перед электростатическим тороидальным анализатором;

2) большая по размеру область с однородным магнитным полем в магнитном анализаторе, размер которой определяется площадью сформированных после прохождения электростатического тороидального анализатора параллельных моноэнергетичных групп ионов;

3) наличие пространственно-протяженного детектора частиц, находящегося в зоне краевого магнитного поля магнитного анализатора, приводит к ухудшению разрешения устройства по массам и усложняет систему считывания информации.

Известен способ анализа ионов по энергиям и массам и устройство для его осуществления [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Лебедев Н.B. Способ анализа ионов по энергиям и массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2459310. - МПК H01J 49/00. - Опубл. 10.02.2012. - Бюлл. №23].

Известный способ реализуется следующим образом:

- анализ ионов по энергиям и массам ведут в совмещенных радиальных электрическом поле энергоанализатора Юза-Рожанского (ЮР) и магнитном поле секторного фильтра Вина (ФВ) и поперечном к ним продольном электрическом поле секторного ФВ,

- устанавливают напряженность радиального электрического поля Е0 энергоанализатора ЮР, задавая энергию ионов, движущихся по равновесной (осевой) окружности,

где:

Vϕ0 - скорость частицы на равновесной траектории,

R - радиус равновесной окружности,

- устанавливают величины индукции магнитного поля и напряженности электрического поля секторного ФВ такими, при которых скорость движения частицы по равновесной траектории равна Vϕ0 и отсутствует движение частицы вдоль поперечной к направлению движения потока оси Z:

где:

В - индукция магнитного поля совмещенного секторного ФВ,

Еz - напряженность электрического поля секторного ФВ,

с - скорость света,

- осуществляют анализ ионов по массе, изменяя при фиксированных Е0 и В величину напряженности электрического поля секторного ФВ Ez для выделения массы mi в соответствии с уравнением

- измеряют распределение ионов по энергии для потока ионов одной массы,

- угол поворота анализируемых ионов задают из условия фокусировки ионов под действием совокупности трех электромагнитных полей.

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

- осуществляют анализ потока ионов по энергиям,

- осуществляют анализ потока ионов массам,

- устанавливают величины индукции магнитного поля и напряженности электрического поля ФВ такими, при которых отсутствует движение иона вдоль поперечной к направлению движения потока оси Z,

- осуществляют анализ ионов по массам, изменяя при фиксированной индукции магнитного поля В величину напряженности электрического поля ФВ,

- измеряют распределение ионов по энергиям для потока ионов одной массы.

Недостатками известного способа являются:

- анализ по массам ведут для моноэнергетичного пучка ионов,

- отсутствует возможность определения зарядового состава пучка ионов.

Устройство по патенту [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ анализа ионов по энергиям и массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2459310. - МПК H01J 49/00. - Опубл. 10.02.2012]:

- содержит секторный ФВ, энергоанализатор ЮР и детектор ионов;

- энергоанализатор ЮР и ФВ расположены так, что магнитные полюса ФВ охватывают ггилиндрические пластины энергоанализатора ЮР, а пластины ФВ, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских электродов, размещенных по обе стороны относительно энергоанализатора ЮР и магнитной системы ФВ;

- 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,

а цилиндрические электроды выполнены с расстоянием между ними, равном

где:

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

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

- устройство содержит ФВ,

- устройство содержит детектор ионов.

Недостатками известного устройства являются:

- малая входная апертура устройства, которая определяет малый допустимый угловой разброс:

где:

m0 - масса настройки (центральная) фильтра Вина,

δm=m-m0 - диапазон анализируемых масс.

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство по патенту [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ анализа ионов по массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2431214. - МПК Н01J 49/48. - Опубл. 10.10.2011. - Бюлл. №28].

Способ по прототипу реализуется следующим образом:

- осуществляют выделение ионов заданной энергии с помощью энергоанализатора,

- в ФВ создают взаимно-ортогональные электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле,

- вводят ионы в ФВ,

- регистрируют ионы на детекторе, расположенном на выходе ФВ.

Признаками способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

- осуществляют выделение ионов заданной энергии,

- в ФВ создают взаимно-ортогональные электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле,

- вводят ионы в ФВ,

- регистрируют ионы на детекторе, расположенном на выходе ФВ.

Недостатками способа по прототипу являются:

- анализ по массам ведут для моноэнергетичного пучка ионов,

- отсутствует возможность определения зарядового состава пучка ионов.

Устройство по прототипу [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ анализа ионов по массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2431214. - МПК H01J 49/48. - Опубл. 10.10.2011. - Бюлл. №28] содержит:

- энергоанализатор,

- фильтр Вина, размещенный последовательно за энергоанализатором,

- детектор ионов, размещенный на выходе ФВ.

Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- фильтр Вина,

- детектор ионов.

Недостатками устройства по прототипу являются:

- малый допустимый угловой разброс потока ионов, что определяет малую входную рабочую апертуру устройства.

При создании способа анализа ионов по энергиям, массам и зарядам 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 энергиям и массам, так и по зарядам, а при анализе по массам и зарядам была обеспечена возможность работы с немоноэнергетичными пучками ионов, имеющими начальный угловой разброс, что позволяет увеличить светосилу прибора без увеличения его габаритов.

Технический результат достигается тем, что в способе анализа ионов по энергиям и массам, включающем анализ по энергиям в энергоанализаторе, анализ по массам в скрещенных электрическом и однородном, направленном вдоль пластин, создающих электрическое поле, магнитном поле ФВ и регистрацией ионов на детекторе, расположенном на выходе ФВ, согласно изобретению, анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом (ЭЗП) и ФВ, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам, содержащем ЭЗП, ФВ и детектор ионов, согласно изобретению, перед фильтром Вина расположен энергоанализатор с задерживающим потенциалом, а детектор ионов расположен на выходе фильтра Вина; области анализирующих полей энергоанализатора с задерживающим потенциалом и фильтра Вина разделены между собой электростатическим и магнитным экранами, а детектор выполнен с входным окном, площадь которого больше площади выходной диафрагмы фильтра Вина.

Преимуществами заявляемого анализатора по энергиям, массам и зарядам по сравнению с прототипом являются возможность анализа пучков ионов как по энергиям и массам, так и по зарядам, при анализе по массам и зарядам - работа с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими начальный угловой разброс, что определяет большие апертуру и светосилу анализатора, которые обеспечены тем, что анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в продольном электрическом поле ЭЗП и однородных скрещенных электрическом и магнитном полях ФВ, энергоанализатор с задерживающим потенциалом располагают перед ФВ, а детектор ионов располагают на выходе ФВ.

Реализуемые заявляемыми способом и устройством новые функции, включающие его способность работать в качестве анализатора как по энергиям и массам, так и зарядам, при анализе по массам и зарядам работать с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими начальный угловой разброс, позволяет рассматривать заявляемое устройство в новом качестве - анализатора по энергиям, массам и зарядам.

Заявляемый способ анализа ионов по энергиям, массам и зарядам и устройство для его осуществления поясняются чертежами, приведенными на Фиг. 1-7.

На Фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при реализации способа и устройства: Е - напряженность электрического поля между пластинами конденсатора в области движения потока анализируемых ионов ФВ; В - индукция магнитного поля между пластинами конденсатора в области движения потока анализируемых ионов ФВ; 1 - энергоанализатор с задерживающим потенциалом; 2 - фильтр Вина; 3 - детектор; С1 - входная сетка ЭЗП; С2 - разделительная сетка ЭЗП; С3 - анализирующая сетка ЭЗП.

На Фиг. 2 показан вариант исполнения ЭЗП заявляемого устройства: 4 - корпус; 5 - входная сетка; 6 - разделительная сетка; 7 - анализирующая сетка; 8 - коллектор; 9 - изоляторы.

На Фиг. 3 показан вариант исполнения ФВ и приведены характерные размеры ФВ: 10 - постоянный магнит-; 11 - полюсной наконечник; 12 - изолятор электрического ввода; 13 - пластина анализирующего конденсатора; 14 - магнитопровод; расстояние между пластинами конденсатора, например, 6 мм; расстояние между полюсными наконечниками магнитов, например, 16 мм; длина постоянных NeFeB-магнитов, например, L=50 мм.

На Фиг. 4 приведен пример для варианта исполнения №1 тока I с детектора (кривая задержки) при регистрации трехкомпонентного потока ионов, имеющих широкий спектр по энергии W от минимальной энергии в спектре Wmin до максимальной Wmax, с массами m1, m2 и m3 при фиксированной настройке ФВ при изменении потенциала анализирующей (С3) сетки Uан ЭЗП от нуля до величины eUан.max>Wmax, обеспечивающей запирание всех ионов налетающего потока.

На Фиг. 5 приведен для примера широкий спектр ионов по энергии от минимальной Wmin до максимальной Wmax. Спектр измерен на выходе плазменного ускорителя с анодным слоем при разрядном напряжении 1100 В, магнитной индукции на аноде 970 Гс, давлении аргона - плазмообразующего газа Р=9⋅10-5 Торр.

На Фиг. 6 приведены траектории одно- и двукратно заряженных ионов криптона в анализирующем пространстве фильтра Вина - в области поперечных к направлению движения ионов электрическом и магнитном постоянных однородных полях.

На Фиг. 7 приведены траектории одно-, двух- и трехкратно заряженных ионов ксенона в анализирующем пространстве фильтра Вина.

Устройство (Фиг. 1) содержит ЭЗП (позиция 1), ФВ (2) и детектор пучка ионов (3). Полюсные наконечники ФВ выполнены из магнито-мягкой стали и используются для выравнивания магнитного поля по всей площади постоянных NeFeB-магнитов. Оптимизированная форма полюсов обеспечивает подфокусировку потока ионов в плоскости, перпендикулярной скорости потока. Постоянные магниты применены для уменьшения габаритов ФВ. Такой ФВ можно помещать в вакуумный объем и использовать, например, для диагностики многокомпонентных плазменных потоков. Возможность изменения настройки ФВ при этом остается - с помощью электрического поля.

Ниже приведено краткое теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства (Фиг. 1) по данной заявке.

Фильтр Вина выполняется «коротким»: длина, например, L=50 мм; детектор размещен непосредственно на выходе ФВ. Это объясняется необходимостью иметь большую апертуру прибора. Такое свойство анализатора является обязательным при регистрации ионов, распространяющихся в многокомпонентных потоках и имеющих не прямолинейные, а трехмерные траектории движения. Кроме того, длина ФВ выполняется минимально возможной. Детектор выбирается также широкоапертурным с входным окном, площадь которого перекрывает выходную щель ФВ, например, вторично-эмиссионный умножитель ВЭУ-6.

Энергоанализатор с задерживающим потенциалом располагается в зоне рассеянных магнитных полей ФВ, но, из-за определяющего влияния на движение ионов в области ЭЗП электрического поля между близко расположенными сетками-электродами ЭЗП, искажением траекторий ионов в ЭЗП рассеянным магнитным полем ФВ можно пренебречь. Кроме того, ЭЗП и ФВ разделены стенкой-магнитопроводом, имеющим входную щель для ввода потока в ФВ.

Входная сетка С1 ЭЗП имеет нулевой потенциал (заземлена) и разделяет электрические поля ЭЗП и плазмы.

Ионы на входе в ЭЗП имеют широкий спектр по энергиям (пример-иллюстрацию смотри на Фиг. 5) и могут двигаться, в том числе, в потоке плазмы. Случай моноэнергетических пучков ионов, когда не нужен тандем ЭЗП-ФВ, а достаточно одного ФВ, мы не рассматриваем.

При подаче отрицательного потенциала UС2 на сетку С2, такого, что

eUC2>We,

где:

We - энергия электронов плазмы,

электроны отражаются в область между сетками С1 и С2 энергоанализатора и нейтрализуются на его стенках. В области С2-С3 движется только поток ионов.

Пусть ФВ настроен на определенную, так называемую, дрейфовую скорость, которая может быть выбрана для иона в пучке, масса которого известная (прогнозируемая),

где:

ν0 - скорость настройки ФВ (дрейфовая скорость),

Е - напряженность электрического поля в анализирующем пространстве ФВ,

В - индукция магнитного поля в анализирующем пространстве ФВ.

На анализирующей сетке ЭЗП потенциал равен нулю (не подается).

Ионы, имеющие скорость ν0, проходят через ФВ на детектор. Ион с массой m1, прошедший через ФВ, имеет энергию

Если ионы имеют широкий спектр по энергиям, на детектор пройдут ионы не только с массой m1, но и все другие, имеющиеся в пучке, для которых выполняется условие

или с учетом (1), (2)

На детектор, расположенный на выходе ФВ, будет приходить смесь ионов m1…mk; система регистрации будет выдавать суммарный максимальный токовый сигнал - разделения по массам m1…mk не будет.

При подаче на анализирующую сетку С3 ЭЗП положительного напряжения Uан ионы налетающего потока тормозятся; их энергии становятся равными W0k=W0k-eUанk. Скорости ионов перед С3 изменяются как . Часть ионов, кинетические энергии которых меньше соответствующих анализирующему напряжению величин eUaнk, отражаются в пространство между сетками С3 и С2 ЭЗП и нейтрализуются на его стенках. Прошедшие через сетку С3 ионы доускоряются в промежутке С3-входная диафрагма (щель) ФВ, которая находится под нулевым потенциалом (заземлена), до энергий, которые они имели на входе в ЭЗП; энергетический спектр прошедших через ЭЗП частиц, таким образом, не изменяется при вариации U.

Пусть известно, что в потоке ионов есть ионы трех масс: m1, m2 и m3, причем m1<m2<m3. На детекторе ионы массы m1 не исчезнут, пока тормозящим полем сетки С3 ЭЗП не будут отражены ионы массы m1 с энергиями от исходной минимальной Wmin.1 до энергии настройки W0+ΔW, где ΔW - абсолютное разрешение ФВ по энергиям. На кривой задержки I=ƒ(Uан) ток в данных условиях будет определяться как I=I1+I2+I3 (смотри Фиг. 4). При дальнейшем увеличении Uан ионы массы m1 выходят из области настройки ФВ, сигнал от этих ионов исчезает со скоростью, определяемой энергетическим разрешением ФВ. На кривой задержки амплитуда тока уменьшается до уровня I=I1+I2. При еще больших величинах Uан исчезнет вклад и от ионов с массой m2 и ток ионов будет определяться лишь током частиц с массой m3. Ток с детектора станет нулевым при eUан≥Wmax.3+ΔW. На кривой задержки будут видны ступеньки тока, число которых равно числу разных масс у ионов в налетающем потоке, - 3 в нашем случае. Дифференцирование кривой задержки дает распределение ионов по энергиям - dI/dW, на котором видны 3 пика ионов, начиная с самых легких, на различных энергиях, соответствующих ионам трех разных масс (смотри Фиг. 4). Так как условие прохождения ионов на детектор известно (формула (3)), известны величины электрического Е и магнитного В полей, то по полученным наиболее вероятным энергиям для трех пучков ионов автоматически вычисляются их массы: .

Интегрирование функций распределения выделенных анализатором ионов дает плотности частиц той или иной массы.

Фильтр Вина с параметрами L=50 мм, ширинами входной и выходной щелей d0=dL=1 мм при В=0,25 Тл, W0=1 кэВ имеет небольшое разрешение по энергиям: RW≈2 (ΔW ≈ 500 эВ). Дополнительным преимуществом использования ЭЗП в тандеме с ФВ является возможность улучшить, по сравнению только с ФВ, разрешение по энергиям, определяемое как отношение полуширины спектра на его полувысоте, в определенных энергетических диапазонах на разных стадиях сканирования.

Таким образом, анализ по энергиям и массам в анализаторе для потока ионов, имеющих широкий спектр по энергиям, оказывается возможным.

Для расширения функциональных возможностей анализатор ЭЗП - ФВ - детектор можно дополнить убирающимся коллектором, располагаемым на выходе ЭЗП. Это позволит перед анализом по массам и зарядам измерить суммарный спектр всех ионов по энергиям, определить диапазон энергий Wmax - Wmin, наиболее вероятную энергию, увидеть особенности спектра. Данная информация будет полезна при настройке ФВ и анализе ионов по массам и зарядам.

Известно, что «короткий» ФВ с взаимно перпендикулярными анализирующими полями, в котором геометрическая длина траекторий движения за период циклоид для одно- и многократно заряженных ионов много больше длины ФВ (для иллюстрации смотри Фиг. 6), практически не может различать ионы одной массы, движущиеся с одинаковой скоростью, но имеющие разные заряды. Например, для ФВ, приведенного на Фиг. 3, как одно-, так и двухзарядные ионы криптона Кr+ и Кr2+ с энергией 1 кэВ проходят (и перемешиваются) через ФВ с выходной щелью шириной 0,8 мм при 68 В<UФВ<74 В; только Кr+ проходит, когда 68 В<UФВ<69 В и 74 В<UФВ<76 В. Видно, что диапазон прохождения для Кr2+ лежит внутри диапазона прохождения Кr+ и, таким образом, преимущественно наблюдается перекрытие диапазонов прохождения, поэтому существует проблема выделения ионов одной массы, имеющих разные заряды.

Есть практически важная задача выяснения механизма формирования функции распределения ионов в потоке, генерируемом плазменным ускорителем, плазменным двигателем, предназначенным для космических аппаратов. В качестве плазмообразующего газа здесь чаще используется ксенон, который имеет одно-, двух- и трехкратно заряженные ионы (Хе+, Хе2+, Хе3+). Через ФВ (Фиг. 3) ионы проходят при следующих напряжениях между пластинами:

Хе+: 53,70 В≤UФВ≤61,38 В;

Хе2+: 55,62 В≤UФВ≤59,46 В;

Хе3+: 56,26 В≤UФВ≤58,82 В.

Видно, что диапазон прохождения Хе3+ лежит внутри диапазонов прохождения как Хе+, так и Хе2+; диапазон прохождения Хе2+ (см. Фиг. 7) лежит внутри диапазона прохождения Хе+. С большими трудностями, которые связаны со значительным энергетическим разбросом пучков ионов и конечным энергетическим разрешением ФВ, можно выделить лишь однократно заряженный ион ксенона. Следует заметить, что, теоретически, из широкого спектра можно выделить еще и самый легкий и самый тяжелый ионы, если настройку ФВ делать, соответственно, на величины с учетом абсолютного разрешения ФВ по энергиям ΔW. Трудности в данном случае связаны с тем, что придется регистрировать малые токи ионов, так как названные настройки подразумевают работу на хвостах функции распределения ионов по энергиям.

При регистрации анализатором потока ионов с разными зарядами, с известной одинаковой массой m, имеющих широкий спектр по энергиям, когда нет задерживающего потенциала Uан на анализирующей сетке С3 ЭЗП, а ФВ настроен на энергию W0 однократно заряженного иона, на детектор проходят ионы со всеми кратностями заряда, энергии которых удовлетворяют условию ; ток детектора максимальный.

При увеличении Uан ион с большим зарядом в электрическом поле ЭЗП будет тормозиться сильнее, так как сила, действующая на ион, F=qEан прямо пропорциональна его заряду q и напряженности электрического поля Еан между анализирующей С3 и разделительной С2 сетками ЭЗП. При eU ≈ W0/3+ΔW из апертуры ФВ уйдут ионы с q=3; когда eU ≈ W0/2+ΔW - уйдут ионы с зарядом q=2; если будет достигнуто значение eU ≈ W0+ΔW - и ионы с q=1 выйдут из апертуры ФВ. Таким образом, ток детектора при наличии ионов с разной кратностью заряда при росте Uан будет ступенчато уменьшаться (кривая задержки будет подобна приведенной на Фиг. 4). Максимальная кратность заряда будет равна числу ступеней на кривой задержки. Амплитуда ступенек тока будет пропорциональна содержанию в потоке ионов с разной кратностью заряда. Дифференцирование кривой задержки даст количественную характеристику - плотность ионов с разной кратностью заряда.

Таким образом, анализ по зарядам в анализаторе для потока ионов с разными зарядами, с известной одинаковой массой m, имеющих широкий спектр по энергиям, оказывается возможным; тандем ЭЗП плюс ФВ в данном случае становится анализатором «кратности заряда» потока ионов.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Многокомпонентный поток ионов, имеющих различные энергии, вводят в ЭЗП через сетку С1 (Фиг. 1), имеющую нулевой потенциал, экранирующую электростатическое ноле анализатора от полей в плазме в области перед ЭЗП.

На сетку С2 ЭЗП подают отрицательный потенциала UC2, такой, что eUС2>We. Электроны, проникшие через сетку С1, отражают тормозящим их электрическим полем в область между сетками С1 и С2 энергоанализатора, где они нейтрализуются на стенках.

Настраивают ФВ на определенную дрейфовую скорость , которая выбирается для иона, масса которого известная (или прогнозируемая).

Регистрируют на детекторе прошедшие через ФВ ионы, для которых выполняется условие .

На анализирующую сетку С3 ЭЗП подают положительное напряжение U, тормозя тем самым ионы налетающего потока; их энергии становятся равными W0k=W0k-eUaнk а скорости ионов изменяются так: .

Отражают в пространство между сетками С3 и С2 ЭЗП часть ионов, кинетические энергии которых меньше соответствующих анализирующему напряжению величин еUан.k.

Ионы, прошедшие через сетку С3, доускоряют в промежутке С3 - входная диафрагма ФВ до энергий, которые они имели на входе в ЭЗП; таким образом, энергетический спектр прошедших частиц не изменяется при вариации Uан.

В потоке ионов трех масс: m1, m2 и m3 (m1<m2<m3) регистрируют ионы массы m1 на детекторе, пока тормозящим полем сетки С3 ЭЗП не будут отражены ионы массы m1 с энергиями от исходной минимальной Wmin.1 до энергии настройки W0 с учетом разрешения по энергиям ΔW. На кривой задержки I=ƒ(Uан) ток в данных условиях будет определяться как I=I1+I2+I3.

Увеличивают Uан пока ионы массы m1 не выйдут из области настройки ФВ. Сигнал от этих ионов исчезает со скоростью, определяемой энергетическим разрешением ΔW фильтра Вина. На кривой задержки амплитуда тока уменьшится до уровня I=I1+I2.

Увеличивают Uан до тех пор, пока на детекторе не исчезнет вклад от ионов с массой m2, а ток ионов будет определяться лишь током частиц с массой m3.

Увеличивают анализирующее напряжение до величины eU≥Wmax.3. Ток детектора станет равным нулю.

Регистрируют кривую задержки, имеющую ступенчатую форму, число ступенек на которой равно числу разных масс у ионов в налетающем потоке - 3 в нашем случае.

Дифференцируют кривую задержки, получая распределение ионов по энергиям - dI/dW, на котором видны 3 пика ионов, начиная с самых легких, на различных энергиях, соответствующих ионам трех разных масс (подобно данным, приведенным на Фиг. 4).

По полученным наиболее вероятным энергиям для трех пучков ионов вычисляют массы ионов по формуле .

Вычисляют плотности частиц той или иной массы путем интегрирования функций распределения выделенных анализатором ионов.

При регистрации анализатором потока ионов одной массы m с разными зарядами, имеющих широкий спектр по энергии, заявляемый способ реализуется следующим образом;

ФВ настраивают на энергию W0 однократно заряженного иона.

Регистрируют на детекторе максимальный ток ионов, вклад в который вносят ионы со всеми кратностями заряда, энергии которых удовлетворяют условию .

Увеличивают U до величины eUан ≈ W0/3+ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=3.

Увеличивают U до величины eU ≈ W0/2+ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=2.

Увеличивают U до величины eU ≈ W0+ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=1.

Таким образом, ток детектора при наличии ионов с разной кратностью заряда при росте U, будет ступенчато уменьшаться (кривая задержки подобна приведенной на Фиг. 4). Максимальная кратность заряда будет равна числу ступеней на кривой задержки. Амплитуда ступенек тока будет пропорциональна содержанию в потоке ионов с разной кратностью заряда.

Дифференцируют кривую задержки, получая количественную характеристику потока ионов - плотность ионов с разной кратностью заряда.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Устройство содержит ЭЗП (позиция 1 на Фиг. 1), ФВ (2) и детектор ионов (3). ЭЗП расположен перед ФВ. Детектор ионов расположен на выходе ФВ. ЭЗП и ФВ выполнены с большими входными апертурами, что позволяет повысить чувствительность анализатора и регистрировать частицы, которые имеют трехмерные траектории. Фильтр Вина выполнен коротким: длина L=50 мм; детектор ионов размещен непосредственно на выходе ФВ. Области анализирующих полей ЭЗП и ФВ разделены между собой электростатическим и магнитным экранами. Детектор выполнен с входным окном, площадь которого больше площади выходной диафрагмы-щели ФВ.

Таким образом, заявляемый анализатор обеспечивает диагностику по энергиям, массам и зарядам как при наличии у ионов анализируемого потока энергетического, так и углового разброса.

1. Способ анализа ионов по энергиям и массам, включающий анализ по энергиям в энергоанализаторе, анализ по массам в скрещенных электрическом и однородном, направленном вдоль пластин, создающих электрическое поле, магнитном поле фильтра Вина и регистрацию ионов на детекторе, расположенном на выходе фильтра Вина, отличающийся тем, что анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом и фильтре Вина, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов.

2. Устройство для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам, содержащее фильтр Вина и детектор ионов, отличающееся тем, что перед фильтром Вина расположен энергоанализатор с задерживающим потенциалом, а детектор ионов расположен на выходе фильтра Вина; области анализирующих полей энергоанализатора с задерживающим потенциалом и фильтра Вина разделены между собой электростатическим и магнитным экранами, а детектор выполнен с входным окном, площадь которого больше площади выходной диафрагмы фильтра Вина.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам, обеспечивающим анализ потоков заряженных частиц по энергиям с помощью анализатора с задерживающим потенциалом в присутствии фоновой плазмы с положительным плазменным потенциалом, и может быть использовано при изучении поверхности твердых тел, исследовании структуры вещества и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме, при решении плазменных задач геофизики и физики космического пространства, при исследовании потоков плазмы, генерируемых ускорителями плазмы.

Изобретение относится к способам и устройствам, обеспечивающим анализ потоков заряженных частиц по массам с помощью электромагнитных полей, и может быть использовано для определения элементного или изотопного состава плазмы рабочего вещества.

Изобретение относится к области фокусирующих систем электронной и ионной оптики. .

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов радиационными методами и может быть применено для диагностики структуры и состава поверхности и приповерхностных слоев твердых и жидких тел.

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.

Изобретение относится к физической электронике, в частности, к электронной и ионной спектроскопии, и может быть использовано для анализа по энергиям и направлениям движения потоков заряженных частей, эмиттируемых поверхностью твердого тела или испускаемых из объема газа.

Изобретение относится к растровой электронной микроскопии (РЭМ) и предназначено для получения изображений отдельных тонких глубинных слоев исследуемого объекта в режиме регистрации отраженных электронов (ОЭ).

Изобретение относится к спектрометрии корпускулярных излучений, преимущественно к исследованию энергетических спектров космических частиц на ИСЗ и космических аппаратах.
Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в электронных спектрометрах, обладающих угловым разрешением, составляющим десятые доли градуса и меньше, и энергетическим разрешением Е, меньшим величины теплового разброса электронов Ес 0,2 - 0,6 эВ, эмиттированных катодом пушки.

Изобретение относится к способу восстановления данных в атомно-зондовой томографии, в частности, относящихся к построению масс-спектров. Способ заключается в последовательном применении методики определения масс ионов по их времени пролета от исследуемого образца, на который подается постоянное напряжение, до позиционно чувствительного детектора, находящегося на определенном расстоянии от образца, и последующей корректировке длин пролета и вкладов напряжения для каждого зарегистрированного иона, которая заключается в последовательном разбиении общего массива данных на основании координат ионов, номеров их регистрации, и подаваемого в момент их регистрации напряжения, с дальнейшим вычислением корректируемых параметров, путем сравнения значений масс выбранных пиков масс-спектров для атомов в ячейке разбиения с теоретически известным положением.

Изобретение относится к области спектрометрии. Спектрометр подвижности ионов содержит ионизатор для ионизации образца; детектор, отделенный от ионизатора дрейфовой камерой, вдоль которой ионы могут перемещаться от ионизатора к детектору; затвор для управления перемещением ионов от ионизатора в дрейфовую камеру; модификатор ионов, установленный между ионизатором и детектором и содержащий первый электрод и второй электрод; и источник напряжения, сконфигурированный для приложения, между первым электродом и вторым электродом, напряжения, изменяемого во времени, при этом частота напряжения, изменяемого во времени, составляет по меньшей мере 2,5 МГц.

Изобретение относится к области спектрометрии. Способ спектрометрии ионной подвижности включает определение наличия в образце ионов, имеющих первую характеристику, и в случае, когда определено, что образец содержит ионы, имеющие первую характеристику, приложение тепловой энергии совместно с радиочастотным электрическим полем к исходным ионам с получением дочерних ионов, имеющих вторую характеристику, для установления по меньшей мере одного типа для исходных ионов на основании первой характеристики и второй характеристики, где приложение тепловой энергии включает нагрев той области спектрометра, где приложено радиочастотное электрическое поле, причем указанную область нагревают больше, чем другие области спектрометра.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Технический результат - обеспечение возможности плавно управлять соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности в многоотражательном времяпролётном масс-спектрометре без сужения анализируемого массового диапазона.

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава ионов плазмы. Времяпролетный спектрометр содержит вакуумную камеру (1), в которой последовательно расположены труба дрейфа (2) и детектор ионов (7), на входном и выходном торцах трубы дрейфа (2) установлены электроды (3, 4), прозрачные для ионов и электрически связанные с ней.

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для создания масс-спектрометров типа трехмерной ионной ловушки с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Изобретение относится к спектрометрии на основе анализа подвижности ионов и может быть использовано для распознавания веществ. Детектор проб устройства для спектрометрии подвижности ионов содержит корпус, имеющий впускное отверстие, предназначенное для введения текучей среды, например воздушного потока, из окружающей среды.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Двухканальный масс-спектрометр по времени пролета с однонаправленными каналами включает параллельные двухканальные ускорители (1), вакуум-камеру (2), источник (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, два детектора (4, 5) ионов и ионный коллиматор (6); при этом, когда ионные пучки, создаваемые источником (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, поступают в двухканальные ускорители (1), части ионных пучков соответственно ускоряются в одном направлении к двум детекторам (4, 5) ионов и регистрируются.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, преимущественно для космических исследований и для применения в других областях при условиях жестких ограничений массы и габаритов.

Изобретение относится к спектрометрам ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых, наркотических, опасных и токсичных веществ, проведения медицинской диагностики, контроля качества пищевой продукции и промышленных материалов.

Изобретение относится к способу и устройству для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам с использованием электрических и магнитных полей и может быть использовано для определения элементного состава, например, плазмы рабочего вещества и при изучении поверхностей твердых тел. Технический результат изобретения – расширение функциональных возможностей существующих энерго-масс-анализаторов. Анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом и линейном фильтре Вина, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов. Анализатор по энергиям, массам и зарядам обеспечивает возможность анализа пучков ионов как по энергиям и массам, так и по зарядам, при анализе по массам и зарядам – работать с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими большой начальный угловой разброс, что обеспечивает большие апертуру и светосилу анализатора. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх