RU2266587C1 - Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer - Google Patents
Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2266587C1 RU2266587C1 RU2004122707/28A RU2004122707A RU2266587C1 RU 2266587 C1 RU2266587 C1 RU 2266587C1 RU 2004122707/28 A RU2004122707/28 A RU 2004122707/28A RU 2004122707 A RU2004122707 A RU 2004122707A RU 2266587 C1 RU2266587 C1 RU 2266587C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- drift
- plasma
- ions
- ion
- pipe
- Prior art date
Links
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава плазмы.The invention relates to the field of spectrometry of charged particles and can be used to measure the charge and mass composition of the plasma.
Известен времяпролетный способ измерения спектра ионов [1] путем их экстракции из плазмы, ускорения и формирования пучка, коротко-импульсного воздействия на ионы пучка радиального электрического поля в течение 100 нс и последующей транспортировке пучка ионов в трубе дрейфа и его регистрации детектором.A known time-of-flight method for measuring the spectrum of ions [1] by extraction from plasma, acceleration and beam formation, short-pulse exposure of the beam ion to a radial electric field for 100 ns and subsequent transportation of the ion beam in the drift tube and its detection by the detector.
Разделение ионов по массам, заряду и энергии реализуется в указанном способе не для всего пучка, длительность которого может существенно превышать 100 нс, а только для той части пучка, которая прошла систему колец во время наличия на ней радиального электрического поля. Радиальное электрическое поле фокусирует ионы пучка на детектор малых размеров. Детектор перекрыт от прямого попадания нефокусируемого пучка. Таким образом, ионы пучка, прошедшие через систему радиального отклонения, в последующем при транспортировке в камере дрейфа разделяются по времени их прихода на детектор в зависимости от их массы и энергии.The separation of ions by mass, charge and energy is realized in the indicated method not for the entire beam, the duration of which can substantially exceed 100 ns, but only for that part of the beam that passed through the ring system during the presence of a radial electric field on it. A radial electric field focuses the beam ions on a small detector. The detector is blocked from direct impact of the unfocused beam. Thus, the beam ions passing through the radial deflection system, subsequently, when transported in the drift chamber, are separated by the time they arrive at the detector, depending on their mass and energy.
Времяпролетный спектрометр, реализующий указанный выше способ [1], содержит источник ускоренных ионов, систему концентрических колец, расположенную перпендикулярно оси движения пучка ионов, и коллектор ионов. На концентрически расположенные кольца импульсно подается напряжение смещения таким образом, что ионы, проходя в зазоре между кольцами в течение действующего импульса напряжения, получают импульс энергии радиальной направленности и в последующем фокусируются в области коллектора. В отсутствие напряжения смещения пучок ионов проходит систему колец без изменения траекторий движения ионов.A time-of-flight spectrometer implementing the above method [1] contains an accelerated ion source, a concentric ring system located perpendicular to the axis of motion of the ion beam, and an ion collector. The bias voltage is applied to the concentrically arranged rings in such a way that the ions passing in the gap between the rings during the current voltage pulse receive a radial energy pulse and are subsequently focused in the collector region. In the absence of bias voltage, the ion beam passes through a system of rings without changing the ion trajectories.
Таким образом, из общей длительности ионного пучка Т выделяется импульс ионов длительностью τ. На пролетной базе между системой колец и коллектором ионы разной зарядности и массы разделяются и приходят на коллектор в разное время.Thus, an ion pulse of duration τ is distinguished from the total duration of the ion beam T. On the span base between the ring system and the collector, ions of different charge and mass are separated and come to the collector at different times.
Недостатком способа и спектрометра является необходимость иметь предварительно сформированный поток ускоренных ионов. Этот спектрометр не может быть использован для анализа зарядового и массового состава плазмы.The disadvantage of this method and spectrometer is the need to have a preformed stream of accelerated ions. This spectrometer cannot be used to analyze the charge and mass composition of the plasma.
Известен также способ измерения спектра ионов [2] путем экстракции из плазмы и ускорения ионов в ускоряющем промежутке, последующей инжекции и транспортировки ионного пучка в трубе дрейфа для разделения его на отдельные сгустки в соответствии с зарядовым, массовым и энергетическим составом ионов и детектирования разделенных сгустков. Ускорение ионов осуществляют приложением импульса положительной полярности к узлу ввода плазменного потока в спектрометр и заземлением трубы дрейфа. В результате ускоряющий промежуток образован узлом ввода плазмы и входным торцом трубы дрейфа. Способ выбран за прототип.There is also a method of measuring the ion spectrum [2] by extraction from plasma and accelerating ions in the accelerating gap, subsequent injection and transportation of the ion beam in the drift tube to separate it into individual bunches in accordance with the charge, mass and energy composition of the ions and detect the separated bunches. The acceleration of ions is carried out by applying a pulse of positive polarity to the input site of the plasma flow into the spectrometer and grounding the drift pipe. As a result, the accelerating gap is formed by the plasma input unit and the input end of the drift tube. The method selected for the prototype.
Недостаток способа заключается в технической сложности его реализации. Длительность ионного пучка должна быть малой, обеспечивающей при полном ускоряющем напряжении разделение ионов по массе и зарядности в трубе дрейфа разумной длины (например, несколько метров). Таким образом, область применения способа ограничивается только ускорителями и источниками ионов наносекундной длительности. Способ не применяется для анализа спектра плазмы.The disadvantage of this method lies in the technical complexity of its implementation. The duration of the ion beam should be short, ensuring at full accelerating voltage the separation of ions by mass and charge in a drift tube of a reasonable length (for example, several meters). Thus, the scope of the method is limited only by accelerators and ion sources of nanosecond duration. The method is not used for plasma spectrum analysis.
Известен также времяпролетный спектрометр [2], реализующий данный способ и состоящий из последовательно расположенных в вакуумной камере источника плазмы, ускоряющего промежутка, трубы дрейфа и коллектора ионов. Выходная диафрагма источника плазмы является узлом ввода плазменного потока в спектрометр. Ускоряющий промежуток образован между выходной диафрагмой источника плазмы и входом трубы дрейфа, для чего к выходной диафрагме источника плазмы подсоединен высоковольтный вывод импульсного источника ускоряющего напряжения положительной полярности. Труба дрейфа подключена к заземленному выводу источника напряжения. При подаче короткого по длительности импульса ускоряющего напряжения положительной полярности на выходную диафрагму источника плазмы из него извлекаются и ускоряются ионы. Сформированный ионный пучок, при своем движении в трубе дрейфа, разделяется на отдельные сгустки в соответствии с зарядовым, массовым и энергетическим составом ионов. По времени прихода на коллектор ионов определяется массовый и зарядовый состав пучка. Доля каждого вида ионов в общем пучке определяется по соотношению площадей пиков осциллограммы тока с коллектора.Also known is a time-of-flight spectrometer [2], which implements this method and consists of a plasma source, an accelerating gap, a drift tube, and an ion collector located in series in a vacuum chamber. The output diaphragm of the plasma source is the node for introducing the plasma flow into the spectrometer. An accelerating gap is formed between the output diaphragm of the plasma source and the input of the drift pipe, for which a high-voltage output of a pulse source of accelerating voltage of positive polarity is connected to the output diaphragm of the plasma source. The drift pipe is connected to the grounded terminal of the voltage source. When a short pulse of accelerating voltage of positive polarity is applied to the output diaphragm of the plasma source, ions are extracted and accelerated from it. The formed ion beam, when it moves in the drift tube, is divided into separate bunches in accordance with the charge, mass and energy composition of the ions. The mass and charge composition of the beam is determined by the time of arrival of ions on the collector of ions. The fraction of each type of ion in the total beam is determined by the ratio of the peak areas of the current waveform from the collector.
Недостатком данного спектрометра является то, что извлечение ионов происходит непосредственно из источника, который находится под ускоряющим потенциалом. Данный спектрометр не позволяет измерять зарядово-массовый состав ионов в свободной плазме или движущемся направленно потоке плазмы на любом расстоянии от источника.The disadvantage of this spectrometer is that the extraction of ions occurs directly from the source, which is under the accelerating potential. This spectrometer does not allow measuring the charge-mass composition of ions in a free plasma or in a directionally moving plasma stream at any distance from the source.
Задачей изобретения является создание способа измерения спектра ионов и времяпролетного спектрометра ионов с более широкими функциональными возможностями.The objective of the invention is to provide a method for measuring the spectrum of ions and a time-of-flight ion spectrometer with wider functionality.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности измерения зарядово-массового состава ионов плазмы, создаваемой любым источником плазмы и на любом расстоянии от него.The technical result achieved by the invention lies in the possibility of measuring the charge-mass composition of plasma ions generated by any plasma source and at any distance from it.
Поставленная задача решается тем, что способ измерения спектра ионов, как и прототип, предусматривает ускорение ионов плазмы, их транспортировку в трубе дрейфа для разделения по массе, заряду и энергии с последующей регистрацией разделенных сгустков. В отличие от прототипа в предлагаемом способе анализируемая плазма непосредственно контактирует с входом трубы дрейфа, а ускорение ионов осуществляют подачей на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности. Длительность импульса выбирают меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы с наибольшим соотношением Z/Mi, где Z - зарядность ионов в плазме, Mi - масса ионов.The problem is solved in that the method of measuring the spectrum of ions, like the prototype, involves accelerating plasma ions, transporting them in a drift tube for separation by mass, charge and energy, followed by registration of separated bunches. In contrast to the prototype in the proposed method, the analyzed plasma is directly in contact with the input of the drift pipe, and the ion acceleration is carried out by applying a voltage pulse of negative polarity to the drift pipe. The pulse duration is chosen to be shorter than the transit time in the drift tube of accelerated ions of the analyzed plasma with the highest Z / Mi ratio, where Z is the charge of ions in the plasma, Mi is the mass of ions.
Ускоряющий промежуток не задан конструктивными элементами устройства, как это имеет место в прототипе, а формируется между входным торцом трубы дрейфа и плазмой при подаче отрицательного ускоряющего потенциала на трубу дрейфа. Здесь в плазме образуется слой разделения заряда, и ускоренные в этом слое у входа трубы дрейфа ионы сразу попадают в трубу дрейфа. Во время дрейфа в трубе ионы пространственно разделяются в соответствии с их скоростью движения Vi, которая определяется из выраженияThe accelerating gap is not defined by the structural elements of the device, as is the case in the prototype, but is formed between the input end of the drift pipe and the plasma when a negative accelerating potential is applied to the drift pipe. Here, a charge separation layer is formed in the plasma, and ions accelerated in this layer at the entrance of the drift tube immediately fall into the drift tube. During the drift in the tube, the ions are spatially separated in accordance with their speed of movement V i , which is determined from the expression
где е - заряд электрона, U - ускоряющее напряжение.where e is the electron charge, U is the accelerating voltage.
Выбирая длительность импульса ускоряющего напряжения меньшей времени пролета в трубе дрейфа ионов с наибольшим соотношением Z/Mi, обеспечивают приход на детектор даже самых быстрых ионов после окончания действия ускоряющего напряжения. Таким образом, ни один сорт анализируемых ионов не попадает в тормозящее электрическое поле, существующее во время действия импульса напряжения между выходным торцом трубы дрейфа и детектором. По времени прихода ионов на детектор и амплитудам сигнала с детектора определяют зарядовый и массовый составы ионов плазмы.Choosing the pulse duration of the accelerating voltage is shorter than the time of flight in the ion drift pipe with the highest Z / M i ratio, even the fastest ions arrive at the detector after the action of the accelerating voltage. Thus, not a single sort of analyzed ions enters the braking electric field that exists during the action of a voltage pulse between the output end of the drift tube and the detector. From the time of arrival of ions at the detector and the amplitudes of the signal from the detector, the charge and mass compositions of plasma ions are determined.
В устройстве поставленная задача решается тем, что времяпролетный спектрометр ионов, как и прототип, содержит трубу дрейфа и детектор, последовательно расположенные в вакуумной камере, а также импульсный источник ускоряющего напряжения. В отличие от прототипа импульсный источник ускоряющего напряжения выполнен отрицательной полярности и высоковольтным выводом электрически соединен с трубой дрейфа, а другим выводом соединен с заземленным корпусом вакуумной камеры. При этом импульсный источник ускоряющего напряжения выполнен с длительностью импульса τy, удовлетворяющей соотношениюIn the device, the task is solved in that the time-of-flight ion spectrometer, like the prototype, contains a drift tube and a detector sequentially located in the vacuum chamber, as well as a pulsed accelerating voltage source. Unlike the prototype, the pulse source of the accelerating voltage is made of negative polarity and the high-voltage output is electrically connected to the drift pipe, and the other output is connected to the grounded body of the vacuum chamber. In this case, the pulse source of the accelerating voltage is made with a pulse duration τ y satisfying the relation
где lт.д. - длина трубы дрейфа, Mi/Z -наибольшее соотношение массы ионов к зарядности для ионов анализируемой плазмы; U - ускоряющее напряжение.where l etc. is the length of the drift tube, Mi / Z is the largest ratio of ion mass to charge for ions of the analyzed plasma; U is the accelerating voltage.
Для увеличения длины участка свободного дрейфа ионов при фиксированной длине трубы дрейфа вход и выход трубы дрейфа целесообразно закрыть электродами, прозрачными для ионов, например сетками.In order to increase the length of the free drift region of ions with a fixed length of the drift pipe, it is advisable to close the entrance and exit of the drift pipe with electrodes transparent to ions, for example, grids.
Для улучшения условий транспортировки ускоренных ионов в трубе дрейфа электрод, расположенный на входном торце трубы дрейфа, выполняют выпуклым наружу от трубы дрейфа. Это обеспечивает фокусировку пучка и уменьшает попадание анализируемых ионов на стенки трубы.To improve the conditions for the transport of accelerated ions in the drift pipe, the electrode located at the inlet end of the drift pipe is convex outward from the drift pipe. This ensures beam focusing and reduces the penetration of the analyzed ions on the pipe walls.
Длина ускоряющего промежутка, формирующегося вблизи электрода на входе трубы дрейфа, зависит как от свойств плазмы, таких как: плотность плазмы, сорт ионов, наличие направленной вдоль оси трубы дрейфа скорости плазмы, температуры плазмы, так и от амплитуды и длительности ускоряющего напряжения, и может изменяться от долей миллиметра до десятков сантиметров.The length of the accelerating gap formed near the electrode at the inlet of the drift tube depends both on the plasma properties, such as: plasma density, sort of ions, the presence of plasma velocity directed along the axis of the drift tube, plasma temperature, and on the amplitude and duration of the accelerating voltage, and can vary from fractions of a millimeter to tens of centimeters.
Учитывая, что энергия ионов на входе в трубу дрейфа динамично изменяется по мере увеличения ускоряющего зазора, для улучшения разрешающей способности спектрометра при предполагаемых зазорах больше 1 мм перед входным электродом трубы дрейфа устанавливают дополнительный заземленный электрод. Наличие этого электрода уменьшает также потери ускоряющего напряжения на резистивный ток в плазме.Considering that the ion energy at the entrance to the drift tube dynamically changes as the accelerating gap increases, to improve the resolution of the spectrometer with estimated gaps of more than 1 mm, an additional grounded electrode is installed in front of the input electrode of the drift tube. The presence of this electrode also reduces the accelerating voltage loss to the resistive current in the plasma.
Для увеличения эффективности транспортировки ионов в трубе при ускоряющем зазоре, фиксированном двумя электродами, как входной электрод трубы дрейфа, так и дополнительный заземленный электрод выполняют выпуклыми наружу от трубы дрейфа.To increase the efficiency of transporting ions in the pipe with an accelerating gap fixed by two electrodes, both the input electrode of the drift pipe and the additional grounded electrode are convex outward from the drift pipe.
Плазма, зарядовый и массовый состав которой требуется измерить данным спектрометром ионов, может быть создана любым способом, включая вакуумно-дуговой разряд, ВЧ и СВЧ разряды, различные газовые источники плазмы, лазерное излучение.Plasma, the charge and mass composition of which is required to be measured with this ion spectrometer, can be created by any method, including vacuum-arc discharge, RF and microwave discharges, various gas plasma sources, and laser radiation.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема времяпролетного спектрометра ионов.The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a time-of-flight ion spectrometer.
Времяпролетный спектрометр установлен в вакуумной камере 1 и состоит из трубы дрейфа 2, выполненной из металла, вход и выход которой закрыты электродами 3 и 4, прозрачным для ионов, например металлическими сетками, электрически связанными с трубой дрейфа 2. Перед входом в трубу дрейфа 2 вблизи электрода 3 установлен заземленный электрод 5, прозрачный для ионов, например металлическая сетка. Электрод 3, установленный на входе трубы дрейфа 2 и заземленный электрод 5, образуют ускоряющий промежуток и могут иметь форму плоскости или форму, выпуклую наружу от трубы дрейфа 2. Выпуклая форма обеспечивает фокусировку формируемого ионного пучка. В другом варианте выполнения, при отсутствии заземленного электрода 5, ускоряющий промежуток будет образован электродом 3, установленным на входе трубы дрейфа 2 и плазмой 6, имеющей электрический контакт с заземленным корпусом вакуумной камеры 1. Напротив электрода 4, расположенного на выходе трубы дрейфа 2, с вакуумным зазором установлен детектор 7 заряженных частиц. Детектор 7 электрически связан с системой измерения тока заряженных частиц. Импульсный источник ускоряющего напряжения отрицательной полярности, являющийся генератором импульсных напряжений 8, подключен высоковольтным выводом к трубе дрейфа 2. Второй вывод генератора заземлен на камеру 1 и электрически соединен с заземленным электродом 5.A time-of-flight spectrometer is installed in a vacuum chamber 1 and consists of a drift pipe 2 made of metal, the input and output of which are closed by electrodes 3 and 4, transparent to ions, for example, metal grids electrically connected to the drift pipe 2. Before entering the drift pipe 2 near electrode 3 is a grounded electrode 5, transparent to ions, for example a metal mesh. An electrode 3 installed at the inlet of the drift tube 2 and a grounded electrode 5 form an accelerating gap and may have a plane shape or a shape convex outward from the drift pipe 2. The convex shape provides focusing of the generated ion beam. In another embodiment, in the absence of a grounded electrode 5, the accelerating gap will be formed by an electrode 3 installed at the inlet of the drift tube 2 and a plasma 6 having electrical contact with the grounded housing of the vacuum chamber 1. Opposite the electrode 4 located at the outlet of the drift tube 2, s a vacuum gap mounted detector 7 charged particles. The detector 7 is electrically connected to a system for measuring the current of charged particles. The pulse source of the accelerating voltage of negative polarity, which is the generator of pulse voltages 8, is connected by a high-voltage output to the drift tube 2. The second output of the generator is grounded to camera 1 and electrically connected to the grounded electrode 5.
Устройство работает следующим образом. Рассмотрим работу устройства на примере формирования металлической плазмы вакуумно-дуговым испарителем, работающим в непрерывном режиме. Металлическая плазма поступает из источника в вакуумную камеру 1, заполняя ее объем. Анализируемая плазма двигается вдоль оси трубы дрейфа и контактирует с входом трубы дрейфа. От генератора импульсных напряжений 8 отрицательной полярности подают импульс напряжения амплитудой U и длительностью τ между трубой дрейфа 2 и вакуумной камерой 1.The device operates as follows. Consider the operation of the device on the example of the formation of metal plasma by a vacuum-arc evaporator operating in a continuous mode. The metal plasma enters from the source into the vacuum chamber 1, filling its volume. The analyzed plasma moves along the axis of the drift tube and is in contact with the inlet of the drift tube. A voltage pulse of amplitude U and duration τ between the drift tube 2 and the vacuum chamber 1 is supplied from a pulse voltage generator 8 of negative polarity.
При появлении потенциала смещения на трубе дрейфа 2 между плазмой 6 и электродом 3 и между электродом 4, установленным на выходе трубы дрейфа и детектором 7, отделенным от трубы дрейфа 2 вакуумным зазором, возникает разность потенциалов. Появление разности потенциалов между электродом 3 и плазмой 6 приводит к разделению зарядов в плазме и ускорению ионов из плазмы к электроду 3, а электронов в обратном направлении. Ускоренные ионы проходят электрод 3 и попадают в эквипотенциальное пространство трубы дрейфа 2. В трубе дрейфа 2 заряд ионного пучка нейтрализуется электронами, присутствующей в трубе плазмы. Ионы пучка дрейфуют в трубе дрейфа 2 со скоростями, определяемыми энергией ионов и их массой.When the bias potential appears on the drift pipe 2 between the plasma 6 and the electrode 3 and between the electrode 4 installed at the output of the drift pipe and the detector 7 separated by a vacuum gap from the drift pipe 2, a potential difference arises. The appearance of a potential difference between the electrode 3 and plasma 6 leads to the separation of charges in the plasma and the acceleration of ions from the plasma to electrode 3, and electrons in the opposite direction. Accelerated ions pass through the electrode 3 and enter the equipotential space of the drift tube 2. In the drift tube 2, the ion beam charge is neutralized by the electrons present in the plasma tube. The beam ions drift in the drift tube 2 with velocities determined by the energy of the ions and their mass.
В то же время при появлении потенциала смещения на трубе дрейфа 2 между электродом 4 и детектором 7 частиц также возникает разность потенциалов. В зазоре между электродом 4 и детектором 7 происходит ускорение ионов в сторону трубы дрейфа 2 и ускорение электронов в сторону детектора 7 заряженных частиц. Учитывая, что скорость электронов на порядки величин больше скорости даже иона водорода, то электроны достигают коллектора за очень малое время (единицы наносекунд). В этой связи, начало сигнала электронного тока с коллектора служит временным отсчетом для определения массового и зарядового состава ионов в спектрометре данного типа.At the same time, when a bias potential appears on the drift tube 2 between the electrode 4 and the particle detector 7, a potential difference also arises. In the gap between the electrode 4 and the detector 7, the ions accelerate towards the drift tube 2 and the electrons accelerate towards the charged particle detector 7. Given that the speed of electrons is orders of magnitude greater than the speed of even a hydrogen ion, the electrons reach the collector in a very short time (a few nanoseconds). In this regard, the beginning of the electron current signal from the collector serves as a time reference for determining the mass and charge composition of ions in a spectrometer of this type.
Длительность импульса высоковольтного смещения с генератора импульсных напряжений 8 выбирают из следующих условий.The duration of the high voltage bias pulse from the pulse voltage generator 8 is selected from the following conditions.
Минимальная длительность импульса смещения определяется процессами формирования ускоряющего промежутка между электродом 3 и плазмой 6 или между электродами 3 и 5. Вначале, при подаче потенциала смещения от генератора импульсных напряжений 8 на трубу дрейфа 2, ускоряющий промежуток формируется за счет смещения электронов плазмы. Этот процесс по времени не превышает нескольких наносекунд. Концентрация ионов по всему сформированному промежутку будет одинаковой и будет соответствовать исходной концентрации плазмы. При этом ионы, находящиеся на различном расстоянии от электрода 3, установленного на входе трубы дрейфа 2, ускоряясь в промежутке, получат разную энергию. По мере ускорения ионов будет происходить перераспределение концентрации ионов по ускоряющему промежутку. Стабилизация эмиссионной границы произойдет либо когда ширина ускоряющего промежутка станет равной величине определяемой законом трех вторых, либо если эмиссионная граница плазмы подойдет к электроду 5. В зависимости от параметров плазмы и величины ускоряющего напряжения время стабилизации эмиссионной границы может достигать от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд. Длительность импульса генератора импульсных напряжений 8 целесообразно выбирать такой, чтобы она превышала время стабилизации эмиссионной границы τc. Принципиально важным условием для выбора длительности импульса ускоряющего напряжения является условие дрейфа всех ускоренных ионов анализируемой плазмы, включая самые быстрые, имеющие наибольшее соотношение Z/Mi, в течение действия ускоряющего напряжения, внутри трубы дрейфа. Это означает, что ускоренные ионы не попадут в тормозящее их электрическое поле между электродом 4, установленным на выходе трубы дрейфа 2 и детектором 7. Максимальная энергия Е ионов, входящих в трубу дрейфа, определяется их зарядом и ускоряющим напряжениемThe minimum duration of the bias pulse is determined by the processes of formation of the accelerating gap between the electrode 3 and plasma 6 or between the electrodes 3 and 5. First, when the bias potential is applied from the pulse voltage generator 8 to the drift tube 2, the accelerating gap is formed due to the displacement of plasma electrons. This process does not exceed several nanoseconds in time. The ion concentration over the entire formed gap will be the same and will correspond to the initial plasma concentration. In this case, ions located at different distances from the electrode 3 installed at the inlet of the drift tube 2, accelerating in the gap, will receive different energy. As ions accelerate, a redistribution of the ion concentration over the accelerating gap will occur. The stabilization of the emission boundary will occur either when the width of the accelerating gap becomes equal to the value determined by the law of the second two, or if the emission boundary of the plasma approaches electrode 5. Depending on the plasma parameters and the magnitude of the accelerating voltage, the stabilization time of the emission boundary can reach from several tens to several hundred nanoseconds. The pulse duration of the pulse voltage generator 8 is advisable to choose such that it exceeds the stabilization time of the emission boundary τ c . A fundamentally important condition for choosing the pulse width of the accelerating voltage is the condition for the drift of all accelerated ions of the analyzed plasma, including the fastest, having the highest Z / Mi ratio, during the action of the accelerating voltage, inside the drift tube. This means that accelerated ions will not fall into the braking electric field between the electrode 4 installed at the output of the drift tube 2 and detector 7. The maximum energy E of the ions entering the drift tube is determined by their charge and accelerating voltage
E=ZeUE = ZeU
Наибольшая скорость дрейфа будет у ионов с наибольшим соотношением Z/Mi. Время дрейфа этих ионов τдр определяется выражениемThe highest drift velocity will be for ions with the highest Z / Mi ratio. The drift time of these ions τ dr is determined by the expression
Таким образом, длительность импульса ускоряющего напряжения τy выбирают из условияThus, the pulse duration of the accelerating voltage τ y is chosen from the condition
τy<τдр.τ y <τ others
Ионы с меньшим соотношением Z/Mi будут двигаться медленнее и придут на детектор, когда уже однозначно будет отсутствовать электрическое поле в зазоре между электродом 4 и детектором 7.Ions with a lower Z / Mi ratio will move slower and come to the detector when there is already clearly no electric field in the gap between the electrode 4 and detector 7.
Ионы на детектор 7 приходят в разное время, что фиксируется, например, осциллографом. В дальнейшем по осциллограмме определяют массовый и зарядовый состав ионов и процентное соотношение отдельных компонент ионов в плазме.Ions arrive at detector 7 at different times, which is recorded, for example, by an oscilloscope. Subsequently, the mass and charge composition of ions and the percentage ratio of individual ion components in the plasma are determined by the oscillogram.
Пример исполнения времяпролетного спектрометра. Вакуумно-дуговой испаритель работает с катодом из титана. Концентрация плазмы 6 вблизи электрода 3 составляет (1·109-1010) ион/см3. Труба дрейфа 2 диаметром 100 мм имеет длину 600 мм. Ионы титана с зарядностью 1, 2, 3 и 4 хорошо разделяются при длительности импульса 500 нс и ускоряющем отрицательном потенциале с генератора импульсных напряжений 8 амплитудой 1000 В.An example of a time-of-flight spectrometer. The vacuum arc evaporator works with a cathode made of titanium. The concentration of plasma 6 near the electrode 3 is (1 · 10 9 -10 10 ) ion / cm 3 . The drift pipe 2 with a diameter of 100 mm has a length of 600 mm. Titanium ions with a charge of 1, 2, 3, and 4 are well separated at a pulse duration of 500 ns and an accelerating negative potential from a pulse voltage generator 8 with an amplitude of 1000 V.
Источники информацииSources of information
1. I.G.Brown, J.E.Galvin, R.A.MacGill, R.T.Wright. Improved time-of-flight ion charge state diagnostic./Rev. Sci. Instmm. 58(9), September, 1987, p.1589-1591.1. I.G. Brown, J.E. Galvin, R.A. MacGill, R.T. Wright. Improved time-of-flight ion charge state diagnostic./Rev. Sci. Instmm. 58 (9), September, 1987, p. 1589-1591.
2. S.P.Gorbunov, V.P.Krasov, I.A.Krinberg, V.L.Papemy. Source of metal ions with a variable velocity./6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p.67-70.2. SPGorbunov, VPKrasov, IAKrinberg, VLPapemy. Source of metal ions with a variable velocity ./6 th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p. 67-70.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004122707/28A RU2266587C1 (en) | 2004-07-23 | 2004-07-23 | Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004122707/28A RU2266587C1 (en) | 2004-07-23 | 2004-07-23 | Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2266587C1 true RU2266587C1 (en) | 2005-12-20 |
Family
ID=35869753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004122707/28A RU2266587C1 (en) | 2004-07-23 | 2004-07-23 | Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2266587C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444083C2 (en) * | 2010-05-13 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет | Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method |
| RU2530436C1 (en) * | 2013-05-13 | 2014-10-10 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of detecting particles using drift tube-based detectors |
| RU2551119C1 (en) * | 2013-11-29 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Time-of-flight ion spectrometer |
| RU2570110C1 (en) * | 2014-09-11 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") | Method of measuring energy spectrum of ions |
| RU2658293C1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-06-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Time-of-flight plasma ion spectrometer |
-
2004
- 2004-07-23 RU RU2004122707/28A patent/RU2266587C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| S.P.GORBUNOV et all. Source of metal ions with a variable velocity. 6 th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 Sept. 2002, Tomsk, Russia, p. 67-70. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444083C2 (en) * | 2010-05-13 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет | Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method |
| RU2530436C1 (en) * | 2013-05-13 | 2014-10-10 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of detecting particles using drift tube-based detectors |
| RU2551119C1 (en) * | 2013-11-29 | 2015-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Time-of-flight ion spectrometer |
| RU2570110C1 (en) * | 2014-09-11 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") | Method of measuring energy spectrum of ions |
| RU2658293C1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-06-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Time-of-flight plasma ion spectrometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2450465C (en) | Mass spectrometers and methods of ion separation and detection | |
| US6974957B2 (en) | Ionization device for aerosol mass spectrometer and method of ionization | |
| Hall et al. | A penetrating field electron-ion coincidence spectrometer for use in photoionization studies | |
| US6013913A (en) | Multi-pass reflectron time-of-flight mass spectrometer | |
| US7932491B2 (en) | Quantitative measurement of isotope ratios by time-of-flight mass spectrometry | |
| CN108475616B (en) | Orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometer | |
| US6455845B1 (en) | Ion packet generation for mass spectrometer | |
| AU2002302791A1 (en) | Mass spectrometers and methods of ion separation and detection | |
| JP2017511577A (en) | Multiple reflection time-of-flight mass spectrometer with axial pulse transducer. | |
| EP3249679B1 (en) | Mass spectrometer and ion mobility analysis device | |
| US7148472B2 (en) | Aerosol mass spectrometer for operation in a high-duty mode and method of mass-spectrometry | |
| IL45710A (en) | Mass spectrometer | |
| US4912327A (en) | Pulsed microfocused ion beams | |
| WO2011101607A1 (en) | Mass spectrometers and methods of ion separation and detection | |
| JP2007509356A (en) | Time-of-flight mass spectrometer with improved mass resolution and method of operation thereof | |
| EP0452767B1 (en) | Laser ionization sputtered neutral mass spectrometer | |
| RU2266587C1 (en) | Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer | |
| RU2658293C1 (en) | Time-of-flight plasma ion spectrometer | |
| US7385188B2 (en) | Linear electric field time-of-flight ion mass spectrometer | |
| US7388193B2 (en) | Time-of-flight spectrometer with orthogonal pulsed ion detection | |
| RU124434U1 (en) | MASS SPECTROMETER | |
| US5026988A (en) | Method and apparatus for time of flight medium energy particle scattering | |
| RU2551119C1 (en) | Time-of-flight ion spectrometer | |
| Geno et al. | 252Cf Plasma desorption mass spectrometry at low acceleration voltages using the electrostatic particle guide | |
| RU2314594C1 (en) | Transit-time method for metering charge and mass composition of plasma ions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20110610 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170724 |