RU2272334C1

RU2272334C1 - Gas mixture analyzing device

Info

Publication number: RU2272334C1
Application number: RU2004118138/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Курнаев (RU); Валерий Александрович Курнаев; Елена Алексеевна Гриднева (RU); Елена Алексеевна Гриднева
Original assignee: Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-03-20
Also published as: RU2004118138A

Abstract

FIELD: plasma investigations and mass-spectrometry.

SUBSTANCE: proposed device has gas mixture ionizer with ion-optic system, stigmatically focused mass-spectrometer, solid-state converter, electrostatic analyzer, and recording unit, all arranged in tandem along motion direction of particles. Converter is made of ultra-thin diamond-like foil disposed at 45 deg. to motion direction of particles and in same plane as one of plates of electrostatic analyzer made in the form of flat capacitor. Converter is enclosed by cylinder to form combined Faraday cylinder whose axis coincides with motion direction of particles; cylinder, converter, and electrostatic analyzer plate are electrically insulated from one another; input of charged-particles recorder is disposed in same electrostatic analyzer plate as converter. Charged-particles converter can be made in the form of amplifier on microchannel strip or in the form of set of secondary electronic multipliers.

EFFECT: ability of analyzing hydrogen-helium mixture with high definition of atoms having close values of mass-to-charge ratio.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области плазменных исследований и масс-спектрометрии, связанной с анализом состава газовой смеси и продуктов взаимодействия плазмы с элементами конструкций плазменных установок (например, лимитеры, диверторные пластины).The invention relates to the field of plasma research and mass spectrometry associated with the analysis of the composition of the gas mixture and the products of the interaction of plasma with structural elements of plasma systems (for example, limiters, divertor plates).

Известно устройство, в котором для анализа молекулярных пучков используется твердотельная мишень (конвертор), сферический энергоанализатор и вторичный электронный умножитель (ВЭУ) [1]. При взаимодействии с конвертором происходит диссоциация молекулярных ионов пучка, после чего проводится энергоанализ ионизованных фрагментов в сферическом дефлекторе с последующей регистрацией вторичным электронным умножителем. Недостатком этого устройства является то, что необходима дополнительная градуировка прибора атомарными ионами различных изотопов в широком диапазоне энергий, соответствующем энергиям атомарных фрагментов молекулярных ионов с тем, чтобы можно было проводить количественный анализ состава первоначального пучка, так как конструкция устройства не позволяет проводить измерение ионного тока, попадающего на конвертор, и направлять неконвертированный ионный пучок непосредственно в ВЭУ. Другой недостаток устройства в том, что оно позволяет регистрировать только ионные линии, не слишком отличающиеся по интенсивности, так как в качестве детектора используется только ВЭУ.A device is known in which a solid-state target (converter), a spherical energy analyzer, and a secondary electron multiplier (WEC) are used to analyze molecular beams [1]. When interacting with the converter, the molecular ions of the beam are dissociated, followed by energy analysis of the ionized fragments in a spherical deflector, followed by registration with a secondary electron multiplier. The disadvantage of this device is that it is necessary to further calibrate the device with atomic ions of various isotopes in a wide energy range corresponding to the energies of atomic fragments of molecular ions so that a quantitative analysis of the composition of the initial beam can be carried out, since the design of the device does not allow ion current measurement, falling onto the converter, and direct the unconverted ion beam directly to the wind turbine. Another disadvantage of the device is that it allows you to register only ion lines, not too different in intensity, since only a wind turbine is used as a detector.

Наиболее близким к предложенному устройству, принятым в качестве прототипа, является устройство для анализа молекулярных пучков, содержащее входную и выходную диафрагмы по оси устройства, конвертор в виде ловушки типа цилиндра Фарадея, энергоанализатор в виде двух плоских конденсаторов с общим средним электродом, и ВЭУ на оси за выходной диафрагмой [2]. Соосность данного устройства, наличие двух детекторов частиц - цилиндра Фарадея и ВЭУ, с различным диапазоном измерений токов расширяет динамический диапазон измерений интенсивности различных ионных линий. Устройство позволяет проводить количественный анализ без дополнительной градуировки. Недостатком этого устройства является то, что устройство дает возможность анализа пучка из ионов с определенным отношением M/Z, т.е. сепарированного по массам до входной диафрагмы. Другой недостаток устройства в том, что оно не позволяет одновременную регистрацию всех или нескольких компонент молекулярного пучка.Closest to the proposed device, adopted as a prototype, is a molecular beam analysis device containing an input and an output diaphragm along the device axis, a converter in the form of a trap like a Faraday cylinder, an energy analyzer in the form of two flat capacitors with a common middle electrode, and a wind turbine on the axis behind the output diaphragm [2]. The alignment of this device, the presence of two particle detectors - a Faraday cup and a wind turbine, with a different range of current measurements extends the dynamic range of measurements of the intensity of various ion lines. The device allows for quantitative analysis without additional calibration. The disadvantage of this device is that the device makes it possible to analyze a beam of ions with a specific M / Z ratio, i.e. separated by mass to the inlet diaphragm. Another disadvantage of the device is that it does not allow the simultaneous registration of all or several components of the molecular beam.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении возможностей анализа газовых смесей, в том числе анализа состава газа, откачиваемого из термоядерных установок при наличии в плазме реакций синтеза, где необходимо определить долю прореагировавшего топлива и количество образовавшихся продуктов с высоким разрешением по атомам с близкими значениями отношения массы к заряду. Особо важным в этой связи является анализ водородно-гелиевой смеси с характерной массой ее составляющих от 1 до 9 а.е.м.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to expand the capabilities of the analysis of gas mixtures, including the analysis of the composition of the gas pumped out from thermonuclear plants in the presence of fusion reactions in the plasma, where it is necessary to determine the fraction of reacted fuel and the number of products formed with high resolution by atoms with close mass to charge ratios. Of particular importance in this regard is the analysis of a hydrogen-helium mixture with a characteristic mass of its components from 1 to 9 amu

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном анализаторе молекулярных пучков, принятым в качестве прототипа, перед конвертором последовательно размещены ионизатор газовой смеси с ионно-оптической системой для формирования ионного пучка и масс-сепаратор со стигматической фокусировкой на основе сильного постоянного магнита с разрешающей способностью, при которой ионы с близкими значениями отношения массы к заряду не разделены пространственно, а попадают в одну и ту же область конвертора. Далее по направлению движения частиц последовательно расположены твердотельный конвертор, электростатический анализатор и узел регистрации, снабженный коллектором заряженных частиц. Конвертор выполнен из ультратонкой алмазоподобной фольги (аморфная углеродная фольга с долей алмазной фракции в ней), при взаимодействии с которой ионы диссоциируют с образованием фрагментов молекул. Фольга расположена под углом 45° к направлению движения частиц и в одной плоскости с одной из обкладок электростатического анализатора, выполненного в виде плоского конденсатора, поэтому попадающие в него ионы испытывают фокусировку по направлениям. Со стороны масс-сепаратора конвертор окружен цилиндром, ось которого совпадает с направлением движения частиц, причем цилиндр, конвертор и обкладка электростатического анализатора электрически изолированы друг от друга. Такая конструкция обеспечивает возможность измерения полного ионного тока с помощью ловушки типа цилиндра Фарадея. Вход узла регистрации расположен в той же обкладке электростатического анализатора, что и конвертор. При этом согласно п.2 коллектор заряженных частиц узла регистрации анализатора газовой смеси выполнен в виде усилителя на микроканальной пластине, что позволяет повысить временное разрешение и одновременно регистрировать все ионизованные фрагменты газовой смеси. Согласно п.3 коллектор заряженных частиц узла регистрации анализатора выполнен в виде набора из вторичных электронных умножителей, количество и расположение которых определено количеством и наиболее вероятной энергией исследуемых составляющих газовой смеси.The essence of the invention lies in the fact that in the known molecular beam analyzer adopted as a prototype, a gas mixture ionizer with an ion-optical system for forming an ion beam and a mass separator with stigmatic focusing based on a strong permanent magnet with a resolution are placed in front of the converter at which ions with close values of the mass to charge ratio are not spatially separated, but fall into the same region of the converter. Next, in the direction of particle motion, a solid-state converter, an electrostatic analyzer, and a recording unit equipped with a charged particle collector are sequentially arranged. The converter is made of an ultra-thin diamond-like foil (an amorphous carbon foil with a fraction of the diamond fraction in it), upon interaction with which ions dissociate to form fragments of molecules. The foil is located at an angle of 45 ° to the direction of motion of the particles and in the same plane with one of the plates of the electrostatic analyzer, made in the form of a flat capacitor, so the ions that fall into it experience focusing in the directions. On the mass separator side, the converter is surrounded by a cylinder whose axis coincides with the direction of movement of the particles, and the cylinder, converter, and the electrostatic analyzer plate are electrically isolated from each other. This design makes it possible to measure the total ion current using a trap like a Faraday cup. The input of the registration unit is located on the same plate of the electrostatic analyzer as the converter. Moreover, according to claim 2, the charged particle collector of the registration unit of the gas mixture analyzer is made in the form of an amplifier on a microchannel plate, which allows to increase the temporal resolution and simultaneously record all ionized fragments of the gas mixture. According to claim 3, the collector of charged particles of the analyzer registration unit is made in the form of a set of secondary electron multipliers, the number and location of which is determined by the amount and most probable energy of the studied components of the gas mixture.

На фиг.1а показана схема устройства, которое содержит ионизатор газовой смеси 1, ионно-оптическую систему 2, масс-сепаратор со стигматической фокусировкой на базе постоянного магнита 3, конвертор в комбинированном цилиндре Фарадея 4, плоский электростатический анализатор 5 и узел регистрации с коллектором заряженных частиц 6.On figa shows a diagram of a device that contains a gas mixture ionizer 1, an ion-optical system 2, a mass separator with stigmatic focusing based on a permanent magnet 3, a converter in a combined Faraday cup 4, a flat electrostatic analyzer 5 and a recording unit with a charged collector particles 6.

Анализатор газовой смеси работает следующим образом.The gas mixture analyzer operates as follows.

В качестве простейшего ионизатора газа при давлении в диапазоне 10^-1-10^-4 Па, которое может реализовываться в откачном патрубке, целесообразно использовать самостоятельный разряд в магнитном поле, создаваемом малогабаритным постоянным магнитом. Таким ионизатором может служить источник Пеннинга с холодным катодом, обеспечивающим длительный срок службы. Напряжение разряда такого источника является вытягивающим напряжением U_уск, в результате необходимый пучок ионов можно получить с одним высоковольтным источником питания. Для стабильной работы такого типа источника рабочее давление должно быть на уровне 10¹-10^-2 Па. При более низких давлениях в камере источника вероятность образования плазмы невелика, но при использовании источника Пеннинга с горячим катодом он будет работать в режиме источника с электронным ударом.As the simplest gas ionizer at a pressure in the range of 10 ^-1 -10 ^-4 Pa, which can be realized in the pumping nozzle, it is advisable to use an independent discharge in a magnetic field created by a small permanent magnet. A Penning source with a cold cathode that provides a long service life can serve as such an ionizer. The discharge voltage of such a source is the pulling voltage U _accele , as a result, the required ion beam can be obtained with one high-voltage power source. For stable operation of this type of source, the operating pressure should be at a level of 10 ¹ -10 ^-2 Pa. At lower pressures in the source chamber, the probability of plasma formation is small, but when using a Penning source with a hot cathode, it will work in the source mode with electron impact.

Ввиду малых размеров прибора он не требует сложной многолинзовой ионно-оптической системы. Она должна лишь обеспечивать ускорение ионов до U_уск~7-10 кВ в плоскопараллельном пучке (оптика Пирса) с последующим торможением вплоть до 0,1 U на входе масс-сепаратора (фактически являющемся частью ионно-оптической системы).Due to the small size of the device, it does not require a complex multi-lens ion-optical system. It should only provide acceleration of ions to U _accele ~ 7-10 kV in a plane-parallel beam (Pierce optics) with subsequent braking up to 0.1 U at the input of the mass separator (which is actually part of the ion-optical system).

Для сепарации ионов водородно-гелиевой смеси с энергией ионов в диапазоне энергий 1-10 кэВ в качестве сепарирующего магнита предлагается использовать сильный постоянный магнит, который обеспечивает поле в зазоре ~0,8 Тл и не требует дополнительного питания. Для анализа масс в диапазоне 1-9 в силу постоянства величины U×(M/Z) энергия ионов на входе в сепаратор должна варьироваться в том же интервале, для чего на магнит подается соответствующее тормозящее напряжение. Для указанного выше диапазона масс (1≤М≤9) разрешающая способность по массам должна быть R_м≥9, так как при ионизации возможно образование как одноатомных ионов водорода, так и трехатомных молекул (с наибольшим значением M/Z=9 для иона

). Такое значение R_м позволяет, с одной стороны, использовать выходную щель достаточно большой ширины, что увеличит чувствительность прибора, а с другой стороны, при столь низком разрешении ионы с разницей M/Z меньше 0,1 не будут пространственно разделены и попадут в одну и ту же область углеродной фольги для дальнейшего энергоанализа. Для обеспечения стигматической фокусировки предложено использовать магнитный анализатор с неоднородным магнитным полем H_z0=H₀(1+A₁η+A₂η²+...), где η=(r-r₀)/r₀. Данный анализатор имеет повышенную светосилу и дисперсию в отличие от анализаторов с однородным полем. При движении ионов в магнитном анализаторе происходит сепарация по импульсу, а при равенстве скоростей - по массам, т.к. ионы двигаются по радиусу r:

. Таким образом, обозначив радиус средней линии r₀, получим:

, где W - энергия анализируемых частиц, Н₀ - поле в зазоре. При поле в зазоре ~ 8·10³ Эр и энергии ионов с М=6 а.е.м. - 10 кэВ радиус центральной траектории составляет всего 4,4 см. В нашем случае, с ортогональным входом частиц (оптика Пирса) и обеспечением стигматической фокусировки из конструкционных соображений и для обеспечения минимальных размеров прибора выбран угол магнита ψ=45°, а длины входного и выходного плеч ~10 мм. Для обеспечения фокусировки и максимальной светосилы форма полюсных накладок, обеспечивающих стигматическую фокусировку, может быть определена следующим образом (фиг.1б). Расстояние от границы полюсных накладок до области «ненарушенного» поля должно быть ~ ширины зазора (принимая диаметр пучка на выходе источника ионов ~3 мм - зазор между полюсами магнита = 10 мм). Неоднородность поля за счет краевых эффектов можно скомпенсировать с помощью дополнительных выступов на краях. В нашем случае h=10 мм, а=7 мм, b=19 мм, следовательно, внешний и внутренний радиусы равны 68 мм и 32 мм соответственно. Также учтено поле рассеяния на фокусировку частиц в плоскости центральной траектории, определяемое сдвигом "эффективной границы". Смещение границ полюсных накладок относительно условной границы поля соответствующей ортогональному входу пучка Δ=1,19 мм.To separate ions of a hydrogen-helium mixture with an ion energy in the energy range of 1-10 keV, it is proposed to use a strong permanent magnet as a separating magnet, which provides a field in the gap of ~ 0.8 T and does not require additional power. To analyze the masses in the range 1–9, due to the constancy of the value U × (M / Z), the ion energy at the input to the separator should vary in the same interval, for which a corresponding braking voltage is applied to the magnet. For the above mass range (1≤M≤9), the mass resolution should be R _m ≥9, since ionization can form both monatomic hydrogen ions and triatomic molecules (with the highest M / Z = 9 for the ion

) Such a value of R _m allows, on the one hand, the use of an exit slit of a sufficiently large width that will increase the sensitivity of the device, and on the other hand, with such a low resolution, ions with an M / Z difference of less than 0.1 will not be spatially separated and fall into one and the same area of carbon foil for further energy analysis. To ensure stigmatic focusing, it is proposed to use a magnetic analyzer with an inhomogeneous magnetic field H _z0 = H ₀ (1 + A ₁ η + A ₂ η ² + ...), where η = (rr ₀ ) / r ₀ . This analyzer has an increased aperture and dispersion, in contrast to analyzers with a uniform field. When ions move in a magnetic analyzer, they are separated by momentum, and when the velocities are equal, by mass, because ions move along the radius r:

. Thus, denoting the radius of the midline r ₀ , we get:

where W is the energy of the analyzed particles, H ₀ is the field in the gap. With a field in the gap of ~ 8 · 10 ³ Er and ion energies with M = 6 amu - 10 keV, the radius of the central path is only 4.4 cm. In our case, with orthogonal particle input (Pierce optics) and providing stigmatic focusing from structural considerations and to ensure the minimum size of the device, the magnet angle ψ = 45 ° was selected, and the input and output shoulders ~ 10 mm. To ensure focus and maximum aperture, the shape of the pole plates providing stigmatic focusing can be determined as follows (fig.1b). The distance from the border of the pole plates to the “undisturbed” field should be ~ the width of the gap (assuming a beam diameter at the ion source output of ~ 3 mm — the gap between the magnet poles = 10 mm). Field inhomogeneity due to edge effects can be compensated by using additional protrusions at the edges. In our case, h = 10 mm, a = 7 mm, b = 19 mm, therefore, the outer and inner radii are 68 mm and 32 mm, respectively. Also taken into account is the scattering field for focusing particles in the plane of the central path, determined by the shift of the "effective boundary". The offset of the boundaries of the pole plates relative to the conditional field boundary corresponding to the orthogonal input of the beam Δ = 1.19 mm

После масс-сепаратора ионы регистрируются комбинированным цилиндром Фарадея, дно которого закрыто тонкой алмазоподобной фольгой. Легкие ионы (водород, гелий) с энергией в единицы кэВ практически полностью проходят через фольгу, испытывая потери энергии, рассеяние и изменение зарядового состояния. Цилиндр Фарадея в данном случае не является идеальной ловушкой заряженных частиц, поэтому зарегистрированные значения положительного тока будут несколько меньше истинного тока пришедших ионов. Однако эту небольшую систематическую ошибку, зависящую от энергии регистрируемых частиц, можно скорректировать, пользуясь данными ослабления измеряемого ионного тока при использовании в цилиндре Фарадея сверхтонкой углеродной фольги, нанесенной на мелкоструктурную сетку с прозрачностью 60% (таблица, фиг.2).After the mass separator, the ions are recorded by a Faraday combined cylinder, the bottom of which is covered by a thin diamond-like foil. Light ions (hydrogen, helium) with an energy of several keV pass almost completely through the foil, experiencing energy loss, scattering, and a change in the charge state. The Faraday cylinder in this case is not an ideal trap of charged particles, therefore, the recorded values of the positive current will be slightly less than the true current of the incoming ions. However, this small systematic error, depending on the energy of the detected particles, can be corrected using the attenuation of the measured ion current when using an ultrathin carbon foil deposited on a fine-structured mesh with a 60% transparency in the Faraday cup (table, Fig. 2).

Ось цилиндра Фарадея направлена под 45° к обкладке плоского электростатического анализатора. Поэтому попадающие в него ионы испытывают фокусировку по направлениям. Сепарация ионов с близкими значениями M/Z (например,

и ⁴He⁺) осуществляется при прохождении ими тонкой фольги, закрывающей дно цилиндра Фарадея, в результате чего происходит диссоциация молекулярного иона с образованием фрагментов. Меняя напряжение на обкладке анализатора, можно последовательно зарегистрировать все группы ионов, как не испытавшие диссоциацию (Н⁺, Не⁺, так и ионизованные фрагменты с энергиями примерно пропорциональными их массе. В данном диапазоне энергий доля недиссоциированных молекулярных ионов не превышает 5·10^-3 от числа остальных ионов, поэтому их вкладом можно полностью пренебречь.The axis of the Faraday cylinder is directed at 45 ° to the plate of the flat electrostatic analyzer. Therefore, ions falling into it experience focusing in directions. Separation of ions with close M / Z values (e.g.,

and ⁴ He ⁺ ) is carried out when they pass a thin foil covering the bottom of the Faraday cup, as a result of which the molecular ion dissociates to form fragments. By varying the voltage on the analyzer plate, it is possible to sequentially register all groups of ions, both that have not experienced dissociation (H ⁺ , He ⁺ , and ionized fragments with energies approximately proportional to their mass. In this energy range, the fraction of undissociated molecular ions does not exceed 5 · 10 ^-3 of the number of other ions; therefore, their contribution can be completely neglected.

После прохождения фольги частицы теряют часть своей энергии, для тонких фольг потеря энергии пропорциональна их толщине, а в данном диапазоне энергии с хорошей точностью пропорциональна скорости частиц и составляет малую долю от начальной энергии.After passing through the foil, the particles lose part of their energy, for thin foils the energy loss is proportional to their thickness, and in this energy range, with good accuracy, it is proportional to the particle velocity and is a small fraction of the initial energy.

Уширение энергетического распределения частиц после прохождения тонких фольг определяется флуктуацией их толщины, начальной энергией и зависит от количества атомов в молекулярном ионе водорода, падающем на фольгу. Однако для тонких фольг общее уширение невелико, что обеспечивает в интересующем нас диапазоне энергий приемлемое энергетическое разрешение (график, фиг.3)The broadening of the energy distribution of particles after the passage of thin foils is determined by the fluctuation of their thickness, initial energy, and depends on the number of atoms in the molecular hydrogen ion incident on the foil. However, for thin foils, the general broadening is small, which ensures an acceptable energy resolution in the energy range of interest to us (graph, Fig. 3)

Для энергоанализатора достаточно обеспечить разрешающую способность по энергии R_e ~10 (при этом будут разделены наиболее близко расположенные на энергетической шкале ионы D⁺ и T⁺ от диссоциации молекулярных ионов). Например, для частиц с M/Z=4 при увеличении поля в коллектор последовательно попадают ионы с энергией близкой к 1/2 (eU), соответствующие дейтронам, а затем с энергией, близкой к eU, соответствующие прошедшим через фольгу (и потерявшим часть своей энергии) ионам гелия. Соответственно ширина входной и выходной щелей может быть большой, что обеспечивает высокую светосилу и чувствительность прибора. Интенсивность пиков вторичных ионов определяется зарядовой фракцией прошедших через фольгу частиц и возможностью фокусировки ионов, испытавших рассеяние в фольге. Расчетное значение занижения измеряемого тока на выходе энергоанализатора с углеродной фольгой толщиной 50А на входе в первом приближении соответствует таблице 1. Для дальнейшего повышения чувствительности прибора в качестве регистратора можно применять вторично электронный умножитель типа ВЭУ-4 или ВЭУ-6. С целью повышения временного разрешения предлагается использовать усилитель на МКП для одновременной регистрации всех ионизированных фрагментов. Диапазон регистрации относительного содержания различных ионов пучка с примерно одинаковым значением M/z определяется тем, насколько сильно уменьшится интенсивность спектра прошедших сквозь фольгу частиц более высокоэнергетической ионной линии при значении энергии, соответствующей соседней, менее энергетической ионной линии. При применении тонких фольг ~50-100 А можно обеспечить регистрацию перечисленных выше компонентов газовой смеси на уровне их содержания ~0,3%.For an energy analyzer, it is sufficient to provide an energy resolution of R _e ~ 10 (in this case, the D ⁺ and T ⁺ ions closest to the energy scale will be separated from the dissociation of molecular ions). For example, for particles with M / Z = 4, with increasing field, ions with an energy close to 1/2 (eU) corresponding to deuterons and then with an energy close to eU corresponding to those passing through the foil (and having lost some of their energy) to helium ions. Accordingly, the width of the input and output slots can be large, which ensures high aperture and sensitivity of the device. The intensity of the peaks of the secondary ions is determined by the charge fraction of the particles passing through the foil and the possibility of focusing the ions that have experienced scattering in the foil. The estimated value of the understatement of the measured current at the output of the energy analyzer with a 50A-thick carbon foil at the input corresponds to Table 1 to a first approximation. To further increase the sensitivity of the device, a secondary electron multiplier of the VEU-4 or VEU-6 type can be used as a recorder. In order to increase the temporal resolution, it is proposed to use an amplifier on the MCP for the simultaneous registration of all ionized fragments. The range of registration of the relative content of different beam ions with approximately the same M / z value is determined by how much the spectrum intensity of the particles of a higher-energy ion line passing through the foil decreases at an energy value corresponding to an adjacent, less energy ion line. When using thin foils of ~ 50-100 A, it is possible to ensure the registration of the above components of the gas mixture at the level of their content of ~ 0.3%.

Разделение атомарных ионов трития и ионов ³Не осуществляется конверсией полярности напряжения на анализаторе. В этом случае регистрируется отрицательная по заряду компонента прошедших через фольгу частиц, которая для гелия пренебрежимо мала по сравнению с водородом, а по известному отношению положительной и отрицательной фракций ионов водорода определяется содержание ионов ³Не⁺ в положительной компоненте.The separation of atomic tritium ions and ³ ions is not carried out by converting the voltage polarity on the analyzer. In this case, the charge-negative component of the particles passing through the foil is recorded, which is negligible for helium compared to hydrogen, and the content of ³ He ⁺ ions in the positive component is determined by the known ratio of the positive and negative fractions of hydrogen ions.

Прибор для своего питания требует 2-х источников регулируемого напряжения с максимальным его значением до 10 кВ и источника питания для термокатода при его использовании. Подобные компьютерно управляемые источники выпускаются серийно и имеют достаточно малые габариты. Так как в базовом варианте используются лишь токовые измерения, то применение для изготовления источника металлов и радиационно стойкой керамики (Al₂О₃) позволяют реализовать прибор в радиационно стойком варианте. В области регистрации желательно предусмотреть возможность дополнительной вакуумной откачки. Общие габариты прибора не превышают нескольких десятков кубических сантиметров. Он может быть смонтирован либо непосредственно в патрубке с проходным диаметром от 63 мм, либо в виде отдельной камеры на любом из свободных патрубков (Ду 40, Ду 50 и т.д.).The device for its power requires 2 sources of adjustable voltage with a maximum value of up to 10 kV and a power source for the thermal cathode when using it. Such computer-controlled sources are mass-produced and have a fairly small size. Since in the basic version only current measurements are used, the application for the manufacture of a metal source and radiation-resistant ceramics (Al ₂ O ₃ ) makes it possible to realize the device in a radiation-resistant version. In the field of registration, it is desirable to provide the possibility of additional vacuum pumping. The overall dimensions of the device do not exceed several tens of cubic centimeters. It can be mounted either directly in a nozzle with a bore diameter of 63 mm or in the form of a separate chamber on any of the free nozzles (DN 40, DN 50, etc.).

Таким образом, физически и расчетным образом предложен и обоснован малогабаритный и весьма простой по конструкции анализатор водородно-гелиевой смеси с очень высоким разрешением по атомам с близкими значениями отношения массы к заряду. Прибор позволяет измерять с хорошим временным разрешением как массы от 1 до 9, так и соотношение интенсивности частиц с близким значением отношения массы к заряду (например, Т и ³He или НТ и D₂). Данный прибор можно применять в качестве простого малогабаритного встраиваемый датчика изотопного состава водородно-гелиевой смеси и использовать в задачах, связанных с установками для термоядерного синтеза.Thus, physically and in a computational manner, a small-sized and very simple in design analyzer of a hydrogen-helium mixture with very high atomic resolution and close mass-to-charge ratios was proposed and justified. The device allows measuring with good temporal resolution both masses from 1 to 9, and the ratio of particle intensity with a close value of the mass to charge ratio (for example, T and ³ He or NT and D ₂ ). This device can be used as a simple small-sized built-in sensor of the isotopic composition of the hydrogen-helium mixture and used in tasks related to installations for thermonuclear fusion.

Источники информацииInformation sources

1. Курнаев В.А. Малогабаритный прибор для массового анализа пучков легких ионов. Сб. Методы диагностики и рекуперации энергии пучков заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.51-59.1. Kurnaev V.A. Small-sized device for mass analysis of light ion beams. Sat Diagnostic and energy recovery methods for charged particle beams. M .: Energoatomizdat, 1987, p. 51-59.

2. Курнаев В.А., Тритолий В.Э. Устройство для анализа молекулярных пучков. Патент RU 2001464 C1.2. Kurnaev V.A., Tritolius V.E. A device for analyzing molecular beams. Patent RU 2001464 C1.

Claims

1. A device for analyzing a gas mixture, consisting of a solid-state converter, an electrostatic analyzer and a recording unit equipped with a charged particle collector sequentially arranged in the direction of movement, characterized in that the gas mixture ionizer with an ion-optical system and a mass separator are placed in series in front of the converter with stigmatic focusing, while the converter is made of ultra-thin diamond-like foil, which is located at an angle of 45 ° to the direction of motion of the particles and in one plane with one of the plates of the electrostatic analyzer, made in the form of a flat capacitor, on the side of the mass separator the converter is surrounded by a cylinder, forming a combined Faraday cylinder whose axis coincides with the direction of movement of the particles, and the cylinder, converter and the plate of the electrostatic analyzer are electrically isolated from on the other hand, the input of the charged particle registration unit is located on the same plate of the electrostatic analyzer as the converter.

2. A device for analyzing a gas mixture according to claim 1, characterized in that the charged particle collector is made in the form of an amplifier on a microchannel plate.

3. The device for analyzing the gas mixture according to claim 1, characterized in that the charged particle collector is made in the form of a set of secondary electron multipliers, the number and location of which is determined by the number and most probable energy of the studied components of the gas mixture.