RU2708637C1 - Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation - Google Patents

Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2708637C1
RU2708637C1 RU2019109771A RU2019109771A RU2708637C1 RU 2708637 C1 RU2708637 C1 RU 2708637C1 RU 2019109771 A RU2019109771 A RU 2019109771A RU 2019109771 A RU2019109771 A RU 2019109771A RU 2708637 C1 RU2708637 C1 RU 2708637C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ions
energy
mass
analyzer
ion
Prior art date
Application number
RU2019109771A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Александрович Строкин
Тхе Тханг Нгуен
Александр Владимирович Казанцев
Владимир Михайлович Бардаков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ")
Priority to RU2019109771A priority Critical patent/RU2708637C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2708637C1 publication Critical patent/RU2708637C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method and an apparatus for analyzing ions based on energies, masses and charges using electric and magnetic fields and can be used to determine elemental composition, for example, plasma of working medium and in studying surfaces of solid bodies. Energy, mass and charge analysis is performed in tandem of energy analyzer with retarding potential and linear Wien filter, and ions are recorded on detector located at tandem output of two analyzers. Analyzer for energies, masses and charges enables analysis of ion beams both by energy and mass and by charge, when analyzing by masses and charges – to work with non-monoenergetic streams of ions, having a large initial angular spread, which provides a large aperture and aperture ratio of the analyzer.
EFFECT: expansion of functional capabilities of existing energy-mass analyzers.
2 cl, 7 dwg

Description

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.The invention relates to methods and devices for the analysis of ions by energy, mass and charge using electric and magnetic fields and can be used to determine the elemental composition, for example, the plasma of the working substance and when studying the surfaces of solids.

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.The main areas of application of ion, energy, mass and charge ion analyzers are: studying the surface of solids, studying the structure of matter and interaction processes in particle collisions in gases and plasmas, plasma problems of geophysics and space physics, in particular, placing the analyzer in an area occupied by plasma.

Для анализа потока ионов по нескольким параметрам, например, массам и энергиям используют последовательно расположенные энерго- и масс-анализаторы.To analyze the ion flow by several parameters, for example, masses and energies, sequentially located energy and mass analyzers are used.

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].A known method and device for energy-mass analysis according to the Mattauch-Herzog scheme [Alexandrov M.L., Gall L.N., Sachenko V.D. The method of energy-mass spectral analysis of the composition of substances and a device for its implementation // Patent SU No. 1178257. - IPC H01J 49/30. - Publ. 01/27/1996].

Известный способ реализуется следующим образом:The known method is implemented as follows:

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;1) carry out spatial separation of the ion trajectories in the vertical direction in energy and the ion beam diverging in both directions is converted into parallel monoenergetic ion groups in a toroidal electrostatic analyzer;

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;2) carry out the separation of ions by mass in the horizontal direction and the focusing of parallel beams at the points of the focal surface coinciding with the detector in a magnetic analyzer with a uniform field;

3) регистрируют во взаимно-ортогональных направлениях энерго- и масс-спектры анализируемого вещества пространственно-протяженным детектором.3) register in the mutually orthogonal directions the energy and mass spectra of the analyte with a spatially extended detector.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:The signs of the known method, coinciding with the essential features of the proposed method are:

1) осуществляют пространственное разделение траекторий ионов по энергиям;1) carry out spatial separation of ion trajectories by energy;

2) осуществляют разделение ионов по массам;2) carry out the separation of ions by mass;

3) регистрируют энерго-масс-спектр анализируемого потока ионов.3) register the energy-mass spectrum of the analyzed ion flow.

Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:

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;1) the analysis by mass is carried out when working only with monoenergetic groups of ions of the initial beam; the possibility of mass analysis of groups of ions with a wide continuous energy spectrum is absent due to mixing of ions of different energies at the detector;

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;2) an increase in the width of the spectrum in energy in the initial ion groups leads to the need to increase the area of creation of a uniform magnetic field of the magnetic analyzer, which leads to an increase in its dimensions;

3) отсутствует возможность определения зарядового состава в потоке ионов.3) there is no possibility of determining the charge composition in the ion flow.

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.The device according to the patent [Aleksandrov M.L., Gall L.N., Sachenko V.D. The method of energy-mass spectral analysis of the composition of substances and a device for its implementation // Patent SU No. 1178257. - IPC H01J 49/30. - Publ. 01/27/1996] contains a sequentially located ion source, an electron-optical lens of vertical focusing, a slit diaphragm located in the focus of an electron-optical lens of vertical focusing, an electron-optical lens of horizontal focusing, an output slit of an ion source mounted in the front horizontal focus of the electrostatic toroidal analyzer , electrostatic toroidal analyzer, magnetic analyzer with a uniform field and a spatially extended particle detector with a device stvom reading information.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:Signs of a known device that matches the essential features of the claimed device are:

1) энергоанализатор;1) energy analyzer;

2) детектор.2) detector.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

1) узкая входная апертура устройства, которая определяется размерами обязательных вертикальной и горизонтальной щелей, установленных перед электростатическим тороидальным анализатором;1) a narrow input aperture of the device, which is determined by the size of the mandatory vertical and horizontal slots installed in front of the electrostatic toroidal analyzer;

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;2) a large-sized region with a uniform magnetic field in the magnetic analyzer, the size of which is determined by the area of parallel monoenergetic ion groups formed after passing through the electrostatic toroidal analyzer;

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.3) the presence of a spatially extended particle detector located in the zone of the edge magnetic field of the magnetic analyzer leads to a deterioration in the mass resolution of the device and complicates the information reading system.

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].A known method of analyzing ions by energy and mass and a device for its implementation [Strokin N. A., Astrakhantsev N. V., Bardakov V. M., Vo Ny Zan, Kichigin G. N., Lebedev N. B. The method of analysis of ions by energies and masses and a device for its implementation // Patent RU No. 2459310. - IPC H01J 49/00. - Publ. 02/10/2012. - Bull. No. 23].

Известный способ реализуется следующим образом:The known method is implemented as follows:

- 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,- analysis of ions by energies and masses is carried out in the combined radial electric field of the Yuza-Rozhansky energy analyzer (UR) and the magnetic field of the Wien sector filter (EF) and the longitudinal electric field of the sector EF transverse to them,

- устанавливают напряженность радиального электрического поля Е0 энергоанализатора ЮР, задавая энергию ионов, движущихся по равновесной (осевой) окружности,- establish the intensity of the radial electric field E 0 energy analyzer, setting the energy of ions moving along an equilibrium (axial) circle,

Figure 00000001
Figure 00000001

где:Where:

Vϕ0 - скорость частицы на равновесной траектории,V ϕ0 is the particle velocity on the equilibrium trajectory,

R - радиус равновесной окружности,R is the radius of the equilibrium circle,

- 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:- set the magnitude of the magnetic field induction and the electric field strength of the sector PV so that the particle’s velocity along the equilibrium path is V ϕ0 and there is no particle motion along the Z axis transverse to the direction of flow:

Figure 00000002
Figure 00000002

где:Where:

В - индукция магнитного поля совмещенного секторного ФВ,In - the induction of the magnetic field of the combined sector PV,

Еz - напряженность электрического поля секторного ФВ,E z - the electric field strength of the sector PV,

с - скорость света,c is the speed of light

- 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- carry out the analysis of ions by mass, changing at fixed E 0 and B the magnitude of the electric field strength of the sector PV E z to highlight the mass m i in accordance with the equation

Figure 00000003
Figure 00000003

- измеряют распределение ионов по энергии для потока ионов одной массы,- measure the distribution of ions in energy for the flow of ions of the same mass,

- угол поворота анализируемых ионов задают из условия фокусировки ионов под действием совокупности трех электромагнитных полей.- the angle of rotation of the analyzed ions is set from the condition for focusing the ions under the action of a combination of three electromagnetic fields.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:The signs of the known method, coinciding with the essential features of the proposed method are:

- осуществляют анализ потока ионов по энергиям,- carry out the analysis of the ion flow by energy,

- осуществляют анализ потока ионов массам,- carry out the analysis of the flow of ions to the masses,

- устанавливают величины индукции магнитного поля и напряженности электрического поля ФВ такими, при которых отсутствует движение иона вдоль поперечной к направлению движения потока оси Z,- set the magnitude of the induction of the magnetic field and the electric field strength of the PV such that there is no movement of the ion along the Z axis transverse to the direction of flow of the stream,

- осуществляют анализ ионов по массам, изменяя при фиксированной индукции магнитного поля В величину напряженности электрического поля ФВ,- carry out the analysis of ions by mass, changing at a fixed induction of the magnetic field In the magnitude of the electric field strength PV,

- измеряют распределение ионов по энергиям для потока ионов одной массы.- measure the distribution of ions in energy for the flow of ions of the same mass.

Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:

- анализ по массам ведут для моноэнергетичного пучка ионов,- mass analysis is carried out for a monoenergetic ion beam,

- отсутствует возможность определения зарядового состава пучка ионов.- there is no possibility of determining the charge composition of the ion beam.

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]:The device according to the patent [Strokin N.A., Astrakhantsev N.V., Bardakov V.M., Vo Ny Zan, Kichigin G.N., Lebedev N.V. The method of analysis of ions by energies and masses and a device for its implementation // Patent RU No. 2459310. - IPC H01J 49/00. - Publ. 02/10/2012]:

- содержит секторный ФВ, энергоанализатор ЮР и детектор ионов;- contains a sector PV, an energy analyzer, and an ion detector;

- 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;- the energy analyzer of the RF and PV is arranged so that the magnetic poles of the PV cover the yyllindric plates of the energy analyzer of the RF, and the PV plates that create the electric field are made in the form of flat electrodes placed on both sides relative to the energy analyzer of the RF and the magnetic system of the PV;

- детектор ионов расположен в точке поворота траектории на угол- the ion detector is located at the point of rotation of the trajectory by an angle

ϕ=π/ω,ϕ = π / ω,

где:Where:

ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории,ω is a parameter that determines the angle at which the target ions are focused on the equilibrium path,

а цилиндрические электроды выполнены с расстоянием между ними, равномand cylindrical electrodes are made with a distance between them equal to

Figure 00000004
Figure 00000004

где:Where:

γ - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории.γ is a parameter that determines the angle at which non-target ions go as far away from the equilibrium trajectory as possible.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:Signs of a known device that matches the essential features of the claimed device are:

- устройство содержит ФВ,- the device contains PV,

- устройство содержит детектор ионов.- the device contains an ion detector.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

- малая входная апертура устройства, которая определяет малый допустимый угловой разброс:- a small input aperture of the device, which determines a small allowable angular spread:

Figure 00000005
Figure 00000005

где:Where:

m0 - масса настройки (центральная) фильтра Вина,m 0 is the mass of the setting (central) of the Wine filter,

δm=m-m0 - диапазон анализируемых масс.δm = mm 0 - range of the analyzed masses.

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].The prototype of the proposed method and device is the method and device according to the patent [Strokin N.A., Astrakhantsev N.V., Bardakov V.M., Kichigin G.N., Lebedev N.V. The method of analysis of ions by mass and a device for its implementation // Patent RU No. 2431214. - IPC H01J 49/48. - Publ. 10/10/2011. - Bull. No. 28].

Способ по прототипу реализуется следующим образом:The prototype method is implemented as follows:

- осуществляют выделение ионов заданной энергии с помощью энергоанализатора,- carry out the selection of ions of a given energy using an energy analyzer,

- в ФВ создают взаимно-ортогональные электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле,- in the PV create a mutually orthogonal electric field and a uniform magnetic field directed along the plates creating an electric field,

- вводят ионы в ФВ,- introduce ions into the PV,

- регистрируют ионы на детекторе, расположенном на выходе ФВ.- register ions at the detector located at the output of the PV.

Признаками способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:The signs of the method according to the prototype, coinciding with the essential features of the proposed method are:

- осуществляют выделение ионов заданной энергии,- carry out the allocation of ions of a given energy,

- в ФВ создают взаимно-ортогональные электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле,- in the PV create a mutually orthogonal electric field and a uniform magnetic field directed along the plates creating an electric field,

- вводят ионы в ФВ,- introduce ions into the PV,

- регистрируют ионы на детекторе, расположенном на выходе ФВ.- register ions at the detector located at the output of the PV.

Недостатками способа по прототипу являются:The disadvantages of the prototype method are:

- анализ по массам ведут для моноэнергетичного пучка ионов,- mass analysis is carried out for a monoenergetic ion beam,

- отсутствует возможность определения зарядового состава пучка ионов.- there is no possibility of determining the charge composition of the ion beam.

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:The device according to the prototype [Strokin N.A., Astrakhantsev N.V., Bardakov V.M., Kichigin G.N., Lebedev N.V. The method of analysis of ions by mass and a device for its implementation // Patent RU No. 2431214. - IPC H01J 49/48. - Publ. 10/10/2011. - Bull. No. 28] contains:

- энергоанализатор,- energy analyzer,

- фильтр Вина, размещенный последовательно за энергоанализатором,- Wines filter placed sequentially behind the energy analyzer,

- детектор ионов, размещенный на выходе ФВ.- an ion detector located at the output of the PV.

Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:The signs of the device according to the prototype, coinciding with the essential features of the claimed device are:

- фильтр Вина,- Wine filter,

- детектор ионов.- ion detector.

Недостатками устройства по прототипу являются:The disadvantages of the device of the prototype are:

- малый допустимый угловой разброс потока ионов, что определяет малую входную рабочую апертуру устройства.- a small allowable angular spread of the ion flux, which determines a small input working aperture of the device.

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.When creating a method for analyzing ions by energies, masses and charges, and a device for its implementation, united by a single inventive concept, the task was to create as a result such a method and device in which all the positive qualities of the prototype method and device would remain and the flow analysis was provided ions both in energies and masses, and in charges, and in the analysis of masses and charges, it was possible to work with non-monoenergetic ion beams having an initial angular spread, which allows Flashes to increase the aperture of the device without increasing its size.

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.The technical result is achieved by the fact that in the method of analyzing ions by energy and mass, including analyzing the energies in the energy analyzer, analyzing the masses in crossed electrical and uniform, directed along the plates creating the electric field, the magnetic field of the PV and registering the ions at the detector located on the output of the PV, according to the invention, the analysis of energies, masses and charges is carried out in tandem of a sequentially located energy analyzer with a retarding potential (EES) and PV, and the ions are recorded in the detector Åre is located at the outlet of the tandem of the two analyzers.

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.The technical result is achieved by the fact that in the device for analyzing ions by energy, mass and charge, containing an EZP, PV and ion detector, according to the invention, an energy analyzer with a delay potential is located in front of the Wien filter, and the ion detector is located at the output of the Wien filter; the areas of the analyzing fields of the energy analyzer with a delay potential and the Wien filter are separated by electrostatic and magnetic screens, and the detector is made with an input window, the area of which is larger than the area of the output aperture of the Wien filter.

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.The advantages of the inventive analyzer in terms of energy, mass and charges compared to the prototype are the ability to analyze ion beams both in terms of energy and mass, and in charges, while in analysis of mass and charges - work with non-monoenergetic ion flows having an initial angular spread, which determines large the analyzer aperture and aperture, which are ensured by the fact that the analysis of energies, masses and charges is carried out in the longitudinal electric field of the EZP and homogeneous crossed PV electric and magnetic fields, an energy analyzer with rzhivayuschim potential have to PV, and the ion detector is positioned on the output PV.

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.The new functions realized by the claimed method and device, including its ability to work as an analyzer in both energies and masses and charges, and in analyzing masses and charges, to work with non-monoenergetic ion flows having an initial angular spread, allows us to consider the claimed device in a new quality - analyzer for energies, masses and charges.

Заявляемый способ анализа ионов по энергиям, массам и зарядам и устройство для его осуществления поясняются чертежами, приведенными на Фиг. 1-7.The inventive method for analyzing ions by energies, masses and charges and a device for its implementation are illustrated by the drawings shown in FIG. 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.In FIG. 1 schematically depicts the claimed device and gives the designation of the analyzing fields and the geometric elements necessary for the implementation of the method and device: E is the electric field between the plates of the capacitor in the region of the flow of the analyzed PV ion; B — magnetic field induction between the plates of the capacitor in the region of the flow of the analyzed PV ions; 1 - energy analyzer with a delay potential; 2 - Wine filter; 3 - detector; C1 - input mesh of the EZP; C2 - separation grid of the EZP; C3 - analyzing mesh of EZP.

На Фиг. 2 показан вариант исполнения ЭЗП заявляемого устройства: 4 - корпус; 5 - входная сетка; 6 - разделительная сетка; 7 - анализирующая сетка; 8 - коллектор; 9 - изоляторы.In FIG. 2 shows an embodiment of the EZP of the claimed device: 4 - housing; 5 - input grid; 6 - separation grid; 7 - analyzing grid; 8 - collector; 9 - insulators.

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.In FIG. 3 shows the embodiment of the PV and the characteristic dimensions of the PV are shown: 10 — permanent magnet —; 11 - pole tip; 12 - insulator electrical input; 13 - plate analyzing capacitor; 14 - magnetic circuit; the distance between the plates of the capacitor, for example, 6 mm; the distance between the pole pieces of the magnets, for example, 16 mm; the length of permanent NeFeB magnets, for example, L = 50 mm.

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.In FIG. Figure 4 shows an example for embodiment No. 1 of current I from the detector (delay curve) when registering a three-component ion flux having a wide energy spectrum W from the minimum energy in the spectrum W min to maximum W max , with masses m 1 , m 2 and m 3 with a fixed PV setting when the potential of the analyzing (C3) grid U en EZP changes from zero to a value eU an.max > W max , which ensures that all ions of the incident stream are blocked .

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.In FIG. 5 shows for example a wide range of ions in energy from a minimum W min to a maximum W max . The spectrum was measured at the output of a plasma accelerator with an anode layer at a discharge voltage of 1100 V, magnetic induction at the anode of 970 G, and argon - plasma-forming gas pressure P = 9⋅10 -5 Torr.

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.In FIG. Figure 6 shows the trajectories of singly and doubly charged krypton ions in the analytic space of the Wien filter — in the region of constant uniform fields transverse to the direction of ion motion.

На Фиг. 7 приведены траектории одно-, двух- и трехкратно заряженных ионов ксенона в анализирующем пространстве фильтра Вина.In FIG. Figure 7 shows the trajectories of single, double, and triple charged xenon ions in the analyzing space of the Wien filter.

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.The device (Fig. 1) contains an EZP (position 1), PV (2) and an ion beam detector (3). The pole pieces of the PV are made of soft magnetic steel and are used to align the magnetic field over the entire area of permanent NeFeB magnets. An optimized pole shape provides focusing of the ion flow in a plane perpendicular to the flow velocity. Permanent magnets are used to reduce the size of the PV. Such a PV can be placed in a vacuum volume and used, for example, for the diagnosis of multicomponent plasma flows. The possibility of changing the PV setting remains - with the help of an electric field.

Ниже приведено краткое теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства (Фиг. 1) по данной заявке.The following is a brief theoretical justification for the possibility of implementing the method and creating a device (Fig. 1) for this application.

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.The Wine Filter is “short”: length, for example, L = 50 mm; the detector is placed directly at the output of the PV. This is explained by the need to have a large aperture of the device. This property of the analyzer is mandatory when registering ions propagating in multicomponent flows and having not linear, but three-dimensional motion trajectories. In addition, the length of the PV is as small as possible. The detector is also chosen wide-aperture with an input window, the area of which overlaps the output gap of the PV, for example, a secondary emission multiplier VEU-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.An energy analyzer with a retarding potential is located in the zone of scattered magnetic fields of the PV, but, due to the decisive influence on the movement of ions in the EZP region of the electric field between closely spaced EDS grid electrodes, the distortion of the ion paths in the EZP by the scattered PV magnetic field can be neglected. In addition, the EZP and the PV are separated by a magnetic core wall having an entrance slit for introducing the flow into the PV.

Входная сетка С1 ЭЗП имеет нулевой потенциал (заземлена) и разделяет электрические поля ЭЗП и плазмы.The input grid C1 of the EES has zero potential (grounded) and separates the electric fields of the EES and plasma.

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.Ions at the entrance to the EZP have a wide spectrum of energies (see the example-illustration in Fig. 5) and can move, including in the plasma stream. We do not consider the case of monoenergetic ion beams when the EZP-PV tandem is not needed, but one PV is enough.

При подаче отрицательного потенциала UС2 на сетку С2, такого, чтоWhen applying a negative potential U C2 to the grid C2, such that

eUC2>We,eU C2 > W e ,

где:Where:

We - энергия электронов плазмы,W e is the plasma electron energy,

электроны отражаются в область между сетками С1 и С2 энергоанализатора и нейтрализуются на его стенках. В области С2-С3 движется только поток ионов.the electrons are reflected in the region between the grids C1 and C2 of the energy analyzer and are neutralized on its walls. In the region C2-C3 only the ion flux moves.

Пусть ФВ настроен на определенную, так называемую, дрейфовую скорость, которая может быть выбрана для иона в пучке, масса которого известная (прогнозируемая),Let the PV be tuned to a specific, so-called drift velocity, which can be selected for an ion in the beam whose mass is known (predicted),

Figure 00000006
Figure 00000006

где:Where:

ν0 - скорость настройки ФВ (дрейфовая скорость),ν 0 - PV tuning speed (drift velocity),

Е - напряженность электрического поля в анализирующем пространстве ФВ,E is the electric field strength in the analyzing space of the PV,

В - индукция магнитного поля в анализирующем пространстве ФВ.In - the induction of a magnetic field in the analyzing space PV.

На анализирующей сетке ЭЗП потенциал равен нулю (не подается).On the analysis grid of the EES, the potential is zero (not supplied).

Ионы, имеющие скорость ν0, проходят через ФВ на детектор. Ион с массой m1, прошедший через ФВ, имеет энергиюIons having a velocity ν 0 pass through the PV to the detector. An ion of mass m 1 passing through the PV has energy

Figure 00000007
Figure 00000007

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 условиеIf ions have a wide energy spectrum, not only ions with mass m 1 , but also all other ions in the beam for which the condition

Figure 00000008
Figure 00000008

или с учетом (1), (2)or subject to (1), (2)

Figure 00000009
Figure 00000009

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.At the detector located at the output of the PV, a mixture of ions m 1 ... m k will come; the registration system will give a total maximum current signal - there will be no mass separation m 1 ... m k .

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

Figure 00000010
. 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.When applied to analyzing the grid C3 EZP positive voltage U en ions incident flow inhibited; their energies become equal to W 0k = W 0k -eU ank . The ion velocities before C3 change as
Figure 00000010
. Some ions whose kinetic energies are less than the values eU ank corresponding to the analyzing voltage are reflected into the space between the C3 and C2 networks of the EZP and are neutralized on its walls. The ions passing through the C3 grid are accelerated in the gap by the C3-input diaphragm (gap) of the PV, which is at zero potential (grounded), to the energies that they had at the entrance to the EZP; the energy spectrum of particles passing through the EZP, therefore, does not change with variation of U an .

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:

Figure 00000011
.Let it be known that in the ion stream there are ions of three masses: m 1 , m 2 and m 3 , with m 1 <m 2 <m 3 . Ions of mass m 1 will not disappear on the detector until ions of mass m 1 with energies from the initial minimum W min.1 to the tuning energy W 0 + ΔW, where ΔW is the absolute PV resolution in energies, are reflected by the braking field of the C3 EZP grid. On the delay curve I = ƒ (U an ), the current under these conditions will be determined as I = I 1 + I 2 + I 3 (see Fig. 4). With further increase of U en mass ions m 1 are located from the region PV setting signal from these ions disappears at a rate determined by the energy resolution of the PV. On the delay curve, the current amplitude decreases to the level I = I 1 + I 2 . At even greater values of U an, the contribution from the ions with mass m 2 will also disappear and the ion current will be determined only by the current of particles with mass m 3 . The current from the detector will become zero at eU en ≥W max.3 + ΔW. On the delay curve, current steps will be visible, the number of which is equal to the number of different masses of the ions in the incident stream — 3 in our case. Differentiation of the delay curve gives the ion energy distribution - dI / dW, which shows 3 ion peaks, starting with the lightest, at different energies corresponding to ions of three different masses (see Fig. 4). Since the condition for the passage of ions to the detector is known (formula (3)), the values of electric E and magnetic B fields are known, the masses are automatically calculated from the most probable energies obtained for three ion beams:
Figure 00000011
.

Интегрирование функций распределения выделенных анализатором ионов дает плотности частиц той или иной массы.Integration of the distribution functions of the ions extracted by the analyzer gives the particle density of a particular mass.

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.A Wien filter with parameters L = 50 mm, input and output slit widths d 0 = d L = 1 mm at B = 0.25 T, W 0 = 1 keV has a small energy resolution: R W ≈2 (ΔW ≈ 500 eV ) An additional advantage of using EZP in tandem with PV is the ability to improve, in comparison with PV only, the energy resolution, defined as the ratio of the half-width of the spectrum at its half height, in certain energy ranges at different stages of scanning.

Таким образом, анализ по энергиям и массам в анализаторе для потока ионов, имеющих широкий спектр по энергиям, оказывается возможным.Thus, the analysis of energies and masses in the analyzer for the flow of ions having a wide spectrum of energies is possible.

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.To expand the functionality of the analyzer, the EZP - PV - detector can be supplemented by a retractable collector located at the output of the EZP. This will make it possible to measure the total spectrum of all ions by energy before analysis by mass and charge, determine the energy range W max - W min , the most probable energy, and see the features of the spectrum. This information will be useful in adjusting the PV and analysis of ions by mass and charge.

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.It is known that a “short” PV with mutually perpendicular analyzing fields, in which the geometrical length of the motion paths during the cycloid for single and multiply charged ions is much greater than the length of the PV (for illustration see Fig. 6), practically cannot distinguish ions of the same mass, moving at the same speed, but having different charges. For example, for the PV described in FIG. 3, both single- and doubly charged krypton ions Kr + and Kr 2+ with an energy of 1 keV pass (and mix) through the PV with an exit slit 0.8 mm wide at 68 V <U PV <74 V; only Kr + passes when 68 V <U PV <69 V and 74 V <U PV <76 V. It can be seen that the transmission range for Kr 2+ lies within the Kr + + transmission range and, thus, overlapping transmission ranges are predominantly observed, therefore, there is the problem of the allocation of ions of the same mass having different charges.

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:There is a practically important task of elucidating the formation mechanism of the ion distribution function in the stream generated by a plasma accelerator, a plasma engine designed for spacecraft. Xenon, which has one-, two- and three-fold ions (Xe + , Xe 2+ , Xe 3+ ), is more often used as a plasma-forming gas. Through the PV (Fig. 3), ions pass at the following voltages between the plates:

Хе+: 53,70 В≤UФВ≤61,38 В;Xe + : 53.70 V≤U PV ≤61.38 V;

Хе2+: 55,62 В≤UФВ≤59,46 В;Xe 2+ : 55.62 V U U PV 59 59.46 V;

Хе3+: 56,26 В≤UФВ≤58,82 В.Xe 3+ : 56.26 V≤U PV ≤58.82 V.

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

Figure 00000012
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.It can be seen that the Xe 3+ transmission range lies within the Xe + and Xe 2+ transmission ranges; the range of passage of Xe 2+ (see Fig. 7) lies within the range of passage of Xe + . With great difficulties, which are associated with a significant energy spread of ion beams and a finite energy resolution of the PV, only a singly charged xenon ion can be distinguished. It should be noted that, theoretically, the lightest and heaviest ions can also be distinguished from a wide spectrum if the PV settings are made, respectively, by
Figure 00000012
taking into account the absolute resolution of the PV in energies ΔW. The difficulties in this case are associated with the fact that it is necessary to register small ion currents, since the above settings imply the work on the tails of the ion energy distribution function.

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

Figure 00000013
; ток детектора максимальный.When the analyzer registers an ion flux with different charges, with a known identical mass m, having a wide energy spectrum, when there is no delay potential U an on the C3 EZP analysis grid, and the PV is tuned to the energy W 0 of a singly charged ion, ions with all multiplicities of charge whose energies satisfy the condition
Figure 00000013
; detector current maximum.

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.With increasing U an ion with a large charge in the electric field, the EZP will slow down more strongly, since the force acting on the ion, F = qE an, is directly proportional to its charge q and the electric field strength E en between the analyzing C3 and C2 decoupling networks of the EZP. When eU the An ≈ W 0/3 + ΔW from PV aperture leave ions with q = 3; when the An eU ≈ W 0/2 + ΔW - go ions with charge q = 2; if the value eU an ≈ W 0 + ΔW - is reached and ions with q = 1 exit the PV aperture. Thus, the detector current in the presence of ions with different charge multiplicities with increasing U en will decrease stepwise (the delay curve will be similar to that shown in Fig. 4). The maximum charge ratio will be equal to the number of steps on the delay curve. The amplitude of the current steps will be proportional to the content in the flux of ions with different charge multiplicities. Differentiation of the delay curve will give a quantitative characteristic - the density of ions with different charge multiplicities.

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.Thus, the analysis of charges in the analyzer for the flow of ions with different charges, with a known identical mass m, having a wide energy spectrum, is possible; In this case, the tandem of the electron-beam condensation plus PV becomes an analyzer of the “charge multiplicity” of the ion flux.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.The inventive method is implemented as follows.

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.A multicomponent ion flux having different energies is introduced into the EZP through the C1 network (Fig. 1), which has zero potential, which shields the analyzer's electrostatic field from the fields in the plasma in the area in front of the EZP.

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.A negative potential U C2 , such that eU C2 > W e , is fed onto the grid C2 of the EES. The electrons that penetrated through the C1 grid reflect the inhibiting electric field into the area between the grids C1 and C2 of the energy analyzer, where they are neutralized on the walls.

Настраивают ФВ на определенную дрейфовую скорость

Figure 00000014
, которая выбирается для иона, масса которого известная (или прогнозируемая).Set the PV to a specific drift velocity
Figure 00000014
, which is selected for an ion whose mass is known (or predicted).

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

Figure 00000015
.The ions passed through the PV are recorded on the detector for which the condition
Figure 00000015
.

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:

Figure 00000016
.A positive voltage U an is applied to the analyzing grid C3 of the EZP, thereby inhibiting the ions of the incident stream; their energies become equal to W 0k = W 0k -eU ank and the ion velocities vary as follows:
Figure 00000016
.

Отражают в пространство между сетками С3 и С2 ЭЗП часть ионов, кинетические энергии которых меньше соответствующих анализирующему напряжению величин еUан.k.Part of the ions is reflected into the space between the grids C3 and C2 of the EZP, the kinetic energies of which are less than the values of eU an.k corresponding to the analyzing voltage.

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.Ions passing through the C3 grid accelerate in the gap C3 — the input PV diaphragm to the energies that they had at the entrance to the EZP; Thus, the energy spectrum of the transmitted particles does not change with variation of U an .

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.In a stream of ions of three masses: m 1 , m 2 and m 3 (m 1 <m 2 <m 3 ), ions of mass m 1 are recorded at the detector until ions of mass m 1 with energies from the initial minimum W min . 1 to the tuning energy W 0 , taking into account the energy resolution ΔW. On the delay curve I = ƒ (U an ), the current under these conditions will be determined as I = I 1 + I 2 + I 3 .

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.U an is increased until ions of mass m 1 leave the area of the PV setting. The signal from these ions disappears at a speed determined by the energy resolution ΔW of the Wien filter. On the delay curve, the current amplitude decreases to the level I = I 1 + I 2 .

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.U an is increased until the contribution from ions with mass m 2 disappears on the detector and the ion current is determined only by the current of particles with mass m 3 .

Увеличивают анализирующее напряжение до величины eU≥Wmax.3. Ток детектора станет равным нулю.The analysis voltage is increased to eU an ≥W max . 3. The detector current will be zero.

Регистрируют кривую задержки, имеющую ступенчатую форму, число ступенек на которой равно числу разных масс у ионов в налетающем потоке - 3 в нашем случае.The delay curve is recorded, which has a step shape, the number of steps on which is equal to the number of different masses of the ions in the incident stream — 3 in our case.

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).They differentiate the delay curve, obtaining the energy distribution of ions - dI / dW, which shows 3 ion peaks, starting with the lightest, at different energies corresponding to ions of three different masses (similar to the data shown in Fig. 4).

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

Figure 00000017
.Using the most probable energies obtained for three ion beams, the ion masses are calculated by the formula
Figure 00000017
.

Вычисляют плотности частиц той или иной массы путем интегрирования функций распределения выделенных анализатором ионов.The particle densities of a given mass are calculated by integrating the distribution functions of the ions extracted by the analyzer.

При регистрации анализатором потока ионов одной массы m с разными зарядами, имеющих широкий спектр по энергии, заявляемый способ реализуется следующим образом;When the analyzer registers an ion flux of the same mass m with different charges having a wide energy spectrum, the inventive method is implemented as follows;

ФВ настраивают на энергию W0 однократно заряженного иона.PV is tuned to the energy W 0 of a singly charged ion.

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

Figure 00000018
.The maximum ion current is recorded on the detector, the contribution to which is made by ions with all charge multiplicities, whose energies satisfy the condition
Figure 00000018
.

Увеличивают U до величины eUан ≈ W0/3+ΔW.U is increased to a value of the An eU en ≈ W 0/3 + ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=3.A decrease in current is recorded on the delay curve due to the departure of ions from q = 3 from the PV aperture.

Увеличивают U до величины eU ≈ W0/2+ΔW.U is increased to a value of the An eU the An ≈ W 0/2 + ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=2.A decrease in current is recorded on the delay curve due to the departure of ions with q = 2 from the PV aperture.

Увеличивают U до величины eU ≈ W0+ΔW.Increase U an to eU an ≈ W 0 + ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=1.A decrease in current is recorded on the delay curve due to the departure of ions with q = 1 from the PV aperture.

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.Thus, the detector current in the presence of ions with different charge multiplicities with increasing U an will decrease stepwise (the delay curve is similar to that shown in Fig. 4). The maximum charge multiplicity will be equal to the number of steps on the delay curve. The amplitude of the current steps will be proportional to the content in the flux of ions with different charge multiplicities.

Дифференцируют кривую задержки, получая количественную характеристику потока ионов - плотность ионов с разной кратностью заряда.The delay curve is differentiated, obtaining a quantitative characteristic of the ion flux — the density of ions with different charge multiplicities.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

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.The device contains an EZP (position 1 in Fig. 1), PV (2) and an ion detector (3). EZP is located in front of the PV. The ion detector is located at the output of the PV. EZP and PV are made with large input apertures, which makes it possible to increase the analyzer sensitivity and register particles that have three-dimensional trajectories. The Wine Filter is made short: length L = 50 mm; an ion detector is placed directly at the output of the PV. The areas of the analyzing fields of the EZP and PV are separated by electrostatic and magnetic screens. The detector is made with an input window, the area of which is larger than the area of the output diaphragm-gap PV.

Таким образом, заявляемый анализатор обеспечивает диагностику по энергиям, массам и зарядам как при наличии у ионов анализируемого потока энергетического, так и углового разброса.Thus, the inventive analyzer provides diagnostics for energies, masses and charges both in the presence of ions of the analyzed flow of energy and angular dispersion.

Claims (2)

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.1. The method of analysis of ions by energy and mass, including energy analysis in an energy analyzer, mass analysis in crossed electrical and uniform, directed along the plates creating an electric field, magnetic field of the Wien filter and registration of ions at the detector located at the output of the Wien filter, characterized in that the analysis of energies, masses and charges is carried out in tandem of a sequentially located energy analyzer with a delay potential and a Wien filter, and the ions are recorded on a detector located and the output of the two tandem analyzers. 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.2. A device for analyzing ions by energy, mass and charge, comprising a Wien filter and an ion detector, characterized in that an energy analyzer with a delay potential is located in front of the Wien filter, and an ion detector is located at the output of the Wien filter; the areas of the analyzing fields of the energy analyzer with a delay potential and the Wien filter are separated by electrostatic and magnetic screens, and the detector is made with an input window, the area of which is larger than the area of the output aperture of the Wien filter.
RU2019109771A 2019-04-03 2019-04-03 Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation RU2708637C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109771A RU2708637C1 (en) 2019-04-03 2019-04-03 Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109771A RU2708637C1 (en) 2019-04-03 2019-04-03 Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2708637C1 true RU2708637C1 (en) 2019-12-10

Family

ID=68836720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019109771A RU2708637C1 (en) 2019-04-03 2019-04-03 Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2708637C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003073462A1 (en) * 2002-02-25 2003-09-04 Monitor Instruments Company, Llc Cycloidal mass spectrometer
WO2004108257A2 (en) * 2003-06-03 2004-12-16 Monitor Instruments Company, Llc Mass spectrometer and related ionizer and methods
RU2431214C1 (en) * 2010-04-23 2011-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) Method of analysing charged particles based on mass and device for realising said method
RU2459310C2 (en) * 2010-08-04 2012-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") Method of analysing charged particles based on energy mass and apparatus for realising said method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003073462A1 (en) * 2002-02-25 2003-09-04 Monitor Instruments Company, Llc Cycloidal mass spectrometer
WO2004108257A2 (en) * 2003-06-03 2004-12-16 Monitor Instruments Company, Llc Mass spectrometer and related ionizer and methods
RU2431214C1 (en) * 2010-04-23 2011-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) Method of analysing charged particles based on mass and device for realising said method
RU2459310C2 (en) * 2010-08-04 2012-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") Method of analysing charged particles based on energy mass and apparatus for realising said method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6080985A (en) Ion source and accelerator for improved dynamic range and mass selection in a time of flight mass spectrometer
Wittmaack Design and performance of quadrupole-based SIMS instruments: a critical review
GB2376562A (en) Mass spectrometer and methods of ion separation and detection
WO2006130149A2 (en) Mass spectrometer and methods of increasing dispersion between ion beams
AU2010346305B2 (en) Mass spectrometers and methods of ion separation and detection
Sigaud et al. A novel double-focusing time-of-flight mass spectrometer for absolute recoil ion cross sections measurements
JP2001035434A (en) Image forming device for energy resolution and angular resolution electron spectral diffraction, method for it, and spectroscope
Benis et al. Improving the energy resolution of a hemispherical spectrograph using a paracentric entry at a non-zero potential
RU2708637C1 (en) Method of analyzing ions by energy, mass and charge and device for its implementation
US10903064B2 (en) Methods for detection of ion spatial distribution
JP6544491B2 (en) Mass spectrometer
Tarvainen et al. Effect of the gas mixing technique on the plasma potential and emittance of the JYFL 14 GHz electron cyclotron resonance ion source
US7858931B2 (en) Methods and devices for the mass-selective transport of ions
RU2658293C1 (en) Time-of-flight plasma ion spectrometer
RU2431214C1 (en) Method of analysing charged particles based on mass and device for realising said method
Lower et al. Invited Article: An improved double-toroidal spectrometer for gas phase (e, 2e) studies
Usmanov et al. Time-of-flight mass spectrometer for diagnostics of continuous plasma flow
US4090076A (en) High resolution electron energy device and method
Gordon et al. Low-energy ion beamline scattering apparatus for surface science investigations
Abdoul-Carime et al. Correlated ion-(ion/neutral) time of flight mass spectrometer
Shinto et al. Optimization of a compact multicusp He+ ion source for double-charge-exchanged He− beam
Young et al. An isochronous poloidal geometry time-of-flight ion mass spectrometer for energetic space plasmas
Torrisi et al. Magnetic and electric deflector spectrometers for ion emission analysis from laser generated plasma
EP1357578A2 (en) Spectroscopic analyser for surface analysis, and method therefor
US20030141445A1 (en) Mass spectrometer based on the use of quadrupole lenses with angular gradient of the electrostatic field