SU425244A1 - Ахроматический электростатическийспектрометр с поперечным отклоняющимэлектрическим полем - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к тем област м экспериментальной физики и техники, в которых изучаетс  и используетс  отклонение зар женных частиц, а также исследуютс  энергетические спектры потоков зар жеппых частиц в лаборатории и космическом пространстве.

Известны электростатические спектрометры с поперечным отклон ющим электрическим полем , содержащие пару сектор-ных коаксиальных цилиндрических электродов, регистратор зар женных частиц и источник питани . Известны также ахроматические системы, в которых отсутствует радиальна  дисперси  на выходе, но в которых, кроме электрического пол  цилиндрического конденсатора, иснольззетс  еще и однородное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра.

Выделение необходимого интервала энергий .Е/ЕО (EQ - равновесна  энерги ) из исследуемого потока в отклон ющих системах обычно производитс  как самой отклон ющей системой, так и входным окном регистратора на выходе из отклон ющей системы.

Если радиальный размер ё входного окна регистратора меньше щирины зазора Дг между отклон ющими электродами, то не все частицы , прошедщие через отклон ющую систему , попадут Б регистратор. Это объ сн етс  существованием радиальной дисперсии De, из-за которой частицы с разными энерги ми.

наход щимис  внутри интервала, пропускаемого отклон ющей системой, выход т из зазора на разных радиальных рассто ни х.

Дисперси  но энергии после отклон ющей системы приводит также к тому, что место входа частицы в спектрометр, величина и ориентаци  приемного телесного угла спектрометра сильно завис т от энергии частицы из числа энергий, наход щихс  внутри всего интервала Е.

Повыщение чувствительности спектрометра путем увеличени  доли потока, попадающего в регистратор, в обычных спектрометрах требует уменьщени  диснерсии DE или увеличени  размера б. Дисперси  секторного цилиндрического конденсатора с углом сектора Ф, средним радиусом зазора го (радиус равновесной орбиты) н с АГ/ГО-С равна DE

:..(-)(1-С05|/2Ф).

Уменьщить дисперсию DE можно, уменьщив угол Ф или радиус Гд. Однако, например, в обычных электростатических спектрометрах дл  исследовани  малоинтенсивных потоков

частиц в присутствии фона, устанавливаемых на космических аппаратах, попытка уменьщени  радиуса Го или угла Ф приводит к нежелательным последстви м.

Уменьшение угла Ф влечет за собой возрастание фона от ультрафиолетового излучени  Солнца, так как при меньших углах Ф укорачиваетс  длина криволинейного зазора, и ультрафиолетовое излучение меньше ослабл етс  при многократных отражени х в нем. Уменьшение угла Ф увеличивает также неопределенность угла и места входа потока в зазор . Уменьшение радиуса Го влечет за собой необходимость повышени  разности потенциалов между отклон юш,илш электродами дл  сохранени  максимальной регистрируемой прибором энергии. Уменьшение размера б тоже не всегда возможно . У таких перспективных регистраторов как канальные электронные умножители диаметр самого канала ж мм, установка же входной воронки на канальный умножитель дл  увеличени  апертуры приводит к необходимости учета зонной характеристики воронки , и, кроме того, увеличивает собственный фон регистратора. Поэтому в обычных спектрометрах нельз  увеличить чувствительность, не ухудшив при этом других характеристик прибора. Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и пространственной избирательности спектрометра. При этом одновременно увеличиваетс  интервал Е и уменьшаетс  неопределенность условий входа частиц в зазор по сравнению с обычным электростатическим спектрометром, геометрические параметры которого одинаковы с параметрами предложенного спектрометра. Дл  этого отклон юш,ие электроды выполпены в виде трех пар, расположенных последовательно таким образом, что поверхности электродов в соседних парах имеют общие касательные, проведенные через обращенные друг к другу кра  электродов, причем электроды , имеющие общую касательную, наход тс  с нротивоположных сторон от этой касательной , углы секторов крайних пар равны между собой и св заны с углом сектора средпен пары соотношением Фс Sin /2 Фк 2-COSJ/M)K На фиг. 1 приведена схема спектрометра; на фиг. 2 - схема радиальной фокусировки траекторий частиц разных энергий, а также увеличение энергии Е в предложенном спектрометре в сравнении с известным спектрометром с такими же параметрами Ф и АГ/ГО. Ахроматический электростатический снектрометр содержит крайние 1, 2 и среднюю 3 пары электродов, регистратор 4 и источник питани  5. Спектрометр работает следующим образом. Пары электродов 1, 2, 3 подключаютс  к источнику питани  5. На выходе из сектора 2 размещаетс  регистратор 4, вход пары электродов 1 облучаетс  исследуемым потоком зар женных частиц. Пучок траекторий отклон етс  в соседних участках в противоположных направлени х. Сумма длин зазоров равна /-„Ф .:: /-„ (2ФК + Фс). На фиг. 2 приведены траектории частиц с разными энерги ми в координатах ф, р, где ср - угол с вершиной в центре кривизны поверхностей электродов, р - радиальное рассто ние частицы от равновесной орбиты, выраженное в единицах Го. Уравнение траектории в зазоре между обкладками цилиндрического конденсатора дл  нерел тивистских энергий и при условии &.г/Го, обычно выполн ющемс  в реальных конструкци х спектрометров рассматриваемого типа, имеет вид Р sin Y2f + (c, - 4 1 cos /2f + 4 , где индекс 1 относитс  ко входу в зазор. Из (2) видно, что частица в зазоре совершает гармоническое колебание с ам1плитудой f Pi- около стабильной орбиты, радиус которой (). Отклон юща  система спектрометра пропускает на выход частицы, траектории которых в нроцессе колебаний не касаютс  электродов. , На фиг. 2 жирными сплошными лини ми показаны траектории частиц, которые колеблютс  около соответствующих стабильных орбит с энерги ми i, 2,--, макс Р переходе в средний сектор на1правление электрического пол  измен етс  на противоположное и стабильные орбиты смещаютс  под ось абсцисс (см. фиг. 2). Войд  в средний сектор, частицы вынуждены продолжить колебани  около сместившихс  орбит, поэтому наклон траекторий уменьшаетс  и становитс  равным нулю на угловом рассто нии Фс/2 от начала среднего сектора. В случае, когда длина пр молинейного промежутка между соседними секторами мала по сравнению с зазором Дг и когда р1 р1 0, угол Фс/2 одинаков дл  всех энергий в интервале и св зан с углом Фк соотношением (1). В предложенном спектрометре плоскость Ф Фк-|-Фс/2  вл етс  плоскостью симметрии отклон ющей системы; траектории справа от этой плоскости будут зеркальными отражени ми траекторий слева от нее. Поэтому частиДы с энерги ми в интервале , вошедшие с рассто ни  pi , выйдут из отклон ющей системы при р , что означает радиальную фокусировку по энергии, или отсутствие дисперсии. Суть изобретени  состоит в выполнении отклон ющей системы спектрометра в виде трех секторов, расположенных приведенным на фиг. 1 образом, с угловыми размерами их, подобранными в соответствии с соотношением ( 1) так, чтобы траектории частиц, вход щих

с рассто ни  pi , имели симметричный вид относительно плоскости ф Фк+Фс/2.

Расчеты, основанные на соотношении (2), и эксперименты с опытным образцом спектрометра показали, что дисперси  по энергии в таком спектрометре практически отсутствует и при ()1, PI 0.

На фиг. 2 показан эффект увеличени  макс в предложенном спектрометре по сравнению с Емаке в известном спектрометре с одной парой отклон ющих электродов при одинаковых Ф и АГ/ГО. Предельна  траектори  с макс показана жирной пунктирной линией, соответствуюпда  ей стабильна  орбита - тонкой пунктирной линией.

В предложенном спектрометре частица с макс в среднем секторе удерживаетс  в зазоре из-за смещени  ее стабильной орбиты под ось абсцисс, в известном спектрометре така  частица попала бы на стенку.

Опытный образец спектрометра имел цилиндрические электроды с Дг/Го 0,05, Го 80 мм, Фк 26°, Фс 38°. Вход облучалс  направленным пучком электронов с энергией около 5 кэв при р1 и PJ , близких к нулю. Диаметр пучка на входе в зазоре составл л  йО,3 мм, выходной пучок наблюдалс  по свечению на экране регистратора, отсто вшего на л;30 мм от выхода из последнего сектора.

Смещение .п тна на экране не

превышало ±0,15 мм в интервале 23%.

Предмет изобретени 

Ахроматический электростатический спектрометр с поперечным отклон ющим электрическим нолем, содержащий парные секторные коаксиальные круговые цилиндрические отклон Еощие электроды, регистратор зар женных частиц и источник питани , отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и пространственной избирательности , отклон ющие электроды выполнены в виде трех пар, расположенных последовательно таким образом, что поверхности электродов в соседних парах имеют общие касательные, проведенные через обращенные друг к другу кра  электродов, причем электроды, имеющие общую касательную, наход тс  с противоположных сторон от этой касательной, углы секторов крайних пар равны между собой и св заны с углом сектора средней пары соотношением

е sin У2Фк У2 2 - cos /2ФК

где Фк - угол сектора крайней пары, Фс - 30 угол сектора средней пары.

fc/2

f

.2