АНАЛИЗАТОР УГЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ

Полезная модель относится к области анализа потоков заряженных частиц по массам, энергиям и направлениям движения в космическом или околокосмическом пространстве. Исследования таких характеристик распределений горячей плазмы в планетарной магнитосфере как ионный состав, форма энергетических спектров и угловые распределения, направлены, в частности, на развитие представлений о природе пограничных слоев магнитосферы Земли и других планет и объектов солнечной системы.
В наиболее распространенных типах энерго- и масс-анализаторов при регистрации спектров используется разделение заряженных частиц по энергиям или массам при их движении в электромагнитном поле. Задачи исследований горячей плазмы в космическом пространстве дополнительно диктуют необходимость широкого угла обзора плазменных анализаторов. Так как плазменные приборы высокого разрешения имеют узкую угловую диаграмму, такой обзор обеспечивается либо установкой на спутнике нескольких анализаторов, либо сканированием различных направлений при вращении спутника или электростатическим управлением угловой диаграммой.
Известен электростатический аксиально-симметричный 'top-hat' анализатор [1], обладающий избирательностью по кинетической энергии Ε и направлению движения заряженных частиц. Селекция частиц по энергиям обеспечивается парой концентрических полусферических электродов: заземленной внешней полусферой и внутренней полусферой с отклоняющим потенциалом V. Двумя параллельными, близко расположенными дисками достаточно большого радиуса, размещаемыми у вершины внешней полусферы параллельно основанию полусфер, фиксируется полярный угол Θ=90° движения регистрируемых частиц в сферической системе координат. Частицы, попавшие в пространство между дисками и имеющие близкий к 90° полярный угол Θ и любой азимутальный φ в диапазоне [0, 2π], сквозь узкую кольцевую прорезь во внешней сфере влетают в отклоняющее электростатическое поле между полусферами. Частицы с определенным отношением E/V перемещаются в поле по траекториям, совпадающим с окружностями среднего радиуса анализатора, и, пролетев сквозь выходную кольцевую диафрагму, попадают на плоский коллектор, расположенный параллельно основанию полусфер. Регистрируемое изображение представляет собой окружность на плоскости указанного коллектора. Частицы с меньшим или большим отношением E/V оседают на полусферических электродах или стенках выходной диафрагмы. Постепенным изменением потенциала V внутренней полусферы можно просканировать весь спектр энергий Ε заряженный частиц. Массовый состав потока частиц может быть исследован с помощью размещаемого за выходной диафрагмой время-пролетного анализатора. Регистрация распределения частиц по азимутальному углу φ обеспечивается использованием плоского позиционно-чувствительного детектора (ПЧД) в качестве коллектора, т.к. частица с определенным углом φ отображается единственной точкой на окружности всего изображения. Для исследования угловых зависимостей во всем угловом диапазоне 4π с.р. необходимо произвести плавный поворот анализатора вокруг любого перпендикулярного оси симметрии направления на 180° при последовательной регистрации азимутальных зависимостей с помощью ПЧД.
Недостатком известного устройства является значительный временной цикл регистрации угловых зависимостей в полном телесном угле 4π с.р. и малая точность определения полярных углов, обусловленные положенным в основу измерений принципом механических перемещений (вращений).
Наиболее близким к предлагаемому является аксиально-симметричный анализатор КАМЕРА [2] заряженных частиц, реализующий оригинальную схему измерений и обеспечивающий полный одномоментный обзор в телесном угле 2π с.р. Анализатор содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний электроды эллипсоидальной формы, причем на внутренний сплошной электрод подается отклоняющий потенциал V, а внешний электрод, выполненный из мелкоструктурной металлической сетки, находится под нулевым потенциалом. Электростатическое поле анализатора преобразует поток заряженных частиц, пролетающих сквозь сеточный электрод в анализатор из половины сферы «неба», в полый конусный пучок частиц на выходе, регистрируемых плоским ПЧД.
В вершине полого конуса располагается выходная дырочная диафрагма, вырезающая из потока частицы в определенной узкой полосе энергий ΔЕ. Изменением потенциала V отклоняющего электрода можно просканировать весь энергетический спектр частиц.
Поскольку в рассматриваемом анализаторе обеспечивается однозначное соответствие между углом входа частицы и ее положением на плоскости детектора при регистрации, то прибор обеспечивает достаточное угловое разрешение, принципиально ограниченное лишь точностью изготовления электродов и латеральным разрешением позиционно-чувствительного детектора.
Анализатор может быть использован в качестве первой ступени при построении систем для исследований ионного состава, энергетических спектров и угловых распределений заряженных частиц в космическом пространстве с высоким темпом регистрации.
С целью улучшения энергетического разрешения анализатор может снабжаться дополнительными корпускулярно-оптическими устройствами.
Для исследований ионов по массам к прибору дополнительно пристыковывается время-пролетный масс-анализатор.
Два идентичных и противоположно ориентированных анализатора обеспечивают покрытие полной сферы (одномоментный обзор всего «неба»).
К недостаткам прототипа относится сложная эллипсоидальная конфигурация электродов и потери заряженных частиц при их вводе и выводе через сеточный электрод.
При создании заявляемой полезной модели решается задача реализации схемы одномоментных измерений угловых зависимостей в диапазоне 2π с.р. на базе анализатора с электродами простой формы и минимальным использованием сеток на пути движения заряженных частиц.
Сущность полезной модели заключается в том, что лежащая в ее основе электронно-оптическая схема с электродами простой формы (дисков, колец, цилиндров и конусов) обеспечивает фокусировку потока заряженных частиц, испущенных из полусферы неба, и преобразование его в полый конический поток частиц на выходе, регистрируемых ПЧД.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.
Решение указанной задачи достигается тем, что аксиально-симметричный анализатор заряженных частиц содержит коаксиально размещенные внешний электрод 1 с нулевым потенциалом, образованный поверхностями дисков, колец, цилиндров и конусов; внутренние фокусирующие электроды 2 и 3 "П"-образного сечения; выполненную на стыке кольцевой и меньшей цилиндрической поверхностей внешнего электрода 1 входную узкую кольцевую бессеточную диафрагму 4 и выполненное на конической поверхности внешнего электрода 1 затянутое мелкоструктурной металлической сеткой высокой прозрачности выходное окно 5, предназначенные для пролета заряженных частиц 6, плоский позиционно-чувствительный детектор 8 и блок питания 9. При этом внешний электрод 1, находящийся под нулевым потенциалом, и внутренние электроды 2 и 3 с отличными от нуля потенциалами V образуют одиночную коническую электростатическую линзу, фокусирующую в кольцо 7 приходящий из космоса поток заряженных частиц 6 с определенной энергией Ε и произвольной массой m и отображающую каждый точечный источник полусферы неба в точку кольцеобразного изображения на поверхности позиционно-чувствительного детектора 8, за исключением точек области, являющейся проекцией основания меньшей цилиндрической поверхности внешнего электрода 1 на полусферу источников и составляющую бесконечно малую долю от ее площади.
Устройство работает следующим образом.
Заряженные частицы 6 с энергией Е, испущенные точечными источниками, распределенными некоторым образом по поверхности полусферы неба большого радиуса, двигаясь по радиальным траекториям сквозь входную кольцевую диафрагму 4 проникают в поле одиночной конической электростатической линзы, образованное нулевым потенциалом на внешнем электроде 1 и потенциалами V на внутренних электродах 2 и 3 "П"-образного сечения, подаваемыми с блока питания 9. Поток 6, испытав фокусирующее воздействие этого поля, выходит во внешнее пространство через затянутое мелкоструктурной металлической сеткой окно 5 в конической поверхности внешнего электрода 1, образуя полый усеченный конус с меньшим основанием, расположенным в области фокуса 7, и большим основанием, ограниченным плоскостью позиционно-чувствительного детектора 8. Поскольку проекция основания меньшей цилиндрической поверхности внешнего электрода 1 на полусферу неба составляет бесконечно малую долю от площади этой полусферы, то вся без исключения полусфера отображается в кольцевую область на плоскости ПЧД. Изменением потенциала V с блока питания 9 в кольцо 7 могут быть сфокусированы частицы 6 с любой энергией Е. Для проведения исследований энергий и масс заряженных частиц между фокусом 7 и ПЧД 8 организуется дополнительное пространство, где могут размещаться энерго- и масс-анализаторы различных конструкций.
Полезная модель осуществляется следующим образом. При радиусе меньшей цилиндрической поверхности электрода 1, равном 17 мм, радиус большей цилиндрической поверхности примерно равен 23 мм, протяженность вдоль оси симметрии (длина) меньшей цилиндрической поверхности составляет около 6 мм, длина всего анализатора равна приблизительно равна 30 мм, угол наклона конической поверхности электрода 1 примерно равен 45°, ширина входной кольцевой диафрагмы 4 не превышает 1 мкм, ширина выходного окна 5 составляет около 5 мм, внутренний радиус ближнего к входной диафрагме кольцевой части электрода 2 примерно равен 18 мм, дальней кольцевой части - 13 мм, внешний радиус обоих колец составляет примерно 22 мм, цилиндрическая часть электрода 2 имеет в длину примерно 18 мм, внутренний и внешний радиусы кольцевой части электрода 3 приблизительно равны 2 мм и 16 мм соответственно, длина цилиндрической части электрода 3 с большим радиусом составляет примерно 5 мм, с меньшим радиусом - 2 мм, зазор между поверхностями электрода 1 и электродов 2 и 3 составляет порядка 0.5 мм; при отношении энергии Ε частиц к потенциалам V электродов 2 и 3, равном E/V=1, радиус кольцевого фокуса 7 составляет примерно 14 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Carlson С.W., Curtis D.W., Paschmann G. and Michel W. An instrument for rapidly measuring plasma distribution functions with high resolution // Adv. Space Res. - 1982. - V.2. - P. 67-70.
2. О.Л. Вайсберг, Л.А. Аванов, A.B. Лейбов и др. Панорамный плазменный спектрометр - камера всего неба для заряженных частиц // Космич. исслед. - 2005. - Т. 43, №5. - с. 390-394.