СПОСОБ АНАЛИЗА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ANALYSING CHARGED PARTICLES BASED ON MASS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам и устройствам для анализа заряженных частиц (ионов) по массам с использованием электрических и магнитных полей и может быть использовано для определения элементного или изотопного состава, например плазмы рабочего вещества.
Изобретение относится к перспективному направлению развития науки и технологий «Нанотехнологии и наноматериалы».
Основными областями применения анализаторов заряженных частиц по массам - масс-анализаторов - являются: изучение поверхности твердых тел, процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме, исследование структуры вещества и химического анализа, плазменные задачи геофизики, физики космического пространства и физики явлений и процессов в плазме, используемой в «земных» условиях. Общим требованием к масс-анализаторам является обеспечение наилучшего разрешения по массам dm/m (dm - расстояние по массовой шкале между соседними элементами (изотопами); m - масса «базового» элемента (изотопа)) при минимальных габаритах и массе прибора. Достаточно полный обзор по данной тематике можно найти в статье [Тарантин Н.И. Методы измерения атомных масс в ядерной физике. Основа масс-анализа - диспергирование ионов или заряженных частиц // Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1999. - Т.30, вып.2. - С.402-468].
Известен способ масс-анализа [Ошер Дж. Корпускулярная диагностика // в кн. Диагностика плазмы / под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. - М.: Мир, 1967. - С.426-501]. Данный способ обеспечивает сепарацию ионов по импульсам; при фиксированной энергии частиц происходит сепарация ионов по массам. В области анализа создают однородное магнитное поле напряженностью В. Пучок частиц направляют в область сепарации перпендикулярно направлению магнитного поля. Движение заряженной частицы в магнитном поле описывается следующим уравнением:
2
mV/ρ=ezVB/c,
где:
m - масса частицы, кг;
V - скорость движения частицы, м/с;
ρ - радиус кривизны траектории частицы, м;
е - заряд электрона, Кл;
z - кратность заряда частицы;
В - напряженность магнитного поля, Гс;
с - скорость света, м/с.
При длине пролета вдоль траектории L и повороте в области анализа (рабочем объеме) на угол θ на детектор придут частицы, имеющие массу, которую можно определить по формуле:
m=ezLB/(cVθ),
где:
L - длина пролета, м;
θ - угол поворота, градус.
Фокусировка ионов по углам в данном масс-анализаторе возможна после их поворота в поле В на 180°.
Признаком известного способа, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является:
- создание в рабочем объеме анализатора магнитного поля, перпендикулярного направлению движения заряженных частиц.
Недостатком данного способа является наличие ограничения на разрешение анализатора по массам dm/m, связанное с разбросом энергий у анализируемых ионов:
dm/m=-ΔW/2W,
где:
dm - величина отклонения массы заряженной частицы от средней масссы массы m, кг;
ΔW - разброс энергий у анализируемых заряженных частиц, Дж;
W - средняя энергия заряженных частиц, Дж.
С использованием данного способа можно анализировать по массам только моноэнергетичные пучки заряженных частиц.
Известно устройство масс-анализа [Никитенко Н.Н., Косицин Л.Г., Шулепов И.А. Энергомасс-спектрометр // Патент РФ №2020645, МПК H01J 49/32, опубл. 30.09.1994]. Устройство предназначено для определения химического и элементного состава поверхностных слоев металлов и полупроводников. Прибор содержит два ионно-оптических канала - выделяющий моноэнергетичный пучок частиц и интегральный, которые включают иммерсионную линзу, электростатический сферический 180°-ый энергоанализатор, магнитный масс-анализатор, входной и выходной 90°-ые сферические электростатические дефлекторы, две электростатические одиночные линзы и детектор.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
- наличие электростатического энергоанализатора;
- магнитный масс-анализатор с поперечным направлению пучка заряженных частиц магнитным полем;
- детектор.
Недостатком данного устройства является присутствие двух одиночных электростатических линз, обеспечивающих транспортировку пучка ионов между электростатическим и магнитным анализаторами, в процессе чего теряется часть анализируемых заряженных частиц, что не позволяет увеличить светосилу прибора и минимизировать его размеры. Кроме того, регистрация масс-спектров при работе интегрального канала может происходить с «перемешиванием» на детекторе ионов с разными массами, что приводит к ухудшению разрешения устройства по массам.
Известен способ и устройство для масс-анализа [Коган В.Т., Павлов А.К., Савченко М.И., Добычин О.Е. Портативный масс-спектрометр для экспресс-анализа растворенных в воде веществ // Приборы и техника эксперимента, 1990. - №4. - С.145-149].
Способ реализуется следующим образом.
В цилиндрическом конденсаторе происходит выделение ионов с одной энергией (формируется моноэнергетичный пучок); в магните с поперечным к направлению движения пучка магнитным полем осуществляется выделение частиц заданной массы. Детектор располагается за пределами магнита на расстоянии, равном фокусному расстоянию, которое определяется ионно-оптическими свойствами магнитного анализатора с выбранным наклоном выходной границы.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- выделение ионов с заданной энергией перед масс-анализом;
- наличие поперечного к направлению движения заряженных частиц магнитного поля.
Недостатком известного способа является невозможность пространственной фокусировки ионов в области выходной границы магнитного анализатора, что приводит к необходимости размещения детектора вне магнитного анализатора.
Устройство содержит электростатический цилиндрический конденсатор, секторный магнит с различными наклонами выходной границы, детектор и бесполевые дрейфовые промежутки между элементами масс-анализатора.
Недостатками известного устройства являются:
- наличие дрейфовых промежутков, в которых происходит частичная потеря анализируемых частиц;
- последовательное соединение («в линию») элементов масс-анализатора, что приводит к увеличению габаритов прибора и потере светосилы анализатора (отношение числа ионов, приходящих на детектор, к числу ионов на входе прибора).
Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство анализа (сепарации) по массе пучка заряженных частиц по работе [Соловьев А.В., Толстогузов А.Б. Определение ионно-оптических характеристик фильтра Вина с однородными ортогональными полями // Журнал технической физики, 1987. - Т.57, вып.5. - С.953-959].
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1/2
Способ масс-анализа по прототипу включает создание в области между плоскими электродами однородного электрического поля напряженностью E, перпендикулярного направлению движения заряженных частиц. В этой же области между полюсными наконечниками магнита, перпендикулярными электродам, создающим электрическое поле, создается и магнитное поле с напряженностью В, перпендикулярное как направлению движения заряженных частиц, так и полю Е. Реализуется конфигурация масс-анализатора со скрещенными электромагнитными полями Е×В-типа - фильтр Вина с прямоугольными плоскими ортогональными электродами. Пучок ионов вводится в область анализа вдоль оптической оси масс-анализатора. При условии, если скорость V=(2neU/m) заряженной частицы массой m, зарядом e, ускоренной разностью потенциалов U окажется равной дрейфовой скорости, определяемой формулой V=E/B, ион движется вдоль оптической оси устройства без отклонения. После выхода из области скрещенных электромагнитных полей заряженная частицы транспортируются через дрейфовое бесполевое пространство до детектора, который устанавливается на расстоянии от фильтра Вина, равном фокусному расстоянию устройства.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- создание между электродами электрического поля, перпендикулярного направлению движения заряженных частиц;
- создание магнитного поля, перпендикулярного как направлению движения заряженных частиц, так и электрическому полю;
- введение пучка заряженных частиц в область анализа вдоль оптической оси анализатора;
- регистрация заряженных частиц на детекторе только в случае, если их скорость оказывается равной скорости дрейфа.
Недостатками способа по прототипу являются:
- способ по прототипу не обеспечивает возможность выделения из исходного немоноэнергетичного потока пучка моноэнергетичных частиц;
- невозможность пространственной фокусировки заряженных частиц в области выходной границы фильтра Вина, что понижает светосилу прибора (число ионов, приходящих на детектор, по отношению к числу ионов на входе прибора);
- немоноэнергетичность входного пучка ионов, которая приводит к попаданию частиц со скоростью, отличной от дрейфовой, на стенки масс-анализатора, распылению материала стенок, вторичной эмиссии и, как следствие, к помехам в системе регистрации.
Устройство по прототипу [Соловьев А.В., Толстогузов А.Б. Определение ионно-оптических характеристик фильтра Вина с однородными ортогональными полями // Журнал технической физики, 1987. - Т.57, вып.5. - С.953-959] включает входную диафрагму, фильтр Вина с ортогональными однородными электрическим и магнитным полями, дрейфовое бесполевое пространство, выходную диафрагму и детектор, расположенный на расстоянии, равном фокусной длине фильтра Вина.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
- входная диафрагма;
- фильтр Вина;
- выходная диафрагма;
- детектор.
Недостатками устройства по прототипу являются:
- наличие бесполевого дрейфового промежутка между фильтром Вина и детектором, что приводит к уменьшению светосилы прибора и увеличению его габаритов.
При создании способа анализа заряженных частиц по массам 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 регистрации немоноэнергичных пучков заряженных частиц, увеличения светосилы прибора и уменьшения его габаритов.
Технический результат заявляемых способа масс-анализа и устройства для его осуществления заключается в расширении рабочего диапазона масс-анализаторов заряженных частиц, благодаря обеспечению возможности анализа пучков немоноэнергетичных заряженных частиц, увеличению светосилы прибора и минимизации размеров масс-анализатора.
Технический результат достигается тем, что в способе анализа заряженных частиц по массам, включающем введение заряженных частиц в фильтр Вина вдоль оптической оси, анализ заряженных частиц по массам в фильтре Вина, регистрацию заряженных на детекторе согласно изобретению перед введением заряженных частиц в фильтр Вина осуществляют выделение заряженных частиц заданной энергии с помощью энергоанализатора Юза-Рожанского, в фильтре Вина создают взаимно ортогональные неоднородное, изменяющееся обратно пропорционально радиусу, радиальное электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле, в секторный фильтр Вина заряженные частицы вводят в точке фокуса энергоанализатора Юза-Рожанского, регистрацию заряженных частиц производят на детекторе, расположенном в точке фокуса секторного фильтра Вина, находящейся на границе области анализирующих полей секторного фильтра Вина.
0
Технический результат достигается тем, что в устройстве для анализа заряженных частиц по массам, содержащем входную диафрагму, фильтр Вина, выходную диафрагму и детектор, согласно изобретению перед фильтром Вина размещен энергоанализатор Юза-Рожанского, в фильтре Вина пластины конденсатора выполнены в виде цилиндрических секторов, радиус оптической оси секторного фильтра Вина (СФВ) выполнен равным радиусу оптической оси энергоанализатора Юза-Рожанского, а детектор размещен на угловом расстоянии φ от входного окна секторного фильтра Вина, которое определяется следующим выражением:
,
где:
0
β=B/В,
где:
В - напряженность анализирующего магнитного поля, Гс;
0
В - напряженность такого магнитного поля, при котором в отсутствии электрического поля ион заданной массы движется вдоль оптической оси секторного фильтра Вина, Гс.
Преимуществами заявляемого масс-анализатора по сравнению с прототипом являются возможность работать с немоноэнергетичными пучками заряженных частиц, которая обеспечена выделением заданной энергии в энергоанализаторе Юза-Рожанского, увеличенная из-за уменьшения потерь заряженных частиц в бесполевых дрейфовых промежутках светосила прибора и уменьшенные в результате «сворачивания» линейного масс-сепаратора в сектор габариты прибора. Реализуемая заявляемым устройством новая функция, заключающаяся в его способности работать с немоноэнергетичными пучками заряженных частиц, позволяет рассматривать заявляемое устройство в новом качестве - гибридного масс-анализатора.
Заявляемый способ анализа заряженных частиц по массам и устройство для его осуществления поясняются чертежами, приведенным на фиг.1-3.
На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство (гибридный масс-анализатор) и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете устройства.
0
0
0
На фиг.2 приведены траектории движения ионов в СФВ с массами, отличающимися от заданной (m), отклонения от заданной массы δm/m равны, соответственно, 0,1; 0,05 и 0,01 (δm=m-m).
0
r
r
На фиг.3 приведены траектории движения ионов в СФВ с заданной массой (m), которые имеют начальный (перед входом в гибридный анализатор) угловой разброс V/V, равный, соответственно, 0,1, 0,05 и 0,01 (V - начальная радиальная компонента скорости; V - компонента скорости иона вдоль оптической оси гибридного анализатора).
Устройство содержит (см. фиг.1) входную диафрагму 1, энергоанализатор Юза-Рожанского 2, магнитный экран 3, секторный масс-анализатор Вина 4, выходную диафрагму 5 и детектор ионов 6.
Ниже приведено теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства по данной заявке.
Гибридный анализатор - это комбинация энергоанализатора Юза-Рожанского и секторного фильтра скоростей Вина.
Между точками А (входная диафрагма 1; см. фиг.1) и В (магнитный экран 3) данная схема повторяет энергоанализатор Юза-Рожанского (2) с радиусом оптической оси (равновесной траектории) R. Точка В - точка фокуса анализатора Юза-Рожанского (ЮР), в которую приходят ионы с энергиями:
где:
0
W - энергия иона, Дж;
е - электрический заряд иона, Кл;
0
r
0
E - величина напряженности электрического поля на равновесной траектории; радиальное анализирующее поле E=-ER/r, В/м.
0
φ
Для иона массой m азимутальная скорость V (цилиндрическая геометрия; φ - азимутальный угол) в точке В принята равной:
z
r1
1
1
0
Во второй половине анализатора - секторном фильтре Вина (4) - между точками В и С (линией DF условно показан магнитный экран 3) создано магнитное поле с индукцией B=В и электрическое поле E=-ER/r. Величины E и В выбираются из условия (3), что ион массы m движется по траектории радиусом R:
0
z
0
Если за В обозначить напряженность такого магнитного поля B, при котором в этом поле (в отсутствии электрического поля) ион массы m движется по окружности радиуса R, т.е. , то из уравнения (3) получим следующее соотношение:
0
1
0
Обозначим β=В/В, ε=E/E, тогда соотношение (4) преобразуется к виду:
0
Теперь запишем уравнения движения для иона массы m и энергии W, стартующего в точке В:
Из уравнения (7) получим:
B
0
B0
0
0
где χ(t)=r/R, ω=eB/(mc), ω=eB/(mc).
Считаем, что  и  с точностью до первого порядка малости по параметру ; введем величину χ*=χ-1. Тогда из (8) имеем:
Из уравнения (6) и соотношения (9) с учетом того, что , получим:
2
2
здесь ; обозначим Ω=2-2β+β, тогда
Введем функцию ; уравнение (11) запишем в виде:
1
2
1
2
2
Общим решением (12) будет функция ξ(φ)=Ccos(Ωφ)+Csin(Ωφ) при начальных условиях , ξ'=χ*'(0)=U. С учетом начальных условий определяются константы С и C:  C=U/Ω. В таком случае решение уравнения (11) будет иметь вид:
0
Фокусировка частиц с массой m в СФВ будет осуществляться, как оказалось, в отличие от фильтра Вина с ортогональными анализирующими полями, внутри СФВ в точке, расположенной на угловом расстоянии от входной диафрагмы, определяемом формулой:
0
0
При φ=φ ион незаданной массы m=m+δm отклоняется на расстояние, которое является максимальным из возможных, обеспечивая максимальное разрешение по массам:
0
При β=0 угол , что соответствует обычному условию фокусировки в энергоанализаторе Юза-Рожанского. При β=1, угол φ=π, что соответствует фокусировке в масс-анализаторе только с однородным поперечным магнитным полем.
Если условие на сохранение траектории в виде окружности во второй части гибридного анализатора записать для массы m:
1
и зафиксировать В, то условие на напряженность электрического поля E(m) будет выглядеть так:
или
1
1
0
1
Если Е(m)=Е(m)+δE, то для обеспечения регистрации иона массой m необходимо изменять напряженность электрического поля в соответствии с формулой:
1
При фиксированном β угол фокусировки  не изменяется при анализе частиц различных масс. Формулы (14) и (18) определяют место детектора частиц и характер кривой сканирования анализирующего электрического поля E при анализе набора ионов различных масс.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
Перед введением заряженных частиц в фильтр Вина осуществляют выделение заряженных частиц заданной энергии с помощью энергоанализатора Юза-Рожанского. В фильтре Вина создают взаимно-ортогональные неоднородное, изменяющееся обратно пропорционально радиусу, радиальное электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле. В секторный фильтр Вина заряженные частицы вводят в точке фокуса энергоанализатора Юза-Рожанского, куда приходят частицы с заданной энергией и минимальным угловым разбросом, величина которого не превышает начальный угловой разброс на входе в энергоанализатор Юза-Рожанского. Регистрацию заряженных частиц производят на детекторе, расположенном в точке фокуса секторного фильтра Вина, которая находится на границе области анализирующих полей секторного фильтра Вина.
Устройство для масс-анализа ионов работает следующим образом.
r
φ0
B0
Во входную диафрагму 1 гибридного анализатора поступает пучок ионов различных масс и энергий. Через энергоанализатор Юза-Рожанского 2 при соответствующей величине напряженности анализирующего электрического поля E проходят ионы заданной энергии, которые пространственно фокусируются в точке фокуса В (фиг.1). Продолжением энергоанализатора ЮР, отделенном от него магнитным экраном 3 (вставкой с малым магнитным сопротивлением), является секторный фильтр Вина 4, входное окно которого 3 находится в точке фокуса В энергоанализатора ЮР. После анализа в скрещенных электрическом и магнитном полях СФВ на детектор проходят лишь ионы, имеющие заданную скорость V=ωR. При фиксированной энергоанализатором ЮР энергии данная скорость соответствует иону конкретной заданной массы, который и достигает детектора 6.
0
0
0
0
0
Детектор расположен на расстоянии ВС (фиг.1) вдоль траектории движения ионов, определяемом точкой максимальной дисперсии по массам. При условии, например, β=-0,25 максимальное разрешение (дисперсия) будет достигнуто после поворота иона на угол около 2 радиан (φ*≈114°40'). Данное обстоятельство иллюстрируется фиг.2, где приведены траектории ионов в СФВ, имеющих фиксированную энергию, но различную массу (W=400 эВ; |В|=500 Гс; R=10 см; β=-0,25). Цифры у кривых - это отношение δm/m (δm=m-m), положительные отклонения от равновесного радиуса соответствуют ионам с массами большими m, отрицательные - меньшими m.
r
В этой же точке (фиг.1; точка С; φ*≈114°40') реализуется пространственная фокусировка ионов в СФВ, что показано на фиг.3 для тех же начальных параметров, что и для фиг.2, но для фиксированной массы. Радиальные отклонения V/V минимальны в точке фокуса С; фокусировка улучшается при уменьшении начального углового разброса.