ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ В ПРОСТРАНСТВЕ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к электростатическим фильтрам для линейного сканирования распределенных в пространстве потоков заряженных частиц, и может быть использована в энергоанализаторах и масс-анализаторах заряженных частиц высокой чувствительности, быстродействия и точности.
При решении множества задач, как в области научных исследований, так и в промышленности, необходимо повышать аналитические характеристики устройств, применяемых для изучения элементного, изотопного и химического состава различных сред. Эти требования связаны с определением следовых количеств токсичных и вредных веществ в окружающей среде, с необходимостью регистрировать небольшие количественные отклонения от нормы содержания в тканях человека некоторых маркеров, при диагностике заболеваний.
Известна система, обеспечивающая определение пространственной структуры пучков заряженных частиц с помощью линейного электростатического фильтра (В.Т. Коган, С.А. Маннинен, Д.С. Лебедев, О.С. Викторова, И.Т. Аманбаев. Ионно-оптическая схема для высокочувствительного, портативного масс-спектрографа. // Журнал технической физики. 2005. т. 75(6). с. 121-125). Фильтр содержит два ряда цилиндрических электродов, разделенных зазором, оси которых параллельны между собой, расположены в одной плоскости и равноудалены друг от друга, и три пары коллимирующих пластин, образующих зазор в каждой паре, и расположенных параллельно друг к другу и плоскости расположения цилиндрических электродов, причем по одну сторону от цилиндрических электродов расположена одна пара коллимирующих пластин, через зазор в которой вводится пучок заряженных частиц, а по другую сторону - две пары, через которые пучок выводится. Середины зазоров между рядами электродов и парами коллимирующих пластин лежат в одной плоскости. Оси электродов первого ряда сдвинуты относительно осей электродов второго ряда на ½ расстояния между осями электродов в ряду. Величину зазора между рядами электродов выбирают в определенном соотношении с расстоянием между осями электродов. Электроды соединены с источником напряжения, на котором формируются потенциалы, обеспечивающие избирательное пространственное пропускание заряженных частиц через фильтр. При подаче отрицательного потенциала на цилиндрические электроды верхнего ряда фильтра и нулевого потенциала на электроды нижнего ряда и на один или группу электродов верхнего ряда, вблизи этого электрода или группы электродов формируется область слабого рассеяния - «потенциальное окно», что обеспечивает избирательное пространственное пропускание заряженных частиц.
Недостаток известного электростатического фильтра заключается в том, что для обеспечения повышения пространственной разрешающей способности при сканировании исследуемых пучков заряженных частиц необходимо ограничить расстояние между осями цилиндрических электродов, что приводит к уменьшению зазора между двумя их рядами, и, как следствие, к существенному уменьшению пропускания рассматриваемого фильтра. Повышение же электрического потенциала на цилиндрических электродах не позволяет увеличить пространственное разрешение фильтра и лишь также резко снижает его пропускание.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении пространственной разрешающей способности фильтра без изменения относительного расположения рядов электродов и в увеличении пропускания фильтра.
Заявленный технический результат достигается в электростатическом фильтре для линейного сканирования распределенных в пространстве потоков заряженных частиц, содержащем два разделенных зазором ряда цилиндрических электродов, оси которых параллельны между собой, расположены в одной плоскости и равноудалены друг от друга, и три пары коллимирующих пластин, образующих зазор в каждой паре, и расположенных параллельно друг другу и плоскости расположения цилиндрических электродов, причем по одну сторону от цилиндрических электродов расположена одна пара коллимирующих пластин, через зазор в которой входит пучок заряженных частиц, а по другую сторону - две пары, через зазор в которых пучок выводится, при этом цилиндрические электроды соединены с источником отклоняющих электрических потенциалов, формирующих область слабого рассеяния, в котором, согласно полезной модели, оси цилиндрических электродов первого ряда совпадают с осями цилиндрических электродов второго ряда, отклоняющие потенциалы имеют одинаковую величину и противоположную полярность в каждом ряду электродов по обе стороны от формируемой области слабого рассеяния, причем к соосным электродам приложены отклоняющие потенциалы противоположной полярности.
Соосное расположение цилиндрических электродов одного ряда относительно отделенных зазором электродов другого ряда, при одновременном приложении к электродам, формирующим потенциальное окно, отклоняющих потенциалов одинаковой величины и противоположной полярности в каждом ряду и к соосным электродам отклоняющих потенциалов противоположной полярности, обеспечивает увеличение пространственной разрешающей способности фильтра. Формирование области слабого рассеяния - потенциального окна, в зазоре между электродами происходит за счет смены направления электрического поля и, как следствие, обнуления градиента потенциала (напряженности отклоняющего электрического поля), что позволяет формировать малую ширину окна в электростатическом фильтре.
Обнуление напряженности отклоняющего электрического поля в области потенциального окна происходит независимо от величины зазора между рядами электродов и, следовательно, обеспечивает высокое пропускание частиц в пределах окна по всей ширине зазора без изменения относительного расположения рядов электродов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема электростатического фильтра, проекция на плоскость XZ, на фиг. 2 - то же, проекция на плоскость YZ, где направление X соответствует неправлению потока ионов, Y - соответствует направлению линейного сканирования, Z - соответствует ширине потока, используемого для определения его пространственной структуры в направлении оси Y.
Электростатический фильтр для линейного сканирования распределенных в пространстве потоков заряженных частиц содержит два ряда электродов цилиндрической формы 1 и 2, разделенных зазором 3, и три пары коллимирующих пластин 4-6, разделенных зазором 7. Электроды в ряду 1 и электроды в ряду 2 попарно соосны и их оси лежат в одной плоскости. Три пары коллимирующих пластин 4-6 расположены в параллельных по отношению к ней плоскостях, а в перпендикулярной плоскости лежат середины зазоров 3 и 7 между электродами и коллимирующими пластинами. По одну сторону от плоскости расположения электродов находится одна пара коллимирующих пластин 4, а по другую сторону находятся две пары коллимирующих пластин 5, 6. Электроды ряда 1 и ряда 2 соединены с источником отклоняющих электрических потенциалов (на фигурах не показан). По обе стороны от формируемой области слабого рассеяния 8 к электродам приложены отклоняющие потенциалы одинаковой величины и противоположной полярности +V, -V, причем на каждую пару соосных электродов приложены отклоняющие потенциалы противоположной полярности.
Электростатический фильтр работает следующим образом. Распределенный в пространстве параксиальный поток заряженных частиц попадает в зазор 7 между пластинами одиночного коллиматора 4, ограничивающего область сканирования и находящегося под нулевым потенциалом. После его прохождения поток попадает в зазор 3 между рядами 1 и 2 цилиндрических электродов противоположной полярности, отклоняющими поток заряженных частиц. Направление отклонения заряженных частиц зависит от области прохождения ими зазора, и там, где знак потенциала в ряду цилиндрических электродов имеет противоположное направление, то есть в области потенциального окна 8, изменяется на противоположное. Именно здесь частицы меняют направление отклонения на противоположное, что и обеспечивает условия локального прохождения заряженных частиц исходного потока сквозь зазор между электродами.
2
Регулировать ширину окна можно выбирая расстояние l между цилиндрическими электродами и L между сдвоенными парами колимирующих пластин 5 и 6, ограничивая прохождение в различной степени отклоненных частиц.
Такая конструкция позволяет обеспечить практически неограниченно узкую область сканирующего окна при сохранении однородного пропускания заряженных частиц по ширине зазора этой области, что приводит к увеличению пространственной разрешающей способности системы и ее пропускания.