ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, конкретно, к измерению энергий вторичных электронов, возбужденных с поверхности твердого тела в широком диапазоне изменения их энергии для определения химического состава различных материалов.
В последнее время ввиду широкого применения радиационной биологии и радиационной терапии возникает необходимость исследования также биологических объектов. При этом особенно важно достичь количественного понимания процессов ионизации, а также энергии связи различного рода биологических молекул по энергетическому спектру вторичных электронов. Для этой цели чаще всего используют электростатические спектрометры, в которых заряженные частицы различных энергий движутся по одной и той же траектории, а спектр по энергии снимают путем изменения разности потенциалов между электродами системы. Этот процесс занимает много времени, поэтому возникает необходимость одновременного (параллельного) детектирования пучков заряженных частиц различных энергий. Основная проблема состоит в создании распределения электростатического поля, позволяющего одновременно фокусировать электронные потоки с энергиями, различающимися в десятки раз. Для обеспечения экспресс-анализа состава материалов для технического контроля изделий различных отраслей промышленности используются электростатические многоканальные энергоанализаторы (спектрографы) различных типов.
i
i
i
i
i
1
i
1
i
1
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 140365, МПК H01J 49/00, опубликован 10.05.2014). Спектрограф включает источник питания, первый, второй, третий и четвертый плоскопараллельные электроды и позиционно-чувствительный детектор. Третий и четвертый электроды установлены перпендикулярно первому электроду по его торцам, соединены с первым электродом и расположены от второго электрода на расстоянии, большем расстояния электрического пробоя и меньшем расстояния до рабочей области. Первый электрод выполнен с входной и выходными щелями для пучков частиц. Второй электрод разрезан на i частей, где i≥8, длина которых l удовлетворяет соотношению l≤0.5а, расстояние между соседними частями удовлетворяет соотношению s≤0.1а, где а - расстояние между первым и вторым электродами. Первый, третий и четвертый электроды выполнены заземленными. Источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть i второго электрода потенциала V, удовлетворяющего соотношению V=Vk√z/a, где V - потенциал на первой от входной щели части второго электрода, z - расстояние от третьего электрода до середины i части второго электрода в плоскости, перпендикулярной этим электродам, k - коэффициент, определяемый из соотношения , z - расстояние от третьего электрода до середины первой от входной щели части второго электрода.
max
min
Известный электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает новое распределение электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц, приводящее к достижению диапазона одновременно регистрируемых энергий, равного Е/Е=100. Однако известный электростатический анализатор имеет малую светосилу из-за отсутствия фокусировки пучков заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии.
Известен светосильный электростатический анализатор энергии заряженных частиц, (F.H. Read. The parallel cylindrical mirror electron energy analyzer. Rev. Sci. Instr. 2002, v. 73, N 3, p. 1129-1139), включающий источник питания, цилиндрический конденсатор с внутренним и внешним коаксиальными цилиндрами. Внешний цилиндр разрезан на части с потенциалами, величина которых изменяется по линейному закону в направлении продольной оси системы, а внутренний цилиндр заземлен.
Недостатками известного электростатического анализатора энергии заряженных частиц являются открытые торцы цилиндрических электродов, способствующие нарушению собственного поля системы и проникновению посторонних полей в рабочую область, а также малый диапазон одновременно регистрируемых энергий. Кроме того, исследуемый объект (источник вторичных частиц) располагается внутри цилиндрического электрода меньшего диаметра, что мало пригодно для практического использования.
Известен анализатор энергий и масс заряженных частиц (см. патент RU 136237, МПК H01J 49/40, опубликован 27.12.2013), содержащий коаксиально размещенные цилиндрический внутренний и состоящий из двух конусообразных частей внешний электроды; экранирующий электрод коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом. На боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода выполнена входная кольцевая прорезь (входное окно) для пролета заряженных частиц, затянутая мелкоструктурной металлической сеткой. На поверхности внутреннего цилиндрического электрода имеется выходная кольцевая диафрагма, образованная двумя цилиндрическими частями, допускающими независимые продольные перемещения. В состав анализатора также входит исследуемый образец, приемник частиц, блок питания и делитель напряжения.
Недостатком известного анализатора является то обстоятельство, что пучок заряженных частиц движется по одной траектории, поэтому не представляется возможным одновременно (параллельно) детектировать пучки заряженных частиц различных энергий, а спектр по энергии можно снимать лишь путем изменения разности потенциалов между электродами анализатора.
Известен электростатический анализатор энергии заряженных частиц (см. патент RU 120512, МПК H01J 49/48, опубликован 20.09.2012), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный электростатический анализатор энергии заряженных частиц включает источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды и системы защитных электродов, выполненные одинаковыми и состоящие из трех плоских коаксиальных колец каждая, размещенные на обоих торцах анализатора, детектор, помещенный на оси, и источник питания. Внешний цилиндрический электрод выполнен из центральной и боковых цилиндрических электрически изолированных частей одинакового радиуса, разделенных зазорами, подсоединенных к источнику питания, выполненному с возможностью подачи на боковые части внешнего электрода напряжения, большего, чем на его центральную часть. Внутренний цилиндрический электрод выполнен с входным и выходным кольцевыми окнами.
Недостатками прототипа являются сложная конструкция торцевых защитных электродов по обоим торцам цилиндрических электродов, состоящих из трех плоских коаксиальных колец, каждое со своим отличным от других электродов потенциалом, а также выполнение внешнего цилиндрического электрода путем разрезания на три части, что недостаточно для одновременного анализа заряженных частиц в том или ином диапазоне энергий.
Задачей настоящей полезной модели является разработка электростатического анализатора энергии заряженных частиц, который бы имел более простую конструкцию и позволял одновременно регистрировать заряженные частицы в широком диапазоне изменения их энергий.
n
n
n
n
Поставленная задача решается тем, что электростатический анализатор энергии заряженных частиц включает источник заряженных частиц, размещенный на оси анализатора, коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды и защитные заземленные электроды, закрепленные на торцах внутреннего цилиндрического электрода, детектор и источник питания. Внутренний цилиндрический электрод заземлен и снабжен выходными кольцевыми щелями, затянутыми металлической сеткой, для пучков заряженных частиц. Новым в электростатическом анализаторе энергии заряженных частиц является выполнение внешнего цилиндрического электрода из n≥10 цилиндрических электрически изолированных частей одинакового радиуса, подсоединенных к источнику питания, выполненному с возможностью подачи на цилиндрические части внешнего электрода линейно возрастающего напряжения. При этом длина цилиндрических частей внешнего электрода l удовлетворяет соотношению l≤2R, расстояние s между соседними цилиндрическими частями удовлетворяет соотношению s≤0,5R, где R - радиус внутреннего цилиндрического электрода, а детектор выполнен в виде плоских электродов, установленных за выходными щелями перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода, подключаемых к многоканальному измерительному устройству.
max
min
max
min
n
n
1
1
Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает новое распределение электростатических полей в области прохождения пучков заряженных частиц, приводящее к достижению технического результата - возможности одновременной регистрации энергий сфокусированных на внутренний цилиндрический электрод заряженных частиц в широком диапазоне изменения их энергий (E/E=50), где Е - максимальная регистрируемая энергия заряженных частиц, Е - минимальная регистрируемая энергия заряженных частиц. Небольшая длина отдельных частей внешнего цилиндрического электрода, которая может быть как одинаковой, так и разной, обеспечивает возможность разрезания внешнего электрода, имеющего целесообразную длину, равную L=(25-30)R, на достаточно большое число частей, что обеспечивает условия фокусировки пучков заряженных частиц различных энергий на поверхность внутреннего цилиндрического электрода. Источник питания выполнен с возможностью подачи на каждую часть n внешнего цилиндрического электрода потенциала V, удовлетворяющего соотношению V=V[1+1,75(n-1)], где V - потенциал на первой от входного торца части внешнего электрода, n - порядковый номер соответствующей части разрезного внешнего цилиндрического электрода.
Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц поясняется чертежом, где показаны: источник 1 заряженных частиц, размещенный на оси z анализатора, коаксиально расположенные внешний цилиндрический электрод 2 и внутренний заземленный цилиндрический электрод 3, защитный заземленный электрод 4 с входной щелью 5, защитный заземленный электрод 6. Защитные заземленные электроды 4, 6 закреплены на торцах внутреннего цилиндрического электрода 3. Внутренний цилиндрический электрод 3 снабжен выходными кольцевыми щелями 7, затянутыми металлической сеткой (на чертеже не показана), для прохода пучков заряженных частиц. Детектор выполнен в виде плоских электродов 8, подключаемых к многоканальному измерительному устройству (на чертеже не показано) и установленных за выходными кольцевыми щелями 7 перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода 3.
Настоящий электростатический анализатор энергии заряженных частиц работает следующим образом.
n
n
a
a
Из источника 1 заряженных частиц, облучаемого потоком электронов либо рентгеновских квантов, вылетает пучок вторичных электронов либо фотоэлектронов различных энергий, который через входную щель 5 в защитном заземленном электроде 4 попадает в отклоняющее и одновременно фокусирующее электростатическое поле, созданное тормозящими заряженные частицы потенциалами V на отдельных частях внешнего цилиндрического электрода 2 при заземленных внутренним цилиндрическом электроде 3 и торцевых защитных заземленных электродах 4, 6. Для анализа электронных пучков отрицательные потенциалы V определены из условий фокусировки на внутренний цилиндрический электрод 4 пучков заряженных частиц, имеющих различные энергии. Поиск условий фокусировки произведен по четырем независимым геометрическим параметрам: соотношению радиусов цилиндрических электродов R/R, где R - радиус внешнего цилиндрического электрода 2; длине L устройства (L - расстояние между плоскими защитными заземленными электродами 4, 6), положению исследуемого объекта (источника 1 заряженных частиц) и по углу наклона центральной траектории пучка на входе к продольной оси системы. Сфокусированный электростатическим полем пучок электронов с оптимальными углом впуска центральной траектории и углом раствора пучка проходит в строго определенные для пучков электронов различных энергий выходные кольцевые щели 7 во внутреннем заземленном цилиндрическом электроде 3, затянутые металлической сеткой, далее эти пучки попадают в плоские электроды 8, установленные за выходными кольцевыми щелями 7 перпендикулярно оси внутреннего цилиндрического электрода 3, подключенные к многоканальному измерительному устройству.
a
o
1
min
min
2
1
3
1
4
1
5
l
6
1
7
1
8
1
9
1
10
1
11
1
12
1
13
1
14
1
min
min
max
min
Пример 1. Был создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц, в котором соотношению радиусов цилиндрических электродов R/R=7. В дальнейшем все геометрические параметры выражены в единицах R, что дает возможность применить метод геометрического подобия. Длина анализатора была равна L=25R, внешний электрод, находящийся на расстояниях 0,25R от торцевых защитных заземленных электродов, был разрезан на 14 равных частей длиной 1,5R при расстоянии между отдельными частями, равном 0,25R. Впуск пучка электронов различных энергий осуществляли с продольной оси z анализатора при положении исследуемого объекта (источника вторичных электронов) вне поля на расстоянии z=2,2R от переднего торцевого защитного заземленного электрода под углом наклона центральной траектории пучка электронов к продольной оси θ=25°. При угле раствора пучка ±0,5° был определен режим работы с фокусировкой на внутренний цилиндрический электрод. В этом случае потенциал на первой части внешнего цилиндрического электрода, обеспечивающий условия фокусировки пучков электронов, равен V=2,2(E/e), В, где E - минимальная энергия пучков заряженных частиц, эВ, e - заряд частицы, Кл. Потенциалы на остальных частях внешнего цилиндрического электрода соответственно равны: V=2,75V, V=4,5V, V=6,25V, V=8V, V=9,75V, V=11,5V, V=13,3V, V=15V, V=16,8V, V=18,5V, V=20.8V, V=22V, V=23,8V. При отношении E энергий пучков к минимальной энергии E, равном E/E=(1, 5, 10, 20, 30, 40, 50), требуется 7 выходных кольцевых щелей, положение которых на внутреннем электроде при отсчете от переднего торцевого защитного заземленного электрода в единицах R соответственно равны: 1,95, 4,73, 7,48, 12,0, 15,8, 19,6, 24,0. При таких параметрах электростатический анализатор энергии заряженных частиц обеспечивает диапазон одновременно регистрируемых энергий вплоть до Е/Е=50.
n
n
Пример 2. Был создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц, как в примере 1, но внешний цилиндрический электрод был разрезан на 8 частей, при этом длина отдельных частей внешнего цилиндрического электрода была равна l=2,4R при расстоянии между отдельными частями s=0,6R, что ухудшало фокусировку и обеспечивало лишь 20-кратный диапазон одновременно регистрируемых энергий, так как частицы больших энергий попадали на внешний цилиндрический электрод.
n
Пример 3. Был создан электростатический анализатор энергии заряженных частиц, как в примере 1, но расстояние между отдельными частями разрезанного внешнего электрода равнялось s=R. При этом поля между 8-11 частями разрезного электрода проникали в область прохождения пучков электронов, что искажало их траектории и не обеспечивало фокусировку в соответствующие кольцевые щели внутреннего цилиндрического электрода.