ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Заявляемое техническое решение относится к области ионно-эмиссионной спектрометрии, и может быть использовано в установках для изучения масс-зарядового состава плазмы, создаваемой в форвакуумной области давлений 1-100 Па.
Известно устройство [1] для времяпролетной диагностики ионных пучков, включающее в себя вакуумную камеру с имеющим апертуру фланцем для крепления ионного источника, затвор в виде набора соосных колец разного радиуса, ионную линзу, размещенную в трубе дрейфа, и узел регистрации ионного пучка (детектор ионов). Ионный источник и фланец подняты на величину полного ускоряющего напряжения относительно земли. К недостаткам устройства можно отнести его непригодность для диагностики ионных пучков, извлекаемых из плазменных образований с потенциалом, близких к потенциалу земли.
-2
Известен времяпролетный спектрометр (патент РФ 2551119 С1), содержащий вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов, на входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с ней, перед входным электродом размещен заземленный электрод, труба дрейфа электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения. Упомянутый спектрометр позволяет исследовать масс-зарядовый состав плазмы, созданной любым способом и имеющей любой потенциал. Недостатком устройства является неспособность упомянутого прибора исследовать масс-зарядовый состав плазмы, создаваемой при повышенных давлениях 1-100 Па ввиду того, что его конструкция предусматривает организацию генерации плазмы, отбора, транспортировки и диагностики ионного пучка при давлениях не выше 10 Па, что диктуется необходимостью бесстолкновительной транспортировки диагностируемого ионного пучка.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является времяпролетный спектрометр [2], включающий в себя эмиссионный электрод, узел формирования пучка, затвор в виде плоскопараллельных пластин, трубу дрейфа, сеточный электрод-конвертер и регистрирующий узел. В спектрометре узел формирования, затвор, труба дрейфа и сеточный электрод-конвертер смещены относительно земли на потенциал полного ускоряющего напряжения. Отбор ионов из исследуемой плазмы, которая может иметь любой потенциал, и формирование ускоренного пучка в устройстве осуществляется через соосные отверстия в эмиссионном электроде и электродах узла формирования пучка, что в сочетании с дифференциальной откачкой позволяет исследовать масс-зарядовый состав плазмы, создаваемой при повышенных давлениях 1-100 Па. Недостатком устройства является низкое отношение «сигнал-шум» ввиду высокого уровня шумов, связанного с постоянной засветкой конвертера пучком ионов.
Цель заявляемого технического решения состоит в увеличении отношения «сигнал-шум».
Поставленная цель достигается тем, что в известном времяпролетном масс-спектрометре, содержащем заземленный эмиссионный электрод, узел формирования и ускорения ионного пучка, трубу дрейфа и сеточный электрод-конвертер, находящиеся под отрицательным потенциалом, отклоняющие пластины (затвор) и регистрирующий узел, труба дрейфа перекрыта диафрагмой с отверстием диаметром d, определяемым соотношением , где D - диаметр апертуры регистрирующего узла, l - расстояние между затвором и диафрагмой, L - времяпролетная база спектрометра. Ось отверстия и ось апертуры регистрирующего узла лежат в одной плоскости по одну сторону от оси трубы дрейфа. Центр отверстия в диафрагме расположен от оси трубы дрейфа на расстоянии m, определяемым соотношением , где R - радиус трубы дрейфа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижения уровня шума вследствие перекрытия трубы дрейфа диафрагмой, снижающей постоянную засветку детектора ионным пучком, при прочих неизменных параметрах спектрометра.
-2
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг. 2, и заключается в следующем. Как и прототип, спектрометр включает в себя заземленный пристыкованный к стенке вакуумной камеры эмиссионный электрод 2, предназначенный для извлечения ионов из исследуемой плазмы 1, узел формирования и ускорения пучка 3, затвор 4 в виде двух плоскопараллельных пластин, трубу дрейфа 5, в которой происходит разделение ионов по масс-зарядовому соотношению, сеточный электрод-конвертер 8, а также регистрирующий узел 9. Внутри спектрометра насосом поддерживается давление не выше 10 Па, а в области генерации плазмы может достигать 100 Па благодаря организации дифференциальной откачки. Напряжения на электроды спектрометра подаются от источников 10-12. Отличие от прототипа состоит в наличии в трубе дрейфа диафрагмы 6 с отверстием.
Устройство работает следующим образом.
Исследуемая плазма 1 создается внутри вакуумной камеры при давлении до 100 Па. Ионы из плазмы извлекаются эмиссионным электродом 2, сквозь отверстия в эмиссионном электроде поступают в узел формирования и ускорения 3, где формируются в пучок 7, проходящий между пластинами затвора 4 и свободно расширяющийся по направлению к дальнему торцу трубы дрейфа 5. При подаче между пластинами затвора 4 импульса отклоняющего напряжения, пучок ионов 7 отклоняется, проходит сквозь отверстие в диафрагме 6, разделяется по масс-зарядовому соотношению в трубе дрейфа 5 и попадает на сеточный электрод-конвертер 8. В результате неизбежного несовершенства ионно-оптической системы в пучке обычно присутствуют ионы, приходящие на сеточный электрод-конвертер 8 даже в отсутствие импульса отклоняющего напряжения, и тем самым создающие постоянную фоновую шумовую засветку, снижающую отношение «сигнал-шум» спектрометра. Размещенная в трубе дрейфа 5 диафрагма 6 поглощает часть постоянного ионного потока, что снижает нежелательное поступление ионов на сеточный электрод-конвертер, снижает шум и как следствие повышает отношение «сигнал-шум». В результате ионно-электронной эмиссии из электрода-конвертера 8 выбиваются электроны, которые захватываются и ускоряются полем между конвертером 8 и регистрирующим узлом 9, и попадают в апертуру регистрирующего узла 9.
Результаты, представленные на Фиг. 1, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно, снижение уровня шумов при извлечении ионов из пучковой плазмы, генерируемой форвакуумным плазменным источником электронов при давлении аргона в камере 10 Па, при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:
1. Brown, I.G. Improved time-of-flight ion charge state diagnostic / I.G. Brown, J.E. Galvin, R.A. MacGill, R.T. Wright // Rev. Sci. Instrum. - 1987. - Vol. 58, №9. - P. 1589-1592. - DOI: 10.2172/6568483
2. Gushenets V.I. Inverted time-of-flight spectrometer for mass-to-charge analysis of plasma / V.I. Gushenets, Yu.A. Burachevsky, A.V. Vizir, E.M. Oks, K.P. Savkin, A.V. Tynkov, G.Yu. Yushkov // Rew. Sci. Instrum. - 2014. - Vol. 85, №2. - P. 02A738 (3 pp). - DOI: 10.1063/1.4861393.