Введение к работе
Актуальность работы. В научном приборостроении постоянно возникают ювые, все более сложные задачи по управлению потоками заряженных частиц (алой концентрации. Здесь можно отметить задачи, связанные с увеличением азрешения и чувствительности приборов, используемых для разделения пучков аряженных частиц по массам и энергиям, а также задачи сверхточной транспор-ігровки и фокусировки пучков и др..
Широкое распространение при создании масс- и энерго-анализаторов полу-или ионно-оптические системы, обладающие средней плоскостью, которая яв-яется плоскостью симметрии электрического и антисимметрии магнитного по-ей системы. Несмотря на огромное количество работ, посвященных изучению орпускулярно-оптических свойств таких систем, здесь все еще достаточно нере-іенньїх проблем. Это связано прежде всего с тем, что большинство опублико-анных результатов не обладает необходимой общностью, т. к. они получены при елом ряде упрощающих предположений. Так, во многих работах предполагает-ч, что лежащая в средней плоскости осевая траектория пучка заряженных частиц аляется круговой, и рассматриваются достаточно узкие пучки с небольшим раз-росом в начальных данных. Эти ограничения не позволяют выявить весь запас испергирующих и фокусирующих свойств известных конфигураций электриче-шх и магнитных полей.
В случае некруговой осевой траектории изучение систем, обладающих среден плоскостью, проводилось с учетом симметрии реализуемых в них полей, т. е. [роились теории корпускулярио-оптических свойств двумерных отклоняющих олей или клиновидных и конусовидных отклоняющих полей и. др. Использова-ие криволинейных координат, когда в качестве криволинейной оси выбирается ;жащая в средней плоскости осевая траектория пучка, позволяет единым обра->м описать корпускулярно-оптические свойства самых различных типов элек-жческих и магнитных полей со средней плоскостью. При этом естественным эразом разрешаются трудности, связанные с отказом от круговой формы осевой >аектории, облегчается доказательство некоторых общих теорем и их обобще-ле на случай произвольной формы осевой траектории. Кроме того, в связи с ;м, что в теории рассматриваются непосредственно малые величины, опреде-іющие отклонение частиц пучка от осевой траектории, значительно повышается
точность проводимых расчетов даже при рассмотрении широких пучков за] женных частиц с большим разбросом в начальных данных, что особенно суй ственно при проектировании современных приборов.
Созданные ранее корпускулярно-онтические теории, использующие кривої нейные координаты, не были ориентированы на проведение численных расчел вследствие чего они мало пригодны для компьютерного моделирования. Поэто с целью выявления оптимальных режимов и способов эксплуатации как нові так и уже известных конфигураций электрических и магнитных полей со среда плоскостью, необходимо разработать новые адекватные теоретические метода расчетные модели, позволяющие проводить исследование свойств иош оптических систем с некруговой осевой траекторией даже в случае широких п; ков заряженных частиц с большим разбросом в начальных данных.
Таким образом, разработка теоретических методов, которые позволяют п любой форме осевой траектории доказать общие положения, регламситируюн свойства систем со средней плоскостью, и проводить приближенный и точн численный расчет их диспергирующих и фокусирующих свойств, а также абер] ций, даже при рассмотрении широких пучков заряженных частиц с большим р бросом в начальных данных весьма актуальна.
Цели и задачи исследования. Цель работы заключается в том, чтобы раз] ботать адекватные теоретические методы для исследования корпускулярі оптические свойства различных конфигураций электрических и магнитных і лей, обладающих средней плоскостью, и осуществлять конструирование нов высокоэффективных ионно-оптических систем на основе этих полей.
Для успешного поиска эффективных схем ионно-оптических систем со ері ней плоскостью важно выявить как общие закономерности в их корпускулярі оптических свойствах, так и закономерности, связанные с частным характер реализуемых в них полей. Кроме того, необходима разработать простые npn6j женных моделей для предварительной оценки наиболее существенных характе] стик таких систем.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
получены точные релятивистские уравнения траектории заряженной част цы в криволинейных координатах и разработаны методы их численного интегі
рования, позволяющие с высокой точностью моделировать прохождение широких пучков заряженных частиц;
разработана корпускулярно-оптическая теория диспергирующих и фокусирующих свойств, а также аберраций произвольных ионно-оптических систем, обладающих средней плоскостью, и выявлены условия обращения в нуль некоторых видов аберраций;
доказаны общие положения, регламентирующие диспергирующие и фокусирующие свойства ионно-оптических систем со средней плоскостью;
разработаны аналитические подходы к расчету статических электрических и магнитных полей ионно-оптических систем, обладающих средней плоскостью, а также мультипояьных систем для случая, когда система плоских электродов имеет группу симметрии Сп v;
получены аналитические выражения для распределения электрического и магнитного полей в некоторых корпускулярно-оптических отклоняющих системах конического и квазиконического типа, а также в некоторых мультипольных системах;
разработаны приближенные модели для расчета диспергирующих свойств простых ионно-оптических систем в их средней плоскости;
разработан пакет прикладных программ для численного расчета корпускулярно-оптических свойств конических отклоняющих систем;
подробно исследованы корпускулярно-оптические свойства некоторых типов конических отклоняющих систем, в частности, найдены аналитические связи между аберрационными коэффициентами;
предложены и рассчитаны высокоэффективные схемы энерго- и масс-
зпектрометров на основе полей конического и квазиконического типа.
Научная новизна. В диссертационной работе предложены и развиты методы «следования произвольных корпускулярно-оптических систем, обладающих ;редней плоскостью. В основе разработанных методов лежит использование кри-юлинейных координат с осевой траекторией пучка в качестве криволинейной >сн, что позволяет единым образом описать корпускулярно-оптические свойства побых систем, обладающих средней плоскостью, и доказать ряд важных общих голожений относительно их диспергирующих и фокусирующих свойств.
Получены конформно-инвариантные уравнения траектории заряженной частицы в конических отклоняющих полях, а также разработаны методы расчете электрического и магнитного полей некоторых корпускулярно-оптических систек со средней плоскостью, в том числе метод решения многоэлектродной граничное задачи для уравнения Лапласа в случае многосвязных областей, обладающие определенной точечной симметрией.
Получены аналитические выражения для распределения потенциалов в неко торых конических и квазиконических отклоняющих системах, а также в некото рых мультиполных системах. Разработаны приближенные методы расчета дне пергирующих и фокусирующих свойств конических и квазиконических полей.
На основе развитых методов предложены и рассчитаны высокоэффективны! схемы масс- и энерго-анализаторов с рекордной удельной дисперсией.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Метод интегрирования точных уравнений траектории заряженной частиць в криволинейных координатах для систем со средней плоскостью, позволяющий і высокой точностью анализировать прохождение широких пучков заряженныз частиц с большим разбросом в начальных данных.
2.Корпускулярно-оптическая теория диспергирующих и фокусирующю свойств, а также аберраций произвольных корпускулярно-оптических систем а средней плоскостью.
-
Доказательство некоторых общих положений относительно фокусирующш и диспергирующих свойств и аберраций систем, обладающих средней плос костью.
-
Метод решения граничной задачи для уравнения Лапласа в случае много связных областей с определенной точечной симметрией.
-
Аналитический расчет электростатических и магнитных полей конически; и квазиконических отклоняющих систем, а также мультипольных систем для слу чая, когда система плоских электродов имеет группу симметрии Сп v;
6.Простые аналитические соотношения между аберрационными коэффициен тами, связанными с шириной предмета, и аберрационными коэффициентами длі бесконечно узкого источника, позволяющие сделать вывод о равенстве нулю не которых видов аберраций в конических отклоняющих системах.
-
Метод интегрирования конформно-инвариантных уравнений траектории заряженной частицы в конических отклоняющих системах.
-
Приближенные модели, позволяющие проводить оценку диспергирующих свойств энерго- и масс-спектрометрических систем.
-
Новые высокоэффективные схемы масс-спектрометров на основе полей конического и квазиконического типа.
Реализация результатов исследований и практическая значимость работы. Полученные в работе теоретические результаты позволяют вести направленный поиск высокоэффективных схем приборов, используемых для разделения пучков заряженных частиц по массам и энергиям.
Развитая в работе корпускулярно-оптическая теория, использующая криволинейную систему координат с осевой траекторией в качестве криволинейной оси, позволяет проводить расчет диспергирующих и фокусирующих свойств, а также аберраций любых систем, обладающих средней плоскостью. На основе этой теории создан пакет прикладных программ для ЭВМ, который использовался в ИЯФ НЯЦ РК, а также в ИАП АН РФ для расчета корпускулярно-эптических свойств конусовидных призм.
Предложены и рассчитаны высокоэффективные схемы масс-спектрометров с рекордной удельной дисперсией по массе.
Создан и экспериментально опробован макет малогабаритного масс-інализатора на основе конусовидной ахроматичной призмы.
Достоверность и надежность результатов обеспечивается сравнением теоре-гических и экспериментальных результатов, проведением численных расчетов различными способами, тщательным анализом погрешностей, а также совпаде-шем в частных случаях полученных в работе результатов с результатами других івторов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на между-тродных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях и.семи-іарах: на международной конференции по оптике заряженных частиц СРО-4 в Японии (Тсукуба, 1994 г.), на симпозиуме SPIE в США (Сан Диего, 1995 г.); на IV всесоюзной конференции по масс-спектроскошш в Сумах (1986 г.); на всесоюзном :еминаре по методам расчета ЭОС в Ленинграде (1985 г.), Ташкенте (1988 г.), Іьвове (1990 г.) и Алма-Ате (1992г.); а также на нескольких региональных конфе-
ренциях в Актюбинске. Некоторые результаты были апробированы на комиса по масс-спектроскопии в институте физической химии (Москва), а также на сем нарах в ИЯФ НЯЦ РК (Алма-Ата), на кафедре физической электроники СПб 1 и в лаборатории масс-снектрометрии ИАнП РАН (Санкт-Петербург).
. Публикации. Основные результаты, вошедшие в диссертацию изложены в < публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, з ключения и приложения. Она содержит 233 страницы техста, в том числе 32 р сунка, 15 таблиц и список литературы из 133 наименований.
