Введение к работе
Актуальность темы. Магнитные анализаторы заряженных частиц широко применяются в различных областях науки,техники и технологии. Масс-спектрометрия и ионная микроскопия.альфа- и бета-спектроскопия, ускорительная техника и оборудование ионной имплантации — вот далеко не полный перечень направлений,в которых магнитные анализаторы игрщлт существенную роль. Дальнейшее повышение уровня научных исследований и потребности ряда областей промышленности требуют улучшения технических характеристик приборов и установок,в которых используются ионные пучки. Решение этой важной научно-технической проблемы связано прежде всего с совершенствованием масс-анализаторов,являющихся главной составной частью многих ионно-оптических приборов и электрофизических комплексов.
Большинство приборов и оборудования.действие которых основано на магнитной сепарации ионов по массам,построено на базе анализаторов с секторными стационарными магнитными и электрическими полями. Основные характеристики таких анализаторов реализованы достаточно полно и возможности их существенного улучшения практически исчерпаны. Поэтому проблема дальнейшего совершенствования анализирующих систем с магнитными полями может быть успешно решена только за счёт поиска, и освоения новых более эффективных методов разделения и фокусировки ионных пучков. Перспективным в этом аспекте является применение магнитных призм с двухмерным или аксиально-симметричным полем.
В отличие от анализирующих систем с секторными магнитными полями, которые разделяют ионы по массам и фокусируют -их по направлению,в призменном анализаторе функции сепарации и фокусировки ионов разделены и выполняются различными элементами — магнитными призмами и электрическими линзами. Это обеспечивает масс-анализатору ряд преимуществ. Во-первых,величина дисперсии оказывается независимой от размеров отклоняющих и фокусирующих элементов и может быть очень большой при сравнительно небольших габаритах последних. Во-вторых,применение электрической фокусировки ионов по направлению вместо магнитной позволяет создать ионно-оптические системы с пространственной фокусировкой пучка и очень малыми аберрациями. В-третьих,отпадает необходимость
механической юстировки масс-анализатора и снижаются требования к точности изготовления и расположения узлов и элементов ионно-оптической системы,что способствует совершенствованию прибора без усложнения производственной технологии.
Разумеется,практическая реализация указанных преимуществ и эффективность использования призменных анализирующих систем зависит прежде всего от того,насколько такие системы изучены. Надо отметить,что эта проблема решена лишь частично. Если масс-анализаторы с двухмерным магнитным полем исследованы достаточно хорошо и успешно применяются в приборах для научных исследований и промышленного контроля,то развитие другого направления приз-менной оптики,связанного с разработкой и применением анализирующих систем с аксиально-симметричными магнитными призмами,только начинается. Достижения в этой области ограничиваются в основном теоретическим рассмотрением ионно-оптических свойств конусовидного магнитного поля и конусовидных магнитных призм с совмещенными электрическим и магнитным полями и результатами исследований магнитных призм с полем 1 и магнитной фокусировкой ионов,которая обеспечивается либо границей поля призмы,либо однородным магнитным полем дополнительного масс-анализатора. Целый класс призменных анализирующих систем с аксиально-симметричными электрическими и магнитными полями пока не исследован. Сюда относятся:масс-анализаторы с полем 1 и электрической фокусировкой по направлению,анализирующие системы с ахроматической и двойной фокусировкой,многокаскадные масс-анализаторы и масс-сепараторы,динамические анализаторы с магнетронной системой электродов.
Исследование и разработка таких анализирующих систем представляют общефизический интерес и имеют большую практическую значимость,поскольку по ряду параметров эти анализаторы могут превосходить известные аналоги,а относительная простота технической реализации и отсутствие необходимости строгого учёта полей рассеяния при одинарной фокусировке ионов дополняют их преимущества перед фокусирующими магнитными призмами и масс-анали-заторами с двухмерными полями. Использование новых призменных анализирующих систем в ионно-оптических приборах и технологическом оборудовании позволит улучшить их технические характеристики и расширить функциональные возможности,что несомненно бу-
дет способствовать повышению технического прогресса в различных областях народного хозяйства.
Целью работы является выяснение закономерностей движения заряженных частиц в призменных магнитных масс-анализаторах,обладающих аксиальной симметрией,определение ионно-оптических свойств этих систем и разработка физических основ их конструирования, а также практическое применение масс-анализаторов нового типа для улучшения основных характеристик ионно-оптических приборов и технологических установок.
Методы исследования. В качестве инструмента исследования ионно-оптических свойств и характеристик призменных масс-анализаторов со стационарными электрическими и магнитными полями используется метод малого параметра в сочетании с элементами матричной алгебры. Независимо от типа рассматриваемой анализирующей системы исследование её ионно-оптических характеристик выполнено с помощью общего методического приёма,основанного на определении матричным методом уширения ионного пучка в плоскости изображения в зависимости от геометрических и физических параметров анализатора и ионного пучка. При этом отпадает необходимость оперировать дифференциальными уравнениями,поскольку,имея матрицы преобразования параметров траектории иона для соответствующих участков ионно-оптической системы,можно достаточно просто получить полную матрицу преобразования начальных параметров траектории в конечные и определить затем все основные характеристики анализирующей системы. Применение матричного метода особенно эффективно при изучении многоэлементных анализирующих систему которым относятся и системы,исследуемые в данной работе. Для анализа особенностей движения частиц в динамическом анализаторе магнетронного типа используются векторные уравнения и вращающаяся система координат,а определение его ионно-оптических характеристик выполнено на основе законов сохранения энергии и обобщенного импульса. Это позволило сократить объём вычислений и улучшить физическую интерпретацию полученных результатов.
Научная новизна работы состоит в установлении неизвестных ранее ионно-оптических свойств и характеристик призменных анализирующих систем,обладающих аксиальной симметрией.
В отличие от традиционных методов теоретического анализа ионно-оптических систем обоснована целесообразность применения мат-
ричного метода для исследования призменных масс-анализаторов со стационарными электрическими и магнитными полями. Определены трёхмерные и четырёхмерные матрицы переноса для электростатических фокусирующих элементов и магнитных призм с неоднородным полем и разработан единый подход к исследованию анализаторов, отличающихся физическими и геометрическими параметрами, и количеством электрических и магнитных каскадов.
Впервые в достаточно полном объёме изучены масс-анализаторы с аксиально-симметричными магнитными призмами и электростатическими линзами,осуществляющими фокусировку ионов по направлению. Исследованы системы с прямым и косым входом ионного пучка в магнитное поле призмы,однокаскадные и многокаскадные масс-анализаторы. Получены условия фокусировки по направлению и соотношения для определения дисперсии,геометрического увеличения и разрешающей способности. Обнаружено,что фокусировка ионов по направлению обеспечивается в большом диапазоне изменений "оптических плеч"достигается большая дисперсия при относительно небольшой длине пути пролёта ионов,уменьшается влияние полей рассеяния и пространственного заряда ионного пучка на качество фокусировки ионов по направлению.
Исследованы в линейном приближении дисперсионные и фокусирующие свойства призменных масс-анализаторов с ахроматической и двойной фокусировкой. В частности,для анализатора с ахроматической фокусировкой определены полные матрицы переноса иона от источника до приёмника в радиальной и аксиальной плоскостях и получены условия,при которых достигается стигматическая ахроматическая фокусировка ионного пучка. Показано,что эффективность разделения ионов по массам призменным анализатором с неоднородным магнитным полем намного выше,чем аналогичных систем с секторным однородным полем. Впервые предложен и теоретически обоснован способ фокусировки ионов по направлению и скорости с помощью магнитной призмы с полем 1" и тороидального конденсатора (без дополнительных фокусирующих устройств). Доказано,что двойная фокусировка в такой анализирующей системе достигается в том случае,когда плоскость изображения тороидального конденсатора при фокусировке по направлению совпадает с плоскостью изображения системы электрического и магнитного полей обоих каскадов при фокусировке по скорости. Исследованы различные ва-
рианты систем такого типа:с использованием в качестве анализатора энергий цилиндрического конденсатора и вариант,когда эту функцию выполняет сферический конденсатор. Детально изучено влияние геометрических и физических параметров анализатора масс и энергий на основные характеристики анализирующей системы с двойной фокусировкой. Установлена область значений параметров каскадов, при которой характеристики системы оптимальны.
Рассмотрены методы коррекции аберраций призменных анализаторов с учётом влияния краевых полей. Получены матрицы преобразования параметров траектории в краевом поле на входе маес-анали-затора и на выходе из нега применительно к исследованию движения 'иона в аксиальной и радиальной плоскостях. Определены в общем виде условия двойной фокусировки второго порядка в анализирующей системе,состоящей из магнитной призмы и энергоанализатора.
Исследованы ионно-оптические свойства и характеристики нового динамического анализатора магнетронного типа,в котором магнитная фокусировка ионного пучка в области регистрации не осуществляется,то есть магнитное поле выполняет роль призмы. Впервые построена теория движения ионов различных масс и энергий в магнетронной системе электродов: установлено соотношение,описывающее семейство траекторий ионоа в магнетронном анализаторе с однородным и неоднородным магнитным полем,получено уравнение для равновесного радиуса,предложена методика количественной оценки разрешающей способности анализатора. Показано,что масс-анализатор,в котором для выделения ионов определенной массы используется магнетронний эффект,не имеет геометрических аберраций и позволяет использовать ионный источник с большой угловой расходимостью пучка. Предложены и реализованы методы улучшения характеристик магнетронного анализатора,основанные на электростатической фокусировке ионного пучка и инверсном расположении источника ионов и коллектора. Экспериментально подтверждена их эффективность.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования расширили и углубили знания о поведении заряженных частиц в анализирующих системах с аксиально-симметричными магнитными призмами. Они позволили также разработать методы расчёта основных элементов этих систем,определить оптимальные значения их
геометрических и физических параметров,выявить виды погрешностей, которые оказывают наибольшее влияние на динамику частиц и параметры ионного пучка в плоскости регистрации. Всё это способствовало практической реализации полученных в работе результатов,которые были использованы при создании новых масс-спектрометров, классификаторов ферромагнитных частиц,ионных микрозон-довых приборов.
Основные положения диссертации,выносимые на защиту.
1. Разработаны новые физические методы сепарации ионов по
массам в стационарных электрических и магнитных полях и построе
на теория разделения и фокусировки ионных пучков в анализирующих
системах,содержащих аксиально-симметричные магнитные призмы.
I.I. Предложены новые призменные анализирующие системы с одинарной, ахроматической и двойной фокусировкой и на основе теории матриц разработан единый методический подход к исследованию их дисперсионных и фокусирующих свойств.
.1,2. Исследованы ионно-оптические свойства и получены условия радиальной,аксиальной и стигматической ахроматической фоку-. сировки. ионного пучка в призменных масс-анализаторах с неоднородным магнитным полем и электростатическими линзами.
-
Исследованы ионно-оптические свойства и получены условия фокусировки по направлению и скорости в анализирующих системах, состоящих из магнитной призмы .и анализатора энергий.
-
Показано,что применение магнитных призм с аксиальной симметрией в системах сепарации ионных пучков повышает эффективность разделения ионов по массам,а электрическая фокусировка ионов или её сочетание с магнитной обеспечивают улучшение ионно-оптических свойств масс-анализатора.
2. Предложены новые динамические масс-анализаторы,в которых
для выделения ионов определенной массы используется магнетрон-
ный эффект, и разработаны методы теоретического анализа движе
ния ионов различных масс и энергий в магнетронной системе элект
родов. '
.2.1. Построена теория магнетронного масс-анализатора с аксиально-симметричным магнитным полем.. Определена траектория . ионов и получены соотношения,позволяющие установить физические'. свойства масс-анализатора и количественно оценить j$ro параметры,.
2.2. Предложены динамические магнетронные масс-анализаторы с внутренним и внешним расположением источника ионов. Масс-анализаторы не имеют геометрических аберраций и позволяют сепарировать ионные пучки с угловой расходимостью 360 .
3. Исследованы ионно-оптические характеристики и разработаны
физические основы конструирования статических анализирующих сис
тем с аксиально-симметричными магнитными призмами и динамиче
ских масс-анализаторов магнетронного типа.
-
Исследованы ионно-оптические характеристики призменных анализирующих систем с электрической фокусировкой ионов по направлению в неоднородном магнитном поле. Изучены системы с прямым и косым входом ионного пучка в магнитное поле призмы,одно-каскадные и многокаскадные масс-анализаторы,а также анализаторы с ахроматической фокусировкой.
-
Исследованы ионно-оптические характеристики призменных анализирующих систем с электрической фокусировкой ионов по направлению и скорости в неоднородном магнитном поле.
-
Разработаны методы расчёта ионно-оптических элементов статических призменных масс-анализаторов с учётом краевых полей и аберраций высших порядков и определены рациональные варианты конструкций анализирующих систем с одинарной и двойной фокусировкой.
-
Исследованы ионно-оптические характеристики магнетронного масс-анализатора,разработаны методы их улучшения и экспе*-риментально апробированы в конструкции газоизмерительного преобразователя.
4. Разработаны и внедрены ионно-оптические элементы и анали
зирующие системы для новых промышленных приборов и технологиче
ских установок с улучшенными характеристиками и функциональными
возможностями.
-
Разработаны ионно-оптические системы для промышленных масс-спектрометров,в результате чего достигнуты высокие технико-экономические показатели этих приборов.
-
На базе неоднородного поля с аксиальной симметрией разработаны способ и устройство для классификации ферромагнитных частиц,что позволило решить проблему разделения порошков магни-тожёстких материалов на фракции,содержащие однородные частицы.
-
Предложен микрозондовый анализатор с магнитными призма-
ми и камерой столкновений в системе сепарации первичного ионного пучка,благодаря чему в приборе реализуются новые методические возможности при исследовании твёрдых тел и получении материалов с заданными свойствами.
Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования анализирующих систем с аксиально-симметричными магнитными призмами послужили основой для разработки новых масс-анализаторов и маес-сепараторов с улучшенными характеристиками. Они нашли применение в различных ионно-оптических приборах и технологических установках,созданных при непосредственном участии автора в разные периоды времени. Большинство разработок выполнено на уровне изобретений и освоено приборостроительной промышленностью. Разработки последних лет находятся в стадии внедрения. Полученные в работе результаты перспективны для использования и в других областях науки,техники и технологии,где применяются электронные или ионные пучки различной интенсивности. В частности,в бета- и альфа- спектроскопии,в ускорителях заряженных частиц,в оборудовании ионной имплантации и сканирующих аналитических приборах.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты диссертации были представлены и докладывались на 2 и 4 Всесоюзных конференциях по масс-спектрометрии (Ленинград,1974г.;Сумы,1986г.) на Всесоюзной научно-технической конференции "Новые физические принципы в аналитическом приборостроении" (Киев,1980г.),на 1,2 и 3 Украинских республиканских конференциях по электронной оптике и её применениям (Харьков,1969,1971,1974г.г.).
По теме диссертации опубликовано 32 работы,в том числе получено 9 авторских свидетельств на изобретения,ряд результатов являются содержанием монографии "Анализирующие системы магнитных масс-спектрометров",написанной совместно с О.Р.Савиным и И.Я.Чертковым. Список основных "публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 236 страниц машинописного текста,46 рисунков,5 таблиц,список литературы из 201 наименования, включающий 55 публикаций автора.
Похожие диссертации на Масс-анализаторы с аксиально-симметричными магнитными призмами
