Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВA I. Обзор литературы 7
1.1. Основные-; представления о нахождении частиц через вещество 8
1.2. взаимодействие молекулярных ионов с поверхностью 18
ГЛАВА 2. Описание экспериментальных установок и методов иссл едовании 26
2.1. Краткое-: описание основной экспериментальной установки 26
2.2. Автоматизированный электростатический эннргоанализатор ионов и нейтральных атомов 28
2.3. UHV-стенддля проведения экспериментов с лёгкими ионами низких энергий 29
2.4. Описание тонких пленок, используемых для экспериментов 32
2.5. Описание используемого для моделирования компьютерно кода SCATTER 33
ГЛАВА 3. Экспериментальные результаты, полученные при прохождении атомарных и молекулярных ионов водорода сквозь ультратонкие ал мазоподобные фольги 44
3.1. Определение толщины и флуктуации толщины тої іких фолы с помощью зондовых пучков ионов водорода кэвных энергий 45
3.2. Молекулярный эффект при прохождении молекулярных ионов водорода сквозь ультратонкие фольги 48
ГЛАВА 4, Результаты экспериментальных исследований энергетических спектров частиц при малоугловом рассеянии различных ионов водорода от моли бденовой мишени 60
ГЛАВА 5. Приборы и устройства для диагностики плазмы в термоядерных установках, основанные на особенностях взаимодействия ионов водорода с тонкими фол ьгами 69
5.1. Фольговый эиергоанализатор нейтралов перезарядки для измерения ионной у ры плазмы в токамлке 70
5.2. Мало аваритный анализатор состава газовой смеси в диверторной области термоядерного ре актор а 77
Выводы 99
Опубликованные работы автора по теме диссертации 100
Список литературы 104
- Краткое-: описание основной экспериментальной установки
- Описание используемого для моделирования компьютерно кода SCATTER
- Молекулярный эффект при прохождении молекулярных ионов водорода сквозь ультратонкие фольги
- Мало аваритный анализатор состава газовой смеси в диверторной области термоядерного ре актор а
Введение к работе
Захват и отражение легких ионов водорода первой стенкой и другими поверхностями термоядерного реактора (ТЯР) являются одними из основных процессов, определяющих накопление топлива в обращенных к плазме элементах конструкции ТЯР, массообмен плазмы и стенки. Распыление обращенных к плазме материалов ТЯР под действием потоков частиц из нее влияет на время удержания плазмы, а также на эрозию и деградацию обращенных к плазме элементов, в том числе диагностического оборудования. Экспериментальное и теоретическое исследование этих процессов проводилось во многих лабораториях и составило основу базы данных для термоядерных установок. Однако сведения об особенностях взаимодействия молекулярных (кластерных) водородосодержащих ионов с материалами плазменных установок крайне отрывочны и скудны. В то же время, в связи с развитием концепции газового дивертора, роль молекулярной составляющей в процессах рециклинга топлива становится все более значимой.
Кроме того, при облучении поверхности кластерными ионами проявляются неаддитивные по сравнению с облучением атомарными ионами эффекты. Облучение поверхности моноядерными кластерами позволяет исследовать эти эффекты в зависимости от количества частиц в кластере. Помимо этого облучение поверхности гетероядерными кластерами позволяет реализовать облучение поверхности фрагментами молекулярного иона и, тем самым, спуститься в область более низких кинетических энергий частиц.
Ыа процессы отражения и распыления при облучении поверхности могут влиять различные факторы, такие как шероховатость поверхности, наличие на ней тонких осажденных пленок и примесей, и т.п. Проведение экспериментов по регистрации энергетических распределений фрагментов кластеров позволяют выявить эффекты, связанные с указанными выше факторами.
Компьютерное моделирование с помощью кодов, позволяющих включить в рассмотрение особенности реальных экспериментов: состав примесей, тепловые колебания атомов решетки твердого тела, структуру исследуемого
вещества, рельеф мишени и тлі., пополняет представление о происходящих процессах. В связи с известными сложностями проведения экспериментов с тритием, компьютерные расчеты являются дополнительным инструментом изучения взаимодействия данного изотопа водорода с материалами ТЯР. Модельные расчеты также необходимы для оценки потоков частиц в сложной геометрии элементов Т.ЯР, например, для прогнозирования поведения диагностических зеркал термоядерных установок, а также при разработке средств корпускулярной диагностики плазмы, в которых используются твердотельные конверторы потоков нейтралов. Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей взаимодействия с конденсированными средами водородосодержащих молекулярных ионов для выявления физики происходящих при этом процессов, их влияния на процессы рециклинга топлива в термоядерном реакторе и при разработке корпускулярных средств диагностики плазмы.
Цель работы
1, Сравнительное экспериментальное исследование особенностей
взаимодействия атомарных и молекулярных ионов водорода
термоядерных энергий с твердым телом для выявления отличий,
обусловленных связанным состоянием нуклонов в молекулярном ионе.
2. Тестирование методов компьютерного моделирования процессов
отражения и прохождения через вещество ионов водорода с помощью
прямых экспериментов.
3, Разработка экспериментального стенда для исследования взаимодействия
с материалами плазменных установок низкоэнергетичных легких ионов в
чистых вакуумных условиях.
4. Применение выявленных закономерностей взаимодействия изотопов
водорода с тонкими слоями конденсированного вещества при разработки
средств диагностики для термоядерного реактора.
На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:
Экспериментальный стенд, позволяющий исследовать взаимодействие легких ионов кэвных энергий с веществом в условиях чистого сверхвысокого вакуума.
Впервые экспериментально измеренный и теоретически обоснованный вклад молекулярного эффекта в уширение энергетического спектра частиц, прошедших тонкий слой вещества при взаимодействии с ним молекулярных ионов водорода кэвных энергий.
Впервые экспериментально обнаруженный и интерпретированный вклад молекулярного эффекта в уширение энергетического спектра при малоугловом отражении водородосодержащих ионов от поверхности твердого тела.
Концепция и проект прибора для анализа газовых смесей на выходе термоядерного реактора, основанного на использовании эффекта диссоциации молекулярных ионов при прохождении тонких слоев вещества.
Научная и практическая значимость работы
Результаты проведенных экспериментальных исследований и их обработка с помощью компьютерных кодов, разработанные приборы и оборудование могут найти применение:
для корпускулярной диагностики плазмы при анализе нейтралов перезарядки с помощью тонких фолы;
для возможной идентификации при взаимодействии с веществом кластерных частиц в разных состояниях возбуждения;
для повышения точности моделирования взаимодействия с конденсированными средами молекулярных водородосодержащих ионов;
при анализе состава газовой смеси на выходе термоядерного реактора;
для создания современных ионно-пучковых установок различного назначения.
Апробации работы
Основные результаты были представлены на 13 международных конференциях и симпозиумах:
Взаимодействие ионов с поверхностью (ISI-99, ISI-2001, 1S1-2003, ISI-2005), Звенигород, Россия;
Atomic Collisions in Solids (1999, 2001), Odense, Denmark; Paris, France;
Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (2000), МГУ, Москва, Россия;
Interaction of Fast Charged Particles with Solids (2000, 2002), Nizhnii Novgorod, Russia; Kyoto, Japan;
29'" EPS Conference (2002), Montreux, Switzerland;
Modification of Materials with Particles Beams and Plasma Flows (2004), Tomsk, Russia;
ICACS (2004),Genue, Italy;
Inelastic Ion-Surface Collisions (2004), Mie, Japan; а также на:
2-ой, 3-ей, 6-ой научных сессиях МИФИ (1999, 2000, 2003), Москва;
II, III, IV Российских семинарах «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (2000, 2001, 2003), МИФИ, Москва;
2S-ofl Звенигородской конференции по физике плазмы и У ТС (2001), Звенигород;
IX, XI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "ВАКУУМНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА» (2002, 2004), Судак, Украина.
Основное содержание диссертации опубликовано в 24 печатных работах. Их список представлен в конце автореферата.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит /OS страниц машинописного текста -?z? рисунка, .5 таблицы. Список литературы включает ^^наименований.
Краткое-: описание основной экспериментальной установки
Большой масс-монохроматор МИФИ [3], на котором проводились основные, выполненные в данной работе эксперименты, предоставляет широкие возможности для проведения фундаментальных и имитационных исследований, так как позволяет получать хорошо коллимированные моноэнергетические пучки ионов и регистрировать распределения по энергиям, углам и зарядам испытавших взаимодействие с твердым телом частиц в широком диапазоне изменения начальных параметров (рис.2.1). Вакуумная система (рис.2.2) основного ионного канала построена по принципу глубокой дифференциальной откачки с постепенным понижением давления от камеры ионного источника 10"3Па до 10 7Па в камере взаимодействия. Система включает в себя 6 высоковакуумных насосов: 2 у ионного источника ТМИ 500 и НОРД 250, турбомолекулярный насос ТМН 1500 в промежуточной вакуумной камере, TURBO VAC 1500 и НМДО-0.4 в камере взаимодействия. Каждый из перечисленных насосов разделяется от вакуумной системы с помощью прогреваемых затворов типа ЗПТ (ЗПТ-160, ЗПТ-250). Вакуумная система основного канала предусматривает возможность бай пасс ной откачки как ионного источника так и камеры взаимодействия. Все затворы электрически управляемы и контролируются с одного пульта управления, снабженного мнемонической схемой. Элементы вакуумной системы изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, уплотнения вакуумных фланцев - канавочно-клиновые с кольцевыми медными прокладками, либо типа конфлат, что позволяет прогревать всю вакуумную систему. Система газонапуска в ионный источник включает в себя 2 механических микронатекателя и металлические баллоны с газом, что позволяет работать как на чистых газа, так и на их произвольных смесях. Основные параметры пучка основного ионного канала приведены в таблице 2.1. Источником ионов основного пучка служит дуоплазматрон. Сепарация ионного пучка по отношению массы к заряду производится секторным электромагнитом с радиусом центральной траектории ионов R = 50 см.
Максимальная индукция в зазоре электромагнита на центральной траектории составляет В 0.6 Тл, что позволяет осуществлять сепарацию однозарядных ионов массой М[ (а.е.м.) и энергией Е (эВ) в соответствии с соотношением: R = 0.0144 (ЕМ),/2/В до значений, удовлетворяющих условию: EMt й 4.43 10б а.е.м х эВ, что позволяет получать пучки ионов различных газов вплоть до тяжелых с энергиями в десятки килоэлектронвольт. Магнитное поле электромагнита неоднородно с показателем спада !Л, что обеспечивает фокусировку ионного пучка как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях при длине выходного плеча 1250см. Ионно-оптическая система установки включает в себя также систему электростатических линз цилиндрического типа, расположенных на выходе ионного источника и в области камеры взаимодействия. Поэтому параметры фокусировки пучка можно изменять, варьируя значения потенциалов на электродах этих линз. Питание ионного источника смонтировано на специальной высоковольтной стойке с ручным управлением через изолирующие штанги. Вся стойка питается от разделительного (на 100 кВ) трансформатора с общей мощностью 5 кВт. Ускоряющее ионы высокое напряжение подается с выпрямителя 100кВ 20мА с помощью специально разработанной системы управления и стабилизации, управляющим элементом которой является металлокерамический триод Г39 с воздушным охлаждением. Стабильность высокого напряжения 5 10"4 и его значение может плавно изменяться от вариатора и системы стабилизации во всем интервале напряжений от напряжения 100 В до максимального. Расчетное максимальное значение ускоряющего напряжения 100 кВ, однако, на практике в рамках выполнения описываемых работ максимальное значение напряжения не превосходило 35 кВ. Управление током электромагнита (Imax = 70А) позволяет осуществлять плавную регулировку тока от 0 до Imax. Стабильность тока электромагнита — 10"4. Камера взаимодействия установлена на специальной юстировочной платформе и отсоединяется от основного ионного канала прогреваемыми затворами типа ЗПТ-100. Тем самым, камера взаимодействия представляет собой автономный объем, к которому возможно подсоединять дополнительные источники (каналы) облучения и диагностики. Для расширения возможностей измерения энергетических распределений атомов, а также особенностей формирования зарядовых фракций на установке используется автоматизированный энергоанализатор [34] ионов и нейтральных атомов, работающий в счетном режиме. Схема автоматизированного энергоанализатора ионов и нейтральных атомов с энергий 0.1 - 60 кэВ с разрешением по энергии 0.005 по ионам и 0,012 по нейтральным атомам и разрешением по углам регистрации 1 град в диапазоне 10 -135 , с телесным углом регистрации 7 10"4 стер приведена на рис. 2.3, 2.4.
Описание используемого для моделирования компьютерно кода SCATTER
Для описания экспериментальных результатов использовался код SCATTER [41], разработанный Н.Н.Трифоновым на кафедре «Физика плазмы» МИФИ. Программа предназначена для расчета характерных величин при взаимодействии ионов с различными веществами. От существующих программ расчета взаимодействия атомов с веществом программа SCATTER отличается более детальным описанием взаимодействия частиц с поверхностью мишени, учетом ее шероховатости и неоднородности. Ранее с помощью этой программы было получено хорошее совпадение с экспериментальными данными по прохождению легких ионов кэвных энергий через тонкие майларовые пленки. Программа имеет дружественный интерфейс и за несколько лет ее апробации показала удобство в ее использовании для описания экспериментальных данных, полученных в рамках данной работы. Программа SCATTER представляет собой код, основанный на алгоритме, близком к программе TRIM [2], т.е. движение атомов в веществе описывается как последовательность парных упругих столкновений с атомами среды. Упругие и неупругие потери энергии рассматриваются отдельно. При расчете траекторий движения отдельных частиц используется приближение аморфной среды мишени. Программа позволяет получать как интегральные так и дифференциальные характеристики взаимодействия налетающих частиц с веществом мишени, таких как коэффициент прохождения и отражения ионов, коэффициент распыления под действием ионной бомбардировки, угловые и энергетические распределения прошедших, отраженных и распыленных частиц, распределение частиц, остановившихся в фольге, по глубине. В качестве исходный данных задаются следующие параметры для налетающих частиц и мишени: сорт, начальная энергия, угол падения, энергия связи с поверхностью и количество налетающих частиц; состав, толщина, флуктуация толщины, плотность, флуктуация локальных неупругих потерь энергии мишени. Для учета особенностей отражения и распыления мишеней с развитой поверхностной структурой в программу SCATTER введена возможность учета шероховатости поверхности мишени, для чего первому, обращенному к налетающему пучку слою задается образ поверхности с реальной топофафией (например, получаемый со сканирующего туннельного микроскопа). Результатом вычисления проіраммьі является протокол-файл, в который записаны ссылки на выходные файлы. В эти файлы записаны характеристики каждой прошедшей фольгу частицы (энергия, углы вылета, количество столкновений).
Далее выходные файлы обрабатываются специальными фильтрующими программами. В результате получаются энергетические спектры частиц в выделенном программой энергетическом диапазоне для заданного угла наблюдения и углового разрешения анализатора. Кроме того, этот код позволяет учитывать различные вклады в формирование энергетических спектров прошедших ионов. Исследование прохождения атомными частицами тонких слоев вещества позволяет с большой точностью измерить основные параметры взаимодействия: удельные потери энергии, флуктуации потерь энергии, сечения рассеяния. С практической точки зрения использование тонкопленочных конверторов также важно в корпускулярных диагностиках для изучения характеристик лабораторной и космической плазмы [42]. Однако способы изготовления тонких фолы и адсорбция на их поверхности чужеродных атомов приводят к неоднородностям по их толщине и составу, что влияет на точность определения указанных выше сечений и существенным образом влияет на разрешающую способность аналитического оборудования, в котором такие фольги применяются. Например, тонкопленочные конверторы применяются в задачах диагностики термоядерной плазмы при определении энергетических спектров нейтралов перезарядки, в космических исследованиях, а также при создании различных анализаторов (например, рефлектронов). Таким образом, природа уширения энергетического спектра нуждается в тщательном анализе. Для детальной характеризации тонких фолы был проведен целый ряд экспериментов (один из которых детально описан ниже) и их интерпретация с помощью компьютерного моделирования [43-48]. Эффекты, сопровождающие взаимодействие с веществом молекулярных ионов и кластеров, позволяют существенно расширить представления о механизмах взаимодействия с веществом этих частиц. Помимо неаддитивных по отношению к числу атомов в молекулярном ионе радиационных эффектов в веществе, весьма интенсивно исследуется влияние взаимной близости взаимодействующих с атомами мишени частиц (vicinage effect), кильватерный эффект, зарядовое состояние рассеянных в веществе частиц и другие эффекты. В случае прохождения молекулярных ионов, особенно простейших из них Н2+, через тонкие слои вещества [5-8] наиболее просто сравнивать результаты экспериментов с модельным рассмотрением. При энергиях, когда скорость частиц превышает боровскую, влияние первоначальной близости в падающем кластере попадающих в твердое тело атомов на энергетические спектры и другие параметры потока прошедших частиц получило адекватную теоретическую интерпретацию [6]. Однако в диапазоне низких энергий подобные исследования, по имеющимся сведениям, не проводились. фольг с помощью зондовых пучков ионов водорода кэвных энергий Измерения проводились на установке «Большой масс-монохроматор МИФИ». Схема проведения данного эксперимента показана на рис.3.1. Пучок легких заряженных частиц направлялся на мишени из тонких фольг, установленных на поворачиваемом диске, дающем возможность проведения эксперимента для нескольких мишеней одновременно. Пучок, проходя через тонкую мишень с изменением первоначальных энергетических и угловых распределений, а также зарядовых состояний, анализировался с помощью описанного выше энергоанализатора. Была предусмотрена возможность измерения полного тока пучка. Для этого на поворотной пластине был закреплен цилиндр Фарадея. Степень моноэнергетичности пучка не превышала 0,003. Суммарный ток пучка, измеренный с помощью цилиндра Фарадея, составлял 10" А. Давление в камере во время эксперимента составляло -10" Торр. Во время эксперимента проводилось наблюдение за изменением параметров мишени, так как при облучении мишени возможно ее распыление или «наращивание» за счет разложения содержащихся в остаточном газе углеводородов. На (рис.3.2) приведены восстановленные энергетические распределения протонов для тонкой (с номинальной толщиной - 40А) фольги до и после проведения серии основных измерений. Из рисунка видно, что спектры
Молекулярный эффект при прохождении молекулярных ионов водорода сквозь ультратонкие фольги
Было исследовано влияния числа атомов в молекулярных ионах водорода на удельные потери энергии и ширину энергетического спектра при облучении тонких фолы в диапазоне энергий порядка единиц кэВ на нуклон. В качестве мишеней использовались углеродные фольги с номинальными толщинами L « 25 А, 40 А и 70 А и плотностью 2г/см ±0.2г/см . Облучение проводилось ионами Н+, Н2+ и Н3+ с энергией в диапазоне 2- 12 кэВ на нуклон. После взаимодействия с фольгами мы наблюдали протоны, образовавшиеся в результате диссоциации исходных ионов, потерявших часть энергии в веществе мишени, Положение максимума спектра прошедших частиц для разных молекулярных ионов с одинаковой начальной скоростью на нуклон фактически совпадают (рис.3.5), что свидетельствует о том, что потери энергии для разных молекулярных ионов одинаковы. В пределах точности эксперимента измеренная зависимость наиболее вероятной энергии вылетавших частиц Ет от скорости линейна для разных фольг. Из зависимости ширины спектра А /2 от начальной скорости (Еп 2) видно (рис.ЗЛ), что для различных ионов с одинаковой начальной скоростью по мере увеличения числа атомов в ионе энергетический спектр уширяется, причем зависимость ширины спектра от скорости примерно линейна. Уширение спектра для двухатомных и трехатомных молекулярных ионов происходит как в сторону больших, так и меньших энергий без существенной асимметрии. Как было показано ранее, полуширина пика в данной области энергии водорода для протонов, регистрируемых в направлении падающего пучка (0=0), может быть представлена формулой (3.1). Как следует из [2], относительная флуктуация потерь энергии при неупругих столкновениях не зависит ни от толщины, ни от энергии, а только от материала. Поэтому для каждой из исследуемых фолы АЕи2I ,[Ё0 не должно зависеть от энергии, что и подтверждает наш эксперимент: это соотношение в пределах точности измерений (-0.05) является константой для любой из фолы. 11а рис.3.8 в качестве примера приведены определенные по спектрам, измеренным для фольги номинальной толщиной 25 А, значение АЕц!4Ёо для атомных и молекулярных ионов разных энергий. Видно, что отношение ЛЕ} /л[Ё о = const для каждого сорта ионов. Если полуширину энергетического спектра представить в виде Л]/2 у Е0 р0, + &ЕтЫ \ , где ЛЕат полуширина энергетического спектра прошедших через фольгу протонов (в основном за счет флуктуации ее толщины), АЕ„Ю1 - вклад за счет молекулярного эффекта, то наблюдается постоянство величины AEMOJ -IE , При сравнении спектров Н+ и Н+2 ЛЕмоя1 л[Ё =2,l±0,3eV,/2 для всех исследуемых фолы в диапазоне энергий 2-10 кэВ/нуклон. Сравнение спектров от ионов Н+ и Нз+ для фольги с L= 25 А дает значение AEM0J [E =3,6±0,3eV1/2. Уширения спектров фрагментов молекулярных ионов может происходить за счет кулоновского расталкивания протонов, «внезапно» потерявших связывающий их электрон.
Простой анализ этой ситуации (рис.3.9) для иона ІІ2+ с кинетической энергией Е0 и энергией кулоновского рассталкивания / = е2/г, где г- межъядерное расстояние (с сохранением полной энергии и импульса после «кулоновского взрыва»), дает следующее выражение для разницы в энергиях I ,"Л частиц ЛЕ = 2vov cosa, где v - = e/(mr) , а а - угол между направлением движения центра масс иона Н2+ и проведенной через центры ядер прямой. Таким образом ЛЕ 2-(1Е{)) cosa, то есть разница в энергиях фрагментов молекулярного иона ЛЕ должна линейно зависеть от скорости частиц, а величина ЛЕ / /Ё должна быть константой. Численное значение величины ЛЕ / 4Ё зависит как от межъядерного расстояния молекулярного иона г и, отвечающего равновесной конфигурации иона с наименьшей энергией связи (го = 1,03 Л для П2 и г0 = 0,86 А для П3 ), так и от ориентации первичного иона относительно поверхности мишени при подлете. Расчет максимально возможных потерь за счет кулоновского рассталкивания показал, что для ІІ2 AE.voJvE =2,156 (при этом угол между направлением движения центра масс иона и проведенной через центры ядер прямой равен нулю), а для иона Н3+ АЕ 1 4Ё =3,4158 (что соответствует случаю, когда один из трех атомов движется в направлении обратном направлению движения центра масс первоначального иона, а два других под углом 60 с ним), что поразительно совпадает с данными, полученными в эксперименте для величин ЛЕмоя1 -IE, соответствующим вкладу «молекулярного» эффекта в ширину спектра.
Мало аваритный анализатор состава газовой смеси в диверторной области термоядерного ре актор а
Ранее [55, 56] было предложено устройство для анализа молекулярных пучков, содержащее входную и выходную диафрагмы по оси устройства, конвертор в виде ловушки типа цилиндра Фарадея, энергоанализатор в виде двух плоских конденсаторов с общим средним электродом, и ВЭУ на оси за выходной диафрагмой. Прибор позволял проводить количественный анализ без дополнительной градуировки. Однако для предварительной сепарации пучка был использован достаточно большой электромагнит, что не позволяло на его базе сделать достаточно компактный встраиваемый диагностический прибор, кроме того использование электромагнита не позволяло проводить быструю регистрацию всех или нескольких компонент молекулярного пучка, так как развертка по массам осуществлялась изменением тока в катушках электромагнита. Преимущество вновь предложенного прибора заключается в расширении возможностей анализа газовых смесей, в том числе анализа состава газа, откачиваемого из термоядерных установок при наличии в плазме реакций синтеза, где необходимо определить долю прореагировавшего топлива и количество образовавшихся продуктов с высоким разрешением по атомам с близкими значениями отношения массы к заряду. Особо важным в этой связи является анализ водород но-гелиевой смеси с характерной массой ее составляющих Н9а.е.м. Принцип работы данного анализатора заключается в следующем; перед конвертором последовательно размещены ионизатор газовой смеси с ионно-оптической системой для формирования ионного пучка и масс-сепаратор со стигматической фокусировкой на основе сильного постоянного магнита с разрешающей способностью, при которой ионы с близкими значениями отношения массы к заряду не разделены пространственно, а попадают в одну и ту же область конвертора. Далее по направлению движения частиц последовательно расположены твердотельный конвертор, электростатический анализатор и узел регистрации, снабженный коллектором заряженных частиц. На рисунке 5.11а показана схема данного устройства, которое содержит ионизатор газовой смеси 1, ионно-оптическую систему 2, масс-сепаратор со стигматической фокусировкой на базе постоянного магнита 3, конвертор в комбинированном цилиндре Фарадея 4, плоский электростатический анализатор 5 и узел регистрации с коллектором заряженных частиц 6. Конвертор выполнен из ультратонкой ал мазо подобной фольги (аморфная углеродная фольга с долей алмазной фракции в ней), при взаимодействии с которой ионы диссоциируют с образованием фрагментов молекул. Фольга расположена под углом 45 к направлению движения частиц и в одной плоскости с одной из обкладок электростатического анализатора, выполненного в виде плоского конденсатора. Со стороны масс-сепаратора конвертор окружен цилиндром, ось которого совпадает с направлением движения частиц, причем цилиндр, конвертор и обкладка электростатического анализатора электрически изолированы друг от друга. Такая конструкция обеспечивает возможность измерения полного ионного тока с помощью ловушки типа цилиндра Фарадея. Вход узла регистрации расположен в той же обкладке электростатического анализатора, что и конвертор. При коллектор заряженных частиц узла регистрации анализатора газовой смеси может быть выполнен в виде усилителя на микроканальной пластине, что позволяет повысить временное разрешение и одновременно регистрировать все ионизованные фрагменты газовой смеси.
Коллектор заряженных частиц узла регистрации анализатора может быть также выполнен в виде набора из вторичных электронных умножителей, количество и расположение которых определено количеством и наиболее вероятной энергией исследуемых составляющих газовой смеси. Анализатор газовой смеси работает следующим образом: В качестве простейшего ионизатора газа при давлении в диапазоне 10" -Ю Па, которое может реализовываться в откачном патрубке, целесообразно использовать самостоятельный разряд в магнитном поле, создаваемом малогабаритным постоянным магнитом. Таким ионизатором может служить источник Пеннинга с холодным катодом, обеспечивающим длительный срок службы. Напряжение разряда такого источника является вытягивающим напряжением UyQK, в результате необходимый пучок ионов можно получить с одним высоковольтным источником питания. Для стабильной работы такого типа источника рабочее давление должно быть на уровне 10 - 10"2Па. При более низких давлениях в камере источника вероятность образования плазмы невелика, но при использовании источника Пеннинга с горячим катодом, он будет работать в режиме источника с электронным ударом. Ввиду малых размеров прибора он не требует сложной, многолинзовой ионно-оптической системы. Она должна лишь обеспечивать ускорение ионов до UycK l-ЮкВ в плоскопараллельном пучке (оптика Пирса) с последующим торможением вплоть до 0,1 U на входе масс-сепаратора (фактически являющемся частью ионно-оптической системы). Для сепарации ионов водородно-гелиевой смеси с энергией ионов в диапазоне энергий 1-10 кэВ в качестве сепарирующего магнита предлагается использовать секторный магнит с неоднородным полем, который обеспечивает поле в зазоре -0,8 Тл и не требует дополнительного питания. Для анализа масс в диапазоне 1 -9 в силу постоянства величины Ux(M/Z) энергия ионов на входе в сепаратор должна варьироваться в том же интервале, для чего на магнит подается соответствующее тормозящее напряжение. Для указанного выше диапазона масс (1 М 9) разрешающая способность по массам должна быть Лм 9, так как при ионизации возможно образование, как одноатомных ионов водорода, так и трехатомных молекул (с наибольшим значением M/Z=9 для иона Тз+). Такое значение RM позволяет, с одной стороны, использовать выходную щель достаточно большой ширины, что увеличит чувствительность прибора, а с другой стороны, при столь низком разрешении ионы с разницей M/Z меньше 0,1 не будут пространственно разделены и попадут в одну и ту же область углеродной фольги для дальнейшего энергоанализа. Для обеспечения стигматической фокусировки предложено использовать магнитный анализатор с неоднородным магнитным полем Мч =ДХ1+ЛіТ]+- 2П +...) где т=:(г-Го)/го. Данный анализатор имеет повышенную светосилу и дисперсию в отличие от анализаторов с однородным полем. При движении ионов в магнитном анализаторе происходит сепарация по импульсу, а
