WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Рис. 3. Принципиальная схема двухкаскадного энерго-масс-спектрометра с двойной фокусировкой (1 - электростатический спектрометр, 2 — секторный магнитный спектрометр).

Уравнение, описывающее такой спектрометр, является комбинацией уравнений (3) и (12) qi U qi H I U = I0i i E f E A1 A2 dE, (14) i E 2 mi E i где суммирование ведется по всем различным массам частиц, qU A- аппаратная функция электростатического спектрометра, E qH A- аппаратная функция магнитного спектрометра.

2 m E Для измерения энергетического спектра с фиксированным отношением массы частиц к заряду используется режим развертки, в котором mi U =const. (15) qi H В этом режиме уравнение (14) сводится к уравнению свертки меллиновского типа. Решение такого уравнения было рассмотрено выше и, в первом приближении, сводится к делению сигнала на напряжение развертки.

Для спектрометра с двойной фокусировкой были проанализированы U =const используемые для снятия масс-спектров режимы развертки или H =const. Были получены формулы для определения относительной доли масс-пиков через площади с учетом нормировочных коэффициентов при различных алгоритмах обработки спектра.

В этой же главе рассмотрен случай магнитного спектрометра с разверткой ускоряющим напряжением (рис. 4).

Рис. 4. Принципиальная схема статического магнитного масс-спектрометра с разверткой ускоряющим напряжением.

При упрощающем предположении, что угловое распределение частиц после прохождения ускоряющего напряжения на входе в магнитный спектрометр будет неизменным, сигнал на выходе спектрометра для пика i массы будет описываться следующим уравнением qi H I H,U =I0 i Eqi U,mi f E,mi A d E. (16) i 0 2m Eqi U i Для относительной доли пиков получаем:

mi qn Eqn U Ii H,U dU n max I0 i =, (17) I0 n mn qi Eqi U In H,U dU i max U E где - средняя кинетическая энергия ионов до ускорения, max - ускоряющее напряжение соответствующее максимуму пика.

Проверка работоспособности методики определения массового состава через площади пиков (17) может быть осуще2ствлена следующим образом:

сначала выходная щель делается достаточно широкой, чтобы наблюдались плоские вершины пиков, затем по двум методикам (по отношению значений пиков в максимуме и по отношению площадей под пиками) вычисляются относительные доли пиков, а полученные значения сравниваются. Затем, при условии, что полученные доли совпадают, щель делают узкой и производят измерения с высоким разрешением по массе. На рис. 5 показаны примеры спектров, измеренных с помощью масс-анализатора с разверткой ускоряющим напряжением, работающим в собственном магнитном поле плазменной установки [5]-[6]. Сравнительный анализ относительной доли попавших в анализатор ионов различной массы с помощью упомянутых выше методик для случая калибровочного спектра с широкой щелью (а) показывает, что систематическая ошибка при определении относительной доли ионов различных масс не превышает 10%. Пример применения формулы (17) для масс-спектра, полученного в режиме высокого разрешения с узкой щелью (б), дает относительную долю для ионов аргона по отношению ионам азота I / I =1,22±0,Ar N, простое отношение амплитуды пиков дает отношение I / I =1.04±0,Ar N. Таким образом, при измерениях в режиме высокого разрешения определение относительной доли ионов путем интегрирования сигнала по формуле (17) дает отличие от способа определения доли ионов по отношению амплитуд примерно на 20%. Таким образом, определение состава плазмы по измерению отношения амплитуд пиков в режиме высокого разрешения приводит к систематической ошибке.

(а) (б) Рис. 5. Образцы спектров полученные на магнитном спектрометре с разверткой ускоряющим напряжением [5]-[6]: (а) калибровочный спектр, снятый при широкой выходной щели; (б) спектр, снятый в режиме высокого разрешения.

В четвертой главе рассмотрено поведение аппаратной функции спектрометра с тормозящим полем для потоков частиц с малой угловой расходимостью. Проанализировано влияние флуктуаций потенциалов на аппаратную функцию. В этой же главе исследована связь между выходным сигналом и истинной функцией распределения частиц по энергиям спектрометра с предварительным замедлением для простейшей модели спектрометра при различных режимах развертки.

Простейшая модель спектрометра с предварительным замедлением представляет собой систему торможения (две-три диафрагмы с круглыми отверстиями) и дисперсионный анализатор (рис. 6). Угловое распределение частиц на входе в систему предварительного замедления приближенно считалось изотропным в пределах апертуры углов, видимых анализатором.

1 2 3 5 Рис. 6. Геометрическая модель дисперсионного спектрометра с системой предварительного замедления : 1 - входная диафрагма, 2 - первая коллимирующая диафрагма, 3 - вторая коллимирующая диафрагма, 4 - дисперсионный анализатор, 5 - выходная диафрагма, 6 — детектор.

При условии, что энергетическое распределение мало меняется в пределах аппаратной функции, было получено приближенное решение уравнения (1):

4I U, U f qU kqU, (18) CqU W 1 1-U /U k U 1 1 W =qU kqU где 1 – энергия настройки анализатора для данного случая; U – замедляющий потенциал относительно входной диафрагмы; U – потенциал на электродах дисперсионного анализатора относительно замедляющей диафрагмы, W – энергия, с которой частицы попадают на детектор (например, она может быть равна W, если детектор находится под потенциалом входной W -qU диафрагмы, или равна, если детектор находится под тормозящим потенциалом).

Результаты теоретического моделирования функции пропускания сравнивались с результатами, полученными с помощью программы Simion 3D (рис. 7). Получено хорошее качественное и количественное соответствие при малых размерах отверстий и, соответственно, малом провисании потенциала.

При большом размере отверстий провисание потенциала приводит к немонотонной зависимости в области больших значений фактора торможения, что связано с фокусирующим действием полей рассеяния.

Рис. 7. Зависимость функции пропускания системы предварительного замедления спектрометра от тормозящего потенциала:

1 – моделирование с помощью кода Simion 3D ослабления пучка частиц, прошедших через первую коллимирующую диафрагмы; 2 – то же для частиц, прошедших обе коллимирующие диафрагмы; 3 — теоретическая модель; 4 - 0. аппроксимация эксперимента функцией [7]; 5 - аппроксимация 1-qU / E0.эксперимента функцией [8].

1-qU / EРезультаты исследования позволяют сделать вывод, что в режиме ПЭП (режим постоянной энергии пропускания — режим, в котором энергия настройки дисперсионной части анализатора фиксирована, а развертка спектра осуществляется изменением замедляющего потенциала), в отличие от режима ПФТ (режим постоянного фактора торможения — режим, в котором энергия настройки дисперсионной части анализатора и замедляющий потенциал линейно связаны), не существует универсальной во всем диапазоне энергий зависимости между током на выходе анализатора и функцией распределения.

Однако, для данной геометрии (рис. 6) формула (18) позволяет восстанавливать спектр как для режима ПЭП, так и для режима ПФТ.

Основные результаты и выводы Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые, исходя из первых принципов, были получены уравнения для связи между сигналом на выходе электростатического спектрометра и функцией распределения по энергии потока заряженных частиц. На основе этих уравнений проанализирована возможность использования для описания уравнения свертки с интегральным ядром разностного типа и уравнения свертки меллиновского типа, показана неприменимость описания связи с помощью уравнения свертки, сформулированы четкие критерии применимости уравнения свертки меллиновского типа.

Показано, что в случае линейной связи потенциалов ширина аппаратной функции прямо пропорциональна энергии частиц, что подтверждается многочисленными экспериментами различных авторов.

2. На основе анализа уравнения связи теоретически обоснована процедура обработки энергетического спектра делением на энергию, как первого приближения при восстановлении истинного энергетического спектра.

Предложено решение уравнения связи в виде ряда, позволяющее с помощью математической обработки увеличить энергетическое разрешение при восстановлении спектров в 2-3 раза.

3. Доказано для идеального электростатического спектрометра, что электростатический спектрометр с линейно связанными потенциалами не является идеальным спектральным измерительным прибором; в общем случае, вопрос о существовании режима, в котором спектрометр может быть идеальным спектральным измерительным прибором, связан с A W возможностью представить аппаратную функцию в виде -E.

4. Исследовано влияние флуктуаций потенциалов на поведение аппаратной функции. Обоснована процедура обработки экспериментальных спектров для этого случая. Продемонстрирована работоспособность методики на реальных экспериментальных спектрах отражения ионов дейтерия от поверхности бериллия, одного из возможных материалов термоядерного реактора.

5. Впервые, исходя из первых принципов, получено уравнение связи между сигналом на выходе магнитного спектрометра и функцией распределения по энергии или импульсу потока заряженных частиц. На основе этого уравнения исследованы случаи двухкаскадного масс-спектрометра с двойной фокусировкой и магнитного спектрометра с разверткой спектра ускоряющим напряжением. Предложены алгоритмы обработки энергетических спектров и масс-спектров на основе вычисления площадей пиков. Показана работоспособность предложенной методики определения относительной доли ионов различной массы в масс-спектре эмитированных из плазмы частиц для встраиваемого спектрометра с разверткой спектра ускоряющим напряжением, работающего в собственном магнитном поле плазменных установок.

6. Для спектрометров с предварительным торможением получено уравнение, позволяющее восстанавливать спектры как в режиме постоянного фактора торможения, так и в режиме постоянного энергетического пропускания при малых значениях фактора торможения.

На основе предложенной модели предложено объяснение экспериментально наблюдавшейся зависимости функции пропускания от энергии близкой к корневой для ряда спектрометров с предварительным торможением.

Список цитируемой литературы [1] Готт Ю.В. Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях. М.: Атомиздат.1978. 273 с.

[2] Готт Ю.В., Курнаев В.А., Вайсберг О.Л. Корпускулярная диагностика лабораторной и космической плазмы. М.: МИФИ. 2008. 143 с.

[3] Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М.:

Атомиздат. 1977. 304 с.

[4] Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц.М.:Наука.1978. 224 с.

[5] Визгалов И.В., Кирнев Г.С., Курнаев В.А., Сарычев Д.В. Научная сессия МИФИ - 1998. Сборник научных трудов.Ч.3: Ядерная физика. Физика ускорителей заряженных частиц. Физика плазмы. 1998.C.177-[6] I.V. Vizgalov at al.//Instrum. and Experim..1999. V.42. № 5. P.[7] M. Scharli and J. Brunner//J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1983. V.31.

P.[8] J.E.Castle and R.H.West//J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.. 1980. V.19.

P.Список публикаций по теме диссертации:

В журналах из списка ВАК:

1. Курнаев В.А., Урусов В.А. Влияние аппаратных функций электростатических и магнитных анализаторов на обработку экспериментальных результатов // ЖТФ. 1997. Т.67. № 6. с. 86-2. Курнаев В.А., Урусов В.А. Влияние флуктуаций потенциалов на аппаратные функции электростатических анализаторов // ЖТФ. 1997.

Т.67. № 6, с. 92-3. Еванов А.А., Курнаев В.А., Левчук Д.В., Трифонов Н.Н., Урусов В.А.

Отражение дейтерия от бериллиевых мишеней с различной шероховатостью.// Известия РАН. Серия физическая. 1998. Т. 62. № 04. с.

751-4. Курнаев В.А., Урусов В.А. Восстановление энергетических спектров для спектрометров с предварительным замедлением из диафрагм с круглыми отверстиями // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 10. С. 24-В других рецензируемых источниках:

5. Курнаев В.А., Урусов В.А.//Энциклопедия низкотемпературной плазмы.

Вводный том.(под. редакцией академика В.Е. Фортова).М.: Наука.2000.

Т.2. С. 6. Коборов Н.Н., Курнаев В.А., Урусов В.А. Устройство для измерения дифференциальных параметров отраженного пучка// Взаимодействие ионов и плазмы с поверхностью твердого тела / под ред. Тельковского В.Г.

/ М.:Энергоатомиздат.1986. С. 22- 7. Курнаев В.А., Урусов В.А. Аппаратные функции электростатических и магнитных анализаторов и обработка экспериментальных результатов.

Препринт № 018-95.М.: МИФИ. 1995. 36 с.

В материалах международных и национальных конференций:

8. Курнаев В.А., Урусов В.А. Аппаратные функции электростатических и магнитных анализаторов и обработка экспериментальных результатов//Труды XII международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью". Т. 1. М.: 1985. С.185 -9. Еванов А.А., Курнаев В.А., Левчук Д.В., Трифонов Н.Н., Урусов В.А.

Отражение дейтерия от бериллиевых мишеней с различной шероховатостью//Труды XIII международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью". Т. 1. М.: 1997. С.194 -10.Kurnaev V.A., Urusov V.A. Apparatus function of electrostatic and magnetic analyzers and experimental data processing//6th Conference on Application of Surface and Interface Analysis «ECACIA 95» (1995 Montreux, Switzerland)

Abstract

QA 11. Курнаев В.А., Урусов В.А. Сравнительный анализ режимов работы спектрометров с предварительным замедлением//Материалы VI российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды». 2008. М.:

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»