Ионно-оптические системы для электромагнитной спектрометрии высокоэнергетичных ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Институт ядерной физики АН УзССР

На правах рукописи

НАЗАРОВ Александр Геннадьевич

УДК 537*533*34

ИОННО-ОПТИЧЕСКЙВ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СПЕКТРОМЕТРИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕШЧНЫХ ИОНОВ

01.04.04 - Физическая электроника, в том числе квантовая

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук Е.М.ЯКУШЕВ

Ташкент - 1988 г,

ОГЛАВЛЕНИЕ 'Х Стр.

ГЛАВА I. ОБЗОР РАЗВИТИЯ МЕТОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СПЕКТРОМЕТШИ ОСКОЖОВ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ 10

ГЛАВА П* ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР С АЗИМУТАЛЬНОЙ ВАРИАЦИЕЙ ПОЛЯ 35

2.1. Ионно-оптические свойства полей о азимутальной вариацией.................... 36

2.1.1. Параксиальные свойства ................36

( 2.1.2. Геометрические аберрации........... 47

2.2. Поле электростатического энергоанализа« тора заряженных частицг образованное

двумя параш плоскопараллельных электро- . -дов, состыкованных под некоторым углом 52

2.3» Расчет ионно-оптических параметров элек-00 тростатического дефлектора, образованно-

го двумя парами плоскопараллельных элек-г тродов, состыкованных под некоторым углом 62

2.3.1. Параксиальная траектория и фокусирующее свойства плоского поля с азимутальной составляющей вектора напряженности .. 62

2.3.2. Геометрические аберрации плоского поля с азимутальной составляющей вектора напряженности ......................... 76

ГЛАВА Ш. ИОННО-ОШЖЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА СХОДЯЩИХСЯ X ПУЧКАХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 88

3*1. Условия работы цилиндрического дефлектора и энергоанализатора с азимутальной вариацией поля на сходящихся пучках заряженных

* частиц ................................

3.2. Геометрические аберрации и разрешающая

* способность цилиндрического дефлектора

и энергоанализатора с азимутальной ва-

риацией поля при работе на сходящемся «ч пучке заряженных частиц.............. 97

3.3. Экспериментальная проверка работы ци-^ ливдрического дефлектора на сходящемся

пучке................................ 107

ГЛАВА 1У. МАСС-СПЕКТРОМЕТР СО "СТУПЕНЧАТЫМ" ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОРОМ И5

ЗАКЛШЕНИЕ..........................................................................126

ЛИТЕРАТУРА..........................................129

* <

*

-г . ♦

»»

4-

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существуют различные методы для детального измерения распределений осколков деления ядер по массам, энергиям и ионным зародам, их задача обеспечить получение необходимых данных с достаточной точностью и полнотой одновременно*

Из известных методов (инструментальные, радиохимический, масс-спектрометрический, метод "он-лайн" и т.д.) наиболее высокой точностью и возможностями обладает метод сепарации осколков продуктов деления одер по массам, энергиям и ионным зарядам в последовательно расположенных электростатическом и магнитном полях.

Наряду с большими возможностями электромагнитной спектрометрии высокоэнергетичных ионов, существует немало факторов, сдерживающих широкое использование этой методики в ядерно-физических исследованиях. Основная причина - это технологическая сложность изготовления основных узлов масс-спектральной установки*

В известных ионно-оптических схемах сепараторов ядер отдачи в качестве энергоанализатора используются цилиндрический или тороидальный дефлекторы с радиусом отклонения от десятка метров* Большие габариты электродов в первую очередь связаны с высокой энергией анализируемых частиц до 110 МэВ, кроме этого, как известно, в секторных полях линейная дисперсия прибора пропорциональна радиусу центральной траектории и следовательно при больших радиусах отклонения разрешающая способность прибора будет выше, что обеспечит более качественный анализ осколков продуктов деления. Изготовление электродов больших габаритов, описываемых кривыми второго порядка с необходимыми донус-

нами ICU30 мкм чрезвычайно сложная задача и не всегда выполнима даже в случае цилиндрического дефлектора*

Рассматривая проблему создания высококачественного сепаратора дцер отдачи, следует отметить, что весьма нежелательным эффектом является искривление и уширение спектральных линий изображения, связанных с аберрациями, возникающими при откло-нении траектории частиц от средней плоскости и с большим разбросом по энергии анализируемых частиц.

Цель работы. Разработка и исследование ионно-оптических свойств нового электростатического энергоанализатора с азимутальной вариацией поля для использования в электромагнитной спектрометрии высокоэнергетичных ионов с более нростой технологией изготовления электродов больших радиусов и углов отклонения. Определение условий, при которых будут минимизированы аберрации линии изображения при фокусировке пучка электростатическим полем с азимутальной вариацией. Теоретическая разработка ионно-оптической схемы масс-сепаратора осколков продукт тов деления на основе энергоанализатора с азимутальной вариацией и однородного магнитного поля с наклонными границами.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты теоретических исследований фокусирующих свойств и геометрических аберраций в электростатических полях с азимутальной вариацией.

2. Результаты расчета поля, параксиальной траектории и геометрических аберраций в электростатическом энергоанализаторе, образованном двумя парами плоско-параллельных электродов, состыкованных под некоторым углом ("ступенчатый" энергоанализатор) . Методика определения поля вдоль круговой центральной траектории. Анализ полученных результатов и выводы о возможности использования ступенчатого энергоанализатора в

электромагнитной спектрометрии высокоэнергетичных ионов.

Научная новизна:

1. Теоретически исследованы электронно-оптические свойства электростатических шлей с азимутальной составляющей вектора напряженности. Получены данные о фокусирующих свойствах такого вида полей, исследованы диспергирующие возможности, найдены выражения для кардинальных элементов и коэффициентов геометрических аберраций. Полученные выражения представлены

в виде квадратур.

2. Разработана теория расчета электростатического энергоанализатора, образованного двумя парами плоско-параллельных электродов, состыкованных под некоторым углом ("ступенчатый" энергоанализатор). Предложена методика определения поля вдоль круговой центральной траектории, не совпадающей с эквипотенциальной поверхностью поля.

3. Изучена возможность использования ступенчатого энергоанализатора с большим радиусом отклонения в ионно-оптической схеме маос-сепаратора осколков продуктов деления

Практическая ценность. Предложен новый электростатический дефлектор, который благодаря своим ионно-оптическим характеристикам может найти широкое применение в электромагнитной спектрометрии высокоэнергетичных ионов. Результаты исследований и расчеты предполагается использовать при создании сепаратора ядер отдачи "ДАНАЯ" на высоко поточном реакторе "ПИК" Ленинградского ИЯФ. Разработка прибора и изготовление предполагается при совместном участии Ташкентского ИЯФ, Ленинградского ИЯФ, МИШ, Ленинградского радиевого института и Ленинградского технологического института. В диссертации предложены варианты масс-спектрометров с тройной фокусировкой, которые представлены в виде таблиц. Разработанная система расчета полей с ази-

мутальной компонентой поля позволяет в предельном случае рассчитывать ионно-оптические характеристики аксиально-симметричных дефлекторов.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы.

В первой главе диссертации дан краткий обзор работ, посвященных методам измерения распределения осколков продуктов деления ядер по шссам, энергиям и ионным зарядам. Излагаются основные идеи, положенные в основу развития теории статических масс-сепараторов осколков продуктов деления. Основное внимание уделено степени разработанности ионно-оптических схем данного вида приборов.

Во второй главе показано влияние азимутальной вариации электрического поля на эффекты фокусировки первого порядка и на геометрические аберрации. Найдены методом вариации произвольных постоянных решения неоднородного уравнения Лагранжа, характеризующего траекторию движения заряженных частиц. Определены условия устойчивости центральной круговой орбиты. Эти условия в каждом конкретном случае будут обеспечиваться соотношением потенциалов на электродах и энергией частиц на центральной траектории. Установлено, что фокусировка пучка в плоскости дисперсии будет более сильной, чем в обычных секторных электростатических дефлекторах. Кроме этого суммарный фокусирующий эффект (в х - и 2 -»направлениях) для рассматриваемых систем всегда больше. Выражения для аберраций энергоанализатора с азимутальной вариацией поля получены в виде квадратур.

Предложена и разработана теория расчета энергоанализатора, образованного двумя парами плоско-параллельных электродов, состыкованных под некоторым углом ("ступенчатый" энергоанализа-

тор). Распределение подл в такой системе найдено методом Крис« тоффеля-Шварца. Лоле исследовалось для различных углов состыковки электродов. Изложена методика определения поля на круговой орбите, не совпадающей с эквипотенциальной поверхностью. На основании полученных выражений для электростатического поля с азимутальной вариацией найдены условия фокусировки и значения геометрических аберраций ступенчатого дефлектора.

В качестве примера рассчитан дефлектор с углом состыковки электродов = 10° и показано, что в предельном случае полученные выражения для параксиальных свойств и геометрических аберраций "ступенчатого" энергоанализатора переходят в известные выражения для расчета цилиндрического дефлектора.

Третья глава посвящена практическому применению разработанной системы расчета. Используя результаты, полученные во второй главе, были получены выражения для расчета цилиндрического дефлектора. Предложена ионно-оптическая схема энергоана-лизатора с фокусировкой в двух направлениях, состоящего из осесимметричной линзы и цилиндрического дефлектора без промежуточной фокусировки между полями. Теоретически и экспериментально исследовались ионно-оптические свойства и геометрические аберрации данной электростатической системы. Проводится сравнение полученных результатов при использовании в качестве энергоанализатора ступенчатого дефлектора в аналогичной системе.

В четвертой главе теоретически разработана и предложена схема сепаратора ядер отдачи с тройной фокусировкой на основе ступенчатого энергоанализатора и секторного однородного магнитного поля с наклонными границами. Получены варианты масс-сепа-раторов с тройной фокусировкой, которые представлены в виде таблиц.

В Заключении дано обобщение и приводятся общие выводы работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах /1-6/ и докладывались на Десятом годичном заседании секции масс-спектрометрии Сибирского аналитического семинара (Новосибирск, 1987 г.); Девятом Всесоюзном семинаре "Методы расчета электронно-оптических систем" (Ташкент, 1988г.) и на рабочих координационных совещаниях по разработке масс-сепаратора осколков продуктов деления на реакторе "ПИК" (Гатчина, Ташкент, 1988 г.).

ГЛАВА I. ОБЗОР РАЗВИТИЯ МЕТОДА ЭЛЕКТРОМАГШТНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ОСКОЛКОВ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ

В настоящее время существуют различные методы для деталь« ного измерения распределений осколков деления ядер по массам, энергиям и ионным зарядам, их задача обеспечить получение необходимых данных с достаточной точностью и полнотой одновременно.

Широко использующийся радиохимический метод /7/ дает детальные сведения о массе и зараде ядра, однако информация, полученная с помощью этого метода, в большинстве случаев относится к продуктам, образовавшимся в конце цепочки радиоактивного распада, кроме этого метод не позволяет однозначно разделить продукты, образующиеся в результате реакций различных типов, например, осколков деления и фрагменты, полученные в результате глубоконеупругих процессов. Необходимо отметить также, что погрешность в измерении выходов продуктов деления весьма велика и составляет ^7-15 % /8/, В работах /9-10/ были получены более точные независимые выходы некоторых продуктов деления23^И и 239 Ра. Масс-спектрометричеекий метод /II/, в котором замедленные и нейтрализовавшиеся в слое вещества продукты деления анализируются в обычных масс-спектрометрах, позволил более точно идентифицировать массы и заряды продуктов деления. Погрешность метода составила /7/. Оба метода,

как правило, определяют заряд и массу продуктов деления, испытавших один иди несколько -распадов. Для определения как можно большего числа независимых выходов и сокращения времени анализа после акта деления разработан метод "он-лайн", в соответствии с которым анализирующая масс-спектрометрическая аппаратура располагается в линию на пучках, индуцирующих процесс

деления /12-17/. Однако, для большинства масс определить первичный заряд не удалось в связи с недостаточной быстротой сепарации.

Для измерения кинетической энергии осколков и продуктов деления применяются инструментальные методы, к которым относятся ионизационные камеры /18-23/, полупроводниковые детекторы /24,25/, спектрометры времени пролета /26-29/, сочетание метода времени пролета с полупроводниковыми детекторами и ионизационными камерами /27/. Этими методами были определены значения кинетической энергии продуктов деления, потери энергии в веществе, также были обнаружены пики полной структуры в распределениях по массам осколков и продуктов деления. Однако точность определения масс осколков и продуктов деления ядер этими методами составляли -^1,5-3 ат.ем. /7/. К тому же в ме~ тоде времени пролета существует ограничение разрешающей способности по массам в следствие того, что воздействия отдачи испускаемых из осколков мгновенных нейтронов не учитываются. В случае измерений энергий дополнительных продуктов ионизационными камерами или полупроводниковыми детекторами влияние испущенных мгновенных нейтронов еще более существенно, чем в методе времени продета, из-за изменения как скорости, так и массы частицы. В результате этого разрешающая способность не лучше 6 а.е.м. /30/. Следует также отметить, что в этих методах не осуществляется разделение незамедленных частиц в пространстве, что затрудняет их применение в изучении взаимодействия продуктов деления с веществом.

Все это стимулирует совершенствование существующих и разработку новых методов изучения свойств осколков и продуктов деления ядер и взаимодействие их с веществом. Наиболее перспективным представляется метод отклонения первичных продуктов де-

ления непосредственно после вылета их из слоя делящегося вещества (со скоростями близкими к начальным) в электрическом, либо в магнитном поле, в сочетании с определением энергии полупроводниковыми детекторами, или скорости по времени пролета. Или в сочетании электрического и магнитного полей. Точность определения энергий продуктов распада в этом методе может быть доведена до сотых долей процента, а их масс - до десятитысячных долей. В этом методе осуществляется сепарация в пространстве за очень короткое время после акта деления» При этом появляется возможность как для исследования радиоактивных распадов первичных продуктов деления, так и для детального изучения взаимодействия продуктов деления с веществом.

С помощью сепарации осколков и продуктов деления в маг« нитном поле впервые определено наиболее вероятное значение ионного заряда 20 в0 ( элементарный заряд электрона) /31/. Позже были получены более точные данные по удельным потерям энергии и изменению их с толщиной проходимого материала /32/. Дальнейшим развитием метода сепарации в магнитном поле явилось создание газонаполненных магнитных сепараторов /33-36/. Их основным достоинством является интенсивность пучков сепарированных ионов, связанная с присущей только этим приборам фокусировкой по ионным зарядам» а также фокусировка частиц, обладающих большим разбросом по энергии до 50$ /35/. В то же время, низкая разрешающая способность этих приборов приводит к наличию в фокусе сепаратора ионов нескольких соседних масс, что затрудняет надежную идентификацию исследуемых частиц. Кроме этого отсутствует определение энергии частиц, что представляет большой интерес в делении ядер.

В ряде работ /37-40,44/ нашло применение сочетание различных методик с методом сепарации в магнитном или электрическом

полях» Например, в работе /44/ с помощью магнитного спектрометра, установленного на пучке нейтронов реактора, в сочетании с методом времени пролета, детектором полной энергии и тонкой ионизационной камерой для измерения удельных потерь энергии частиц, провели измерение выходов и энергетических сп