Масс-анализаторы с аксиально-симметричными магнитными призмами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.384.8 Для служебного пользования

Экз. № 3

Кузема Александр Сергеевич МАСС-АНАЛИЗАТОРЫ С МСИМЬНО-СШМЕТРИЧНЫМИ МАГНИТНЫМИ ПРИЗМАМИ

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

¿Г-

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

г.Харьков - - 1992 г.

Работа выполнена в Институте химии поверхности Академии наук Украины.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент АН Украины, доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук

доктор физико -математических наук

ЛИТВИНЕНКО Леонид Николаевич

ПАНЧЕНКО Олег Антонович

ЧЕПУРНЫХ Геннадий Кузьмич

Ведущая организация - Ужгородское отделение Института ядерных исследований АН Украины

Защита состоится " ^ " "Н_ 1992 г. в Ч час. на заседании

специализированного совета Д 063.06.04 в Харьковском госуниверситете (310007,Харьков,пл.Свободы,4,ауд.З ^).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского госуниверситета.

Автореферат разослан " 9 " ¿О 1992 г.

Учёный секретарь специализированного совета

В.И.Чеботарёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 игралт существенную роль. Дальнейшее повышение уровня научных исследований и потребности рада 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 соверпенст-вования 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 ахсиально-симметричным полем.

В отличие от анализирующих систем с секторными магнитны»« полями, которые разделяют ионы по массам и фокусируют -их по направлению,в призыенном анализаторе функции сепарации и фокусировки ионов разделены и выполняются различными элементами — магнитными призмами и электрическими линзами. Это обеспечивает масс-анализатору род 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 многоэлементньк 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 ион-но-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-анализа-торы. 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 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 масс-анали-затора и на чыходе 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 магнетронный 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-спектро-. метров,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 построена теория разделения и фокусировки ионных пучков в анализирующих системах,содержащих аксиально-симметричные магнитные призмы.

1.1. Предложены новые призменные анализирующие системы с оди-' нарной,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.

1.3. Исследованы ионно-оптические свойства и получены условия фокусировки по направлению и скорости в анализирующих системах, состоящих из магнитной призмы .и анализатора энергий.

1.4. 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 движения ионов различных масс и энергий в магнетронной системе электродов. '

2.1. Построена теория магнетронного масс-анализатора с ак-сиально-симыетричным магнитным полем.. Определена траектория . \ ' : ионов и получены соотношения,позволяющие установить физические' свойства масс-анализатора и количественно оценить его 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 систем с аксиально-симметричными магнитными призмами и динамических масс-анализаторов магнетронного типа.

3.1. 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 анализатор! с ахроматической фокусировкой.

3.2. Исследованы ионно-оптические характеристики призменных анализирующих систем с электрической фокусировкой ионов по направлению и скорости в неоднородном магнитном поле.

3.3. 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.

3.4. Исследованы ионно-оптические характеристики магнетронного масс-анализатора,разработаны методы их улучшения и экспериментально апробированы в конструкции газоизмерительного преобразователя.

4. Разработаны и внедрены ионно-оптические элементы и анализирующие системы для новых промышленных приборов и технологических установок с улучшенными характеристиками и функциональными возможностями.

4.1. Разработаны ионно-оптические системы для промышленных масс-спектрометров,в результате чего достигнуты высокие технико-экономические показатели этих приборов.

4.2. 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.

4.3. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении обоснована актуальность и новизна исследований, дан краткий обзор работ,в основу которых положено изучение физических свойств анализирующих систем с магнитными призмами, сформулирована цель диссертации,охарактеризовано её содержание и приведены основные результаты и выводы,выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены ионно-оптические характеристики и методы исследования анализирующих систем с магнитными полями. Изложен принцип действия магнитного масс-анализатора и охарактеризованы типы возможных фокусировок ионов в нём,приведены определения основных параметров и получены формулы для их количественной оценки. В главе уделено внимание вопросу реализации аксиально-симметричного магнитного поля заданной неоднородности. Показано,что коэффициент неоднородности П. зависит от геометрических параметров полюсных наконечников магнита и определяется соотношением

а)

где ширина межполюсного зазора на радиусе центральной траектории а 0 - угол между образующими полюсных наконечников. При выбранном значении угла 0 величину неоднородности магнитного поля можно плавно регулировать путём изменения ширины межполюсного зазора. В частности,если образующие полюсных наконечников пересекаются на оси симметрии анализатора,то П= магнитное поле будет призменным,изменяющимся^в окрестности центральной траектории ионов пропорционально 1 .

С целью установления взаимосвязи между ионно-оптическими свойствами и основными параметрами масс-анализатора исследованы в линейном приближении уравнения движения ионов в неоднородном магнитном поле с аксиальной симметрией. Траектории ионов определялись в идеализированном поле,которое обладает ионно-оптиче-скими свойствами,близкими к реальному. Моделью служило секторное магнитное поле с резко очерченными границами со стороны входа и выхода ионного пучка,за пределами которых поле равно нулю. Исследована радиальная и аксиальная фокусировка пучка. Для этого введена обобщённая характеристика анализирующей системы,которая позволяет количественно выразить зависимость дис-

персионных и фокусирующих свойств анализатора как функцию геометрических и физических параметров ионного пучка. Такой характеристикой является уширение ионного пучка в плоскости изображения, то есть величина относительного отклонения иона от центральной траектории в плоскости приёмной щели. Определить это отклонение можно путём решения дифференциальных уравнений движения иона или,как показано в диссертации,с помощью матричного метода. При этом траекторию иона необходимо разделить на участки свободного пролёта,участки траектории в области диспергирующих элементов,участки траектории в области фокусирующих элементов и ввести в рассмотрение трёхмерный векторгде -

параметры траектории иона на V- том участке. Тогда переход от величины , , /^¿-1 к величинам , ^у, можно предста-вить_как преобразование вектора начальных условий в вектор Э6.с помощью матрицы,то есть

= (2)

Если траектория иона в анализирующей системе состоит из К. участков, связь между конечными и начальными параметрами иона в радиальной плоскости определяется уравнением

где y-0^JЧ■o ~~ начальные параметр! траектории иона:смещение в единицах радиуса центральной траектории ^.направление и относительное изменение импульса иона соответственно; - матрица переноса для с оответствуюцего участка траектории; , у,^ , параметры траектории иона у приёмной щели.

Полную матрицу переноса в радиальной плоскости анализирующей системы с одинарной фокусировкой получим,выполнив операцию последовательного перемножения матриц для соответствующих участков траектории

м =

^ Сс~

(4)

В соответствии с (3) и (4) выражение для отклонения иона с произвольными начальными условиями у приёмной щели запишется в виде

Я =

(5)

Следовательно,матричные элементы Ссн, Сс^к определяют соответственно геометрическое увеличение,условие фокусировки ионов по направлению и дисперсию по импульсам. Фокусировка по направлению обеспечивается при 0^=0 и ширина ионного пика у приёмной

щели в этом случае будет равна

^ = (6)

Л

где £ =ту ~ относительный разброс скоростей ионов. Учитывая, что дисперсия по массам =~ 1т, получаем следующую формулу для определения разрешающей способности магнитного анализатора с электрической регистрацией спектра масс:

Ат М Х(г а,1ъгмр) (7)

При исследовании в первом приближении ионно-оптических свойств масс-анализатора в аксиальной плоскости будем оперировать двухмерными матрицами,поскольку дисперсией по импульсу магнитное поле в аксиальной плоскости не обладает. Перенос иона от источника к приёмнику в системе,имеющей К. участков траектории, описывается матричным преобразованием

где 0 — начальные условия движения иона на выходе из ис-

торика в аксиальной плоскости:начальное смещение и направление; " М^ - матрица переноса для соответствующего участка траектории в аксиальной плоскости; , конечные параметры траекто-

рии иона у приёмной щели. ~ г_Э:

Определив полную матрицу переноса I I .соотношение (8) пред-

ставим в виде _

К ч

А.

Отсюда находим величину аксиального отклонения иона с произвольными начальных™ условиями от центральной траектории у приёмной щели

ТгвЛ о+вХ <м>

где матричные элементы и ^^характеризуют соответственно геометрическое увеличение в аксиальной плоскости и фокусирующие свойства масс-анализатора.

Изучение ионно-оптических характеристик анализирующих систем с двойной фокусировкой требует применения четырёхмерных матриц переноса,осуществляющих преобразование координат вектора

<£*£» ♦ ^¿)»гДе относительное изменение энергии иона на ¿ - том участке. В главе изложена методика определения матриц четвёртого порядка для секторных неоднородных электрического и магнитного полей с аксиальной симметрией и получены знакоизме-няющая матрица,матрица масштаба и матрица для участка свободного пролёта иона. Показано,что при исследовании ионно-оптических систем во втором приближении необходимо ввести в рассмотрение вектор второго приближения ^ , У! . У *

Соответственно необходимо использовать 9-мерные матрицы второго приближения,с помощью которых вектор второго приближения на выходе К - той ступени определяется через вектор второго приближения на её входе. Излагается методика составления матриц второго приближения для ионно-оптических элементов масс-анализатора с одинарной и двойной фокусировкой. Завершается глава рассмотрением общих принципов расчёта и конструирования анализирующих систем. На примере исследования ионно-оптической системы с двойной фокусировкой показаны преимущества рассмотренного выше методического приёма,который находит конкретное воплощение в последующих главах при теоретическом анализе новых масс-анализаторов с магнитными призмами.

Вторая глава посвящена исследованию анализирующих систем с магнитной и электрической фокусировкой ионов по направлению в

неоднородном магнитном поле. Применение неоднородного магнитного поля в анализаторах заряженных частиц позволяет увеличить дисперсию и улучшить транспортировку частиц от источника к приёмнику за счёт аксиальной фокусировки ионов полем анализатора. Благодаря этому появляется возможность повышения разрешающей способности и чувствительности спектрометров заряженных частиц без увеличения радиуса центральной траектории ионов и габаритов отклоняющего магнита. Вместе с тем анализаторы с неоднородными магнитными полями широкого практического применения пока не получили. В главе рассмотрены физико-технические особенности таких систем и на основе анализа их ионно-оптических свойств установлены основные факторы,препятствующие реализации преимуществ неоднородных магнитных полей в спектроскопии заряженных частиц. Показано,что в магнитных анализаторах с неоднородным полем фокусировка ионов обеспечивается соответствующим выбором геометрических параметров анализатора:длины оптических плеч,если О<П< I, и формы границ поля,если М =1. Поэтому ионно-оптические свойства статических анализаторов с магнитной фокусировкой ионов по направлению весьма чувствительны к малым отклонениям поля от заданного, а на характеристики приборов,в которых эти анализаторы используются,заметное влияние оказывают поля рассеяния и качество сборки ионно-оптической системы. Указанные недостатки можно в значительной мере устранить.если в анализаторе с неоднородным полем магнитную фокусировку использовать в сочетании с электрической, которая осуществляется с помощью линзы или системы линз, расположенных между источником ионов и масс-анализатором. В принципе,электростатической фокусирующей системой можно дополнить любой секторный магнитный анализатор,в том числе и с однородным полем,однако для обеспечения большой дисперсии и эффективной аксиальной фокусировки ионного пучка целесообразно использовать в качестве масс-анализатора магнитную призму с полем 2.

В диссертации исследованы три типа призменных магнитных анализирующих систем с электрической фокусировкой ионов по направлению: система, состоящая из электростатической линзы и магнитной призмы,имеющей прямые границы;система,состоящая из электростатической линзы и магнитной призмы с наклонными границами(и многокаскадная система,состоящая из двух магнитных призм и линзы между ними.

Рис Л. Призменный масс-анализатор с прямым входом и выходом ионного пучка:1 - источник ионов; 2 - электростатическая линза; 3 - магнитная призма; 4 - приёмник ионов.

Рис.2. Призменный масс-анализатор с наклонной границей.

V)

• -/\ к I

----

Рис.'З. Двухкаскадный прйзмеиный масс-анадизатор.

Для всех трёх типов анализирующих систем получены соотнсше- . • ния для коэффициентов <2^ .определяющих уширение ионного пучка в радиальной плоскости у приёмной щели й дисперсионные, и.фокусирующие свойства масс-анализатора. Кроме того,для системы,состоя-* щей из линзы и магнитной призмы с прямым входом и.выходом.ионного пучка (рис.1),получены соотношения для коэффициентов ,определяющих ионно-оптические свойства'в аксиальной плоскости. В такой системе условия радиальной и аксиальной фокусировки.ионов по направлению, имеют вид

\___4 ,

А О С ' (пг

где фокусные расстояния электростатической линзы в ра-

диальной и аксиальной плоскостях. Из приведенных уравнений следует,что радиальная фокусировка ионов по направлению осуществляется только электрическим полем линзы,а аксиальная— электриче-' -ским полем линзы и магнитным полем призмы. Поэтому для фокусй- ' ровки ионов по двум направлениям фокусные расстояния фокусирующей системы должны быть различны. Величины этих.фокусных расстояний определяются из условий фокусировки по направлению (II) и (12).

Дисперсия рассматриваемой анализирующей системы равна

г {Рг а" я>

то есть она больше,чем дисперсия призменного анализатора с магнитной фокусировкой на величину

Для призменного масс-анализатора с наклонными границами и. электрической фокусировкой ионов по направлению коэффициенты (Х^

еР ** Р" г а. с"\ • <14)

а = I ~

лъ а % & ;> (16)

с' с"

где с и с - соответственно угол^вхора ионов влпризму и угол выхода из неё; о. =4- ; = ; Практический

Т-т <-т "^Хф Г! Т-™ ^ I/

интерес представляет масс-анализатор Срис.2),у которогос= О ,

£ =0 и Сс =/Ху (линза формирует параллельный ионный пучок на входе в-призму). ,Условие фокусировки ионов по направлению и дисперсия анализатора в этом случае определяются следующими выражениями:

. * С ' (г?)

»»

. (18)

' • ... . Поскольку 1т и /.^величины положительные,то для обеспечения фокусировки ионов по направлению,согласно (17),угол выхода ионов из магнитного поля призмы должен быть отрицательным,то есть наклон выходной границы к центральной траектории ионов должен быть таким,чтобы центральная траектория и центр её кривизны лежали по разные стороны от нормали к границе поля.

В главе показано,что разрешающая способность и светосила призменного масс-анализатора могут быть увеличены за счёт введения дополнительной магнитной призмы (рис.3) и исследованы ионно-оптические свойства такого анализатора. В частности,условиё' фо-. : кусировки ионов по направлению в,радиальной плоскости' н соотношение для определения дисперсии имеют вид: ■ -4 _ X ±_ /;

X,' . ' : - <19)

^ 5Ь г Л У * а.

гДе +— длина пути пролёта иона в первом магнит-

ном каскаде,а .X = + Длина пути пролёта иона во

втором магнитном каскаде.

Из (20) следует,что вторая магнитная призма.увеличивает дисперсию анализирующей системы на величину

при чем,

дВ

тем больше,чем меньше выходное плечо£, дополнительного масс-анализатора. Численными расчётами установлено,что магнитный каскад повышает разрешающую способность призменной анализирующей системы на 30-40$ без увеличения её габаритов. Одновременно возрастает и светосила за счёт аксиальной фокусировки ионного пучка магнитным полем дополнительной призмы на участке ионный источник - линза. Ещё одно преимущество двухкаскадно-го призменного анализатора— возможность регистрации метаста-бильных ионов. Камера столкновений для их получения может быть расположена между первой магнитной линзой и электростатической линзой.

Анализ полученных в главе результатов показывает,что электрическая фокусировка ионов по направлению или её сочетание с магнитной обеспечивают статическому масс-анализатору ряд положительных свойств:фокусировка осуществляется в большом диапазоне изменений физических и геометрических параметров масс-анализатора, повышается его разрешающая способность и светосила,отпадает необходимость юстировки ионно-оптической системы,поскольку влияние полей рассеяния и пространственного заряда устраняется электрической регулировкой параметров фокусирующей системы.Эти преимущества сохраняются и для многокаскадных призменных анализирующих систем.

В третьей главе работы исследованы призменные анализирующие системы с ахроматической и двойной фокусировкой. В анализаторах с ахроматической фокусировкой дисперсия компенсируется,в результате чего сохраняется локальность ионного пучка после прохождения магнитного поля анализатора. Поэтому такие системы пригодны для сепарации первичного ионного пучка по массам в микрозондо-вой аппаратуре и их ионно-оптические свойства представляют большой практический интерес. С этой целью исследована анализирую-

щая система,состоящая из магнитной призмы с полем 1 и двух электростатических линз (рис.4). Получена полная матрица переноса иона в радиальной плоскости и установлены условия ахроматической фокусировки ионного пучка,которые имеют вид

Га - е"ф = о,

Л а" ) л т 7>» '

К Л ' £ (23)

/-' * а"

где /г = -^г- , = - фокусные расстояния коллиматорной и фокусирующей "линз в радиальной плоскости,выраженные в единицах радиуса центральной траектории ионов; = ; * Связь

между оптической силой линз и геометрическими параметрами масс-сепаратора в режиме ахроматической фокусировки определяется соотношениями

4 Р* г^ (24)

Из (24) следует,что коллиматорная линза формирует действительное изображение щели источника ионов на расстоянии|2т<£рт входной границы магнитной призмы. Поэтому селекторная диафрагма должна быть установлена в месте пересечения центральной траектории ионов с радиусом,проведенным под углом,равным На расстоянии I, от магнитной призмы Фокусирующая линза формирует ахроматическое изображение щели ионного источника,содержащее ионы только одной определенной массы. Здесь располагается апер-турная диафрагма системы формирования микропучка. Локальность пучка после прохождения масс-сепаратора сохраняется при выполнении условия аксиальной фокусировки (

* о" * * ерсч

"1 /. -Р \ // \лО)

/ •'а

,1 Р г" р

где Т^ = у* и = — фокусные расстояния коллиматорной и фокусирующей линз в аксиальной плоскости. В частности,если сР=5Г

иоьов;2 и 4 - электростатическая линза; 3 - магнитная призма; 5 - приёмник ионов.

с двойной фокусировкой: I - источник ионов;2 - тороидальный конденсатор;3 -. магнитная призма; 4 - приёмник ионов.

фокусные расстояния линз,при которых обеспечивается ахроматическая стигматическая фокусировка ионного пучка,таковы:

(вЗ.

Эффективность сепарации ионов магнитной призмой в раз больше, чем анализатором с однородным магнитным полем.

Весьма перспективным направлением использования магнитных призм является улучшение характеристик масс-анализаторов с двойной фокусировкой (по направлению и скорости). За счёт увеличения дисперсии и коррекции геометрических и хроматических аберраций разрешающая способность призменных масс-анализаторов с аксиальной симметрией может быть повышена до рекордных значений. Правда, при этом в существующих конструкциях призменных анализаторов с двойной фокусировкой вводится дополнительный фокусирующий каскад,поскольку поле ЧТ^нс фокусирует ионы в плоскости дисперсии. В главе теоретически обоснованы новые способы получения двойной фокусировки в масс-аналиэаторах с неоднородными электрическими и магнитными полями и показано,что такая фокусировка может быть реализована без дополнительного фокусирующего каскада,если плоскость изображения энергоанализатора при фокусировке по направлению совпадает с плоскостью изображения системы полей двух анализаторов при фокусировке по скорости. Получены соотношения,характеризующие общие закономерности фокусировки заряженных частиц в анализирующей системе,состоящей из тороидального конденсатора и магнитной призмы с полем "¿"'(рис.Ь). Установлено,что для обеспечения фокусировки по углу и по скорости необходимо выполнение

следующих условий:

е~~ ' (27)

- № [у ^гхН\ ш

г

где 1е и - соответственно радиальный и аксиальный

радиусы кривизны эквипотенциальной поверхности,лежащей посредине между электродами тороидального конденсатора. Из (28) следует,что

при У20<4< 7С фокусировка ионов по скорости будет обеспечена в том случае,если электрическое и магнитное поля отклоняют ионы в противоположных направлениях. Дисперсия по массам зависит только от параметров магнитного каскада и определяется соотношением(13). Геометрическое увеличение определяется параметрами анализатора энергий

1

М = +---;--—:*

'ет (29)

В диссертации исследованы различные варианты призменных анализирующих систем с двойной фокусировкой,отличающиеся значением неоднородности электрического поля энергоанализатора и определена область значений геометрических и физических параметров,при которых характеристики системы оптимальны. Показано,что для исследования магнитных анализаторов во втором приближении необходимо вводить в рассмотрение матрицы краевого поля. При этом матрица краевого поля в аксиальной плоскости отражает эффект первого порядка— изменение угла наклона траектории,а матрица краевого поля в радиальной плоскости учитывает изменение координат

Т^ "ГвектоРа 36 , который в данном случае является 12-мерным.'В главе приведены матричные преобразования,описывающие перенос иона от источника до приёмника в радиальной и аксиальной плоскостях с учётом краевых полей на входе магнита и на выходе из него и определены матрицы краевого поля.

Поскольку в магнитных анализаторах величина аберраций изображения пропорциональна дисперсии, эффективное использование высокодисперсных магнитных полей (в том числе и призменных) в приборах с высоким разрешением невозможно без коррекции аберраций высших порядков. В главе рассмотрены методы коррекции таких аберраций и получены в общем виде условия двойной фокусировки первого порядка и фокусировки второго порядка по направлению,а также условия двойной Фокусировки второго порядка в анализирующей системе,состоящей из энергоанализатора и магнитной призмы с полем Ъ1 .

Целью четвёртой главы является исследование динамических масс-анализаторов магнетронного типа.Такие анализаторы предложены нами для технологических потребностей и контроля окружающей среды. В основу принципа работы анализатора положен эффект отсеч-

ки ионного тока на цилиндрическом коллекторе,расположенном во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях. Поток ионов модулируется изменением ускоряющего напряжения,а регистрация ионного тока осуществляется по его переменной составляющей. Фокусировка ионных траекторий в области коллектора магнитным полем не осуществляется,поэтому источник ионов,который может быть установлен на оси симметрии анализатора,формирует пучок с угловой расходимостью 360®. Этим достигается увеличение общего ионного тока и,следовательно,чувствительности прибора,в котором такой анализатор используется.

В диссертации впервые проведено исследование движения ионов различных масс и энергий в магнетронной системе электродов. Для этого использованы векторные уравнения и вращающаяся система координат..Получено соотношение,определяющее зависимость равновесного радиуса иона от геометрических и физических параметров анализатора,и выражение,описывающее семейство возможных траекторий заряженных частиц. Это выражение имеет вид

где /77 и ^ - масса и заряд иона; $ - индукция магнитного поля; и- ускоряющий ионы потенциал; начальная энергия иона; "¿У и Ъг- радиус источника и коллектора соответственно. Отметим,что магнетронный анализатор не имеет угловых аберраций,поэтому для определения дисперсии по массе и разрешающей способности нет необходимости находить траектории ионов различных масс и энергий. Достаточно знать соответствующие величины равновесного радиуса ^.то есть расстояния от оси симметрии магнетронной системы электродов до точек траекторий,в которых радиальная, составляющая скорости ионов равна нулю. Разность между равновесными радиусами ионов,отличающихся по массе или энергии,даёт информацию о дисперсии и хроматической аберрации.

На основе законов сохранения энергии и обобщённого импульса в главе разработана методика определения основных параметров магнетронного анализатора. Для оценки разрешающей способности получено следующее соотношение

т _ [гсСт^-гоС^Щ'По+п*)

где 10(та) и равновесные радиусы траектории ионов двух

соседних масс без учёта начальных энергий; 2о(ю01С<)- равновесный радиус, траектории ионов,имеющих начальную энергию £0Срис.6).

Рис.б. Траектории ионов различных масс и энергий в магнетронном анализаторе: I - источник ионов; 2 - коллектор ионов.

Если азимутальная составляющая начальной скорости иона равна нулю,соответствующие равновесные радиусы определяются графическим решением уравнения

8 т bi

(31)

Исследования показали,что для реализации магнетронного анализатора,даже небольших габаритов,требуется относительно большая индукция магнитного поля. В целях устранения этого недостатка нами предложен инверсный магнетронный анализатор,у которого источник ионов расположен с наружной стороны,а коллектор на его оси. В

такой конструкции по сравнению с обычным магнетронным анализатором можно использовать в раз меньшие магнитные поля при одинаковых ускоряющих напряжениях либо при равных магнитных полях— в^Ъ^раз большие ускоряющие напряжения,что способствует повышению разрешающей способности. Однако в инверсной конструкции допустимое смещение коллектора ионов относительно оси симметрии анализатора должно быть раз меньше,чем в обычной. Повышенные требования к центровке электродов накладывают ограничение на протяжённость электродов в аксиальной плоскости. В связи с этим для реализации расчётного значения разрешающей способности масс-анализатора с инверсным расположением источника ионов и коллектора необходимо устранять аксиальную расходимость ионного пучка на пути следования ионов от источника до коллектора. Это достигается,как показано в работе,применением дополнительных электродов специального профиля.

Экспериментальная проверка аналитических возможностей магнет-ронного анализатора выполнялась на масс-спектрометре для анализа лёгких газов. Геометрические и физические параметры анализатора были таковы: радиусы источника и коллектора Ъ^ =2,5 10~^м, "Ьл - 1,5 индукция магнитного поля 5 = 0,03 Тл; ампли-

туда и частота модулирующего напряжения ЬСЩ= 0,3В; = 330 Гц. Развёртка спектра масс осуществлялась изменением ускоряющего ионы напряжения в пределах 25 - 2503. Прибор обеспечивает контроль газообразных веществ в диапазоне 10 - 60 а.е.м. с чувствительностью не хуже ЗЛО-5 А/Па при —- = 70. Анализ физико-технических особенностей магнетронного анализатора показал,что его можно сравнительно просто использовать для непрерывной регистрации нескольких компонентов анализируемой смеси. Для этого достаточно расположить на одной оси соответствующее количество коллекторов различных диаметров. Магнетронный анализатор не требует настройки и может работать в широком диапазоне давлений.Поэтому такой анализатор целесообразно использовать в системах контроля технологических процессов,в аппаратуре для проверки герметичности вакуумного оборудования и элементбв космической техники,в установках для анализа химического состава окружающей среды.

В пятой главе освещены наиболее важные практические результаты выполненных исследований» Рассмотрены физико-технические особенности и аналитические возможности приборов и оборудования,в

которых использованы новые масс-анализаторы,масс-сепараторы,источники ионов и другие ионно-оптические элементы,разработанные на основе установленных в работе закономерностей и экспериментальных данных.

Анализирующая система с магнитными фокусирующими призмами внедрена в сдвоенном масс-спектрометре МС-62. Прибор имеет два отдельных симметрично расположенных масс-анализатора с круговыми границами и двухлучевой источник ионов. Геометрические параметры масс-анализаторов идентичны ( 7.^=0,15м, =180®),а развёртка спектра масс осуществляется независимо друг от друга. Поэтому в приборе обеспечивается возможность одновременного измерения двух ионных токов или их отношения из любого участка масс-спектра в диапазоне массовых чисел 1-500 а.е.м. При ширине выходной щели источника ионов 0,2мм разрешающая способность масс-спектрометра на уровне Ъ% высоты пика равна 700,а на уровне 50$ высоты - 1600. Опыт разработки и эксплуатации этого прибора показал,что для получения его технических параметров требуется точное выполнение расчётного значения коэффициента неоднородности магнитного поля и формы краевых границ полюсных наконечников. Это влечёт за собой необходимость применения сложных электромагнитов с регулируемым межполюсным зазором и осуществления коррекции профиля границ с учётом полей рассеяния. В последующих моделях приборов указанные недостатки были устранены за счёт введения электрической фокусировки ионов по направлению. Так,в масс-спектрометре МХ-1214 ионно-оптическая система состоит из электростатической линзы и магнитного анализатора с однородным полем. Линза формирует параллельный ионный пучок на входе в магнитное поле,которое затем фокусирует ионы по направлению. Условие фокусировки определяется выражением

(32)

из которого следует.что система физически реализуема в том случае,когда 0<<^90 . При одинаковых геометрических параметрах магнитного поля длина выходного плеча в анализаторе с линзой будет меньше,чем в обычном. Это позволяет уменьшить габариты прибора. Если У^,=90®,то = 0 и коллектор ионов удаётся расположить в магнитном поле анализатора,благодаря чему устраняется

Рис.7. Масс-спектр остаточного газа,полученный с помощью магнетронного анализатора.

А А

82 83 М М

Рис.8. Участок спектра масс изотопов криптона,

полученный на призменном масс-спектрометре МХ-2301.

динатронный эффект, и упрощается Конструкция приёмника ионов. Та- • 1 кой вариант анализирующей системы и выбран для МХ-1214. В другом -.масс-спектрометре МХ-2301 ионно-оптическая система представляет собой сочетание электростатической линзы"и магнитной призмы с полем Фокусировка ионов по направлению^электрическая. При

геометрических параметрах анализатора 1^= 0,1м, = 270® и

йт= 0,18м дисперсия составляет около 10мм. на 1% изменения массы,что позволяет использовать в приборе широние ионные пучки с целью повышения его чувствительности. В процессе заводских испытаний порог чувствительности масс-спектрометра по аргону был равен 7, при -г— =350. Исследование характеристик магнит-

ных масс-спектрометров с электрической фокусировкой ионов по направлению показало,что применение магнитных призм с аксиальной симметрией обеспечивает улучшение основных параметров прибора без увеличения габаритов ионно-оптической системы и-усложнения производственной технологии. Масс-спектрометры отличаются простотой конструкции,настройки и управления. Естественно,аналитические параметры масс-спектрометра зависят от качества ионного источника. В главе приведено описание и результаты исследования' ионного источника с.трубчатыми иммерсионными линзами. Источник разработан автором с целью уменьшения дискриминации ионов по массам. Применение такого источника в серийных, масс-спектрометрах снижает этот эффект в 15-20 раз..

Важной областью практического приложения секторных неоднородных магнитных полей является микрозондовая аппаратура. Предложенный нами ионный микрозондовый анализатор обладает высокой эффективностью сепарации первичных ионов и широкими' функциональными. возможностями. Это достигается за счёт применения в системе сепарации первичного ионного.пучка двух магнитных .призм и камеры' столкновений между ними. В главе приведены ионно-оптические характеристики основных элементов микрозондового анализатора,опи-' саны конструктивные особенности его главных узлов и режимы работы прибора. Отмечается,что!новый микрозондовый анализатор.позволяет реализовать следующие методические возможности:локальный химический и изотопный анализ состава, поверхности; наблюдение микроструктуры поверхности во вторичных ионах выбранного типа; наб- ■ / людение структуры Поверхности в третичных ионах; химический ана--лиз сложных смесей в режиме высокого й среднего разрешения; ис- ■

• ■ - ' #' , •

следование кинетики взаимодействия ионных пучков с нейтральными молекулами газообразных веществ;исследование процессов взаимодействия вторичных ионов различной химической и физической природы с поверхностью твёрдого тела.

Помимо разделения заряженных частиц по массам неоднородное магнитное поле типа I1может быть использовано для сепарации ферромагнитных частиц по размерам или магнитным моментам. Потребность разделения высокодисперсных ферромагнитных порошков на фракции,содержащие однородные частицы,вызвана необходимостью улучшения рабочих характеристик и эксплуатационной надёжности носителей магнитной записи. Нами впервые разработаны способ и устройство для классификации порошков магнитотвёрдых материалов. Сущность способа состоит в том,что на взвесь порошка в зоне разделения воздействуют скрещенными магнитными полями и ультразвуковой вибрацией. Одно из полей (поперечное по отношению к потоку частиц) является неоднородным. Поток частиц имеет составляющую скорости,направленную противоположно градиенту этого поля. В устройстве для реализации предложенного способа использовано аксиально-симметричное неоднородное магнитное поле типа 1 , которое образуется за счёт протекания электрического тока через стержень,расположенный в зоне разделения. Этот стержень одновременно является и источником ультразвуковых колебаний. В главе рассмотрены физические особенност.и нового способа разделения ферромагнитных частиц,описана конструкция классификатора и приведены результаты его экспериментальной проверки. Сведения,содержащиеся в главе,свидетельствуют о больших и разнообразных возможностях практического применения анализирующих систем с аксиально-симметричными призмами.

3 Заключении кратко сформулированы идеи и выводы исследования вопросов проблемы,намечена программа дальнейшего развития разработанного направления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И БЫВ0ДМ

I. Исследованы закономерности движения заряженных частиц в анализирующих системах,содержащих аксиально-симметричные магнитные призмы и электростатические линзы. Установлены дисперсионные и фокусирующие свойства и изучены ионно-оптичёские характеристики систем с прямым и косым входом ионного пучка в маг-

нитное поле призмы,однокаскадных и многокаскадных масс-анализа--торов и анализирующих систем с ахроматической фокусировкой. Показано,что электрическая фокусировка ионов по направлению или её сочетание с магнитной является простым и удобным средством улучшения характеристик статических масс-анализаторов.

1.1, На основе определения матричным методом уширения ионного пучка в плоскости регистрации разработан единый подход к исследованию статических призменных масс-анализаторов,отличающихся физическими и геометрическими параметрами и количеством электрических и магнитных каскадов. Получены полные матрицы переноса в радиальной и аксиальной плоскостях для призменных масс-анализаторов с одинарной и ахроматической фокусировкой.

1.2. Получены условия фокусировки ионного пучка по радиальному и аксиальному углам расходимости и определены основные характеристики призменных магнитных анализаторов с электрической фокусировкой ионов по направлению.

1^3* Показано,что электрическая фокусировка ионов по направлению в магнитных призмах с аксиально-симметричным неоднородным полем обеспечивается в большом диапазоне изменений геометрических параметров масс-анализатора. При этом достигается большая дисперсия,уменьшается влияние полей рассеяния и пространственного заряда на аналитические параметры масс-анализатора и отпадает необходимость механической юстировки узлов его ионно-опти-ческой системы.

2. Предложены новые призменные масс-анализаторы с двойной фокусировкой и исследованы их ионно-оптические свойства. Теоретически обоснованы способы фокусировки ионов по направлению и скорости в системах,содержащих магнитную призму с неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем и цилиндрический или сферический конденсаторы,выполняющие функции анализатора энергий. Изучено влияние геометрических и физических параметров анализаторов масс и энергий на основные характеристики анализирующей системы с двойной фокусировкой и предложены методы коррекции аберраций с учётом влияния краевых полей. Показано,что в системе с магнитной призмой и энергоанализатором фокусировка ионов по направлению и скорости обеспечивается без дополнительных фокусирующих устройств и установлены рациональные варианты конструкций таких систем.

'2.1. Разработана методика нахождения матричных элементов и определена полная матрица переноса для системы с двойной фокусировкой при условии,когда промежуточный фокус между электрическим и магнитным каскадами отсутствует. Показано,что в призме-нной анализирующей системе двойная фокусировка обеспечивается без дополнительных фокусирующих устройств в том случае,если плоскость изображения анализатора энергий при фокусировке по направлению совпадает, с плоскостью Изображения системы полей электростатического и магнитного анализаторов при фокусировке по скорости; Исследованы различные варианты таких систем. В частности получены условия фокусировки.по направлению и скорости и определены ионно-оптические характеристики таких практически важных анализаторов,у которых в качестве магнитного каскада используется аксиально-симметричная призма,а в качестве электрического -цилиндрический или сферический конденсаторы. Установлена область значений геометрических и физических параметров- анализаторов .масс и' энергий,при которых характеристики при-зменной- анализирующей системы оптимальны.

.2.2. Рассмотрено влияние "краевых полей и аберраций высших порядков на йонно-оптические свойства и,характеристики призмен-ных. масс-анализаторов с аксиальной симметрией. Получены матрицы преобразования параметров траектории иона в краевом поле на входе масс-анализатора и на выходе из него применительно к исследованию движения иона в радиальной и аксиальной плоскостях. Предложены методы коррекции.аберраций высших порядков за счёт соответствующего выбора параметров ионного пучка и геометрии масс-анализатора. Получены условия двойной фокусировки второго порядка 6 анализирующей системе,состоящей из магнитной призмы и энергоанализатора.

3. Предложены и исследованы новые динамические масс-анали-заторы,в основу принципа действия которых положен магнетронный эффект. Особенностью анализаторов является отсутствие фокусировки ионов по направлению,поскольку выделение ионов определённой массы происходит за счёт отсечки ионного тока на коллекторе, расположенном в скрещенных электрическом и магнитном полях. Поэтому, такие анализаторы не имеют геометрических аберраций и позволяют сепарировать ионные пучки с любой угловой расходи-

мостью в радиальной плоскости. Построена теория магнетронного масс-анализатора с аксиально-симметричным магнитным полем и получены соотношения,позволяющие установить физические свойства анализатора и количественно оценить его параметры. Разработаны методы улучшения характеристик магнетронного масс-анализатора и апробирована их эффективность.

4. Проведены экспериментальные исследования статических и динамических анализирующих систем и их ионно-оптических элементов. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с теорией и подтверждают достоверность полученных аналитических соотношений и расчётных формул.

5. Разработаны и внедрены в производство ионно-оптические системы для промышленных масс-спектрометров МСВ-1,МС-62,МХ-2301, МХ-1214,что позволило повысить их технический уровень и расширить область практического применения. По сравнению с приборами аналогичного класса чувствительность масс-спектрометров,в которых реализованы преимущества призменных магнитных систем с электрической фокусировкой ионов по направлению,была увеличена на порядок.Для научных исследований и технологических целей предложен новый микрозондовый анализатор с магнитными призмами

и камерой столкновений,обладающий повышенной эффективностью сепарации первичного ионного пучка и возможностью воздействия на образец ионами различной химической и физической природы. На базе неоднородного магнитного поля с аксиальной симметрией разработаны также способ и устройство для классификации ферромагнитных частиц,благодаря чему впервые удалось решить проблему разделения порошков магнитотвёрдых материалов на фракций,содержащие однородные частицы.

В итоге выполненных теоретических и экспериментальных исследований изучен целый класс новых призменных анализаторов ионных пучков и доказана перспективность их практического применения. Без существенных изменений основные результаты работы могут быть использованы при исследовании и разработке призменных систем для анализа электронных пучков различного энергетического состава и интенсивности. Таким образом,внесен существенный и важный вклад в развитие нового направления физической электроьлки,которое можно сформулировать как "Ионная и электронная оптика призменных магнитных систем".

ПУБЛИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ РАБОТЫ

1. Кузема A.C., Савин O.P., Чертков И.Я. Анализирующие системы магнитных масс-спектрометров. - Киев: Наукова думка,1987.

- 288.

2. Кузема A.C., Шкурдода В.Ф. Масс-спектрометры и их применение. - Киев: Институт техн.информ. - 1965. - 34 с.

3. Кузема A.C., Шкурдода В.Ф. Высоковакуумный масс-спектрометр MCB-I // Автоматика и приборостроение. - 1965.- № 3.-С.51-61.

4. Шеховцов H.A., Шкурдода В.Ф.,Кузема A.C., Колосков A.C. Сдвоенный масс-спектрометр с неоднородным магнитным полем // Атомная энергия. - 1967. - т.22,вып.6. - С.506-509.

5.,Вайсберг Э.И., Зотов Д.Г., Кузема A.C. Источник ионов для сдвоенного масс-спектрометра // Радиотехника. - 1978. -Вып.6. - С.76-83.

6. Шпак Е.В., Явор С.Я., Савин O.P., Кузема A.C. Триплет из электростатических квадрупольно-октупольных линз-нового типа со скорректированной сферической аберрацией // Журн.техн.физики. - 1969. - т.39,вып.9. - C.I720-I723.

7. Савин O.P., Чертков И.Я., Кузема A.C. Фокусировка ионного луча по направлению и скорости с помощью магнитного анализатора типа Ъ1и цилиндрического конденсатора. - Тезисы докладов

I Украинской республиканской конференции по электронной оптике и её применениям. - Харьков,1969. - С.13-17.

8. Барановский В.Е., Макаров К.В., Кузема A.C., Доля В.Н. Применение масс-спектрометра для автоматизации технологических процессов в металлургическом производстве // Автоматизация анализа состава вещества. - Киев: Техника,1970. - С.30-34.

9. Шеховдов H.A., Барзилович П.П., Кузема A.C., Савин O.P., Чертков И.Я., Шкурдода В.Ф. Масс-спектрометр //А.с.270330, опуб.1970. - Бюл.№ 16. - С.108.

10. Кузема A.C., Савин O.P., Чертков И.Я. Исследование фокусировки ионов по двум направлениям в масс-спектрометре с неоднородным магнитны* полем и электростатической линзой,- Тезисы докладов II Украинской республиканской конференции по электронной оптике и её применениям. -Харьков,1971. - C.III—114.

D . Медвидь О.В., Кузема A.C., Руткевич Б.Ю., Водычко В.Р. .ГульП.В.

Способ определения состава остаточных газов в электроннолучевых приборах // А.с.331808,опуб.1972. -Бюл.№ I0.-C.I6.

12. Савин O.P., Кузема A.C., Дубовенко В.П. Масс-спектрометр // А.с.354337,опуб.1973. - Бюл.№33. - С.129.

13. Бакай Г.А., Кузема A.C. Применение вращающейся системы координат к расчету магнитных анализаторов. - Тезисы докладов III Украинской республиканской конференции по электронной оптике и её применениям. Часть 2. - Харьков,1974.-С.219т220.

14. Бакай Г.А., Кузема A.C. Исследование движения заряженных частип в анализаторе магнетронного типа // Вестн.Харьковского ун-та. Сер.Радиофизика и электроника. - Ï975. - Вып.4.

- С.35-39.

15. Кузема A.C., Зинченко Н.С., Савин O.P. Радиальная фокусировка ионного пучка в магнитном анализаторе с неоднородным полем и электростатической линзой //Нурн.техн.физики. - 1977.

- Т.47, вып.И. - С.2368-2371.

16. Кузема A.C., Пакулин В.Н. Магнетронный масс-спектрометр //А.с.76401I,опуб.1980. - Бюл.№ 34. - С.278.

17. Кузема A.C. Магнитные анализаторы с электрической фокусировкой. - Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конф. "Новые физические принципы в аналитическом приборостроении". - Киев, 1980. - C.I0-II.

18. Кузема A.C., Бакай Г.А. Газоизмерительный преобразователь магнетронного типа. - Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конф. "Новые физические принципы в аналитическом приборостроении". - Киев, 1980. - С.89-90.

19. Кузема A.C. Аксиальная фокусировка ионного пучка в магнитном анализаторе с неоднородным полем и электростатическо'Й линзой //Журн.техн.физики. - 1981. - Т.51, вып.2. - С.452-455.

20. Кузема A.C., Пакулин В.Н., Цирлин Ю.А., Шерешевский A.M. . Магнетронный масс-спектрометр //А.с.80П39,опуб.1981. -Бюл.М. - С.228.

21. Кузема A.C., Савин O.P., Чертков И.Я. Исследование ионно-оп-тической системы с магнитной призмой t и энергоанализатором //Журн.техн.физики. - 1982. - Т.52, вып.6. - C.II82--II87.

22. Кузема A.C., Бакай Г.А. Исследование магнетронного масс-спектрометра //Докл.АН УССР.Сер.А. - 1983. - № 9;С.53-57.

23. Кузема A.C., Пилипенко А.Т. Хроматомасс-спектрометрическое оборудование для исследования водных сред //Химия и технология воды. - 1983. - Т.5,№ I. - С.79-65.

24. Протас И.М., Кузема A.C., Бакай Г.А. К теории секторного магнитного масс-анализатора //Физическая электроника. -Львов:Из-во "Вица школа". - 1983. - Вып.25. - С.24-28.

25. Дудченко А.К., Гринько И.Е., Кузема A.C. Приставка к диспер-гатору У5ДН-2Т для препарирования ферромагнитных порошков //Приборы и техн.эксперимента. - 1984. - № I. - С.239.

26. Кузема A.C., Савин O.P., Дудченко А.К., Гринько И.Е., Ляль-ко И.С. Масс-спектрометр //А.с.I128308,опуб.1984'. - Бюл.№12.

- C.I70-I7I.

27. Кузема A.C. Ионно-оптические характеристики призменного масс-спектрометра с дополнительным масс-анализатором //Докл. АН УССР. Сер.А. -1985. - № 7. - С.54-58.

28. Кузема A.C. Ионно-оптические характеристики магнитного анализатора с однородным полем и электростатической линзой. -Тезисы докл.1У Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии.

- Сумы,1986. - С.19-20.

29. Кузема A.C..Марианашвили М.Р. Уменьшение дискриминации ионов в масс-спектрометре МИ-1201 //Приборы и техн.эксперимента.

- 1986. - № 3. - C.I6I-I64.

30. Дудченко А.К., Кузема A.C., Лялько И.С. Способ магнитной классификации ферромагнитного порошка//А.с.1480204 AI.-1989.

31. Дудченко А.К., Кузёма A.C., Лялько И.С. Устройство для классификации ферромагнитного порошка //A.c.1480204 AI. - 1989.

32. Кузема A.C., Лялько И.С., Овчаренко В.Н., Савин O.P., Вайс-берг Э.И., Доля В.Н., Павленко П.А., Огенко В.М. Ионный микрозондовый анализатор //А.с.1605288,опуб.1990.-Бюл.№ 41.

РИ АН Украины , 310085, г.Харьков, ул. Академика Проскуры.

- С.232-233.

Подписано к печати 5 октября 1992г. Формат бумаги 60x90 I/I6 Заказ Ю9

Объём 2 фиап.л. Тираж 100 экз.