Разделение и фокусировка ионных потоков в импульсных электрических полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Транспортировка и фокусировка, разделение по массам и энергиям "заряженных частиц, создание правильного электронно-оптического изображения и ряд других более специальных операций с пучками в вакууме лежат в основе большинства диагностических аналитических приборов современной физической электроники, химии, материаловедения. До недавнего времени в масс-спектрометрин применялись в основном статические поля, но сейчас на первый план выдвинулись более компактные и простые динамические масс-анализаторы, использующие времяпролётный принцип разделения ионов по массам, либо селекцию ионов в переменных электрических полях. Расширение требований к масе-анализу по чувствительности, разрешению и анализируемому диапазону масс приведи к тому, что старые приемы динамической масс-спектрометрии стали подвергаться ревизии и появился стимул развития новых динамических принципов, существенно отличающихся от классических. Именно таким новым плодотворным способам управления ионных потоков и посвящается данная работа. В основу ее положена следующая весьма общая физическая идея Ю.К. Голикова, связанная с возможностью трансформации поля скоростей данного ионного потока в однородных и неоднородных в пространстве электрических полях с импульсным напряжением на электродах. При длительностях импульсов, составляющих примерно десятые доли и менее от времени пролета каких-либо типичных ионов через область поля, характер движения в быстроменяющихся импульсных полях приобретает новое физическое качество, которое можно сформулировать как авление своеобразного электрического удара, когда частица не успевает заметно сместиться по координатам, но величина и направление вектора жорости изменяется практически скачком на существенную величину. Это изменение зависит от величины поля, массы частицы, ее скорости и взаимной ориентации векторов поля и скорости в момент начала действия импульса поля (момент удара). Для очень узких по времени и высоких по амплитуде импульсов физическая картина явления электрического удара просто и прозрачно описывается с помощью теории 6 - функции Дирака. В этом случае проявляется множество интереснейших следствий, превращающих электрический удар в новый необычный инструмент обработки (формирования) потоков частиц, заряженных и нейтральных с самыми различными целями, от новых способов динамической масс-спектрометрии, до коррекции аберраций и создания принципиально новых изображающих линзовых систем. Данный подход применительно к масс-спектрометрии получил фундаментальное развитие в ряде работ [1,2,3,4] и в настоящее время является весьма перспективным направлением корпускулярной оптики.

Цели исследования: Разработка новых ?»ютодоб управления ионными потоками при помощи коротких во времени импульсов электрического поля различной пространственной геометрии. Вывод общих формул трансформации поля скоростей и количественная оценка эффективности данного способа обработки потоков в некоторых типах полевых геометрий и синтез новых электронно-оптических элементов.

Защищаемые положения.

1 Математические модели электрического удара пространственно однородных электрических полях с формулами преобразования радиуса-вектора и вектора скорости.

2 Новые устройства идеальной пространственной фокусировки ионных пакетов различной геометрии,

3 Новая схема динамического масс-анализа на базе трансформаторов и высокодисперсионных энергоанализаторов.

Заключение.

Задачи, решаемые в данной диссертационной работе, идут в следующем логическом порядке.

1. Сначала определяется класс изучаемых систем, как систем, в которых движение частиц осуществляется под воздействием коротких импульсов электрического поля (электрического удара) в условиях произвольной электродной конфигурации.

2. Далее изучается во всех деталях явление электрического удара в однородном электрическом поле, создаваемом плоским конденсатором, на обкладки которого подаётся напряжение, имеющее характер импульсов различной формы на фоне постоянной составляющей. При этом выводятся все основные формулы трансформации параметров движения ионов при ударе.

Данная система замечательна тем, что позволяет аналитически получать результаты в случае импульсов напряжения произвольной формы и прогнозировать возможные свойства ударных импульсных систем произвольной электродной геометрии.

3. После этого вводится более сложный класс полевых структур с квадратичным по координатам потенциалом. В одномерном случае оказывается возможным получение формул для фокусировки по скорости при произвольной форме импульса. Оказывается, что в таких системах координата точки фокусировки и момент фокусировки не зависят от начальной скорости, а определяются массой частицы и моментом ее старта. Это позволяет делать некоторые выводы общего характера относительно свойств линейных систем с импульсным питанием. Удаётся вывести точные формулы преобразования координат и скоростей в случае прямоугольного импульса произвольной ширины, подаваемого на систему

J Т/

1 it" г- тт Х + У X с потенциалом I -U0-. хак как координаты фокуса зависят от массы частиц - оцениваются возможные параметры (дисперсия, разрешение, пространственно-временная аберрация ) при использовании таких систем в качестве масс-спектрометров.

Для случая зависимости напряжения от времени в виде двух импульсов чередующейся полярности, подаваемых на электродную систему с потенциалом U = U, дг + г 1 удается показал возможность одновременной (совмещенной) фокусировки по всем трем декартовым координатам. Возможности такой системы также оцениваются с точки зрения масс-спектрометрии, в том числе и

4. Следующая задача состоит в рассмотрении динамики ионов в полях с произвольным пространственным распределением, но при весьма коротких импульсах электрического питания, когда удаётся вычислить параметры движения ионов при помощи отрезков рядов. Используя понятие о- удара (введенное вначале для однородных полей), удаётся рассмотреть ряд обратных задач преобразования полей скоростей в ионном потоке по заранее заданным требованиям. На основе этих результатов развивается теория систем с идеальной пространственной фокусировкой. Результатом применения данной теории является построение первых двух членов ряда для потенциальной функции, обеспечивающей объемную фокусировку по углам и энергиям,

С-(х-1) х) е

1. L.N.Gail, G.K. Goiikov, Z.Z. Latypov, N.A. Timchenko. Dynamic mass analyzer of a new type. Nuclear 1.struments and Methods in Physics Research. A1 < , /1 i 71 У У У } TV1-4-U !

2. Z.Z. Latypov, L.N.Gall, G.K. Goiikov. Mass spectrometer based on conversion of spectra, internasional Journal of Mass Spectrometry 202 (2000)1 "Ш 1 л-с1.7-1-TJ.

3. М.В. Шутова. Электрический удар в нелинейном поле. Дипломная работа, 1999.

4. В. Глазер. Основы электронной оптики. М.: Гос. издательство технико-теоретической литературы. 1957

5. П. Стэррок. Статическая и динамическая электронная оптика. М.: издательство иностранной литературы. 1958.

6. П. Хокс, Э. Каспер. Основы электронной оптики. Т. 1. Основы геометрической оптики. М.: Мир. 1993.

7. П. Хокс, Э. Каспер. Основы электронной оптики. Т.2. Прикладная геометрическая оптика. М.: Мир. 1993.

8. М.И.Корсунский. Фокусирующие свойства аксиального поля. ЖЭТФ, 1946, т. 16, вып. 1.

9. П. D.ioanovicm. Delayed extraction-constant momentum Time-of-fiight mass spectrometiy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 427 (1999) 157-160.

10. M. Силадьи. Электронная и ионная оптика. М.: Мир, 1990.

11. Р. Джейрам. Масе-спектрометрия. М.: Мир, 1969.

12. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. М.: Мир. 1970.15. Ё.Wiechert. Wied. Ann. 69,739, (1899).

13. Stephens W.E., Physical Revew, 69, 691 (1946).

14. Cameron A.A., Eggers D.F., Revew Sci. Instruments, 19,605 (1948).

15. Ионов Н.й., Мамырин Б.А. Масс-спетрометр с импульсным источником ионов. ЖТФ, 1953, т.23, вып.11, с. 2101-2103.

16. Ануфриев Т.С., Мамырин Б.А. Времяпролетный масс-спектрометр со стробоскопическим преобразованием выходного сигнала. Приборы и техника эксперимента, 1964, Ш5, с. 150-157.

17. Каратаев В.И., Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетных масс-спектрометрах. ЖТФ, 1971, т.41, с. 1498-1501.

18. S.B.Bimurzaev, RS.Bimurzaeva, E.M.Yakashev. Calculations of time-of-fiight chromatic aberrations in the electron-optical system possessing straight optical axes. Nuclear instruments and Methods in Physics Research. A 427

19. OQO\ T7 1 П4 у У у ; i / / -т.

20. Ю.К. Голиков, К.Г. Уткин, В.В. Чепарухин. Электростатический энергоанализатор. А.С. №1047332. Приоритет от 29 марта 1981 г.

21. В.Д.Бобыкин, Ю.А.Невинный, Е.М.Якушев. ЖТФ, 45 (11) (1975) 2368.

22. С.Б.Бимурзаев, Т.Дауменов, Л.М.Секунова, Е.М.Якушев. ЖТФ, 53 (6) (1983) 1151.

23. С.Б.Бимурзаев, Р.С.Бимурзаева, Б.Т.Саркеев. Радиотехника и электроника, 36 (11) (1991) 2186.

24. С.Б.Бимурзаев, Е.М.Якушев. Радиотехника и электроника, 36 (8) (199!) 1600.

25. AO. ларрпш lun. Dyvmaupujivinmn ivici.vv viiCi4.ipv/MClp. an. j vnvAJaмасс-спектрометрии. Пер. с англ. Под ред В.Л.Тальрозе, Е.Л.Франкевича. М., Изд. Иностранной лит., 1963, с.248-263.z-У. Oviuivt W ,il., i iiyo.ivvv. t у, ( i у /.

26. Beimel VV.IL, journal Apply Physics. 21, 143, (1950).

27. W.Paul, H.Steinwedel. A new mass spectrometer without a magneticiiviu, zj.ixaimiuiisvu., О a, -т-то—r ju, \i7jj;.

28. Л.Г. Гликман. Исследование движения заряженных частиц в переменных осесимметричных магнитных полях. Диссертация на соискание учёной степени к.ф.-м.н.

29. В.М. Кельман, ИВ. Родникова, Л.М. Секунова. Статические масс-спектрометры. Алма-Ата: Наука, 1985.-264 с.

30. Б.А. Мамырин, А.А. Французов. Резонансный масс-спектрометр с высокой разрешающей способностью.

31. Э.П.Шеретов, А.И.Суслов, Б.Й.Колотилин, А.Б.Ястребков, Н.В.Веселкин, В.К.Комов, С.П.Овчинников. Селективная фотоионизация атомов индия в гиперболоидном масс-спектром етре типа трехмерной ловушки. ЖТФ, т.бО, в.6, 1990.

32. Э.П.Шеретов, В.А.Зенкин, О.И.Болигатов. Трехмерный квадруполъный масс-спектрометр с накоплением ионов. . Приборы и техника эксперимента, 1971, №1, с. 166-168.

33. Э.П.Шеретов, В.А.Зенкин, В.Ф.Самодуров. О режиммах работы трехмерного квадрупольного маее-епектрометра с накоплением. ЖТФ, 1973,т.43, вып.2, с. 410-415.

34. А.Г. Денисов, В.А. Зенкин. Гиперболоидные масс-спектрометры. Обзоры по электронной технике. Вып. 12 (1038), 1984.

35. Е.Ю.Флегонтова. Разделение потоков по массам и энергиям в квазнстатических электрических полях. Диссертация на соискание учёной степени к.ф.-м.н., 1997.

36. A.A.Matyshev. ion focusing properties of an isoirajectory quadrapole lens pair. Nuclear instruments and Methods in Physics Research. A 427 (1999) 288-291.

37. А.А.Матышев. Корпускулярная оптика изотраекторных систем. Диссертация на соискание учёной степени д.ф.-м.н., 1997.

38. Ю.К.Голиков. Определение электростатических ролей по заданным характеристикам движения заряженных и дипольных частиц. Диссертация на соискание учёной степени д.ф.-м.н., 1985.

39. И.М. Рыжик, И.С.Градштейн. Таблицы интегралов сумм, рядов и произведений. М: Гос. издательство технико-теоретической литературы,1. Т G< I is и i.

40. Л.С. Ионтрягин. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука. 1965.

41. Ю.К. Голиков, К.Г. Уткин, В.В. Чепарухин. Расчет элементов электростатических электронно-оптических систем. Ленинград, 1984.

42. В.В. Немыцкий, В.В. Степанов. Качественная теория дифференциальных уравнений. М. : Гостехиздат, 1947.

43. ЭТ. Уитгекер, Дж.Н. Ватсон. Курс современного анализа. T.l. М. 1963.

44. ЭТ.Уитгекер, Дж.Н.Ватсон. Курс современного анализа.Т.2.М. 1963.142

45. Э.В. Гаушус. Исследование динамических систем методом точечных преобразований. М.: Наука, 1976.

46. К. Ланцош. Вариационные принципы механики. М.: Мир, 1965.

47. Э. Камке. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М., 1971.

48. А.А. Сысоев, М.С. Чупахин. Введение в масс-спектрометрию. М.: Атом из дат, 1977.

49. В.П.Афанасьев,С.Я.Явор.Электростатические энертоанализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука, 1978.

50. И.Г.Козлов. Современные проблемы масс-спектрометрии. М.: Атомиздат, 1978.

51. С.А.Фридрихов. Энергоанализаторы и монохроматоры для электронной спектроскопии. Ленинград, 1978.