электростатический спектрометр заряженных частиц
Классы МПК: | H01J49/48 с использованием электростатических анализаторов, например цилиндрических секторов, фильтров Вьена G01T1/36 измерение спектрального распределения рентгеновских лучей или корпускулярных излучений |
Автор(ы): | Савин Б.И. |
Патентообладатель(и): | Савин Борис Иванович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-09-20 публикация патента:
30.10.1994 |
Использование: относится к спектрометрии корпускулярных излучений, преимущественно к исследованию энергетических спектров на космических аппаратах. Анализатор образован двумя плоскими конденсаторами. За ними расположен детектор. Повышение его чувствительности достигается путем указания ограничений на его геометрические параметры и выполнения его в виде пакета из одинаковых анализаторов. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
Формула изобретения
1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий анализатор, выполненный из двух пар одинаковых плоских конденсаторов, расположенных в форме шеврона, источник питания и детектор заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум путем обеспечения дифференциального режима, угол шеврона равен 180o - 2 , где угол находится в пределах, указываемых соотношениемtg ,
где 2d - величина зазора между пластинами конденсатора, м;
L - длина пластины. 2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, анализатор выполнен в виде пакета из расположенных одна над другой одинаковых пар упомянутых плоских конденсаторов, при этом обкладки соседних пар конденсаторов выполнены в виде изолированных один от другого проводящих слоев, нанесенных на противоположные стороны пластины из изоляционного материала.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к спектрометрии корпускулярных излучений, преимущественно к исследованию энергетических спектров космических частиц на ИСЗ и космических аппаратах. Известны электростатические спектрометры для измерения дифференциальных энергетических спектров, содержащие электростатические анализаторы, в которых применяется отклоняющий конденсатор с неплоскими пластинами, чаще всего с пластинами сферической [1] или цилиндрической [2] формы. Однако расширение диапазона исследуемых энергий в сторону их увеличения усложняет реализацию анализаторов подобного типа, так как требует прецизионного изготовления криволинейных поверхностей с большим радиусом кривизны. Известен также дифференциальный электростатический спектрометр типа плоского электронного зеркала [3], в котором анализируемые частицы вводятся в зазор плоского конденсатора через отверстие в одной из пластин под углом к пластине, а выводятся через другое отверстие в той же пластине после отклонения частиц в электрическом поле конденсатора. Однако при высоких энергиях эффективный размер входного окна в таком спектрометре становится весьма малым и чувствительность спектрометра мала. Наиболее близким к заявляемому изобретению представляется устройство с двумя плоскими конденсаторами, состыкованными под некоторым углом (далее - шевронный анализатор). Схема расположения электродов опубликована в [4]. Однако в [4] решена лишь математическая задача об электрическом поле в зазоре такого шевронного конденсатора с полубесконечными пластинами. Приведенное в [4] шевронное расположение является необходимым, но еще не достаточным условием построения дифференциального анализатора. Очевидно также, что анализатор с полубесконечными пластинами неработоспособен. Целью изобретения является увеличение отношения сигнал/шум путем указания ограничений на геометрические и электрические параметры такого анализатора, достаточные для обеспечения его работы в нужном дифференциальном режиме. Цель достигается тем, что угол шеврона выбирается равным 180о - 2 , где угол находится в пределах tg , где 2d - величина зазора между пластинами конденсатора; L - длина пластины (фиг. 1). Целью изобретения является также повышение чувствительности анализатора. Анализатор (фиг. 1) содержит пару плоских конденсаторов с обкладками 1, 2 и 3, 4, источник 5 питания и детектор 6. Исследуемые частицы попадают внутрь конденсатора (1, 2) через его торец 7. На фиг. 2-6 показаны траектории частиц, соответствующие минимальной T1 и максимальной T2 энергиям частиц, проходящих через анализатор и попадающих на детектор. На фиг. 2 показаны также система координат и величины, используемые ниже при вычислении граничных энергий T1 и T2. Анализатор работает следующим образом. Заряженная частица влетает в зазор анализатора в точке yo (фиг. 2) под углом , определяемым из соотношения tg = = y, и далее движется в электрическом поле Е по траектории, описываемой уравнениемy = _ x2+yx+yo (1) где K = , qe - заряд частицы; T - кинетическая энергия частицы в свободном от поля пространстве. Минимальной энергии T1 соответствует K1 и в первом конденсаторе траектория с yo= = -d (d - полуширина зазора между пластинами), yk = d (yk - значение y в точке касания xk), yk" = 0, yL" = -tg (yL" - значение y" при выходе из зазора первого конденсатора). Во втором конденсаторе траектория с T1 симметрична траектории в первом конденсаторе относительно вертикали на фиг. 2. Для отыскания K1, xk, yo", yL воспользуемся уравнением траектории (1) для x = L. yL= - L2+yL-d а также продифференцированным по x уравнением (1) в точке x = xk
-tg = - L+y Напишем также соответствующие уравнения для x = xk
d = - x2k + yxk-d
0 = - xk+y Из этих уравнений находим связь между K1, tg и геометрией конденсатора =
k1 = Подставив в эту формулу K1= ,E = = , где U - разность потенциалов между пластинами конденсатора, а также выразив tg в единицах , т.е. положив tg= , получим окончательно для T1
T1 = qeU (2) При <<1
1 qeU Зависимость от , показана на фиг. 7. Максимальной энергии T2 соответствует K2. При угле 1 , отвечающем соотношению tg = = (т.е. = 1), анализатор оптически непрозрачен, его пропускание частиц с энергией T2= становится нулевым (фиг. 3), при дальнейшем увеличении анализатор становится дифференциальным, т.е. пропускает только частицы с энергиями, находящимися между T1 и T2. Зависимость T2 (,) в интервале углов между 1 и 2 , показанными на фиг. 3 и 4, находится с использованием условий на входе и выходе yo = d, yL = -d, yL" = -tg . Для уравнения траектории (1) в этом интервале имеем
-d = - L2+yL+d Дифференцируя по x в точке x = L, имеем также
-tg = - L + y Зависимость T2 (,), полученная из этих уравнений, имеет вид
T2= qeU (3) При <<1
2= qeU При =2 (фиг. 4) условия на входе и выходе имеют вид yo = d, yo" = 0, yL = -d, yL" = - tg 2, а T2= qeU и tg 2 = 2 , т. е. = 2. В интервале углов между 2 и 3 (фиг. 4 - 6) траектории частиц с T2 определяются величинами yk = d, yk" = 0, yL= = -d, yL" = -tg . Соответствующая пара уравнений для части траектории (фиг. 5), начинающейся в xk, будет иметь вид
-d = - (L-xk)2+d
-tg = - (L-xk) Полученная из этих уравнений зависимость T2 (, ) выражается как
T2= qeU (4) При <<1
2 qeU При = 2, когда = 2, (4) совпадает с (2). Оба участка (3) и (4) показаны на фиг. 7. Предельный угол =3 анализатора соответствует случаю, когда T1 = T2, т. е. случаю, когда анализатор "запирается" и перестает пропускать частицы. Угол3 определяется соотношением tg3=4 , т.е. = 4. Значение T2 = T1 при 3 равно qeU . Таким образом, предлагаемое устройство в виде двух одинаковых простых плоских конденсаторов, расположенных в форме шеврона (фиг. 1), без каких-либо дополнительных коллиматоров на входе, снабженное только источником питания и детектором частиц, образует дифференциальный электростатический спектрометр с границами пропускания по энергии T1 и T2 в интервале углов , определяемом соотношением tg4. Шевронный электростатический анализатор такого спектрометра позволяет продвинуться в область высоких энергий без изменения формы пластин конденсаторов или U путем лишь изменения угла шеврона и расстояния между пластинами; позволяет изменять ширину полосы пропускания T2-T1 при данном путем изменения ; прост по конструкции и в изготовлении, так как имеет плоские обкладки отклоняющих конденсаторов и не требует специального коллиматора на входе; входным окном служит торец первого конденсатора. Наличие двух одинаковых конденсаторов не является необходимым условием конструкции предлагаемого устройства. Анализатор в виде расположенных под углом 180о - 2 двух конденсаторов с разными 1 и 2 также работоспособен, но значения T1 и T2 для такого анализатора будут отличаться от приведенных на фиг. 7. Для работы в области высоких энергий предлагаемый одиночный шевронный анализатор будет иметь малую величину , если на его продольный габарит наложены ограничения, а следовательно, малую площадь входного зазора и малую чувствительность. Однако шевронная геометрия, в отличие от сферической или цилиндрической, позволяет увеличить чувствительность в n раз путем объединения n одинаковых пар рассмотренных конденсаторов в пакет (фиг. 8). Обкладками соседних пар служат в таком пакете изолированные один от другого проводящие слои, нанесенные на противоположные стороны пластин из изоляционного материала. В качестве примера рассмотрим характеристики шевронного анализатора с T2 = =1,2 МэВ; U = 20 кВ; = 3. Значение для диапазона 2...4 находится по формуле (4)
2= = = 1.8710-3
= 4.3210-2
tg=3=0,1296; =7o25" Значение T1 находится по формуле (2)
2 = 0.02 = T = T2-T1 = 1,2-0,824 = 0,376 МэВ. Средняя энергия To = (T1+T2)/2 = 1,042 МэВ. T/To= = 0,376/1,042 = 0,361 = 36,1%. ( T/To)1/2 = =18%, что вполне приемлемо для измерений в космическом пространстве. В случае же цилиндрического конденсатора с 2d = r= 1 см для энергии To 1 МэВ при U = =20 кВ потребовались бы отклоняющие пластины с радиусами кривизны ~ r = 1 = 100 см = 1 м. Многослойный шевронный анализатор может быть изготовлен, например, из фольгированного стеклотекстолита.
Класс H01J49/48 с использованием электростатических анализаторов, например цилиндрических секторов, фильтров Вьена
Класс G01T1/36 измерение спектрального распределения рентгеновских лучей или корпускулярных излучений