Устройство для измерения энергетических распределений ионов в пучках сильноточных ускорителей средних энергий

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИОНОВ В ПУЧКАХ СИЛЬНОТОЧНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ(71) Заявитель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета(72) Авторы Комаров Фадей Фадеевич Камышан Александр Степанович Лагутин Андрей Евгеньевич(73) Патентообладатель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета(57) Устройство для измерения энергетических распределений ионов в пучках сильноточных ускорителей средних энергий, состоящее из приемной камеры и электростатического анализатора энергии ионов, отличающееся тем, что на входе в приемную камеру установлен охлаждаемый коллиматор, угол регистрации увеличен до 164, установлена моноатомная, моноизотопная мишень с высокой теплопроводностью.(56) 1. Альфа-, бета- и гамма спектроскопия / Под ред. К. Зигбана. Пер. с англ.- М. Атомиздат, 1969. 2. Балдин С.А. и др. Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами.М. Атомиздат, 1974. 3. Комаров Ф.Ф., Камышан А.С., Поздеева Т.В., Лагутин А.Е., Мартынов И.С, Данилевич В.В., Григорьев В.Ф. Спектрометр резерфордовского обратного рассеяния с повышенным энергетическим разрешением // Вакуумная техника и технология.- Т. 8.-1.1998.- С. 7-8. 56402009.10.30 Заявляемая полезная модель относится к устройствам для записи, обработки и передачи информации, в частности к измерению энергетических распределений ионов в пучках сильноточных ускорителей средних энергий. Известны устройства для измерения энергетических спектров заряженных частиц, основанные на разложении пучка заряженных частиц по импульсам при их прохождении в магнитном поле определенной конфигурации. Основной их недостаток - стационарность,так как для их нормальной работы требуются магниты с массой несколько тонн и источники питания магнитов на токи в десятки ампер с нестабильностью порядка 10-4 1. Известны устройства для измерения энергетических спектров заряженных частиц, основанные на применении полупроводниковых детекторов. Недостаток - максимальная скорость счета не превышает 104-105 имп./с. Кроме того, энергетическое разрешение полупроводниковых спектрометров при энергиях измеряемых частиц от 200 до 500 кэВ составляет от 6,5 до 2,52. Известно устройство для измерения энергетических спектров заряженных частиц,предназначенное для анализа структурного совершенства и химического состава твердых тел методом резерфордовского обратного рассеянияи состоящее из приемной камеры, электростатического анализатора (ЭСА) энергии ионов и аппаратурного обеспечения его работы. Спектрометр обладает высоким энергетическим разрешением 1,2 в энергетическом диапазоне от 40 до 280 кэВ 3. Недостатками данного устройства с точки зрения измерения энергии сильноточных ионных пучков средних энергий являются 1) перегрузка системы регистрации при токах на мишени более 10 мкА. 2) малый энергетический диапазон измеряемых энергий. Задачей, решенной с помощью предложенной полезной модели, является обратная задача методапо измеренному спектру от известной мишени восстанавливается спектр исходного пучка. При этом достигается увеличение предельного значения тока измеряемых ионных пучков и расширяется энергетический диапазон за счет измерения энергетических спектров рассеянных ионов на угол 164 моноатомной мишенью с высокой теплопроводностью. Задача решается устройством для измерения энергетических распределений ионов,которое, согласно полезной модели, состоит из приемной камеры и ЭСА и отличается от прототипа тем, что на входе в приемную камеру установлен охлаждаемый коллиматор,угол регистрации увеличен до 164, установлена моноатомная, моноизотопная мишень с высокой теплопроводностью. В спектрометриииспользуются пучки ионов известной энергии, которые направляются на исследуемую мишень, проникают вглубь и постепенно тормозятся на электронах мишени. При этом небольшая часть падающих ионов испытывает столкновения с малыми прицельными параметрами с ядрами атомов мишени, в результате которых происходит значительное изменение их энергии и направления движения. Менее чем 10 от падающих ионов рассеиваются на угол/2 (обратное рассеяние) и могут покинуть мишень. Измеряя энергию этих частиц, рассеянных на определенный угол, можно получить информацию о природе и концентрации различных атомов, составляющих исследуемую мишень, а также об их распределении по глубине образца. Важнейшими величинами при анализе являются кинематический параметр столкновения налетающих частиц с ядрами мишени, который определяет регистрируемую энергию ионов, и сечение рассеяния или вероятность столкновения, определяющее чувствительность метода. Для исследуемого диапазона энергий от 100 до 500 кэВ справедливы соотношения, описывающие упругое столкновение двух твердых сфер различной массы. Отношение энергий анализирующего иона после и до столкновения 1/0, называемое кинематическим фактором рассеяния, зависит только от соотношения масс анализирующего иона и ядра атома мишени 1/2 и угла рассеяния При этом угол рассеяния определяется только взаиморасположением анализирующего пучка и детектора и не зависит от ориентации мишени. Таким образом, зная К можно решить обратную задачу по известному спектру обратно рассеянных ионов от известной моноатомной мишени определить значение энергии падающих на образец ионов. Сечение резерфордовского рассеяния пропорционально ( /2)-4, поэтому увеличение угла рассеяния со 108 до 164 приводит к уменьшению сечения в 2,8 раза, следовательно, предельное значение тока измеряемых ионных пучков увеличивается в это же число раз. Кроме того, увеличение угла рассеяния, согласно выражению (1), уменьшает величину кинематического фактора, что позволяет расширить энергетический диапазон анализируемых ионных пучков. На фиг. 1 приведена структурная блок-схема устройства, состоящая из приемной камеры 1 с держателем образца 2 встроенного коллиматора 3 электростатического анализатора энергии ионов 4 системы регистрации и управления,где 5 - полупроводниковый детектор 6 - предварительный блок усиления спектрометрический 7 - основной блок усиления спектрометрический 8, 13 - блоки программноуправляемых интенсиметров 9, 12 - блоки программно-управляемых высоковольтных источников питания 10 - модуль сопряжения с компьютером, 11 - ПЭВМ. 14-измеритель тока. На фиг. 2 приведена схема соединения элементов устройства,где 1 - приемная камера, 3 - встроенный коллиматор, 15 - охлаждаемый коллиматор, 4 ЭСА, 16 - блок детектирования, 2 - держатель образца. На фиг. 3 приведена схема соединения элементов прототипа,где 1 - приемная камера, 4 - ЭСА, 16 - блок детектирования, 3 - встроенный коллиматор, 2- держатель образца. Предлагаемая модель была апробирована при измерении энергии ионов на ускорителе ионов нейтронного генератора НГ-12 в ГНУ ОИЭЯИ-Сосны. Так как диаметр выходного отверстия ускорителя равен 30 мм, а для нормальной работы ЭСА требуется диаметр пучка от 1 до 2 мм, то был изготовлен охлаждаемый коллиматор с проходным отверстием 1 мм. Метод измерения энергетического распределения ионов в пучке заключается в регистрации энергетического спектра ионов, обратно рассеянных от поверхности эталонной мишени и сравнении его с калибровочными спектрами, измеренными с использованием ионного пучка с энергетическим разбросом менее 0,1 . В качестве эталонной мишени выбирается материал, содержащий минимальное количество изотопов. Таким образом, производные от калибровочных спектров (фиг. 4 - производная от края энергетического спектра рассеянных никелевой мишенью ионов атомарного водорода с энергией 143 кэВ) отражают фактически форму и ширину линии спектрометра, а производные от экспериментальных спектров - свертку ее и функции распределения ионов по энергии в пучке. Истинное распределение ионов в пучке определяется из выражения Ефакт.(Е 2 изм.Е 2 кал.)1/2,где Ефакт. - истинная ширина энергетического распределения ионов в пучке Е 2 изм. - измеренная ширина пика производной на полувысоте Е 2 кал. - ширина пика производной на полувысоте для калибровочного спектра. На фиг. 5 приведена кривая калибровки энергетического разрешения ЭСА для никелевой мишени, для получения которой использовался электростатический ускоритель ЭСУ-2,3 56402009.10.30 обладающий энергетическим разбросом ускоренных ионов на мишени не хуже 0,1 , что более чем на порядок лучше, чем энергетическое разрешение ЭСА. Следовательно, можно считать, что измеренное разрешение ЭСА является аппаратурной константой для конкретной мишени, с помощью которой можно определить истинную ширину измеряемой энергетической линии. В таблице приведены ширины энергетических распределений ионов в пучке ионов нейтронного генератора для пяти измеренных значений энергии. Ширины энергетических распределений ионов в пучке ионов. Еизм., кэВ 75,5 92,5 115,0 133,0 200,0 2,42 4,27 5,06 2,53 3,65 Ефакт., кэВ На фиг. 6 приведена зависимость ширины энергетического распределения в пучке ионов водорода с измеренной энергией 133 кэВ от величины тока пучка. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы 1. Предлагаемое устройство позволяет измерять энергетические распределения ионов в пучках с током до 5 мА 2. Диапазон измеряемых энергий увеличился до 330 кэВ при использовании в качестве мишени никеля. Уменьшение массового числа атомов мишени до 27 (А 1) позволит измерять энергетические распределения ионов с энергией до 400 кэВ 3. В качестве эталонных мишеней следует использовать моноатомные, моноизотопные материалы с высокой теплопроводностью. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5