Диссертация (1144222), страница 3
Текст из файла (страница 3)
А. Аверин // В сборнике: Неделянауки СПбПУ материалы научного форума с международнымучастием. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций;В.Э. Гасумянц, Д.Д. Каров - ответственные редакторы. 2015. С. 191193.17Глава 1. Обзор литературы§1. Магнитные спектрографы (исторический обзор)Как уже было сказано во введении, за прошедшие годы былоразработано огромное количество самых разнообразных спектрометров.Одними из первых были магнитные спектрографы.В сороковых-пятидесятых годах в связи с быстрым развитием ядернойспектроскопии был сконструирован целый ряд приборов, всё более и болеесовершенных, для анализа электронных спектров радиоактивных ядер.Именно тогда, сначала для приборов с железным ярмом, а после длямагнитных спектрометров без железа был создан принцип магнитнойфокусировки по двум направлениям.
Приборы без железа очень хороши дляточной работы в области энергий ниже 10кЭв. Поэтому один из первыхприборов для ЭСХА, 30-сантиметровый магнитный спектрометр с двойнойфокусировкой, был сконструирован на базе β-спектрометра такого типа [22],приспособленного для анализа электронного спектра, возбуждаемогорентгеновским излучением.Таким образом, анализ спектра энергий (а точнее импульсов)проводилсяспомощьюприбора,созданногодляцелейядернойспектроскопии. За годы эксплуатации он был полностью переработан иреконструирован.
Для магнита спектрометра были использованы двекоаксиальные цилиндрические катушки, каждая из которых была разделенана верхнюю и нижнюю части. Также было увеличено место для размещенияисточника и детектора, а анод не располагался на прямой линии с нитьюнакала. Сам прибор подходил для возбуждения электронного спектра тремяразными способами [22].18Для изучения возможностей принципа полукруговой фокусировки дляЭСХА был создан магнитный спектрометр с постоянным магнитом,который создаёт однородное поле. Монохроматизация рентгеновскогоизлучения в этом приборе проводилась с помощью кристалла.
Регистрацияэлектронов осуществлялась фотографически методом счёта треков савтосканированием фотоэмульсии [22].Для анализа электронного спектра вместо магнитного поля можноиспользовать электрическое. Фокусировка по двум направлениям попрежнему остаётся возможной; теоретические основы можно найти,например, здесь [22, приложение 8]. Электростатический спектрометр сдвойнойфокусировкойисекторнымиполямиимеетнесколькопреимуществ.
В частности, в местах расположения источника и детекторанет никаких полей, также как нет катушек, ограничивающих доступноепространство для их размещения [22].Далее электронная спектроскопия развивалась в направлении болеевысоких точностей, необходимых для исследований структуры ядра.Прецизионная спектроскопия требовала приборов с высоким разрешением.Магнитные спектрометры с двойной фокусировкой, обеспечивающиетребуемой высокое пропускание при высоком разрешении заняли своюнишу в бета-спектроскопии высокого разрешения.
Вскоре был безжелезныйспектрометр с радиусом орбиты 50см. По сравнению с упомянутым выше30-сантиметровым прибором в нём был введён целый ряд улучшений. Вчастности, из-за большего радиуса центральной орбиты, были реализованыболее свободный доступ к источнику и детектору и более высокаядисперсия. Хотя данный спектрометр можно было использовать и дляЭСХА, на нём, в первую очередь, проводили прецизионные измеренияэнергий и интенсивностей в спектрах внутренней конверсии и исследованияв области атомной спектроскопии внеядерной структуры [22].19Завершая рассмотрение приборов с магнитным полем, остановимсяподробнее на двух анализаторах с продольным магнитным полем:спектрометр на основе короткой магнитной линзы и соленоидальныйспектрометр.
Применение однородного или периодически изменяющегосявдоль оси магнитного поля является одним из способов фокусировкипротяжённых потоков электронов в разных электрофизических установках ирадиоэлектронныхприборах.Измерениеэнергииилиимпульсовдвижущихся в подобных устройствах электронов порождает целый рядсерьёзных экспериментальных или теоретических задач. С задачами такогорода часто сталкиваются разработчики СВЧ-приборов О-типа при решениипроблемы рекуперации энергии электронов.
Также трудности вызываетизмерение энергий электронов, рассеянных разными объектами прикорпускулярномоблучениинаэлектрофизическихустановкахтипалинейных ускорителей, где используются продольные фокусирующиемагнитныеполя.Втакихслучаяхнаиболееудобнопроводитьэнергетический анализ в магнитных полях, у которых силовые линииявляются непрерывным продолжением силовых линий фокусирующихполей. Иногда ради уменьшения сферических аберраций вместо однойкороткой магнитной линзы используют две.
При этом правильноеподобранное расстояние между линзами поможет увеличить светимость иразрешающую силу. Недостатком коротколинзовых спектрометров являетсякритичность при настройке. Часто в этих приборах источник преграды иколлектор жёстко связывают со стенками вакуумной камеры для облегчениянастройки [23].В 1923 году П. Л. Капица предложил оригинальный метод измеренияимпульсов заряженных частиц, движущихся в продольном магнитном поле.При этом обладающие некоторым импульсом электроны входят подзаданным углом к силовым линиям аксиально-симметричного магнитного20поля, в котором отсутствуют какие-либо направленные токи, кромеизучаемых электронных.
Само поле при этом однородно и обладаетфокусирующими и дисперсионными свойствами. Траектория каждогоэлектрона является спиралью с определяемым радиусом и шагом. На основеэтого поля было создано семейство β-спектрометров, модификации которыхможно использовать при анализе сфокусированных продольным магнитнымполем протяжённых электронных пучков [23; 24].§2. Электростатические спектрографы и спектрометры(исторический обзор)Также следует упомянуть анализаторы с фокусировкой в одномнаправлении.
Одним из самых простых по конструкции является анализаторс однородным электрическим полем, также известный как плоское зеркало.Его уже упомянутая простота является одной из причин его широкогоприменения в энергетическом анализе пучков заряженных частиц. Так ониспользовался для анализа пучков положительных ионов [26], для изучениязаряженных продуктов ядерных реакций [27], для анализа продуктовнеупругих столкновений в газах [28, 29], в космических исследованиях [30,31, 32-34]. Анализатор использовался в качестве фотоэлектронногоспектрометра[35],дляисследованийэнергетическогоиугловогораспределения фотоэлектронов [36]. На его основе был создан прибор дляанализа по энергиям ионов и атомов перезарядки при исследованиивысокотемпературнойплазмы[37].Вместесмонохроматоромонприменялся для исследования монокристаллов [38].
Также он входил всоставустановок,применяющиходновременновремяпролётныйиэлектростатический анализ для исследования энергетического и массовогосостава лазерной плазмы [39-41].21Вэтоманализатореиспользуютсядисперсионныесвойстваоднородного электрического поля. Конструктивно он представляет собойдве параллельные пластины, в одной из которых прорезаны окна для впускаи выпуска исследуемых частиц.
На пластины подана тормозящая разностьпотенциалов. На некотором расстоянии от пластины с окнами вэквипотенциальном пространстве расположены входная и выходная щели.Есть три модификации данного прибора: с источником и детектором накраю поля, вне его и фонтанообразный анализатор [25].Ещё одним анализатором с фокусировкой в одном направленииявляется цилиндрический дефлектор. Он состоит из двух коаксиальныхпроводящих цилиндров, на которые подана разность потенциалов. При этомосновнаятраекториясовпадаетсдугойокружности,лежащейвперпендикулярной оси цилиндров плоскости. В отличие от упомянутоговыше плоского конденсатора, в данном приборе пучок заряженных частицдвижется в основном вдоль эквипотенциальных поверхностей.
В общемслучае используется некоторый сектор такого анализатора, а входная ивыходная щели расположены в свободном от поля пространстве. Также накраюполяобычноприсутствуютдиафрагмы,находящиесяподпотенциалом, равном потенциалу на основной траектории. Их задачейявляется локализация поля и уменьшение краевых эффектов.Историческипервымбылчастныйслучайсекторногоцилиндрического дефлектора с секторным углом анализатора, равным 2.Этот дефлектор был назван анализатором Юза-Рожанского в честьпредложивших его учёных. Позже был исследован цилиндрическийдефлектор при произвольном секторном угле [42-44].
Этот анализаторшироко применяется для энергетического анализа пучков заряженныхчастиц, но наибольшее распространение он получил как составная частьмасс-спектрометров с фокусировкой по углу и энергии [25].22Цилиндрическоезеркалотакжеширокораспространенокаканализатор заряженных частиц по энергии. Так же, как и описанный вышедефлектор, зеркало состоит из двух коаксиальных цилиндров или их частей,составляющих сектор с некоторым углом.
Частицы движутся вблизимеридиональной плоскости (оная, проходящая через ось цилиндра) подбольшим углом к оси. Частицы входят в пространство между цилиндрамичерез окно, прорезанное во внутреннем цилиндре. Приложенная кэлектродам разница потенциалов создаёт тормозящее поле, которымчастицы отражаются и выходят через второе окно. В общем случае входнаяи выходная щели расположены вне пределов поля. Их можно сделатькольцевыми для использования конических пучков.Этот анализатор обладает двойной фокусировкой только в том случае,если точечный источник расположен на оси.
Тем не менее, прииспользовании осевой симметрии его действие аналогично действиюприбора с двойной фокусировкой. На основе этого анализатора ряд фирмвыпускают спектрометры [25].Способы применения цилиндрического зеркала самые разнообразные.Например, это исследование спектров выбитых из газов протонамиэлектронов [45]. Также с его помощью проводились эксперименты поизучению оже-спектров газов [46-48], поверхности твёрдого тела [49, 50],продуктов атомных столкновений [51-53]. В одной из работ он применялсякак магнетометр [54].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
