Времяпролетный масс-спектрометр
Назначение
Экспериментальный прибор для исследования зарядового состояния ионов вакуумного дугового ионного источника времяпролетным методом (TOF) включает в себя:
- Вакуумную трубу дрейфа с фланцем
- Затвор ионного пучка
- Цилиндр Фарадея
- Импульсный источник питания для затвора
Основные параметры
| Параметры импульса напряжения | 1-5 кВ, 100 нс |
| Разрешение TOF | 25-30 |
| Расстояние от затвора до цилиндра Фарадея | 1 м |
| Внешний диаметр затвора | 260 мм |
| Диаметр центрального коллектора | 50 мм |
| Диаметр отверстия цилиндра Фарадея | 30 мм |
Для подачи импульсов запуска необходим ГЗИ-1 или аналогичный прибор с амплитудой запускающего импульса 300 В.
Принцип работы и особенности
Масс-спектрометр расположен в вакуумной трубе дрейфа и включает в себя затвор ионного пучка и цилиндр Фарадея, расстояние между которыми L = 1 м является базой спектрометра - промежутком, на котором происходит разделение ионов с различным отношением заряда Q к массе M. Затвор ионного пучка представляет собой несколько пар колец. Внешние кольца каждой пары находятся под потенциалом земли, а внутренние соединены параллельно и к ним прикладывается отклоняющий ионы импульс напряжения амплитудой Uоткл = (1÷4) кВ и длительностью τ = 100 нс от источника питания. В центре затвора ионного пучка находится центральный диск, препятствующий попаданию ионов на цилиндр Фарадея при отсутствии напряжения, управляющего затвором.
При приложении отклоняющего импульса электрическое поле, создаваемое между кольцами, отклоняет ионы пучка на угол θ, достаточный для их попадания в отверстие цилиндра Фарадея. Ширина каждого кольца l, расстояние между кольцами d и амплитуда отклоняющего импульса Uоткл были выбраны так, чтобы ионы зарядностью Q, ускоренные до энергии еQUуск, проходя промежуток между кольцами, отклонялись на угол
θ = lUоткл / 2dUуск
от своей первоначальной траектории и попадали при этом в цилиндр Фарадея.
Так как длительность отклоняющего импульса τ много меньше времени пролета ионов t базы спектрометра L, то в процессе движения ионов к цилиндру Фарадея компоненты ионного пучка с различными значениями M/Q разделяются на группы во время движения. При этом в цепи измерения тока Цилиндр Фарадея наблюдаются пики, соответствующие времени t достижения ионами вида M/Q = const его поверхности. По величине t, регистрируемой осциллографом, определяется соотношение M/Q ионов, а доля ионов каждого вида определяется по величине амплитуды импульса тока. При этом величина амплитуды тока для ионов зарядностью Q была в Q раз выше, чем однозарядных. На рисунке показан пример спектра пучка ионов тантала.
Публикация
- V.I. Gushenets, A.G. Nikolaev, E.M. Oks, L.G. Vintizenko, G.Yu. Yushkov, A. Oztarhan, I. Brown, Simple and inexpensive time-of flight charge-to-mass analyzer for ion beam source characterization // Rev. Sci. Instrum., 2006, V. 77, № 6, P. 063301(1-3).
