Восстановление энергетических спектров при анализе потоков заряженных частиц

Электростатические и магнитные анализаторы являются одним из основных средств в корпускулярной диагностике плазмы и исследовании взаимодействия частиц с поверхностью твердых тел [1], [2], [3]. Примеры использования методов корпускулярной диагностики можно найти в работах [4], [5], [6], [7], [8]. Общее во всех этих методах — это использование магнитных и электростатических энергоанализаторов для диагностики плазмы. Как известно [9], электростатические и магнитные анализаторы в зависимости от типа сканирования делятся на два типа: первый, когда сканирование спектра происходит по пространственной координате — спектрографывторой, когда сканирование осуществляется изменением величины поля — спектрометры. В свою очередь, спектрометры делятся на статические и динамические — времяпролетные. Статические спектрометры благодаря компактности и простоте сканирования получили очень широкое распространение. Любой спектрометр вносит искажения в исходный спектр, поэтому возникает задача о восстановлении по сигналу на выходе анализатора истинного распределения частиц по энергиям, поскольку характеристики энергетических спектров, в конечном счете, влияют на понимание и описание процессов, происходящих в плазме и при взаимодействии частиц с поверхностью. На момент начала работ разработанные способы восстановления спектров носили полуэмпирический характер, и серьезного теоретического анализа алгоритмов восстановления спектров проведено не было. Настоящая работа частично устраняет этот пробел для статических спектрометров.

Цель работы.

1. Установление для спектрометров общих связей между распределением заряженных частиц по энергии и сигналом на выходе анализатора.

2. Разработка адекватных методов восстановления энергетических спектров заряженных частиц для дисперсионных электростатических и магнитных спектрометров и спектрометров с предварительным замедлением частиц.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые, исходя из первых принципов, получено общее уравнение связи между функцией распределения по энергии и сигналом на выходе для электростатических и магнитных спектрометров, на основе которого была объяснена экспериментально наблюдаемая линейная зависимость абсолютного энергетического разрешения от энергии.

2. Для электростатических спектрометров получено точное (в виде ряда) решение уравнения связи при условии линейной связи подаваемых на обкладки потенциалов, позволившее оценить область применимости стандартного решения (деления сигнала на энергию настройки).

3. Получено уравнение связи между функцией распределения по энергии и сигналом на выходе и найдено его решение с учетом флуктуаций прикладываемых к дисперсионному спектрометру потенциалов. Показано, что полученное уравнение эквивалентно уравнению, описывающему сглаживание сигнала с помощью фильтра с постоянным окном. На примере экспериментальных спектров отражения ионов дейтерия от поверхности бериллия показано отличие истинного распределения частиц, восстановленного с помощью найденного решения, от спектра, получаемого при применении стандартной процедуры сглаживания и восстановления спектров.

4. Получена приближенная аналитическая формула для восстановления спектра в электростатическом спектрометре с предварительным замедлением, позволившая объяснить наблюдающуюся для некоторых типов спектрометров корневую зависимость функции пропускания от энергии.

5. Для встраиваемого статического масс-спектрометра с разверткой ускоряющим напряжением, работающего в собственном магнитном поле плазменных установок, получено уравнение связи сигнала и истинной функции распределения ионов по импульсу. Найдено приближенное решение данного уравнения и проведена оценка точности определения массового спектра эмитированных из плазмы ионов.

6. Для двухкаскадного энерго-масс-спектрометра с двойной фокусировкой получено уравнение связи между сигналом и функцией распределения по энергии или по импульсу и обоснованы алгоритмы восстановления энергетических и масс-спектров для разных режимов развертки спектров.

Практическая ценность.

Результаты исследований применены для повышения точности нахождения истинных распределений заряженных частиц, эмитированных плазмой и поверхностью твердого тела, а также могут использоваться для: со улучшения энергетического разрешения спектрометровоо разработки спектрометров с предварительным замедлениемоо разработки автоматизированных систем обработки спектровсо обработки масс-спектрометрических данных.

На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:

• полученное из первых принципов уравнение связи между сигналом на выходе электростатических спектрометров и функцией распределения частиц по энергии при условии независимости углового и энергетического распределения частиц на входе в спектрометр;

• решение в виде ряда этого уравнение для случая линейной связи потенциалов, позволившее оценить область применимости стандартной процедуры восстановления спектров и улучшить в 2−3 раза их разрешение;

• уравнение связи между функцией распределения по энергии и сигналом на выходе, учитывающее флуктуации прикладываемых к дисперсионному спектрометру потенциалов и решение этого уравнения;

• уравнение связи между сигналом и функцией распределения для магнитных спектрометров при условии линейной связи элементов магнитной оптики, и полученные на его основе уравнения для тандемного энерго-масс-спектрометра с двойной фокусировкой и магнитного спектрометра с разверткой ускоряющим напряжением, работающего в собственном магнитном поле плазменных установок;

• приближенная аналитическая формула для восстановления спектра в электростатическом спектрометре с предварительным замедлением, позволившая объяснить наблюдающуюся для некоторых типов спектрометров корневую зависимость функции пропускания от энергии.

Основные результаты работы были представлены на XII, XIII, XX международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (1995, 1997, 2011 Звенигород), 6th Conference on Application of Surface and Interface Analysis «ECACIA 95» (1995 Montreux, Switzerland), в материалах VI российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (2008), а также изложены в работах [44]-[48], [52], [53],[62],[63].

Автор благодарен проф. В. А. Курнаеву за научное руководство и поддержку при проведении исследований.

Список публикаций по теме диссертации:

В журналах из списка ВАК:

1. Курнаев В. А., Урусов В. А. Влияние аппаратных функций электростатических и магнитных анализаторов на обработку экспериментальных результатов // ЖТФ. 1997. Т.67. № 6. с. 86−91.

2. Курнаев В. А., Урусов В. А. Влияние флуктуаций потенциалов на аппаратные функции электростатических анализаторов // ЖТФ. 1997. Т.67. № 6, с. 92−95.

3. Еванов A.A., Курнаев В. А., Левчук Д. В., Трифонов H.H., Урусов В. А. Отражение дейтерия от бериллиевых мишеней с различной шероховатостью.// Известия РАН. Серия физическая. 1998. Т. 62. № 04. с. 751−755.

4. Курнаев В. А., Урусов В. А. Восстановление энергетических спектров для спектрометров с предварительным замедлением из диафрагм с круглыми отверстиями // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 10. С. 24−30.

В других рецензируемых источниках:

5. Курнаев В. А., Урусов В.А.//Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том.(под. редакцией академика В.Е. Фортова).М.: Наука.2000. Т.2. С. 623.

6. Коборов H.H., Курнаев В. А., Урусов В. А. Устройство для измерения дифференциальных параметров отраженного пучка// Взаимодействие ионов и плазмы с поверхностью твердого тела / под ред. Тельковского В. Г. / М.:Энергоатомиздат.1986. С. 22- 31.

7. Курнаев В. А., Урусов В. А. Аппаратные функции электростатических и магнитных анализаторов и обработка экспериментальных результатов. Препринт № 018−95.М.: МИФИ. 1995. 36 с.

В материалах международных и национальных конференций:

8. Курнаев В. А., Урусов В. А. Аппаратные функции электростатических и магнитных анализаторов и обработка экспериментальных результатов//Труды XII международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью». Т. 1. М.: 1985. С. 185 -187.

9. Еванов A.A., Курнаев В. А., Левчук Д. В., Трифонов H.H., Урусов В. А. Отражение дейтерия от бериллиевых мишеней с различной шероховатостью//Труды XIII международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью». Т. 1. М.: 1987. С. 194 -197.

10.Kurnaev V.A., Urusov V.A. Apparatus function of electrostatic and magnetic analyzers and experimental data processing//6th Conference on Application of Surface and Interface Analysis «ECACIA 95» (1995 Montreux, Switzerland) abstract QA 36.

11. Курнаев В. А., Урусов В. А. Сравнительный анализ режимов работы спектрометров с предварительным замедлением//Материалы VI российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды». 2008. М.: МИФИ. С. 127−129.

12. Урусов В. А. Восстановление энергои масс-спектров для спектрометров с двойной фокусировкой//Труды XX международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью». Т.1 .М.: 2011. С. 359 -361.

Заключение

.