Детектор ионных пучков

(19) (И) 1 Т 1 29 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМ В ЕТЕЛ ВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Алексеенко С,А., Аруев Н.НМамырин Б.А., Огурцова Н.А.,Рязанцева Н.Н. Масс, - спектрометрический анализ изотопов водорода и гелия. Атомная энергия, 51, вып. 1, 27,1981.Ра 3.у Б.Н, Бс 1 пС 111 аСоп Суре щаяяяресСгощеСег оп йеСесСог. БечечоГ Яс 1 епИИс 1 пяСгшпепСя 31, В 3,264, 1960.Авторское свидетельство СССРУ 462601, кл. О 01 Б 27/62.(54)(57) 1. ДЕТЕКТОР ИОННЫХ ПУЧКОВ, состоящий из расположенных в вакуумной камере ионно-электронного преобразователя, анализатора энергий электронов, сцинтиллятора и регистрирующего устройства, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью обеспечения возможности измерений ионных токов при наличии-активной газовой компоненты, сцинтиллятор выполнен в виде монолитного экрана из СаР (Ец) с вакуумно-плотным защитным слоем фоторезиста.2. Детектор по п. 1, о т л и " ч а ю щ и й с я тем, что в качестве защитного слоя сцинтиллятора использован фоторезист ФПтолщиной 7-8 мкм.1 .11Предлагаемое изобретение относится к области измерения ионных пучков в масс-спектрометрии и в анализаторах атомных частиц и, в частности, может быть использовано при решении задач по изотопному и химическому анализу газовых смесей, содержащих изотопы водорода и гелия, включая радиоактивный тритий,Регистрация масс-спектров и проведение измерений,припомощи обычноприменяемых вторичных электронныхумножителей с открытым входом (типаВЭУ, ВЭУ, ВЭУ-б) практически невозможны при наличии в камере массспектрометра или анализатора атомныхчастиц )3-активного трития. Это связано с тем, что нейтральные атомы имолекулы трития сорбируются на всехвнутренних поверхностях анализаторов,11 1а также в виде ионов вбиваются врабочие поверхности динодов ВЭУ. Врезультате распада ядер трития фоновые токи ВЭУ возрастают на много порядков, что влечет за собой снижениечувствительности анализаторов в целом и невозмбжность проведения точныхизмерений.Известен детектор ионных пучков,состоящий из алюминиевой мишени-эмиттера с плоской рабочей поверхностьюи сцинтиллятора, плоскость которогопараллельна рабочей поверхности эмиттера. Эти элементы детектора располагаются внутри вакуумной камеры.Фотоумножитель, регистрирующий световые импульсы сцинтиллятора, расположен вне вакуумной камеры.Принцип работы этого детектора основан на преобразовании ионов во вторичные электроны с последующим преобразованием электронов в световыеимпульсы, которые регистрируются фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).Сигнал с анода ФЭУ поступает либо наэлектрометрический усилитель, либона систему счета импульсов. Металлическая мишень-эмиттер находится подвысоким отрицательным потенциалом30-40 кВ. Положительные ионы анализируемых веществ ускоряются в поле мишени и выбивают с ее поверхности вторичные электроны, которые этим же самым полем ускоряются до энергий, соответствующих потенциалу мишени, ипопадают на сцинтилляторПоверхностьсцинтиллятора покрыта тонким (100 о1000 А) слоем металла, который практически прозрачен для электронов с 23392 2такой энергией. Слой металла служитанодом для вторичных электронов и,кроме того, препятствует обратномуотражению света в сцинтилляторе, повьппая эффективность регистрационныхионных токов.Однако детектор такой конструкциине дает возможности проводить измерения масс-спектра при наличии в прибореф -активной газовой компоненты,например трития. Лело в том, что,нейтральные атомы и молекулы тритиясорбируются на всех внутренних поверхностях прибора и в том числе на15 поверхности сцинтиллятора. Распадядер трития приводит к возникновениюбольших фоновых токов детектора, непозволяющих проводить измерения слабых ионных пучков.В детекторе ионных пучков, принятом за прототип, состоящем из расположенных в вакуумной камере ионноэлектронного преобразователя, анали-,затора энергий. электронов, сцинтил 25 лятора и регистрирующего устройства,между мишенью-эмиттером ионна-электронного преобразователя и пластическим сцинтиллятором помещен магнитныйанализатор, который пропускает насцинтиллятор вторичные электронытолько в определенном интервале энергий. Световые вспьппки со сцинтиллятора проходят через призменный светопровод и регистрируются двумя ФЭУкоторые через дискриминаторы-формирователи и линию задержки подключены к схеме совпадений СС, и пересчетной схеме. Для регистрации рентгеновского излучения, возникающего на мишени-эмиттере при соударении с ней40ионов, предусмотрен второй каналрегистрацииСигнал с него поступаетна схему совпадений СС куда такжеприходит сигнал с СС, При совпадении сигналов на схему антисовпадений(САС) поступает сигнал "отсчет". Кроме того, на САС поступает сигнал сФЭУ, который регистрирует фоновыеизлучения: космические лучи, внешниенаводки и т.д,50Такое детектирующее устройствопозволяет регистрировать отдельные ионы и измерять предельно малые точ-оки 10 Л. Однако работа устройства невозможна при анализе газовых смесей, содержащих-активную компоненту, в частности тритий, Известно, что период полураспада трития сос 3 11 тавляет12,35 года, средняя энергия р-электронов 5,6 кэВ, а максимальная энергия 1 ф,б кэВ. При напуске газовых проб нейтральные атомы и молекулы трития сорбируются на всех внутренних поверхностях анализатора и детектирующего устройства. Если учесть, что при монослойном покрыгтии на 1 см поверхности, например поверхности сцинтиллятора, может на 15ходиться 10 атомов трития, то они могут дать 10 распадов (с см ),б г т,е. плотность фонового токар -электронов с поверхности сцинтиллятора может достигать величин м 10 " А/смг. Распад ядер трития на внутренних поверхностях камеры детектора также дает вклад в фоновый ток. Если принять во внимание, что площадь внутренних поверхностей камеры детектора значительно больше площади поверхности сцинтиллятора, то эта составляющая фонового тока может также дос тичь величин щ 0 А. Вклад в фоновый ток от распада ядер трития, находящихся в объеме детектора при обычных рабочих давлениях 10 мм рт.ст. с учетом объема, значительно меньше приведенных величин и вданном случае может не учитываться. .При таких фоновых токах регистрация масс-спектра с помощью системы счета импульсов практически невозможна,Следует заметить, что водород и, в частности, тритий способны накапливаться на поверхностях по мере работы с ними, причем их удаление связано с большими трудностями. Таким образом, при работе прибора даже с минимальными количествами трития со временем происходит увеличение фона,Цель изобретения - обеспечение возможности измерений ионных токов при наличии в приборе-активной газовой компоненты.Цель достигается тем, что в детекторе ионных пучков для масс-спектрометра, включающем размещенные в вакуумной камере ионно-электронный преобразователь, анализатор энергий электронов, сцинтиллятор и регистрирующее устройство, сцинтиллятор выполнен в вице монолитного экрана из СаГ (Еи) с вакуумно-плотным защитным2слоем фоторезиста, а в качестве защитнбго слоя сцинтиллятора использован фоторезист марки ФПтолщиной7-8 мкм.55 ускоряется в электрическом поле мишени ионно-электронного преобразователя 1. Ускоренные ионы выбивают из поверхности металлической мишени-эмит 23392 4Применение в детекторе монолитногосцинтиллирующего экрана из СаР (Ец)обусловлено следующими причинами.Во-первых, в СаГ (Еи)-кристалле неможет происходить, изотопного обменаводорода и трития, как в случае органических сцинтилляторов, применяемыхв прототипе. Во-вторых, этот кристаллне растворим в воде, что, в отличиеот гигроскопических люминофоров, неизменяет его характеристик при наличии в приборе паров тритированнойводы.Применение в качестве защитногослоя фоторезиста обусловлено следующими обстоятельствами. Данных о коэффициентах диффузии изотопов водородав фоторезистах в литературе нет, имеханизм водородопроницаемости пленокфоторезиста не изучен.Эксперименты показали, что в течение нескольких месяцев фоновый токФЭУ в детекторе оставался постоянными, следовательно, водородопроцицаемость пленки фоторезиста на много порядков меньше, чем водородопроницаемость исследованных металлических пленок с такой же эффективной толщиной,Влияние изотопных эффектов в слое 30фоторезиста за длительный период работы детектирующего устройства не замечено.Таким образом, совокупность всехотличительных признаков обеспечиваетвозможность регистрации масс-спектров ф 5 при наличии в приборе Р-активной газовой компоненты, в частности трития иего соединений.На чертеже изображен предлагаемыйдетектор ионных пучков .40 Он содержит ионно-электронный преобразователь 1, анализатор энергийэлектронов - энергоанализатор 2, монолитный сцинтиллирующий экран 3 изСаГ (Еи), покрытый защитным слоем 4 45 фоторезиста, на поверхность которогонанесен проводящий слой 5 А 3 Все узлы детектора расположены внутри ва-.куумной камеры б. ФЭУ 7, являющийсярегистрирующим устройством, располо 50жен вне вакуумной камеры.Принцип работы детектора заключается в следующем.Лучок положительных ионов, прошедший выходную щель масс-спектрометра, 112339240 45 50 55 тера вторичные электроны, которые обладают начальными энергиями (10 эВ,Эти электроны ускоряются в поле мишени до энергий 30 кэВ и после прохождения энергоанализатора 2 попадаютна сцинтиллирующий экран 3, покрытый защитным слоем 4 фоторезиста,на который нанесен тонкий проводящийслой 5 А 1., р-электроны, образовавшиеся при распаде ядер трития на рабочей поверхности мишени, в поле мишени приобретают дополнительную энер. -гию, и их суммарная энергия значительно превышает 30 кэВ. Поэтому онине пропускаются энергоанализатороми не дают вклада.в фоновый ток.1-электроны, образовавшиеся при распаде ядер трития на поверхности защитного слоя фоторезиста, полностьюпоглощаются этим слоем и также недают вклада в фоновый ток детектора. При использовании защитного слояиз ФПтолщиной 7-.8 мкм более 307вторичных электронов, вышедших изэнергоанализатора, проходят защитный слой, высвечивают сцинтиллирующий экран и регистрируются ФЭУ 7,который расположен снаружи вакуумнойкамеры 6. Потери в защитном слое незначительны, в то время как фоновыйток )э-электронов подавляется полностью.П р и м е р, После моделированияи расчета на ЭВМ траекторий частиц вдетекторе, определения оптимальныхразмеров узлов и их взаиморасположенияизготовлен детектор ионных пучков,Мишень ионно-электронного преобразователя выполнена в виде сферы.сосрезанным сегментом. Образованнаяплоскость среза является рабочей поверхностью мишени. Мишень выполненаиз высокоуглеродистой стали маркиШХ 15 и тщательно отполирована, чтобы исключить возникновение автоэлектронной эмиссии с ее поверхности. Мишень поддерживается под отрицательнымпотенциалом30 кВ. В качестве энергоанализатора использован электростатический анализатор, выполненный ввиде плоского конденсатора с электродами из сеток, передняя по отношению к рабочей плоскости мишени обкладка которого находится под нулевым потенциалом, а задняя - под потенциалом около 27 кВ. Энергоанализатор расположен таким образом, что 5 10 15 20 25 30 35 бы пучок вторичных электронов разворачивался в направлении сцинтиллирую-щего экрана, плоскость которого. перпендикулярна рабочей плоскости мишени. Для уменьшения расходимости пучка вторичных электронов между энергоанализатором и мишенью расположенадиафрагма с круглым отверстием, находящаяся под нулевым потенциалом,плоскость которойпараллельнарабочей плоскости мишени, Монолитный сцинтиллирующий экран из СаР (Ец) приклеен клеем "Зластосил 1.1-2" к плоскому оптическому окну, являющемуся частью вакуумной камеры. Плоскость сцинтиллирующего экрана, обращенная к энергоанализатору, покрыта вакуумно-плотным слоем фоторезиста ФПтолщиной 7-8 мкм, На фоторезист нанесен тонокий (100 А) проводящий слой А 1, который препятствует накоплению электрического заряда на поверхности фоторезиста, Для предотвращения прямого попадения В.-электронов, образовавшихся при распаде ядер трития на поверхности мишени, на сцинтиллирующий экран перед ним установлена диафрагма с круглым наклонным отверстием, ось которого совпадает с осью пучка вторичных электронов, вышедших из энергоанализатора. Все перечисленные узлы находятся внутри вакуумной камеры. Напротив оптического окна вне вакуумной камеры располагается ФЭУ, который и регистрирует световые импульсы от сцинтиллирующего экрана. В настоящее время предложенный детектор пучков работает в токовом режиме в сочетании с магнитным резонансным масс-спектрометром сверхвысокого разрешения. Фоновый ток детектора полностью определяется собственным темновым током используемого экземпляра ФЭУ. Приведенный к входу детектора (т.е, с учетом коэффициента умножения), он составляет (5-7)фи 10 " А. Такой фоновый ток уже в настоящее время позволяет регистрировать масс-спектр изотопов водорода игелия, в том числе дублет Не -Т , сдостаточно высокой абсолютной чувствительностью. Очевидно, переход в режим счета отдельных ионов, что непредставляет принципиальных трудностей, может дать дополнительный существенный выигрыш в абсолютной чувствительности детектора.1123392 Редак Письма ехред И.Верес Корректор А. Обруч Заказ 338/ т 11Патент , г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж 728 Подписное НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4