Способ определения характеристик ионов космической плазмы

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛ 40 51 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТткРытиям К АВТОРСКОМУ ЕЛЬСТВУ м. грев Опз оп Е, ЕРИМЫ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1173465, кл, Н 01 49/32, 1984,6,61 оесЮег ет а 1. Тйе сйагце - епегпазз зрестгогпетег аког 0,3 - 300 Кеч/оп тпе агпрТЕ ССЕ-ЕЕ Е ТсапзОеозсепсе Беглове Яепп 9, 1985. Ч. ОМ. 5, р. 234-240.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТСТИК ИОНОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗ(51) Изобретение относится к способаледования излучения и потоков элеме Изобретение относится к способам исследования излучения или потоков элементарных частиц и может быть использовано для определения характеристик ионов космической плазмы.Одной из важнейших задач в настоящее время является проведение быстрого измерения концентрации и функции распределения ионов в магнитосферах планет в связи с особой изменчивостью характеристик потоков заряженных частиц в этих областях. Решение этой задачи имеет большое значение для геофизики, физики космического пространства и физики плазмы.Масс-спектрометрический метод является наиболее эффективным для решения таких задач,.Известные способы анализа ионов в постоянных электрических и маг, 501723 ных частиц и может быть использовано для определения концентрации и полной функции распределения ионов магнитосферной плазмы масс-спектрометрическим способом. Целью изобретения является повышение чувствительности способа. Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, разделение ионов в пространстве дрейфа и определение концентрации ионов и распределение их по энергии в зависимости от времени пролета, на ионы воздействуют ускоряющим и отражающим полями со сферическим распределением потенциалов, связанными по величине определенны-, ми соотношениями 1 ил. нитных полях не позволяют определять одновременно все основные характеристики потока и возникает необходимость лроводить последовательные измерения, Это приводит к ограничению скорости анализа из-за большой продолжительности цикла измерений 10 з - 104 с,Известен способ(11 определения характеристик ионов космической плазмы, включающий последовательное воздействие на поток постоянным однородным магнитным полем и аксиальным электростатическим полем, векторы напряженностей которых на разделяющей их границе параллельны.Он позволяет одновременно определять по количеству регистрируемых ионов и их пространственному распределению функцию распределения ионов по энергии дляпрототипа. Кроме того, распределение потенциалов в ускоряющем и отражающемэлектрических полях должно быть сферически симметричным. Только такая форма поля позволяет совместить во времени анализсостава и углового распределения исследуемых ионов.Критичными признаками предлагаемого способа в совокупности с описаннымипризнаками являются также величины указанных потенциалов, которые выбираютсяиз соотношения, приведенного в формулеизобретения,Выполнение соотношения (1) позволяетодновременно для широкого спектра ионовопределять функцию их распределения нетолько в пространстве координат, но и впространстве скоростей.Невыполнение соотношения (1) нарушает условия одновременности измеренияхарактеристик космической плазмы, в томчисле и функции распределения ионов повторому пространственному углу и по энергии. Определение последней характеристики является также существеннымпризнаком заявленного способа, поскольку,это позволяет получить полную картину распределения ионов в пространстве координат и скоростей, что приводит к увеличениючувствительности.Таким образом, каждый из перечисленных признаков необходим, а их совокупность достаточна для решенияпоставленной задачи.Докажем соответствие предлагаемогоспособа критерию существенные отличия.Определение характеристик ионов космической Плазмы проводится с помощьюразнообразных способов анализа в статических магнитных и электрических полей и повремени пролета, Однако информация, получаемая с их помощью, не позволяет одновременно определять характеристикиисследуемого потока, что увеличивает циклизмерений, Наибольший прогресс достиг- .нут в следующих способах, Первый - использует разделение ионов в статическихэлектрическом и магнитном полях 1, В немодновременно измеряется функция распределения ионов по энергии в широких пределах последовательно для каждого. сортаионов, что примерно в 10 и более раз повышает чувствительность по отношению к традиционным. Во втором способе,использующем времяпролетную методику,одновременно измеряется функция распределения ионов по одному пространственному углу для широкого спектра исследуемыхмасс. Здесь также не представляется возможным одновременно определять пространственные и энергетические характеристики, так как это по 1 ребовало бы значительного увеличения размеровмасс-спектрометра,5 Для приведенных способов цикл измерения составляет соответственно 10 и 10зс при условии равномерного заполненияфункции распределения исследуемыхионов в потоке 510 ион /см, стер,с. Вб 210 конечном счете последовательный анализснижает информативность измерений, чторавносильно снижению чувствительности, ине дает возможности точно определить функцию распределения ионов в быстроменяю 15 щемся потоке,Одновременное определение функциираспределения ионов в широком диапазонемасс, энергией и углов до настоящего вре мени не осуществлен:20 Авторами впервые предложена определенная связь между ускоряющим и отражающим электрическими полями по величинеи геометрии, причем ранее закономерностивлияния ее на повышение чувствительности25 известно не было, соотношение потенциалов указанных полей предлагается находитьпо выведенной авторами зависимости.Таким образом, новая совокупностьвзаимосвязанных существенных признаков30 обеспечивает одновременную селекциюионов по массе, энергии и направлениюдвижения, т,е, достигнут положительныйэффект, изложенный в цели изобретения.На чертеже представлена схема анали 35 затора для реализации предложенного способа, содержащего источник 1 ионов собластью 2 ускорения. областью 3 дрейфаионов, областью 4 отражения ионов и приемник 5 ионов,40 Способ определения характеристикионов космической плазмы реализуетсяследующим образом. Исследуемые ионыдля верхней магнитосферы Земли: Н, Не,Не, О, О ) подают в область воздействия45 ускоряющего сферического поля (ру,к=500 В)и увеличивают их кинетическую энергиюна величину еруо, о, где о - кратность заряда иона. Далее ионы вводят каждый (Т=- =4 мкс) в течение 20 нс через входное колли 50 мирующее отверстие диаметром 3 мм в бесполевой дрейфовый промежуток, Областьускорения должна находиться в пределах1,5 см от коллимирующего отверстия, которое, в свою очередь, удалено на 1,5 см от55 центра кривизны сетчатых пластин радиусами г 1 = 12 см и г 2 = 15 см, имеющих сферическую форму и обеспечивающихотражающее поле за счет подачи на нихразности потенциалов р,р 1500 В. После1723601 возможность обеспечивае 1 ся блдодаря созданию условий одновременной селекции ионов по массе, энергии и направлению движения,Способ позволяет проводить анализ состава магнитосферной плазмы и особенно эффективен при изучении потоков с широким угловым и энергетическим распределением ионов,5 Способ определения характеристик ионов космической плазмы, включающий воздействие на исследуемые ионы ускоряющим электрическим полем, разделение ионов в пространстве дрейфа, измерение количества ионов, времени их прихода и пространственного распределения, определение по измеренным параметрам концентрации и функции распределения ионов в исследуемом потоке по одному из двух пространственных углов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности, после ускорения ионы в интервалах времени 1 с периодом повторения Т вводят в дрейфовый промежуток через коллимирующее отверстие, после дрейфа на них воздействуют отражающим электрическим полем, образованным разностью потенциалов нотр, причем ускоряющее и отражающее электрические поля имеют сферическое распределение потенциала, а величины разности ускоряющего и отражающего потенциалов определяют из соотношения гг 11 Е (Тмин) е гг Ц ЖОЯ 40 50 55 отражения и дрейфа ионы вводят во входное отверстие приемника. расположенное относительно центра кривизны пластин с радиусами поверхностей г 1 и гг на расстоянии 1,5 см в сторону, противоположную по отношению ко входному окну. В качестве приемника ионов компонент низкой распространенности используется шевронная сборка микроканальных пластин с координатно-чувствительным коллектором,Измерения осуществляются следующим образом. Распределение ионов, например, Н по энергии определяется через измерение зависимости интенсивности регистрируемого приемником потока частиц от времени. Для диапазона энергии 0 - 1 кэВ время прихода ионов водорода на приемник изменяется от Т(Емакс) = 0,626 мкм до Т(Емин) = 0,864 мкс; причем разрешающая способность по энергии изменяется так: для Е =35 эВ 9-1,0;для Е =500 эВ Е 3,3;Е,для Е =- 1 кВ 4,0. Концентрацию ионов Н можно определить как в дифференциальном, для каждого значения энергии или угла, так и в интегральном виде, сопоставляя интенсивности сигналов от различных ионов за соответствующий интервал времени, Разрешающая способность по массе на уровне основания составляетл 2, т,е. позволяет уверенно разрешать все укаэанные компоненты магнитосферной плазмы Земли. Измерение углового распределения исходного потока проводится на некотором расстоянии от области пространственной фокусировки пучка, Выбор этого расстояния ъ 1,5 см обеспечивает разрешающую способность по любому из углов 15. На чувствительную поверхность приемника проецируется картина распределения интенсивности потока в двух взаимно перпендикулярныхх координатах, соответствующих двум исходным пространственным углам,Несмотря на то, что пример конкретной реализации приведен только для ионов Н и только для магнитосферы Земли, общность свойств - наличие одновременной селективности способности ионов по массе, энергии и направлению движения - позволяет считать, что предлагаемый способ применим для широкого спектра плазменных объектов,Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение чувствительности в 10-100 раз, что увеличивает информативность исследований в космическом пространстве и позволяет получить мгновенную полную функцию распределения исследуемых ионов, Такая 10 15 20 25 30 35 Формула изобретения где (Тнин) = 1/2 (Еин + Ес + 2 ецТ(Е) - интервал времени от момента входа иона с энергией Е в дрейфовый промежуток до момента его измерения, е;г 1 - внутренняя граница области отражения, см;гг - наружная граница области отражения, см;Емин минимальная энергия исследуемых ионов, кэВ,Емакс максимальная энергия исследуемых ионов, кэВ,Тмин - минимальное время пролета для ионов с энергией Е(Тмин);е - заряд электрона;г 1 - кратность ионизации иона,1723601 10 Составитель А.КатиноваТехред М,Моргентал Корректор С.Черни Редактор Т,Орловская Заказ 1066 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 А - коэффициент из выражения Т -А(ЕЕ(Тмин + Тмин, аппроксимирующего выра 2жения для Т(Е) на участке от Ею до Емакс. при этом одновременно с определением упомянутых характеристик по тем же параметрам определяют функции распределения ионов по второму пространственному углу и по энергии.5.