1.2.4. Электростатические линзы

Электростатические линзы представляют собой устройства, создающие систему искривленных эквипотенциальных поверхностей, наподобие оптических линз. Подобные устройства способны фокусировать ионные пучки при наличии высокого вакуума.

В данном случае эквипотенциальные поверхности электростатического поля будут являться для ионов преломляющими поверхностями. Если данное поле имеет кривизну, то оно действует на ионный пучок как оптическая линза.

П ростейшую электростатическую линзу можно получить с помощью

д

α

вух дисков D₁ и D₂, один из которых выполнен в виде диафрагмы (рисунок 6)

В точке А находится источник ионов, Е₁ и Е_2-напряженности электрического поля.

Собирающее или рассеивающее действие линзы, образованной

диафрагмами, зависит от величины потенциалов U, прикладываемых на эти диафрагмы.

На рисунке 7 приведены примеры электростатических линз, а рядом показаны их оптические аналоги.

На рисунке 7а, при (U₂ -U₁) > (U₁ - U₀) имеем собирающую электростатическую линзу, а на рисунке 7б, при (U₀ -U₁) > (U₁ - U₂)-рассеивающую электростатическую линзу.

Т

а)

б)

аким образом, можно утверждать, что любое электростатическое поле, образованное системой электродов и дающее криволинейное пространство эквипотенциальных поверхностей, является для ионного пучка фокусирующей линзой.

Такие линзы широко используются в ионных источниках масс-спектрометров для фокусировки ионных пучков.

1.2.5. Движение ионов в продольном однородном магнитном поле

Как уже отмечалось, все существующие источники ионов дают слаборасходящийся ионный пучок, что ведет к появлению искажений при регистрации ионных токов. Появляется необходимость фокусировки таких пучков.

α

а)

б)

r

Разделение ионных пучков по массам с одновременной их фокусировкой можно провести в однородном магнитном поле соленоида (рисунок 8).

Предположим, что в точке А расположен точечный источник ионов. Рассмотрим сечение, плоскость которого расположена внутри соленоида и направлена вдоль его оси X (рисунок 8б).

Будем считать, что начальный вектор скорости υ₀. Тогда его составляющая υ_y = υ₀ Sin α, благодаря лоренцовской силе, приведет к вращению иона по окружности в плоскости YAZ (рисунок 8а) по закону

(14)

где r-радиус вращения иона, H-напряженность магнитного поля внутри соленоида.

В результате поступательного и вращательного движений ион будет перемещаться по винтовой линии. Совершив полный оборот, он опять возвратится на ось в токе К.

Абсцисса X_К точки К находится из условия:

, (15)

где τ- время движения иона от точки А до точки К.

Время τ является также временем движения иона по замкнутой окружности радиуса r

. (16)

Рассматривая пучок ионов, выходящих из точки А, мы получаем в точке К "изображение" точечного ионного источника. Таким образом, величина X_К есть фокусное расстояние f нашей магнитной системы

. (17)

Если менять величину H при q=const, то можно приводить сфокусированные ионы разной массы в разные точки на оси X, т.е. производить разделение ионов по массам.

Рассмотренные свойства магнитного поля можно использовать как для фокусировки, так и для разделения ионов. Но надо иметь при этом в виду, что источник и приемник ионов необходимо помещать внутри соленоида, а это вызывает конструкционные трудности.