Адаптация фильтра вина для диагностики результатов разделения многокомпонентного потока ионов в масс-сепараторе помс-е-з

АДАПТАЦИЯ ФИЛЬТРА ВИНА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО

ПОТОКА ИОНОВ В МАСС–СЕПАРАТОРЕ ПОМС–Е–3

Нгуен Тхе Тханг, Строкин Н.А., Казанцев А.В.

ФГБОУ ВО «ИРНИТУ»

nguen.tkhe@yandex.ru

В 1901 г. Вильгельм Вин разработал прибор для исследования анодных лучей в скрещенном магнитном и электрическом поле – фильтр Вина [1, 2]. Этот прибор широко применяется в прикладных исследованиях в качестве масс–сепаратора по скоростям [3-5] или энергоанализатора [6, 7]. Такие сепараторы имеют небольшие габариты, регулируемую дисперсию, простую вакуумную систему, низкую стоимость; просты в изготовлении и эксплуатации [8].

Одной из актуальных задач физики плазмы в настоящее время является разделение многокомпонентного потока ионов на элементы или группы элементов [9]. Попытка измерения результатов разделения трехкомпонентного пучка ионов в сепарирующем пространстве плазмооптического масс–сепаратора ПОМС–Е–3 с помощью классического «длинного» фильтра Вина (ФВ) с детектором, вынесенным за область Е×В–полей фильтра в точку его фокуса, окончилась неудачей. Причина – не получилось «довести» ионы до детектора из-за их существенно трехмерных траекторий; ионы погибали на элементах конструкции ФВ. В докладе сообщается о разработке – адаптации фильтра Вина для диагностики результатов плазмооптической масс–сепарации: теория, программа измерений и предварительной обработки результатов, конструкция, тестовое измерение.

На рис. 1 показана схема ФВ со скрещенными магнитным и электрическим полями [pic 1], входной и выходной диафрагмами с размерами в плоскости дисперсии по скоростям равными S1 и S2; d – расстояние между электродами, L – длина фильтра.

[pic 2]

Рис. 1. Схема фильтра Вина

На ион в ФВ действуют силы со стороны электрического и магнитного полей [1, 2]. Применяя второй закон Ньютона, можно для иона написать уравнение движения [pic 3],                (1)

где q = 1,6.10–19 Кл, m – масса (кг), a – ускорение (м/с2), V – скорость иона (м/с), B – индукция магнитного поля (Тл), E – напряженность электрического поля (В/м).

В декартовой системе, траектория движения частицы может быть описана системой уравнений:

        [pic 4]                                                (2)

Предполагается, что ион вводится в область действия полей со скоростью V под углом α к оси X; по направлению Z частица не перемещается. Решив систему (2) с заданными начальными условиями в точке старта О(0) = (0, Y0, Z0): [pic 5]при [pic 6] и циклотронной частоте ω = qB/m, получаем уравнения траектории движения частицы в плоскости ху:

[pic 7]        (3)

Траектория движения иона в зависимости от ключевых параметров была смоделирована в программе LabVIEW. На рис. 2 показаны траектории движения ионов He+, N+, Ar+ в скрещенных полях при одинаковых энергиях W = 1 кэВ и направлениях начальной скорости (α = 3°); ионы падают в поля В = 0,09 Тл, Е = 6250 В/м.

[pic 8]

Рис. 2 – Траектория движения ионов разных масс (Ar+, N+, He+)

с начальной энергией 1 кэВ; угол падения α = 3°.

Видно, что при заданной энергии траектория движения иона зависит от его массы: чем больше масса, тем больше период и высота траектории движения; происходит разделение частиц по массам в пространстве.