УДК 523
ПАНОРАМНЫЙ ЭНЕРГО-МАСС-СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ ДИ-АРИЕС
ДЛЯ ПРОЕКТА ФОБОС-ГРУНТ
© 2010 г. О. Л. Вайсберг, Г. В. Койнаш, П. П. Моисеев, Л. А. Аванов, В. Н. Смирнов|, В. В. Летуновский, В. Д. Мягких, А. К. Тоньшев, А. В. Лейбов,
А. А. Скальский, Д. П. Березанский, Л. С. Горн, А. А. Коновалов
Институт космических исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 24.04.2010 г.
Одной из основных задач проекта Фобос—Грунт является анализ состава поверхности Фобоса. Плазменные методы исследования позволяют дополнить прямые исследования поверхности измерениями малых составляющих солнечного ветра, образующихся при ионизации распыленного вещества поверхности Фобоса. Распыление поверхности Фобоса происходит при воздействии на нее протонов солнечного ветра, энергичных ионов, жесткого излучения Солнца и метеоритов. Помимо исследования Фобоса, в задачу эксперимента входит изучение взаимодействия солнечного ветра с Марсом. На основе предложенного ранее нового типа анализатора заряженных частиц КАМЕРА (\aisberg и др., 2001; \aisberg, 2003; Вайсберг и др., 2005) был разработан энерго-масс-спектрометр ионов, который обеспечивает полное одномоментное изображение распределения интенсивности потока различных ионов в полусфере. В работе описаны электронно-оптическая схема прибора и результаты численных и лабораторных испытаний прибора. Такой прибор может найти применение как в магнитосферных исследованиях, так и при исследовании различных объектов Солнечной системы.
PACS: 96.30.Hf
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость широкого угла обзора плазменных приборов диктуется задачами исследования космической плазмы и условиями работы на космических аппаратах. Так как плазменные анализаторы высокого разрешения имеют узкую угловую диаграмму, широкий обзор обеспечивается либо установкой на спутнике нескольких анализаторов, либо сканированием различных направлений при вращении спутника, либо электростатическим управлением угловой диаграммой. Наиболее распространенным в последние годы плазменным анализатором является top-hat анализатор с 360-градусным полем зрения, в котором проводится анализ частиц по энергии (Carslon и др., 1985). Таким образом, прибор в каждый момент времени измеряет плотность потока частиц в одномерном кольцевом сечении в пространстве скоростей. Для измерения трехмерной функции распределения заряженных частиц по скоростям необходимо, кроме сканирования по энергии, сканирование по перпендикулярному к полю зрения направлению. Это требует установки прибора на вращающемся космическом аппарате, либо использования электростатического скана по углу, либо установки нескольких анализаторов.
Нами был предложен метод измерения распределения заряженных частиц в пространстве скоростей, использующий новую электронно-оптическую схему с зеркалом специальной формы (\Vais-Ье^ и др., 2001; \aisberg, 2003; Вайсберг и др., 2005). Это зеркало позволяет преобразовать распределение заряженных частиц от 0° до 90° по полярному углу в узкоколлимированный пучок с тем, чтобы его можно было анализировать и зарегистрировать на позиционночувствительном детекторе. При этом обеспечивается полный незатененный обзор полусферы, однозначное соответствие между углом входа частицы и положением на детекторе частиц и приемлемое угловое разрешение. Предложенная схема по своим функциональным особенностям является электронно-оптическим аналогом камеры всего неба и линзы "рыбий глаз" в оптике. В работах (\usberg и др., 2001; \usberg, 2003; Вайсберг и др., 2005) описан принцип электронно-оптического устройства, результаты его численного моделирования, результаты испытаний лабораторного макета и его характеристики. Основным преимуществом такой схемы является одномоментное измерение плотности потока частиц в 2-мерном сечении в пространстве скоростей, что оставляет необходимым только одно сканирование — по энергии. Таким образом, при быстрых изменениях условий в плазме измерения будут носить более достоверный
Рис. 1. Электронно-оптическая схема прибора (осевое сечение цилиндрически-симметричной конфигурации): 1 — входное щелевое окно, 2 — изображающее зеркало, 3 — электростатический затвор (гейт), 4 — входное окно электростатического анализатора, 5 — тороидальный электростатический анализатор, 6 — диафрагма, 7 — вторичное электростатическое зеркало, 8 — детектор частиц на основе МКП. Показаны траектории трех ионных пучков от входного окна до детектора с углами входа 0°, 45° и 90°. Ширина пучков по энергии 10%.
характер. Кроме того, потенциально обеспечивается большая чувствительность прибора и появляется возможность увеличения быстродействия прибора.
Основным типом масс-спектрометра для нетепловых заряженных частиц, используемого в настоящее время в космосе, является время-пролетный масс-спектрометр с регистрацией времени пролета между тонкой фольгой и детектором частиц (Glo-eckler и др., 1985), что, в дополнение к анализу по отношению энергии к массе в энерго-анализаторе, позволяет определить отношение массы к заряду. В большинстве случаев ионы в космосе являются однозарядными, и такая методика позволяет исследовать массовый состав горячей плазмы. Однако такой тип масс-спектрометра обладает рядом недостатков. Во-первых, для наиболее тонких фольг ~50 Ä необходимо дополнительное ускорение на 10—15 кВ, чего желательно избежать в космическом приборе. Но наиболее серьезным недостатком является малая величина разрешения по массе, М/АМ ~ 20, что определяется, в основном, разбросом частиц по энергии после прохождения фольги. В энергомасс-спектрометре для КА Cassini (McComas и др., 1998) было достигнуто разрешение по массе ~60 за счет фокусировки по времени пролета в электрическом поле специальной конфигурации, но необходимость большого ускорения ионов перед фольгой, вырабатывающей стартовый импульс, осталась.
Комбинация анализа в электростатическом и магнитном полях обычно применяется в масс-спектрометрах для исследования холодной плазмы. Однако даже для анализа низкоэнергичных ионов магнитный анализатор обладает значительной мас-
сой, а для нетепловых ионов магнитный анализатор будет неприемлемо тяжелым.
В настоящей работе показана возможность построения изображающего масс-спектрометра на базе КАМЕРЫ (\aisberg и др., 2001; Vaisberg, 2003; Вайсберг и др., 2005). Расчет электронно-оптической схемы и ее предварительных характеристик был проведен с помощью моделирующей программы 81МЮМ. Сначала описывается выбранный тип масс-спектрометра. Затем описываются конфигурация камеры с масс-спектрометром, видоизмененная в соответствии с требованиями работы на орбите спутника Меркурия, и приводятся полученные параметры массового разрешения. В Заключении описаны перспективы использования предлагаемого прибора и план дальнейших работ.
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ЭНЕРГО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРА
Прибор ДИ-Ариес входит в состав плазменно-магнитного комплекса ФПМС проекта Фобос— Грунт. Он предназначен для измерения распределения ионов по энергиям и углам (трехмерной функции распределения по скоростям) с возможностью разделения ионов по массе. Отличительными особенностями прибора являются: 1) одномоментное измерение распределения потоков частиц в угле 2я;
2) возможность независимого измерения распределения по энергиям и углам ионов различной массы;
3) высокая степень защищенности детектора частиц от фонового ультрафиолетового излучения. В данной модификации прибора выбор и сканирование частиц по энергии осуществляется с помощью
тороидального электростатического анализатора. При этом оказалось возможным использовать этот анализатор в качестве компоненты время-пролетного анализатора. Еще одним преимуществом прибора является хорошая защита детектора частиц от ультрафиолетового излучения. Особенностью предложенной схемы является прохождение анализируемого пучка частиц через узкое кольцевое входное окно и узкое отверстие на выходе, что позволяет использовать время-пролетную схему анализа ионов по массе.
На рис. 1 показано сечение цилиндрической электронно-оптической схемы прибора. Изображающим элементом является электростатическое зеркало 2, образующее изображение входной щели 1 прибора на щели 4. При этом 90-градусный меридиональный пучок, входящий в щель 1, преобразуется в ~10-градусный пучок для последующего анализа.
Торовый электростатический анализатор (ЭСА) используется для выбора ионов по энергии и как элемент масс-спектрометра. Энергетическое разрешение этого анализатора составляет ~ 10%. Ионы в
этой полосе пропускания после выхода из ЭСА попадают на вторичное зеркало 7, которое направляет ионы на координатно-чувствительный детектор частиц 8. Таким образом, на детекторе строится изображение полусферы, и с точностью до размытия пучка электронной оптикой имеется однозначное соотношение между направлением движения частиц в полусфере и их положением на детекторе частиц. Форма зеркала была оптимизирована с целью улучшения качества изображения щели 1 на плоскости 4.
В приборе применяется время-пролетный метод разделения ионов по массам. Ионы в электронно-оптической схеме с электрическим полем селектируются и анализируются по отношению энергии к заряду, E/q, и их скорости обратно пропорциональны квадратному корню из массы, пт1/2. Используя время-пролетный метод, можно провести анализ по массам (точнее, по отношению массы к заряду, ш/4). В нашем случае используется электростатический затвор для впрыскивания в масс-спектромет-
Рис. 4. (а) — детектор в сборе, (б) — коллектор типа клинья—полосы.
рическую систему короткого пучка ионов, которые достигнут детектора в течение времени, обратно пропорционального их скоростям. Принцип электростатического затвора, состоящего из тонких электродов, на которые подаются биполярные напряжения (+ на четные, — на нечетные, или наоборот) описан в работе (Stoermer и др., 1998).
Масс-спектрометрическая система состоит из электростатического затвора 3 и ЭСА 5. Масс-спектрометрическая мода инициализируется открыти-
ем электростатического затвора 3. Нормально в этой моде электростатический затвор закрыт подачей на его электроды чередующихся положительного и отрицательно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.