КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 6, с. 521-525
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ ^
УДК 535
ПАНОРАМНЫЙ ЭНЕРГО-МАСС-СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ: ОПЫТ РАБОТЫ В ПРОЕКТЕ ФОБОС-ГРУНТ
© 2014 г. О. Л. Вайсберг, П. П. Моисеев, Г. В. Койнаш, Л. А. Аванов, В. Н. Смирнов, В. В. Летуновский, А. К. Тоньшев, В. Д. Мягких, А. В. Лейбов, С. Д. Шувалов
Институт космических исследований РАН, г. Москва olegv@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 10.02.2014 г.
DOI: 10.7868/S0023420614060077
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании солнечного ветра, магнитосферы Земли и других планет важную роль играет корпускулярная диагностика, состоящая в исследовании распределения ионов и электронов по скоростям, а также масс-анализ ионного компонента плазмы. При этом необходимо проводить анализ энергетического распределения в широком диапазоне углов, ±30° для солнечного ветра и 2я для планетных магнитосфер.
Специфика космических исследований привела к созданию многих малогабаритных приборов, обладающих высокими метрологическими характеристиками. Наиболее часто используемым прибором на зарубежных космических миссиях является анализатор top-hat [5], представляющий собой модификацию сферического электростатического анализатора. В нем анализ частиц по энергии на единицу заряда E/Q проводится в 360°-ном плоском поле зрения. Анализ в третьем измерении обеспечивается либо за счет вращения космического аппарата, либо при помощи электростатического сканирования по углу. Для анализа ионов по скорости на выходе устанавливается время-пролетный анализатор с дополнительном ускорением ионов, тонкой фольгой, выбитые из которой электроны обеспечивают стартовый импульс, и координатным детектором частиц для получения сигнала стоп и измерения углового распределения ионов по азимуту.
Предшественниками описываемого прибора являются энерго-угловой анализатор ионов СКА-1 [6], работавший на спутнике ИНТЕРБОЛ-Хвостовой зонд, и широкоугольный энерго-масс анализатор FIPS [7] для спутника Меркурия.
В работах [1—2] описан предложенное нами электростатическое зеркало с полем зрения 2я (или более). Это зеркало позволяет выбрать частицы из полусферы и преобразовать его в конус с коллимированным по полярному углу распре-
делением. Этот пучок уже можно непосредственно зарегистрировать на позиционно-чувстви-тельном детекторе или проанализировать его по массе или скорости перед регистрацией. При этом информация о полярном распределении частиц сохраняется. Эта схема является электронно-оптическим аналогом камеры всего неба и линзы "рыбий глаз" в оптике. Прибор на основе такого зеркала позволяет зарегистрировать одномоментное распределение плотности потока частиц в 2-мерном сечении в пространстве скоростей, что оставляет необходимым только одно сканирование — по энергии.
Упомянутый выше метод измерения скорости частиц, который в комбинации с анализом по времени пролета между фольгой и детектором имеет неудобство в том, что все времяпролетное устройство необходимо держать под высоким отрицательным потенциалом, от—15 до —20 кВ. Это делается для уменьшения страгглинга и, в особенности, для уменьшения разрешения по энергии и повышения отношения сигнал/шум при использовании полупроводникового детектора в качестве детектора ионов.
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ЭНЕРГО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРА
В настоящей работе описываются результаты физических испытаний прибора ДИ-Ариес [4]. Первоначально прибор по данной схеме разрабатывался для проекта European Space Agency BEPI-COLOMBO под названием PICAM [3]. Прибор ДИ-Ариес, результаты испытаний которого описываются в данной работе, разрабатывался для проекта Фобос-Грунт РКА, и эта схема затем была принята и в приборе PICAM с некоторыми модификациями.
Схема электронной оптики прибора приведена на рис. 1. Отладка схемы проводилась с помощью программы SIMION [8]. Зеркало 2 первона-
522
ВАЙСБЕРГ и др.
Рис. 1. Электронно-оптическая схема прибора ДИ-Ариес (осевое сечение цилиндрически-симметричной конфигурации). Показаны траектории трех ионных пучков от входного окна до детектора, с углами входа 0°, 45° и 90°. Расчетная ширина пучков по энергии 8—10%.
чально было составлено из эллиптических поверхностей с тем, чтобы ионы, вошедшие во входное окно 1, фокусировались на входном окне 4 электростатического анализатора 5. Затем зеркало 2 было оптимизировано для того, чтобы пятно изображения входного окна 1 на входном окне анализатора имело минимальный размер; это было достигнуто путем того, что точки поворота траекторий в зеркале 2 располагались на эллиптической кривой. При этом увеличение зазора между электродами зеркала привело к тому, что краевое поле в области большого зазора (где проходят траектории ионов с полярных областей поля зрения прибора) искажало траектории ионов. Коррекция этого поля была выполнена введением выпуклой детали на отражающий электрод. В целом, модификация зеркала позволила уменьшить размер изображения, создаваемого зеркалом 2 примерно вдвое.
Тороидальный электростатический анализатор 5 используется, в первую очередь, для выбора частиц по энергии. Угол поворота анализатора 241° был выбран из расчета, чтобы пучок, выходящий из входного окна 4, фокусировался в отверстии выходной диафрагмы 6, как по углу, так и по энергии. Очевидно, что анализатор не меняет угловое распределение пучка, сложившееся на выходе первичного зеркала. 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.
В приборе используется времяпролетный метод разделения ионов по массам. Как известно, ионы анализируются в электрическом поле по отношению энергии к заряду, E/q, и их скорости обратно пропорциональны квадратному корню из отношения массы к зараду, (m/Q)-1/2. Используя время-пролетный метод, можно провести анализ этих ионов по массам (точнее, по отношению массы к заряду, m/q). Наиболее часто в космических исследованиях используется метод масс-анализа с тонкой фольгой для выработки стартового сигнала от вторичных электронов и детектора ионов для выработки стоп-сигнала (см., например [9]). Однако, использование фольги для выработки стартового сигнала требует ускорения ионов достаточно высоким потенциалом и нормального падения ионов на фольгу.
Для проведения времяпролетного анализа в приборе было решено использовать электростатический затвор для впрыскивания во времяпро-летный промежуток короткого пучка ионов, и устройства синхронизации пролета ионов от затвора до детектора. В качестве электростатического затвора использовалась схема comb-gate [10]. Оказалось, что в качестве синхронизирующего элемента можно использовать тороидальный электростатический анализатор, в котором более быстрые ионы летят по более длинной траектории. Подбором размера этого анализатора можно уравнять времена пролета ионов одного сорта но с разными скоростями (в пределах полосы пропускания по энергии) в промежутках 3—4 плюс 6—8, с одной стороны, и в самом ЭСА, с другой стороны. Таким образом, ионы с разными отношениями E/Q достигнут детектора во времена, обратно пропорциональные их скоростям Vi = = (2 E/Q)-1/2 и в то же время ширина массовых линий будет существенно уменьшена за счет синхронизации пролета ионов каждого сорта.
Можно оптимизировать электронно-оптическую схему так, чтобы разлет ионов в свободных от электрического поля отрезках 3—4 и 6—8 компенсировался при пролете ионами ЭСА. Таким образом, ионы разных масс собираются в узкие пакеты, что позволяет существенно улучшить разрешение по массе (m/q). Этот метод в определенной степени сходен описанному в работе [11].
Электростатический затвор типа comb-gate, описанный в работе [10], состоит из тонких электродов, на которые подаются биполярные напряжения (+ на четные, — на нечетные, или наоборот) для запирания затвора. При закрытом затворе ионы, входящие в прибор через входное окно 1, не попадают в отверстие 4. Открытие затвора для прохождения пучка во времяпролетный промежуток достигается снятием напряжений с электродов затвора. Форма затвора подобрана с уче-
ПАНОРАМНЫЙ ЭНЕРГО-МАСС-СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ
523
20 15 10 5 0 -5 10 15 20
Полярный угол 20°
Полярный угол 40°
_|_I_I_I_I_I_I_I
Полярный угол 60°
0°
-90° 180° -270°
15-10-5 0 5 10 15 20 -15-10-5 0 5 10 15 20
_I_I_I_I_I_I_I
15-10-5 0 5 10 15 20
Рис. 2. Изображения на координатно-чувствительном детекторе моно-направленного моноэнергетического пучка.
том времени пролета ионов конкретной массы для всего диапазона полярных углов так, чтобы их прилет на детектор происходил в одно время.
Прибор может работать в 2-х режимах: режим энергетического спектра (при открытом электростатическом затворе) и режим массового спектра (при использовании затвора). В обоих случаях при настройке прибора на конкретную энергию можно получить на координатно-чувствительном детекторе 2-мерное распределение интенсивности потоков ионов данной энергии в полусфере. Это позволяет избежать влияния изменений потоков на измерения и уменьшает время проведения измерений. 3-мерное распределение частиц по скоростям получается при сканировании по энергии. Сложная траектория пролета ионов в приборе позволяет избежать попадания ультрафиолетового излучения на детектор. Конструкция прибора описана в работе [4].
ИСПЫТАНИЯ НА ВАКУУМНОМ СТЕНДЕ
Испытания прибора, установленного на космическом аппарате Фобос-Грунт, проводились на стенде в Институте космических исследований РАН. Стенд состоит из: вакуумной камеры длиной 60 см и диаметром 60 см, источника ионов с энергией от 100 эВ, манипулятора для позиционирования прибора по двум полярным углам относительно оси ионного пучка. На стенде установлена автоматическая вакуум-образующая система, которая позволят достигать в рабочем режиме (с установленным в камере прибором и работающим источником ионов) давления порядка ~1 х 10-5 торр. Все испытания проводились при близк
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.