Вплив паразитичних компонентів поля магнітних квадрупольних лінз на роздільну здатність високоенергетичного ядерного мікрозонда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сумський державний університет

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність: Фізика приладів, елементів і систем

Вплив паразитичних компонентів поля магнітних квадрупольних лінз на роздільну здатність високоенергетичного ядерного мікрозонда

Пономарьов Олександр Георгійович

Суми 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті прикладної фізики

Національної Академії наук України.

Науковий керівник - кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Лебедь Сергій Олексійович

Інститут прикладної фізики Національної Академії наук України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Михайлов Ігор Федорович,

Харківський державний політехнічний університет, головний науковий співробітник кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Колот Володимир Якович,

Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій Національного наукового центру, Харківський фізико-технічний інститут, начальник відділу

Провідна установа - Харківський державний університет,

Міністерство освіти України, м. Харків

Захист відбудеться 27 травня 1999р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д55.051.02 при Сумському державному університеті за адресою: 244007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, ауд.216, корп. ЕТ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Сумського державного університету

Автореферат розісланий 26 квітня 1999р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Борисенко О.А.

1. Загальна характеристика роботи

магнітний лінза ядерний мікрозонд

Високоенергетичний ядерний мікрозонд є приладом, який забезпечує фокусування ядер атомів водню або гелію з енергією 2 - 4 МеВ і струмом 10-15 - 10-9 А в пляму з поперечними розмірами 0.01 - 5 ?м в площині досліджуваного зразка. У поєднанні з такими відомими ядерно-фізичними методами, як характеристичне рентгенівське випромінювання збуджених часток (PIXE), зворотне резерфордівське розсіювання (RBS), каналююча контрастна мікроскопія (ССМ), скануюча трансмісійна іонна мікроскопія (STIM) та іншими сучасні мікрозонди активно використовуються в більш ніж 60 лабораторіях світу для проведення локального неруйнуючого аналізу структури і елементного складу як твердих тіл, так і біологічних об'єктів. Одним з основних напрямків у галузі вдосконалення мікрозонда є підвищення його роздільної здатності, яка визначається розмірами і струмом пучка на мішені. На роздільну здатність впливає велика кількість факторів, пов'язаних із структурними елементами мікрозонда. На заключному етапі транспортування пучка до досліджуваного зразка використовуються набір апертур та/або коліматорів і активні елементи фокусуючої системи. Апертури та коліматори забезпечують формування мікропучка з потрібним струмом на вході в фокусуючу систему з умовою, що він без втрат дійде до мішені та буде сфокусований у пляму необхідних розмірів. Висока енергія пучка іонів зумовлює застосування сильних фокусуючих елементів. Так, у більшості сучасних мікрозондів для фокусування іонів використовуються магнітні квадрупольні лінзи. На жаль, накопиченого досвіду в застосуванні магнітних квадруполей у галузі транспортування пучків високих енергій і електронної мікроскопії недостатньо для проектування мікрозонда. І в першу чергу це пов'язано з використаними спрощеннями в розгляданні руху пучка іонів у полі магнітної квадрупольної лінзи.

Актуальність теми. В процесі досліджень виявилось, що одним з головних факторів, який впливає на роздільну здатність мікрозонда, є присутність паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи, викликаних недосконалістю виготовлення і/або збирання лінз, неоднорідністю матеріалу полюсних наконечників і явищем гістерезису. Так, присутність секступольної паразитичної компоненти ~0.1% від основної квадрупольної може призвести до значної деградації пучка на мішені. Спроби зменшити величину цих компонент були пов'язані із застосуванням нових технологій з метою вдосконалення конструкції лінз. Створення нерозкладної лінзи сприяло зменшенню паразитичних компонент поля приблизно вдвічі. Інший підхід базується на застосуванні несиметричного шунтування однієї з обмоток лінз з метою корекції домінуючих паразитичних компонент. У цьому випадку необхідно було визначити величину цих компонент, що сприяло поштовху до вдосконалення старих і створенню нових методів їх вимірювання. Але знищення однієї компоненти веде до збільшення інших, тому такий підхід не знайшов широкого розповсюдження. З вищезазначеного випливає, що спроби зменшити негативний вплив паразитичних компонент поля магнітних квадрупольних лінз були пов'язані з підвищенням якості структури поля лінз. Але залежність цього явища від великої кількості факторів не дозволяє зменшити паразитичні компоненти поля до величин, щоб не враховувати їх. Тому завдання зменшення негативних наслідків, пов'язаних з недосконалістю структури поля фокусуючих елементів, є актуальним. В даній дисертації вперше запропоновано альтернативний підхід щодо розв'язання цієї задачі, коли розглядаються не окремо взяті фокусуючи системи, а деяка їх множина, для якої проведено дослідження впливу паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи на роздільну здатність мікрозонду.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Протягом останніх років в Інституті прикладної фізики (ІПФ) НАН України розробляється ядерний мікрозонд нового покоління. Тому дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт, які проводяться в ІПФ, з теми: "Розробка фізичних основ і створення субмікронного скануючого мікроаналізатора на енергію 2 МеВ", затвердженої постановою Президії НАН України від 17.06.90р., реєстраційний №1232, а також у межах Державної науково-технічної програми 6.7 “Аналітичне приладобудування”: проект 6.07.03.033-92 “Скануючий іонний мікрозонд”.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягає в тому, щоб на основі проведених чисельних досліджень знайти фокусуючі системи, найменш чутливі до фізичних і технологічних недосконалостей магнітних квадрупольних лінз для підвищення роздільної здатності ядерного мікрозонда. Досягнення цієї мети вимагало розв'язання таких задач:

вибрати модель поперечного розподілу поля магнітних квадрупольних лінз, яка дозволяє враховувати паразитичні мультипольні компоненти, а також їх обертальні складові;

розробити ефективну методику розрахунку паразитичних сумісно з власними абераціями магнітних квадрупольних лінз до 5-го порядку включно;

розробити методику визначення реального повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля магнітних квадрупольних лінз;

розробити підхід щодо визначення оптимальних розмірів об'єктної та кутової діафрагм, які відповідають максимальному струму пучка при заданих його розмірах на мішені;

визначити характер впливу паразитичних компонент на формування пучка при фокусуванні його в пляму на мішені заданих розмірів;

визначити критерій порівняння різних фокусуючих систем;

знайти серед фокусуючих систем двопараметричної множини триплетів магнітних квадрупольних лінз з двома незалежними живленнями обмоток, які були б менш чутливі до якості структури поля фокусуючих елементів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено чисельне дослідження двопараметричної множини триплетів магнітних квадрупольних лінз з двома незалежними живленнями обмоток полюсних наконечників з метою пошуку фокусуючих систем, які були б менш чутливі до якості структури поля фокусуючих елементів. Незалежними параметрами були обрані довжина фокусуючої системи та об'єктна відстань. Розроблено новий підхід щодо визначення розмірів об'єктної та кутової діафрагм, який дозволяє для кожної фокусуючої системи сформувати на мішені пучок з оптимальним емітансом (струмом) та заданими розмірами. За критерій порівняння різних фокусуючих систем множини обрана величина оптимального емітансу за інших рівних умов. Встановлено, що найбільший оптимальний емітанс пучка при варіюванні його розміру на мішені та хроматичної якості для різних рівнів паразитичних компонент поля мають короткі фокусуючі системи з розділеною конфігурацією лінз.

Вперше визначено вплив паразитичних компонент поля на динаміку пучка у триплетних конфігураціях фокусуючих систем. При цьому встановлено, що наявність секступольної компоненти може приводити до несиметричного розташування кутової діафрагми.

Ці результати були одержані на основі розв'язання задачі нелінійної динаміки пучка у фокусуючих системах з декількох магнітних квадрупольних лінз з урахуванням їх паразитичних компонент поля. Аналіз існуючих методів розв'язання цієї задачі показав неприйнятність їх безпосереднього застосування через некоректність урахування паразитичних компонент або великих витрат часу на розрахунки. Тому була розроблена нова методика розрахунку аберацій фокусуючих систем до 5-го порядку включно, де враховані секступольна, октупольна і додекапольна паразитичні компоненти поля лінз. На основі методу занурення в простір фазових моментів для розв'язання рівнянь руху пучка заряджених часток у полі магнітної квадрупольної лінзи для прямокутної моделі одержано аналітичний вираз для паразитичних аберацій сумісно з власними 2-го і 3-го порядків у такій постановці задачі. Наявність аналітичного і чисельного розв'язань дозволяє показати збіг результатів розрахунку аберацій, що дає підставу стверджувати про їх достовірність.

Для отримання оптимальних параметрів реальних конструкцій фокусуючих систем мікрозонда розроблена нова методика відтворення і аналізу 3D поля магнітної квадрупольної лінзи. Аналіз відтвореного поля, який ґрунтується на його вимірюваннях на периферії поблизу полюсних наконечників, дозволяє визначати орієнтацію лінзи в просторі як жорсткого цілого, а також повздовжній розподіл мультипольних компонент поля вдовж фізичної осі лінзи. Тестування методики виконаного на моделях лінз, в яких 3D скалярний потенціал поля можна визначити аналітично.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені теоретичні основи і програмне забезпечення для створення високоточної системи юстування фокусуючих систем мікрозонда, що може дати змогу отримати оптимальні параметри приладу. У більшості сучасних мікрозондів використовуються довгі фокусуючі системи (6-8м) із зсунутою конфігурацією магнітних квадрупольних лінз ( усі лінзи присунуті до мішені на мінімально можливу відстань). Отримані в цій роботі результати свідчать, що при формуванні пучків мікронних та субмікронних розмірів на мішені довгі системи поступаються за величиною емітансу (струму пучка) коротким системам. Цей факт може стати додатковим поштовхом для створення серійних (комерційних) компактних мікрозондів. Комп'ютерні розрахунки розташування кутової діафрагми показують, що при проектуванні необхідно враховувати можливість пересування діафрагми у поперечних напрямках. Це дасть змогу підвищити величину струму пучка на мішені в декілька разів у нових та вже існуючих мікрозондах, що може бути використано для підвищення роздільної здатності приладу. Результати досліджень будуть використані при будівництві мікрозонду в ІПФ м. Сум, а також при проектуванні приладів наступного покоління.

Особистий внесок здобувача. При розв'язанні задачі синтезу двопараметричної множини триплетів магнітних квадрупольних лінз у лінійному наближенні використано ідеї співавторів. У роботах [1,2,6] внесок дисертанта полягає в дослідженні множини триплетів, розробці методики і чисельного коду розрахунку аберації досліджуваних фокусуючих систем, розробці підходу щодо вибору оптимальних розмірів об'єктної та кутової діафрагм, проведенні тестування одержаних результатів з метою перевірки їх достовірності. Роботи [3-5,7] виконані у співавторстві з науковим керівником, де мета і завдання визначалися керівником, а ідеї та методи їх розв'язання належать автору цієї дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації були висвітлені в доповідях на Міжнародних конференціях з технології і використання мікрозодів ICNMTA'94 (Шанхай, Китай, 1994р.), ICNMTA'96 (Альбукерк, США, 1996р.), 8-й Австралійській конференції з ядерних методів аналізу, AINSE (Lucas Heights,1993), конференції «Техніка і фізика електронних систем і пристроїв» (Суми, Україна,1995р.).

Публікації. Основні результати опубліковані у трьох статтях вміщених у наукових журналах [1-3], у працях і тезах конференцій [6,7] і препринтах ІПФ [4,5].

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і списку використаних джерел (156 ст., у тому числі 25 рис., 7 табл., 111 найменувань використаних джерел).

2. Основний зміст

У першому розділі розглянуто фактори, які впливають на роздільну здатність мікрозонда, де особлива роль відводиться фокусуючої системі. Відзначається, що в більшості найвдаліших зразків мікрозонда для фокусування високоенергетичних пучків іонів використовуються магнітні квадрупольні лінзи. У значній кількості як теоретичних, так і експериментальних досліджень відзначається негативна роль паразитичних компонент поля магнітних квадруполів. Як відомо, характер взаємодії пучка заряджених часток з магнітним полем лінзи визначається коефіцієнтами аберацій. Тому тут проведено аналіз існуючих теоретичних і експериментальних методів їх визначення. Усі теоретичні методи розглянуто з позицій вимог, визначених метою цієї дисертації. У зв'язку з тим, що необхідно враховувати характер взаємодії пучка з паразитичними компонентами поля лінз, ставиться вимога контрольованої точності визначення аберацій. Наявність множини (~1000) досліджуваних фокусуючих систем, для яких треба розраховувати іонно-оптичні властивості, передбачає невеликі витрати часу на розрахунки і використання детермінованих алгоритмів. У широко застосовуваних в іонній оптиці матричних методах розв'язання рівнянь руху пучка іонів у магнітному полі, обґрунтованих на методі послідовних наближень, досить важко визначити точність розрахунків. Цей факт випливає з того, що, по суті, береться тільки перше наближення ітераційного процесу, коли розв'язання однорідних лінійних рівнянь підставляється в нелінійну праву частину, а розв'язання таким чином отриманих неоднорідних рівнянь приймається за істинне. Траєкторні методи розрахунку коефіцієнтів аберацій, які ґрунтуються на чисельному розв'язанні рівнянь руху заряджених часток у магнітному полі лінз, є достатньо точними, однак значні витрати часу на розрахунки і не детермінованість у виборі представницького ряду часток роблять непридатним використання цих методів у поставленій задачі. Експериментальні методи оцінювались, виходячи з критеріїв точності, можливості визначення орієнтації та повздовжнього розподілу паразитичних компонент поля магнітного квадруполя. Відзначається, що більшість сучасних методів не задовольняють одночасно усі вимоги, а метод 3-мірного картографування поля для забезпечення необхідної точності потребує дуже великої кількості вимірювань. Тому були розроблені нові методики: розрахунку аберацій магнітної квадрупольної лінзи, в якій присутні паразитичні секступольна, октупольна і додекапольна компоненти; і відтворення і аналізу 3D поля магнітного квадруполя, яка дозволяє визначати названі паразитичні компоненти.

Другий розділ присвячений нелінійній динаміці пучка заряджених часток у полі магнітної квадрупольної лінзи. Поле було подане у такому вигляді:

де W2(z) - головна квадрупольна компонента поля;

W3(z),U3(z) - головна і обертальна секступольні паразитичні компоненти;

W4(z),U4(z) - головна і обертальна октупольні паразитичні компоненти.

Такий вигляд поля витікає з припущення існування прямолінійної фізичної осі лінзи, вздовж якої , тому така модель має назву осьової. Крім того, розглянуто поле для лінзи, оберненої відносно осі на кут . Це викликано несиметричним розташуванням секступольної компоненти. Також використовувалась традиційна антисиметрична модель:

де W2(z) - головна квадрупольна компонента поля;

W4(z) - головна октупольна паразитична компонента;

W6(z) - головна додекапольна паразитична компонента.

Така форма, як відомо, відповідає передбаченню існування двох площин антисиметрії, що менш реалістично, але дозволяє спростити задачу урахування аберації 5-го порядку. У повздовжньому напрямку використовується прямокутний і гладкий розподіли компонент поля. В силу зворотних моделей поля динаміка пучк в магнітної квадрупольної лінзі описується рівняннями руху пучка заряджених часток з прямолінійною осьовою траєкторією. Для розв'язання цих рівнянь використано метод занурення в простір фазових моментів, суть якого полягає в наступному. Поряд із фазовим простором x,x',y,y',?, де x,y - поперечні координати, x',y' - кути нахилу траєкторій часток до осі системи, ? - хроматична якість пучка, яка характеризується роздільною здатністю часток за імпульсом ?=?p/p, вводиться поняття простору фазових моментів:

- моменти першого порядку;

- моменти другого порядку;

- моменти третього порядку тощо.

Далі нелінійні рівняння руху в фазовому просторі у результаті формальної процедури занурення замінюються розширеною системою диференціальних лінійних рівнянь у просторі фазових моментів. При цьому система лінійних рівнянь апроксимує початкову нелінійну з порядком малості розвинення поля в ряд (1,2), що дає a priori оцінку точності розв'язку. Лінійні рівняння руху пучка в просторі фазових моментів мають наступний вигляд:

, (3)

P(z) - квадратна матриця, яка характеризує поле магнітної квадрупольної лінзи;

розв'язуються з використанням теорії матрицантів, коли (3) замінюється рівнянням для матричної функції R, такої, що , і тоді (3) буде мати вигляд

(4)

де Е - одинична матриця;

z/z0 - перетворення із площини z0 в площину z.

Матрицант R володіє важливими при розрахунках іонно-оптичних систем властивостями:

(5)

Коефіцієнти 1-го і 3-го рядків R є коефіцієнтами аберацій.

Для осьової моделі й прямокутного повздовжнього розподілу компонентів поля одержані аналітичні вирази для всіх елементів матрицанту магнітної квадрупольної лінзи. У випадку гладкого повздовжнього розподілу для обох моделей поля (1,2) при інтегруванні рівнянь (4) використаний чисельний консервативний метод човник-сум (челнок-сумм). Це дозволило, з одного боку, оцінити вплив області розсіяного поля на коефіцієнти аберацій, а з іншого - при прямуванні ширини розсіяного поля до нуля показати збіг чисельного розв'язання з аналітичним, оскільки в цьому випадку гладкий розподіл прямує до прямокутного. Цей факт підтверджує достовірність результатів, одержаних при розрахунках.

У третьому розділі наведена методика відтворення і аналізу 3D поля магнітної квадрупольної лінзи. Запропоновано вимірювання величини складових поля (радіальної Br чи повздовжньої Bz ) використовувати в як крайові умови при розв'язанні 3D рівняння Лапласа. Вимірювання виконуються на циліндричній поверхні поблизу полюсних наконечників. Отримані крайові задачі Коші та Неймана розв'язуються методом інтегральних рівнянь для теорії потенціалу, а чисельна реалізація базується на методі колокацій. Аналіз відтвореного поля складається з пошуку фізичної осі лінзи і орієнтації її як жорсткого цілого з прив'язуванням до головної квадрупольної компоненти. Повздовжній розподіл мультипольних компонент визначається вздовж знайденої осі в лабораторній і власній системах координат. Проведено аналіз величини можливої похибки при вимірюванні поля, що ставить певні вимоги до вимірювального обладнання. Тестування методики виконано на моделях лінз, в яких 3D скалярний потенціал може бути визначений аналітично. Результати тестування методики показали, що внутрішня точність при числі точок колокації 1000 складає: квадрупольна компонента ~0.1%, секступольна і октупольна 1%, додекапольна <10%. Впровадження у крайові умови можливих похибок вимірювань поля не порушують стійкості розв'язання. На жаль, відсутність в ІПФ стенда для вимірювання поля магнітної квадрупольної лінзи не дозволяє відпрацювати методику на експериментальному матеріалі.

У четвертому розділі проведено дослідження множини триплетів магнітних квадрупольних лінз з метою пошуку фокусуючих систем, найменш схильних до впливу фізичних і технологічних недосконалостей фокусуючих елементів. Для цього було запропоновано підхід у визначенні розмірів об'єктної і кутової діафрагм, які забезпечують формування на вході в фокусуючу систему пучка з оптимальним емітансом за умови, що він дійде до мішені без втрат і буде сфокусований в пляму заданих розмірів. При цьому показано, що для даної фокусуючої системи величина кутової діафрагми, таким чином, і сам емітанс, залежать від розмірів об'єктної діафрагми, хроматичної якості пучка та його розмірів на мішені, а також об'єктної відстані та рівнів паразитичних компонент. В силу нелінійності перетворення об'єкт-мішень для прямокутної об'єктної діафрагми обриси кутової діафрагми мають викривлену форму. Тому з технологічних міркувань в область вписується прямокутник максимальної площі, який приймається за кутову діафрагму, відповідну даній об'єктній. Пошук оптимального емітансу пучка для кожної фокусуючої системи при заданих його розмірах на мішені та хроматичній якості визначається чисельним алгоритмом, який базується на дискретній моделі пучка, перетворюванні об'єкт-мішень, процедурі вписування прямокутника максимальної площі і заданої орієнтації в довільну область, а також модифікованому методі найшвидшого спуску. Модифікація останнього заснована на n-точковому параболічному згладжуванні за методом найменших квадратів, щоб уникнути впливу локальних пилкоподібних екстремумів, викликаних похибками у розрахунках. В подальшому всі фокусуючи системи множини зрівнювались за величиною оптимального емітансу пучка при заданих розмірах плями на мішені, його хроматичній якості та рівнях паразитичних компонент поля лінз. В даній роботі розглянуто триплет магнітних квадрупольних лінз с двома незалежними збудженнями полюсних наконечників: перші дві лінзи живляться від одного джерела збудження, але друга обернена на 90о відносно осі, а третя має незалежне джерело збудження. Розташування останніх двох лінз було фіксованим поблизу площини мішені на відстані 15см, а перша пересувалася в межах від об'єктної діафрагми до початку другої лінзи. Мінімальна міжлінзова відстань була 3.4см, ефективні довжини лінз були однакові і дорівнювали 6.4см, довжина системи змінювалась в межах 0.81мl8.31м. Для кожного розташування лінз визначались безрозмірні збудження k1,k2 і лінійні властивості фокусуючої системи. До розгляду приймалися тільки ті системи, у яких коефіцієнти зменшення були |Dx(y)|>1. Таким чином, була синтезована двопараметрична множина триплетів, де як параметри визначались довжина системи l і конфігурація, тобто об'єктна відстань а, яка характеризує розташування першої лінзи вздовж оптичного тракту. В задачі синтезу були використані ідеї інших авторів. Для кожної фокусуючої системи множини із застосуванням розробленої методики були розраховані усі коефіцієнти аберацій, які характеризують перетворення об'єкт-мішень. При варіюванні розмірів плями на мішені, хроматичної якості пучка і рівнів паразитичних компонент поля, характерних для розкладних і нерозкладних лінз, було розраховано оптимальний емітанс. На рис.1 зображена типова залежність оптимального емітансу для двопараметричної множини триплетів, з якої можна бачити область максимуму, що відповідає коротким фокусуючим системам l=1.4-2.0м з розділеною конфігурацією а0.2м. Характер впливу паразитичних компонент на динаміку пучка показано на рис.2, де ліворуч зображені скривлена область ? допустимих значень координат проходження часток пучка в площині кутової діафрагми і вписаний в неї прямокутник максимальної площі, а праворуч показано пляму на мішені в результаті проходження через фокусуючу систему 104 часток, які мають випадковий розподіл у фазовому просторі, сформованому знайденими об'єктною і кутовою діафрагмами. Тут треба

Рис. 1 Оптимальний емітанс для двопараметричної множини триплетів: величина пучка на мишені 1м; хроматична якість =0.0001; рівні паразитичних компонентів відносно основної квадрупольної, секступольна - 0.3%, октупольна - 0.5%

Рис. 2 Область допустимих значень координат часток пучка в площині кутової діафрагми і форма пучка на мішені з урахуванням секступольної 0.3% і октупольної 0.5% компонентів, =0.0005, розмір пучка на мішені 2м

Відзначити несиметричне розташування кутової діафрагми, обумовлене в основному наявністю секступольної компоненти.

Достовірність одержаних результатів полягає в тому, що тестування чисельних кодів проведено на моделях, фізичні властивості яких можуть бути визначені аналітично. Також ці результати узгоджуються з розрахунками відомим у світовій мікрозондовій практиці чисельним кодом PRAM і літературними даними інших авторів.

Залежність оптимального емітансу від розмірів плями пучка на мішені має експериментальне підтвердження на діючому мікрозонді Мікроаналітичного дослідного центру (MARC), м. Мельбурн, Австралія, яке відображено у спільній публікації, що дозволяє також стверджувати про достовірність чисельного моделювання процесів динаміки пучка іонів та вибору фокусуючих систем, які найменш залежать від фізичних і технологічних недосконалостей магнітних квадрупольних лінз.

Висновки

Методи розв'язання поставленої задачі та основні результати, одержані в дисертації, полягають у наступному:

1. Побудовано двопараметричну множину фокусуючих систем на базі триплету магнітних квадрупольних лінз, де за параметри вибрані довжина системи та об'єктна відстань.

2. Розроблено новий підхід шодо формування на мішені пучка із заданими розмірами при оптимальному емітансі (струмі) за рахунок вибору відповідних розмірів об'єктної і кутової діафрагм для кожної фокусуючої системи множини.

3. Залежність оптимального емітансу від розмірів пучка на мішені має експериментальне підтвердження на мікрозонді Мікроаналітичного дослідного центру (MARC) Мельбурнського університету.

4. Критерієм вибору фокусуючих систем, найменш чутливих до впливу паразитичних компонент обрана величина оптимального емітансу за інших рівних умов: хроматичної якості пучка, рівнів паразитичних компонент поля лінз і розмірів пучка на мішені.

5. Вперше визначено характер впливу різних паразитичних компонент поля магнітних квадрупольних лінз на динаміку пучка в триплетних конфігураціях фокусуючої системи.

6. У визначенні іонно-оптичних властивостей фокусуючих систем враховані секступольна, октупольна та додекапольна паразитичні компоненти.

7. При розрахунках паразитичних аберацій сумісно з власними застосовано метод занурення в простір фазових моментів для розв'язання нелінійних рівнянь руху пучка заряджених часток у полі магнітної квадрупольної лінзи.

8. У такій постановці задачі одержано аналітичний вираз для усіх коефіцієнтів паразитичних і власних аберацій магнітної квадрупольної лінзи 2-го і 3-го порядків для прямокутної моделі повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля лінз.

9. Достовірність розрахунку аберацій базується на порівнянні моделей лінз з аналітичним і чисельним розв'язанням рівнянь руху пучка, а також в порівнянні з розрахунками чисельними кодами інших авторів.

10. Для визначення повздовжнього розподілу мультипольних компонент поля в реальних конструкціях лінз розроблено нову методику відтворення і аналізу 3D поля магнітної квадрупольної лінзи.

11. Методика базується на вимірюваннях поля на циліндричнії поверхні поблизу полюсних наконечників лінзи, які використані як крайові умови для розв'язання 3D рівняння Лапласа.

12. Тестування методики виконано на моделях лінз, в яких 3D скалярний потенціал можна визначити аналітично.

13. Установлено, що внутрішню точність визначення мультипольних компонент поля складають квадрупольна ~0.1%, секступольна і октупольна 1%, додекапольна <10% компоненти.

14. Показано, що для отримання пучка на мішені з мікронними і субмікронними розмірами слід використовувати короткі фокусуючи системи з довжиною 1.4-2.0м і рознесеною конфігурацією лінз, які найменш чутливі до впливу паразитичних компонент поля магнітної квадрупольної лінзи.

15. Встановлено, що для задач, які потребують спеціального розділення з нанометричними розмірами пучка на мішені, необхідно враховувати технологічні обмеження щодо виготовлення об'єктних діафрагм мінімальних розмірів.

16. Показано необхідність урахування несиметричного разташування кутової діафрагми відносно оптичної осі, що може дати змогу збільшити величину струму пучка на мішені в декілька разів.

Список опублікованих праць здобувача

1. Brazhnik V.A., Dymnikov A.D., Jamieson D.N., Lebed S.A., Legge G.J.F., Ponomarev A.G., Storizhko V.E. Numerical optimization of magnetic nonlinear quadrupole systems in an ion microprobe with given spot size on the target // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 1995. - B 104. - P. 92-94.

Brazhnik V., Khomenko V., Lebed S., Ponomarev A. Some possibilities of nuclear microprobe focusing system improvement // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 1995. -

B 104. - P. 69-76.

3. Lebed S., Ponomarev A. Field reconstruction technique for testing magnetic quadrupole lenses // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 1997. - B 130. - P. 90-96.

4. Lebed S.A., Ponomaryov A.J. Methods of calculating the 5-th order intrinsic aberrations in magnetic quadrupole and octupole lenses including real magnetic fields. -Cуми, 1993. - 18 c. - (Препр. / АН України. Ін-т прикладної фізики, IAP 06-93).

5. Lebed S.A., Ponomarev A.G. Numerical-experimental method for investigation of the 3D magnetic field in quadrupole lenses. -Cумы, 1993. - 9c. - (Препр. / АН України. Ін-т прикладної фізики, IAP 08-93).

6. Brazhnik V.A., Dymnikov A.D., Jamieson D.N., Lebed S.A., Legge G.J.F., Ponomarev A.G. and Storizhko V.E. Numerical studies of triplet and russian quadruplet quadrupole lens systems with the given spot size on the target, for use in microprobe // Proc. 8-th Australian Conf. on Nucl. Tech. of Analysis, AINSE, Lucas Heights (Australia), N.S.W. 17-19 November 1993. - P. 18-20.

7. Лебедь С.А., Пономарев А.Г. Восстановление 3D картины поля в рабочей области прецизионной магнитной квадрупольной линзы // Тез. докл. конф. “Техника и физика электронных систем и устройств”.- Сумы: СумГУ. 18-20 мая 1995.- С. 111-112.

Анотація

Пономарьов О.Г. Вплив паразитичних компонент поля магнітних квадрупольних лінз на роздільну здатність високоенергетичного ядерного мікрозонда.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, элементів і систем.- Сумський державний університет, Суми, 1999.

Дисертацію присвячено пошуку фокусуючих систем (ФС), які найменш піддаються впливу паразитичних компонентів поля магнітних квадрупольних лінз (МКЛ). У роботі проводиться дослідження роздільної здатності двопараметричної множини триплетів МКЛ, де як параметри є довжина l і об'єктна відстань a ФС. Встановлено, що найбільшим оптимальним емітансом (струмом) пучка, при заданих його розмірах на мішені та хроматичній якості, володіють короткі системи (l=1.4 -2.0 м) з рознесеною конфігурацією лінз (а0.2м). При цьому наявність секступольної компоненти призводить до несиметричного розташування кутової діафрагми. Для розв'язання поставленої задачі були розроблені ефективні методики розрахунку іонно-оптичних властивостей ФС і визначення паразитичних компонент поля МКЛ. Результати роботи є складовою частиною досліджень, що проводяться в ІПФ із створення ядерного мікрозонда нового покоління.

Ключові слова: ядерний мікрозонд, фокусуюча система, магнітна квадрупольна лінза, роздільна здатність, паразитичні компоненти поля.

Ponomarev A.G. The influence of parasitic field components of magnetic quadrupole lenses on the spatial resolution of the highenergy nuclear microprobe. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree of physical and mathemetical sciences on speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems.- Sumy State University, Sumy, 1999.

The dissertation is devoted to finding the focusing systems (FS) in which the parasitic field components of magnetic quadrupole lenses (MQL) have less influence. An investigation of spatial resolution for two-parametrical set of triplet of MQL is made in this work, where two parameters are the length of the system l and object distance a. There is established that the short systems (l=1.4 - 2.0 m) with divided configuration of lenses (а0.2м) have maximum optimal emitance (current) of the beam, when its size on the target and chromatic quality are determined. The presence of sextupole component cause an antisymmetric allocation of the angular aperture. The calculation techniques of the ionoptical properties of FS and determination of parasitic field components of MQL are developed for the solution of this problem. The results of this work are the part of investigations conducted in the Institute of Applied Physics with the aim to develop the nuclear microprobe of new generation.

Key words: nuclear microprobe, focusing system, magnetic quadrupole lens, spatial resolution, parasitic field components.

Пономарев А.Г. Влияние паразитических компонент поля магнитных квадрупольных линз на разрешающую способность высокоэнергетичного ядерного микрозонда.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем.- Сумской государственный университет, Сумы, 1999.

Одним из главных факторов влияющим на пространственное разрешение ядерного микрозонда является наличие паразитических компонент поля магнитных квадрупольных линз (МКЛ), которые приводят к значительному размытию пучка на мишени. Попытки уменьшить величину этих компонент за счет усовершенствования конструкций линз и различных методов их коррекции не позволяют свести паразитические компоненты до уровней, когда ими можно пренебречь. В настоящей диссертации предложен альтернативный подход в решении задачи уменьшения негативного влияния паразитических компопнет поля МКЛ на пространственное разрешение микрозонда, связанный с поиском фокусирующих систем (ФС), где эти компоненты имеют наименьшее воздействие.

В работе проводится исследование двупараметрического множества триплетов МКЛ, где в качестве параметров выбраны длина l и объектное расстояние a ФC, которые изменялись в широком диапазоне 0.81мl8.31м, 0<a7.9м. Исследование такого количества ФС проведено на основе численного моделирования процессов нелинейной динамики пучка ионов в магнитных квадрупольных системах. В качестве критерия сравнения различных систем множества была выбрана величина оптимального эмиттанса пучка при прочих равных условиях. Оптимальный эмиттанс определялся в результате выбора объектной и угловой диафрагм таких размеров, которые позволяют сформировать пучок на входе в ФС так, что он дойдет до мишени без потерь и будет сфокусирован в пятно заданных размеров с максимальным фазовым объемом. Установлено, что наибольшим оптимальным эмиттансом (током) пучка, при варьировании его размеров на мишени, хроматического качества и уровней паразитических компонент, обладают короткие системы (l=1.4 - 2.0 м) с раздвинутой конфигурацией линз (а0.2м). При этом наличие секступольной компоненты может приводить к необходимости несимметричного расположения угловой диафрагмы. Для решения поставленной задачи была разработана эффективная методика расчета ионно-оптических свойств ФС, где применен метод погружения в пространство фазовых моментов для решения нелинейных уравнений движения пучка в поле МКЛ.

Для определения пространственного распределения паразитических компонент поля в реальных конструкциях линз разработана методика восстановления и анализа 3D поля МКЛ.

Результаты работы являются составной частью исследований, проводимых в ИПФ по созданию ядерного микрозонда нового поколения.

Ключевые слова: ядерный микрозонд, фокусирующая система, магнитная квадрупольная линза, разрешающая способность, паразитические компоненты поля.

Размещено на Allbest.ru