способ измерения потенциала на поверхности диэлектрических образцов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения электрического потенциала на поверхности диэлектрических образцов, включающий получение вблизи поверхности образца низкоэнергичных электронов, ускорение полученных электронов в электростатическом поле образца и измерение энергии ускоренных электростатическим полем электронов, отличающийся тем, что строят изображение образца в электронных лучах ускоренных электронов и измеряют энергию этих электронов в каждой точке изображения.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее источник низкоэнергичных вблизи поверхности электронов и анализатор энергии этих электронов после ускорения в электростатическом поле образца, отличающееся тем, что на входе анализатора размещено устройство переноса изображения в лучах ускоренных электронов, а регистратор частиц выполнен из элементов, образующих двумерную поверхность.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике, в частности к методам измерения электрического потенциала на поверхности диэлектрических образцов.

Известен способ измерения распределения электрического потенциала по измерению распределения электрического поля в нескольких точках с помощью неконтактного индукционного датчика, перемещающегося над поверхностью образца на расстоянии 2 - 3 мм (Stevens J.N., Purvis C.R., Staskus I.V. Insulation edge voltage gradient effects in spacecraft phenomena//IEEE Trans. Nucl. Sci. - 1978. - vol. NS-25, N 6. - P.5112-5120, Антонов В.М., Пономаренко А.Г. Лабораторные исследования эффектов электризации космических аппаратов. -Новосибирск.: Наука, 1992. - 114 с.).

Данный способ обладает недостатками, так как вносит искажения в измеряемую величину вследствие необходимости размещения датчика вблизи исследуемых образцов; для определения потенциала в данной точке необходимо измерять электрические поля в нескольких точках и проводить математические вычисления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ измерения потенциала диэлектрической поверхности по энергии вторичных электронов, образующихся при облучении образцов энергичными электронами (Антонов В.М., Пономаренко А.Г., Графодатский О.С., Исляев Ш. Н. Исследование электризации моделей космических аппаратов в лабораторных условиях//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - М.: Наука, 1989, вып. 86, с. 45 - 63). Данный способ также имеет ограниченные возможности, в частности, не позволяет измерять величину потенциала на поверхности образца, одновременно в нескольких точках.

Устройство, реализующее данный способ состоит из источника высокоэнергичных электронов и анализатора энергии с задерживающим потенциалом вторичных электронов, ускоренных в электростатическом поле образца. В указанном устройстве также отсутствует возможность измерения величины потенциала на поверхности образца, одновременно в нескольких точках.

Технической задачей предлагаемых способа и устройства является достижение возможности измерения величины потенциала на поверхности образца, одновременно в нескольких точках.

Решение технической задачи достигается тем, что для определения распределения электрического потенциала на исследуемой части образца строят изображение образца в лучах ускоренных в электростатическом поле образца электронов и измеряют энергию этих электронов в каждой точке изображения.

Решение технической задачи достигается также тем, что в известном устройстве, состоящем из источника низкоэнергичных вблизи поверхности электронов и анализатора энергии этих электронов после ускорения в электростатическом поле образца, на входе анализатора размещено устройство переноса изображения, а регистратор частиц выполнен из элементов, образующих двумерную поверхность.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг. 1 - 2, на которых показаны схема проведения эксперимента по измерению потенциала предлагаемым способом, фотографии диаметральной части образца в лучах ускоренных электронов и получаемые распределения потенциала на поверхности образца.

На фиг. 1 приведена схема эксперимента. В вакуумной камере 1, откачанной до давления P = 10^-6 Торр, размещены предварительно заряженный образец (пластина из диэлектрика) 2, анализатор энергии электронов 3 и устройство 4 переноса изображения образца в лучах ускоренных электронов на двумерную поверхность, образованную элементами регистратора электронов 5, генератор низкоэнергичных электронов 6.

Измерение потенциала осуществлялось следующим образом. После зарядки образца, в нужный момент времени включался генератор низкоэнергичных электронов. Низкоэнергичные электроны ускорялись в электрическом поле зарядов образца. Изображение образца в лучах ускоренных электронов с помощью камеры-обскуры строилось на входной щели анализатора. Изображение в лучах электронов части образца, соответствующей проекции входной щели анализатора на образец, разворачивалось анализирующим полем, попадало на плоский сцинтиллятор и конвертировалось в оптическое изображение. Так как диэлектрический образец заряжался неравномерно, то его различные области испускали ускоренные электроны разной максимальной энергии. Будучи по разному отклоненными анализирующим полем, электроны после пролета области с анализирующим полем формируют искаженное изображение анализируемой части образца (фиг. 2,а).

Так в описанном частном случае, при анализе распределения потенциала вдоль диаметра образца, при равномерной зарядке образца изображение щели сместится относительно исходного изображения щели, получаемого при выключении анализирующего поля.

Исходное изображение щели представляет собой отрезок прямой линии, размеры и положение которого определяются конструкцией входного узла. Поэтому в данном случае регистрация исходного изображения может быть сведена к отметке, например, середины отрезка точечным репером.

При куполообразном распределении со спаданием потенциала к краям образца изображение щели превратится в кривую линию, причем h - смещение данного участка изображения (длина перпендикуляра, опущенного из данной точки кривой на исходное изображение щели) определяет энергию электронов и, следовательно, величину потенциала образца в точке с координатой r, положение которой на образце определяется из геометрических соображений (фиг. 1 - 2). В результате может быть восстановлена радиальная зависимость распределения по энергии ускоренных электронов и, следовательно, радиальное распределение электростатического потенциала на поверхности образца.

В рамках предлагаемого технического решения путем подбора соответствующих методик построения изображения и создания анализирующего поля возможно одновременное измерение потенциала в нескольких точках, не принадлежащих связной кривой (например, путем построения изображения на поверхности регистратора с помощью камеры-обскуры и сетки); определение областей на поверхности образца, потенциал которых превышает наперед задаваемую величину (например, путем построения изображения с помощью камеры-обскуры на поверхности регистратора и использования тормозящего анализирующего поля) и др.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

В требуемый момент времени включается генератор низкоэнергичных электронов 6. В качестве такового могут быть использованы пучки высокоэнергичных электронов, жесткое излучение, генераторы низкотемпературной поверхностной плазмы и т.д. Низкоэнергичные электроны, ускоренные в электростатическом поле зарядов образца попадают на вход устройства переноса электронного изображения 4. В качестве такового могут быть использованы простой коллиматор, камера-обскура, магнитная или электростатическая линза и т.д. Ускоренные электроны отклоняются анализирующим полем анализатора энергии электронов 3 и попадают на двумерную поверхность регистратора электронов 5, где конвертировались в электромагнитное излучение или электрический сигнал.

Предлагаемое техническое решение было реализовано на установке, содержащей металлическую вакуумную камеру, откачанную до давления P = 10^-6 Торр, в которой размещался предварительно заряженный образец - круглая пластина из оргстекла. Использовались магнитный анализатор электронов с входным отверстием в виде щели d < l, где d и l - соответственно ширина и высота щели (магнитное поле, ориентировалось параллельно входной щели); регистратор электронов, выполненный в виде пластины из сцинтилляционной пластмассы. Изображение строилось с помощью камеры-обскуры, располагавшейся перед входной щелью анализатора. Изображение образца после конверсии электронного изображения в оптическое на сцинтилляторе фотографировалось фотоаппаратом через электроннооптический преобразователь.

Для генерации низкоэнергичных электронов вблизи поверхности диэлектрика использовался поверхностный разряд, инициируемый увеличением давления в вакуумной камере.

После зарядки образца в нужный момент времени в камере увеличивалось давление нейтрального газа и инициировался поверхностный разряд. Низкоэнергичные электроны из поверхностного разряда ускорялись в электрическом поле зарядов образца. Изображение образца в лучах ускоренных электронов с помощью камеры-обскуры строилось на входной щели магнитного анализатора (ширина щели 2 мм, высота щели 49 мм). Изображение в лучах электронов части образца, соответствующей проекции входной щели анализатора на диаметр образца, разворачивалось магнитным полем, попадало на плоский сцинтиллятор и конвертировалось в оптическое изображение. Изображение образца после конверсии электронного изображения в оптическое на сцинтилляторе фотографировалось фотоаппаратом через электроннооптический преобразователь. Точка, соответствующая изображению центра образца на исходном положении щели, отмечалась лазерным репером. На фиг. 2 представлены фотографии искаженного изображения щели и профили потенциала на поверхности образца, полученные при обработке. Обработка заключалась в определении смещения заданного участка изображения щели при пролете электронов в анализирующем поле и определении энергии электронов, попадающих на заданный участок изображения по формуле полученной при рассмотрении движения электрона в анализирующем поле устройства



где

k - размерный коэффициент;

a - расстояние от входной щели анализатора до регистратора электронов.