времяпролетный способ измерения зарядового и массового составов ионов плазмы

Формула изобретения

Времяпролетный способ измерения зарядового и массового составов ионов плазмы путем погружения трубы дрейфа в плазму, последующего ускорения ионов за счет подачи на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности длительностью, меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы, с наибольшим соотношением Z/M_i, где Z - зарядность ионов в плазме, М_i - масса ионов, последующего разделения их по массе, заряду и энергии в процессе транспортировки в эквипотенциальном пространстве трубы дрейфа и измерения импульсов ионного тока на выходе трубы дрейфа, отличающийся тем, что осуществляют второе измерение, аналогичное первому измерению, но при иной длительности импульса напряжения отрицательной полярности, подаваемого на трубу дрейфа, а зарядовый и массовый составы ионов плазмы определяют путем вычитания результатов измерения импульсов ионного тока на выходе трубы дрейфа, полученных при разных длительностях импульса напряжения отрицательной полярности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава плазмы, в частности многокомпонентной, полученной различными способами.

Известен Времяпролетный способ измерения спектра ионов [1] путем экстракции из плазмы и ускорения ионов в ускоряющем промежутке, последующей транспортировки ионного пучка в трубе дрейфа для разделения его на отдельные сгустки в соответствии с зарядовым, массовым и энергетическим составом ионов и детектирования разделенных сгустков. Ускорение ионов осуществляют приложением импульса положительной полярности к узлу ввода плазменного потока в спектрометр и заземлением трубы дрейфа. В результате ускоряющий промежуток образован узлом ввода плазмы и входным торцом трубы дрейфа.

Недостаток способа заключается в технической сложности его реализации. Длительность ионного пучка должна быть малой, обеспечивающей при полном ускоряющем напряжении разделение ионов по массе и зарядности в трубе дрейфа разумной длины (например, несколько метров). Таким образом, область применения способа ограничивается только ускорителями и источниками ионов наносекундной длительности. Способ не применяется для анализа спектра плазмы.

Известен также времяпролетный способ измерения спектра ионов плазмы [2] путем ускорения ионов, их транспортировки в трубе дрейфа для разделения по массе, заряду и энергии с последующей регистрацией разделенных сгустков детектором ионов. Анализируемая свободная плазма или направленно движущийся поток плазмы непосредственно контактирует с входом трубы дрейфа. Ускорение ионов производится путем подачи на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности длительностью, меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы с наибольшим соотношением Z/M_i, где Z - зарядность ионов в плазме, M_i - масса ионов. Импульсы ионного тока регистрируют детектором и определяют массовый и зарядовый состав ионов плазмы.

Данный способ выбран за прототип.

Способ измерения спектра ионов зарядового и массового состава ионов плазмы, выбранный за прототип, имеет недостатки. При использовании данного способа для анализа многокомпонентной или многозарядной плазмы недостатком является то, что при прохождении ускоряющего зазора ионы приобретают различные энергии, при этом импульсы ионного тока, регистрируемые детектором, имеют сильно затянутый задний фронт и за счет этого полуширина импульсов ионного тока, соответствующих различным зарядностям и массам ионов, оказывается существенно больше длительности ускоряющего напряжения отрицательного смещения. Это объясняется тем, что при подаче на трубу дрейфа импульса отрицательной полярности происходит динамическое расширение ускоряющего промежутка, за счет этого ионы, проходя ускоряющий промежуток, приобретают не полную энергию. Поскольку расширение ускоряющего зазора процесс динамический, то скорость, приобретаемая ионами за время формирования ускоряющего промежутка, будет различной, и импульсы тока ионов с различным массовым и зарядовым состоянием, регистрируемые детектором, могут накладываться друг на друга. Полуширина отдельного импульса тока ионов с определенной зарядностью и массой может достигать нескольких микросекунд.

Задачей предложенного изобретения является разработка способа, позволяющего повысить разрешающую способность и точность определения зарядового, массового состава ионов плазмы, создаваемой различными источниками, в частности плазмы непрерывной вакуумной дуги, обеспечить получение достоверной информации об элементном составе многокомпонентной плазмы.

Поставленная задача решается тем, что времяпролетный способ измерения зарядового и массового состава ионов плазмы, как и прототип, предусматривает погружение трубы дрейфа в плазму, последующее ускорение ионов за счет подачи на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности длительностью, меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы с наибольшим соотношением Z/M_i, где Z - зарядность ионов в плазме, M_i - масса ионов, последующее разделение их по массе, заряду и энергии в процессе транспортировки в эквипотенциальном пространстве трубы дрейфа и измерение импульсов ионного тока на выходе трубы дрейфа. В отличие от прототипа в предлагаемом способе осуществляют второе измерение, аналогичное первому измерению, но при иной длительности импульса напряжения отрицательной полярности, подаваемого на трубу дрейфа, а зарядовый и массовый состав ионов плазмы определяют путем вычитания результатов измерения импульсов ионного тока на выходе трубы дрейфа, полученных при первом и втором измерениях.

Эффект повышения разрешающей способности и точности определения зарядового и массового состава способа измерения спектра ионов за счет вычитания ионных токов, полученных при первом и втором измерениях, основан на том, что при изменении длительности ускоряющего напряжения отрицательной полярности и сохранении других параметров системы низкоэнергетическая часть регистрируемых импульсов тока ионов повторяется. Это объясняется тем, что процесс формирования ускоряющего зазора при первом и втором измерениях протекает одинаково, при условии, что концентрация плазмы и амплитуда напряжения отрицательной полярности, подаваемые на трубу дрейфа, в первом и втором случаях остаются неизменными. Отличие результатов измерений для первого и второго случаев заключается в том, что при большей длительности импульса напряжения отрицательного смещения количество ионов, получивших более полную энергию, будет больше, чем для меньшей длительности импульса. Результат вычитания ионных токов при первом и втором измерениях дает импульсы, меньшие по длительности для различных компонент детектируемой плазмы, что повышает разрешающую способность данного способа.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены осциллограммы импульсов тока ионов титана на выходе трубы дрейфа длиной 89 см, полученные при длительностях импульса (100÷1100 нс) напряжения отрицательной полярности амплитудой -0.5 кВ - Фиг.1; осциллограммы, полученные для титановой плазмы при использовании импульса напряжения отрицательной полярности амплитудой -2 кВ с длительностями 300 нс (1) и 325 нс (2) - Фиг.2; результат вычитания осциллограммы, полученной для импульса длительностью 300 нс, из осциллограммы, полученной для импульса длительностью 325 нс - Фиг.3.

Измерение зарядового, массового состава плазмы осуществляют с помощью времяпролетного спектрометра [2] следующим образом. Анализируемая плазма контактирует с входом трубы дрейфа. Импульс напряжения отрицательной полярности подают на трубу дрейфа и между электродом, закрывающим вход трубы дрейфа, и заземленным электродом (или свободной плазмой), расположенным перед ним, формируется ускоряющий промежуток. Пересекая электрод на входе в трубу дрейфа, ускоренные ионы попадают в эквипотенциальное пространство трубы дрейфа, где движутся со скоростями, соответствующими их энергиям и равными сумме начальной и приобретенной при ускорении энергий. В процессе движения ионы группируются по скоростям. Длительность импульса напряжения отрицательной полярности выбирают таким образом, чтобы ионы, имеющие наибольшую скорость, пересекали зазор между электродом на выходе трубы дрейфа и детектором после окончания импульса потенциала смещения. Это обусловлено необходимостью исключить торможение ионов между трубой дрейфа и детектором, выполненным, например, в виде цилиндра Фарадея. Отображение и запись импульсов ионного тока, регистрируемых на выходе трубы дрейфа детектором, производят, например, осциллографом.

Если спектрометр применяется для измерения зарядового и массового состава вакуумно-дуговой плазмы, отличающейся временной нестабильностью параметров, то для получения надежных результатов осуществляют статистический набор импульсов и количественные оценки делают по усредненным значениям амплитуды тока ионов.

Затем производят аналогичное измерение, но при другой длительности импульса напряжения отрицательной полярности. При этом выбор длительности импульса отрицательного смещения для первого и второго измерений определяется опытным путем, поскольку формирование ускоряющего зазора зависит как от концентрации, амплитуды напряжения отрицательной полярности, так и от состава анализируемой плазмы.

На фиг.1 представлены осциллограммы импульсов тока ионов титана на выходе трубы дрейфа длиной 89 см, полученные при различных длительностях импульса (100÷1100 нс) напряжения отрицательной полярности амплитудой -0.5 кВ.

Исследование влияния длительности импульса на форму измеряемых на детекторе импульсов тока и соответственно на энергетический спектр ионов проводилось с использованием амплитуды потенциала смещения амплитудой - (0.5÷2) кВ и неизменности прочих параметров системы.

Анализ данных показывает следующее: при коротких длительностях импульса (100÷200 нс) амплитуда пиков измеряемого ионного тока сравнительно невелика и максимумы пиков, соответствующие времени пересечения ионами пролетной базы, существенно сдвинуты вправо. Это означает, что ионы, проходя ускоряющий зазор, приобретают энергию, существенно меньшую, чем максимальная, определяемая произведением амплитуды ускоряющего напряжения и зарядности иона.

Дальнейшее увеличение длительности импульса от 200 до 400 нс приводит к постепенному увеличению амплитуды сигнала всех пиков и существенно замедленному смещению максимума пика влево. С точки зрения физики процессов, происходящих в ускоряющем зазоре, это означает, что расширение зазора приближается к области насыщения. Данные, соответствующие длительности импульса 400 и 450 нс, говорят о том, что формирование зазора практически закончено и положение максимума пика не меняется. При дальнейшем увеличении длительности импульса наблюдается заметное уширение импульсов и даже смещение максимумов вправо. Это объясняется тем, что ионы, получившие в зазоре полное приращение энергии, равное произведению амплитуды ускоряющего напряжения на зарядность, попадают в трубу дрейфа на протяжении всего времени с момента стабилизации зазора и до окончания импульса. Соответственно, те из них, что попадают в зазор позже, попадают позже и на детектор, поскольку все они движутся с одинаковой (максимальной для данного ускоряющего напряжения) скоростью.

Анализ представленных данных позволяет сделать вывод о нецелесообразности увеличения длительности импульса потенциала смещения сверх величины, определяющей момент пространственной стабилизации границы слоя разделения зарядов для данной плазмы. Для приведенных экспериментальных данных эта величина составляла 300÷500 нс.

Определив опытным путем диапазон длительности импульса напряжения отрицательной полярности подаваемого на трубу дрейфа, при котором происходит пространственная стабилизация ускоряющего зазора (когда максимум пиков импульсов тока ионов уже не сдвигается во времени влево, а лишь возрастает по амплитуде), производят два измерения. Длительности импульсов для первого и второго измерений выбирают из полученного диапазона, при этом длительность импульса отрицательной полярности для второго измерения должна отличаться от длительности импульса первого измерения. Измеренные импульсы ионного тока на выходе трубы дрейфа для первого и второго случаев будут отличаться тем, что при большей длительности ускоряющего напряжения измеренные амплитуды импульсов ионного тока различных компонент будут больше, чем для меньшей длительности ускоряющего напряжения отрицательного смещения.

Имея импульсы тока ионов, полученные при первом и втором измерениях, проводимых при разной длительности импульса напряжения отрицательной полярности, подаваемой на трубу дрейфа, производят их вычитание. При этом из полученных импульсов тока ионов, измеренных с большей длительностью импульса напряжения отрицательной полярности, вычитают импульсы ионного тока, измеренного при меньшей длительности импульса напряжения отрицательной полярности. И по полученным в результате вычитания импульсам ионного тока определяют массовый, зарядовый и элементный состав плазмы.

Выполнение данного способа иллюстрируется следующим примером.

На фиг.2 представлены осциллограммы, полученные для титановой плазмы при использовании импульса напряжения отрицательной полярности амплитудой -2 кВ с длительностями 300 нс (1) и 325 нс (2).

Как следует из данных фиг.2, низкоэнергетичная часть спектра совпадает для осциллограмм, полученных с использованием импульсов различной длительности. Это означает, что динамический процесс расширения слоя разделения зарядов и формирования ускоряющего зазора для импульсов различной длительности протекает одинаково. Это позволяет выделить часть спектра, относящуюся к определенному интервалу времени в течение импульса напряжения отрицательной полярности, находя разность осциллограмм, полученных при длительностях импульса, соответствующих верхней и нижней границам исследуемого временного интервала.

На фиг.3 представлен результат вычитания импульсов ионного тока, полученных при подаче напряжения отрицательной полярности длительностью 300 нс, из импульсов ионного тока, полученных при подаче на трубу дрейфа напряжения отрицательной полярности длительностью 325 нс. Как видно из представленных данных, ширина пиков измеренного тока существенно уменьшается и соответственно повышается разрешающая способность способа измерения.

Таким образом, применение данного способа позволяет существенно улучшить разрешение при измерениях зарядового и массового состояния ионов в плазме чистых металлов, газов, а также в плазме сложных по составу сплавов, смесей различных газов и др.

Источники информации

1. S.P.Gorbunov, V.P.Krasov, I.A.Krinberg, V.L.Paperny. Source of metal ions with a variable velocity./6 ^th, International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p 67-70.

2. Патент RU №2266587, МПК H01J 49/40.