Способ измерения пространственного распределения атомных концентраций

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ КОНЦЕНТРА1ЩЙ , включающий облучение -анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения, измерение концентрации образовавшихся ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности , селективности, пространственного разрешения и точности измерений, частоту дополнительного излучения настраивают в резонанс с высоколежащими или ридберговскими состояниями анализируемых атомов и направляют его под прямым углом к резонансному, причем максимум пространственного 3 распределения интенсивности дополнительного излучения устанавливают в максш-1уме резонансного.

СОЮЗ СОВЕТСИИХ

PECfl_#_iËÈК

С 1!

А

3(Я) ° М 2 39

1 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г ОСУДАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3540021/18-25 (22) 17.01. 83 (46) 15.05.84. Бюл. Р 18 (72) А.Т. Турсунов и Н.Б. Эшкабилов (71) Самаркандский государственный университет им. Алишера Навои (53) 543.42(088.8) (56) 1. Львов Б.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. И., "Наука", 1966, с. 26.

2. Турсунов А.Т., Эшкабилов Н.Б.

Пространственная диагностика атомного пучка галлия методом двухступенчатой лазерной фотоионизации.-"Квантовая электроника". T. 9, 1982, N 10, с. 2096 (прототип). (54}(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АТОИНЬИ КОНЦЕНТРАЦИЙ, включающий облучение .анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения, измерение концентрации образовавшихся ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, селективности, пространственного разрешения и точности измерений, частоту дополнительного излучения настраивают в резонанс с высоколешащими или ридберговскими состояниями анализируемых атомов и направляют его под прямым углом к резонансному, причем максимум пространственного распределения интенсивности дополнительного излучения устанавливают в максимуме резонансного.

Изобретение относится к методам измерения концентраций атомов в пространстве и может найти применение в спектральном анализе, при излучении кинетики газофазных химических реакций, в методах лазерного разделе" ния изотопов, а также в полупроводниковом производстве.

Известен способ измерения прост10 ранственного распределения концентраций атомов с помощью метода атомноабсорбционного анализа P) .

Однако этот метод обладает низкой чувствительносЕью и невысокой селективностью. Кроме того, поскольку в данном методе используют однолучевую схему, метод имеет недостаточное пространственное разрешение.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения,простран20 ствечного распределения атомных концентраций, включающий облучение анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения и изме. 2- рения концентрации образовавшихся ионов (2j .

Известный способ обладает невысокой чувствительностью при детектиро вании атомных концентраций, посколькуЗ0 для получения информации о пространственном распределении концентраций атомов необходимо, чтобы обе ступени работали в линейном, далеком от насыщения, режиме, определяющем эависи- з мость величины ионного сигнала от плотности лазерного излучения. Невысокая селективность метода определяется тем, что в резонанс настроена только первая ступень ионизации, а 40 вторая ступень является неселективной.

Пространственное разрешение и точность метода определяются величиной пятна фокусировки линзы и при исполь-45 эовании длинофокусных линз, т.е. когда необходимо зондировать атомные пучки большого сечения, значительно ухудшаются по одной иэ координат (например Х или У) и достигают вели- 50 чины 2-3 мм.

Целью изобретения является увеличение чувствительности, селективности., пространственного разрешения и точности измерений. 5

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения пространственного распределения атомных концентраций, включающему облучение анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения, измерение концентрации обре овавшихся ионов, Частоту дополнительного излучения настраивают в резонанс с высоколежащими или ридберговскими состояниями анализируемых атомов и направляют его под прямым .углом к резонансному, причем максимум пространственного распределения интенсивности дополнительного излучен;. я устанавливают в максимуме резона;:сного.

Суть способа состоит в следующем.

Для измерения пространственного распределения атомных концентраций в предложенном способе используют метод двухступенчатой селективной лазерной ионизации атомов. При этом частоту излучения первого лазера настраивают на длину волны резонансного перехода атома, а второго дополнительного лазера — на длину волны перехода с возбужденного первым лазером уровня на уровни, расположенные вблизи границы ионизации.

В зависимости от характера решаемой задачи высоковоэбужденные атомы могут ионизоваться импульсом электрического поля, ИК-лазерным путем, при столкновениях с атомами или молекулами буферного газа, а также за счет возбуждения лазерным излучением второй ступени, автоиониэационных состояний.

Если направить излучения первого лазера и второго B двух взаимно перпендикулярных направлениях и совместить их максимумы интенсивности, то селективная ионизация атомов будет происходить только в области пересечения лазерных лучей, причем преимущественно в области совмещенных максимумов интенсивностей. Точку пересечения максимумов интенсивностей можно сканировать в пространстве по трем координатам, координаты этой точки являются координатами зоны, где мы хотим измерить пространственное распределение атомных концентраций. Координаты точки пересечения нетрудно измерить, исходя из данных о пространственных координатах лазерного луча. Более высокая чувствительность метода достигается за счет того, что в предложенном методе можно работать не только в линейном ре1092387

Атомный пучок формируется за счет эффузии паров галлия и индия через

\ каналы диафрагм (4 мм) из печи, нагретой до 1200 С (давление паров

15 жиме по мощности лазерного излучения, но в режиме насьпцения, причем поскольку в режиме насьпцения величина ионизационного сигнала слабо зависит от мощности лазерного излучения, то за счет этого существенно увеличивается точность измерений.

Селективность метода селективной лазерной фотоионизации существенным образом зависит от числа ступеней лазерного излучения селективно настроенных на атомные переходы. В предлагаемом способе число селективных ступеней должно быть равным двум или более, что означает увеличение селективности метода по сравнению с прототипом.

Ъ .Пространственное разрешение метода определяется только диаметрами лазерного излучения обоих ступеней и равно размерам лазерного луча мак-: симального диаметра. Диаметр лазерного луча в принципе можно задать порядка нескольких длин волн квантов лазерного излучения, т.е. пространственное разрешение предложенного метода может достигать величины нескольких микрон.

На фиг.1 показана схема установки, реализующей предложенный способ; на фиг.2 и 3 — схемы переходов энергетических уровней атомов галлия и индия.

Устройство содержит атомный пучок

1, излучение 2 азотного лазера, 35 разрядник 3, лазеры на красителях 4, электромеханический привод с линзой

5, лазерные лучи 6, печь 7, электроды 8, вторичный электронный умножитель 9 и самописец 10. 40

Измерение пространственного распределения етомных концентраций осуществляется на экспериментальной установке (фиг.1). Накачка лазеров

45 на красителях осуществляется импульсным азотным лазером. Резонансное излучение первого и дополнительное излучение второго лазеров на красителях нап- . равляются в атомном пучке под прямым углом. Лучи лазеров фокусируются с помощью электромеханического привода линзы и равномерно перемещаются по оси Х и У, 10 мм рт.ст.) „при этом концентрации атомов составляет 10 — 10 смз .

В 9

Остаточное давление в камере 10 мм рт.ст. Лучи лазеров пересекают атомный пучок между электродами, на которых создается импульсное электрическое поле.

Импульсное электрическое напряжение на электродах возникает при раз- ряде заряженного отрезка коаксиального кабеля через согласованный разрядник со световым поджигом на передающую линию. Для запуска разрядника часть излучения азотного лазера отводится и фокусируется на одном из электродов разрядника. Амплитуда импульса напряжения меняется в пределах 0,1 — 18 кВ.

Ионы, образовавшиеся в результате ионизации высоковозбужденных атомов импульсным электрическим полем, вытягиваются этим же полем через щель в электроде-с нулевым потенциалом и далее увлекаются электрическим полем катода вторично-электронного умножителя, находящегося под потенциалом -4 кВ. Сигнал с ВЭУ поступает на стробирующий импульсный вольтметр и самопишущий прибор. Развертка самопишущего прибора осуществляется синхронно с вращением дифракционной решетки второго лазера на красителе, при помощи котсрой перестраиваются его частоты.

Схема используемых переходов энергетических уровней атомов галлия и индия приведены на фиг.2 и 3. Перестраивая частоту излучения лазера, можно попасть на резонансный переход

4р Р - 5S S атома галлия или

2 г

5р P > 6S S1Iz атома индия. Далее перестраивается длина волны второго лазера на красителе и при попадании г 2 в резонанс с переходами 5S S, п -и

2 2 пр Ъгдй 68 S«z. "p Ъг,з!гвозн"" ионный сигнал, обусловленный ионизацией высоковозбужденных атомов иэлу-! чением лазеров первой и второй ступени.

В результате проведенных экспериментов установлено, что с помощью описываемого способа удается измерить атомные концентрации с пространственным разрешением на уровне

10-100 мкм в атомных пучках с очень низкой концентрацией атомов порядка

10 — 10 атомов/cM

6 одзи

1092387

Фигз

Корректор И. Зрдейи

Редактор А. Гулько Техред Т.Иаточка

Заказ 3246/27

М

ХО

Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, 3-35, Раувская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4