Способ генерации излучения линейчатого спектра в вуф- диапазоне

 

Изобретение относится к спектроскопии и метрологии оптических измерений в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра, а именно к способам создания абсолютных (стандартных) источников излучения , разработка которых на ВУФ диапазон спектра представляет сложную научно-техническую задачу, Цель - уменьшение погрешности установления требуемой величины полного потока фотонов спектральной линии в ВУФ области спектра. При облучении пучком частиц производят ионизацию газа, воздействуют на область возбуждения излучения электрическим полем с вектором напряженности, перпендикулярным направлению пучка, выделяют область сбора образующихся вторичных ионов (или электронов), равную апертуре источника, по заданной величине полного потока фотонов спектральной линии вычисляют ток вторичных ионов (или электронов) и, изменяя ток пучка и/или концентрацию частиц мишени, устанавливают измеренную величину тока ионов (или электронов), равную вычисленному значению. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1 (я)э G 01 J 3/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4651777/25 (22) 20,02.89 (46) 23.09.91. Бюл. М 35 . (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) В.Il.Áåëèê, А,Н.Зиновьев, А.А.Коротков и Н.Б.Симановская (53) 543.432 (088,8) (56) Зайдель А.Н. и др. Вакуумная спектроскопия и ее применение. — М.: Наука, 1976, с. 238-346. (54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

ЛИНЕЙЧАТОГО СПЕКТРА В ВУФ ДИАПАЗОНЕ (57) Изобретение относится к спектроскопии и метрологии оптических измерений в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектрв, а именно к способам создания абсолютных (стандартных) источников излучеИзобретение относится к области спектроскопии и метрологии оптических измерений в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра, а более конкретно к способам создания абсолютных (стандартных) источников излучения.

Цель изобретения — уменьшение погрешности установления требуемой величины полного потока фотонов спектральной линии в ВУФ области спектра.

Пример. Генерировали излучение спектральных линий атомов и ионов Не и ионов Ar с заданным полным потоком фотонов, пропуская через газовую мишень из атомов Не или Ar пучок электронов с известной энергией частиц пучка Е. Для возбуждения линейчатого излучения

„„5U; 1679213 А1 ния, разработка которых на ВУФ диапазон спектра представляет сложную научно-техническую задачу. Цель — уменьшение погрешности установления требуемой величины полного потока фотонов спектральной линии в ВУФ области спектра, При облучении пучком частиц производят ионизацию газа, воздействуют на область возбуждения излучения электрическим полем с вектором напряженности, перпендикулярным направлению пучка, выделяют область сбора образующихся вторичных ионов (или электронов), равную апертуре источника, по заданной величине полного потока фотонов спектральной линии вычисляют ток вторичных ионов (или электронов) и, изменяя ток пучка и/или концентрацию частиц мишени, устанавливают измеренную величину тока ионов (или электронов), равную вычисленному значению. использовались процессы возбуждения и ионизации с возбуждением атомов Не или

Ar при столкновении с электронами: е(Е =500 эВ)+ Не -+е+ Не* - е+ Не+

+ h v (52,2; 53,7 и 58,4 нм); е(Е = 500 эВ) + Не — 2е + (Не ) - 2е +

+ Не +h v(30,4íì); е(Е =300эВ)+Аг -2е+(Аг )*- 2е+

+Аг++ h v (92,0; 93,2 нм).

Поток электронов, создаваемый электронной пушкой, коллимировался двумя круглыми диафрагмами в пучок с поперечным сечением при входе в мишень диаметром бпуч = 3 мм и расходимостью 20.

Пучок направлялся в камеру столкновений с открытым окном (апертурной диафрагмой) в сторону наблюдения излучения и диффе79213

kТ и «< (Щоп) или

3 16

1 ренциальной откачкой, наполняемую газом-мишенью (Не или Ar). Апертурная диафрагма располагалась в плоскости, параллельной оси пучка, и отстояла от этой оси на 10 мм. Рзэмер диафрагм (ширина) в поперечном пучку направлении, равный 6 меам был больше размера пучка, а размер диафрагмы (длина) вдоль пучка устанавливался равнйм протяженности области сбора ионов в этом направлении. Таким образом, апертура источника излучения задзварась длиной диафрагмы и размером пучка в поперечном ему направлении.

Сбор вторичных ионов осуществлялся с помощью двух плоских параллельных ме-. таллических пластин размером 15х40 мм и расстоянием между ними 20 мм, расположенных симметрично оси пучка облучающих мишень частиц, На пластины подавалось постоянное напряжение 10 B. Величина напряжения обуславливалась условием полноты сбора -вторичных частиц, которое определялось появлением плато на вольтамперной характеристике схемы измерения тока вторичных частиц. Этой же вальт-амперной характеристикой контролировалось условие однократности неупругих столкно вений в камере столкновений. Нарушение этого условия приводило к росту абсолютного значения тока на плато вольт-амперной характеристики. Поэтому, варьируя давление газа мишени и величину тока облучающего мишень пучка, добивались получения минимального значения тока вторичных частиц на плато вольт-амперной характеристики.

Область сбора ионов задавалась тем, что одну из пластин разрезали на три части— центральную, длиной 20 мм, на которую осуществлялся сбор вторичных ионов (или электронов, если поменять полярность приложенного напряжения), и две крайние, длиной по 10 мм, которые заземлялись.

Длина апертурной диафрагмы устанавливалась равной длине центральной пластины—

20 мм, а проекции их краев в направлении вектора напряженности электрического поля строго совмещались и тем самым устанавливалось равенство области сбора вторичных частиц апертуре источника излучения.

Использовались газовые мишени двух типов.

В случае генерации излучения спект-, + + рзльных линий ионов Не, Ar приготовлялась статическая газовая мишень из атомов

Не или Ar с практически равномерным давлением в области прохождения пучка. Для получения источника излучения линий атомов Не создавалась струйная мишень, пересекавшая под прямым углом пучок электронов и имеющая диаметр поперечного сечения в месте пересечения 15 мм (перепад давления на оси и краю струи составлял t2). Дифференциальная откачка обеспечивала перепад давления внутри камеры столкновений (в месте прохождения. пучка) и за апертурной диафрагмой (вне камеры столкновений) примерно на порядок вели10 чины в случае статической мишени, и более чем на два порядка — в случае струйной мишени. Последнее обстоятельство показывает преимущество применения струйной мишени в случае генерации излучения резо15 нансных линий атомов Не, так как для этих линий наиболее жестки условия для устранения самапоглощения излучения.

Предварительно оценивались условия применимости предлагаемого способа re20 нерации излучения с точки зрения выполняемости условия однократности столкновений и отсутствия реабсорбции излучения, При генерации излучения путем облуче25 ния газовой мишени пучком электронов умерялся вторичный ток ионов. Условйе однокрзтности неупругих столкновений накладывает ограничение на концентрацию атомов мишени исходя из того, что средняя

30 длина пробега электрона 4 р в мишени должна быть не меньше размера источника излучения (длины центральной пластины для сбора вторичных ионов) L. С учетом того, что при используемых энергиях элек35 тронов пучка сечения ионизации атомов

Не и Ar значительно превышают сечения и возбужде н и я, можно оп редел ить imp как

Апр — .Тогда ограничения на конценти Йоп

40 рацию(или давление P} газа можно представить в виде где 1=1 10 Тор . см К вЂ” поСтоянная Больцмана;

Т-температура в К. В данномслучае р < 0,75Тордля Не и р <0,1Тордля Аг.

С другой стороны, условие однократности неупругих столкновений означает, что образовавшийся ион не должен быть повторно ионизаван другим налетающим электроном, что приводит к ограничению на ток электронного пучка. Это ограничение представляется в виде условия, что средний временной интервал ар между неупругими столкновениями иона мишени с налетающими электронами

1679213 фЯ + — е вся 1, пэл эл Olofl

Usn У 1 Q1+ где е — заряд электрона; 1э — плотность тока пучка электронов, должен быть не меньше времени нахождения однократно заряжен-. ного иона в области действия пучка электронов (зоне столкновений). При рассматриваемых параметрах сталкивающихся частиц основной вклад в неупругие столкновения вносит ионизация (процессы рекомбинации пренебрежимо малы), поэтому в формуле для тор стоит oi» — сечение

1+ ионизации иона Не (или Аг, За время нахождения иона в зоне столкновений сдостаточной точностью можно принять удвоенное время прохождения зоны столкновений ионом, родившимся на краю зоны и имеющим нулевую составляющую скоро- 20 сти теплового движения в направлении вектора напряженности поля, собирающего ионы:

/ t1ы2

mion

e Efl

25 где d — размер эоны столкновений в направлении вектора напряженности поля (в нашем случае d -3 мм}; тьоо — масса иона;

En — напряженность электрического поля (в 30 данном случае Еп 5 В/см), 8 результате условие ограничения плотности тока пучка электронов имеет вид! эл < е 35

2Ц„Р щ еЕ„

Подставив в формулу параметры используемого источника. получили 40

1эл < 50 А/см для аргоновой мишени и

1эл4 3600А/см для мишени Не.

В данном примере электронной пушкой можно было реализовывать плотность тока пучка 100 мА/см, поэтому ограничение 45 на плотность тока пучка электронов заведомо выполнялось, Наконец, необходимо учесть еще одно ограничение на концентрацию частиц ми- 50 шени, связанную с условием отсутствия реабсорбции излучения. Это условие можно выразить в виде соотношения кЯ«1, где ко- линейный коэффициент поглощения в центре линии; (,- размер газовой мишени в 55. направлении наблюдения, В случае допплеровского механизма уширения линии (эа счет теплового движения атомов), что имеет место в данном случае, величина ко (см ) представляется в виде

Ка = 1,07 10 \о fn ф/Т, где Ло(нм) — длина волны в центре линии;

f — сила осциллятора; п (см ) — концентра-з ция атомов (ионов), поглощающих линию; р— атомный вес; Т (эВ) — температура газовой мишени. При наблюдении излучения в направлении, нормальном (или близком к нормальному) плоскости апертурной диафрагмы, за ьпринималось расстояние от оси пучка электронов до апертурной диафрагмы (L 1 см). Было принято, что погрешность задания потока излучения линии, вносимая влиянием реабсорбции, должна быть не больше 1, что соответствует условию ко (< 001

В отношении линий ионов Не и Аг требование к давлению, вытекающее из этого условия, оказалось много слабее, чем требование, связанное с условием однократности столкновений, и именно последнее учитывалось на практике. Иная ситуация оказалась для линий атомов Не, для которых влияние реабсорбции существенно и в наибольшей степени для резонансной линии Л - 58,4 нм. Поэтому при генерации излучения линий атомов Не использовалась струйная мишень, чтобы уменьшить эффективную длину мишени в направлении наблюдения и создать большой перепад давления между объемами камеры столкновений и за апертурной диафрагмой. Для линий Не для Л=584 нм

Л =53,7 нм

Л =52,2 нм, 21 10 и, ко» 5,6 ° 10 14 . и

2 3 . 10-14, откуда для койцентрации атомов гелия п или давления Р с учетом (1) имеет место условие

5 101о см 3

< 1,8 10" см-3

„. 1 см-3 или

1,6 -10 Тор для 58,4нм

Р < 5,6 10 Тор 53,7нм

1,3 10 Тор 52,2 мм .

Данное ограничение на концентрацию мишени более сильное, чем ограничение, 1679213 обусловленное требованием однократности столкновений.

Из условия ограничения на концентрацию атомов мишени получено предельное значение тока втоРичных ионов InpeA пРе- 5 вышение которого приводит к неконтролируемому уменьшению точности задания потока фотонов генерируемого излучения.

Таким образом, генерация линейчатого излучения с заданной точностью потока фото- 10 нов может быть осуществлене для

1 Inpeg = A I», где I» — ток пучка электронов, облучающих 15 мишень; А — коэффициент, имеющий значение

0,07 для линий Ar

0,96 для линий Не

+ — 6

2,0 10 для Л =58,4нм

7 ° 10 6 д Л=53,7»

1,7 10 для Л = 52,2 нм

20 линии Нв о

А =

40. . 2 Я фот/с для линий Не

+ +

5 10 фот/с для линий Не и Ar

Сог асно заданному значению потока фотонов выставлялся (изменением давления 45 или тока пучка электронов) измеряемый ток вторичных ионов, равный соответственно

А для Л = 58.4 нм

А для Л =. 53,7 нм

АдляЛ =52,2 нм

A для Л = 30.4 нм

1,21 10

4,81 10

1,28 - 10

5Я -10

275 1О

4,88 10

1 атомы Не иона Не ионы Ar

А для Л = 92,0 нм

А для Л = 93,2 нм }

В соответствии с формулой изобретения точность задания полного потока фотонов спектральной линии определяется погрешностью измерения тока вторичных ионов д 1 и погрешностью определения З0 отношения сечений о /<Ъ . Ток вторичных ионов измерялся с погрешностью ,д I = +О,1, э поскольку д 1 «д/(аа/< ), то погрешность задания потока фотонов равна погрешности определения отношения сечений д (ба/ф ) ..

Ставилась задача генерировать излучение линий Не, Не и Ar с полным потоком фотонов, равным

Точность расчета отношения оа/а составляет

+ 5 для линий Нео и Не

1,бв Ги) =

+ 8 для линий Ar

Формула изобретения

Способ генерации излучения линейчатого спектра в ВУФ диапазоне. с полным потоком фотонов требуемой величины, включающий возбуждение излучения путем облучения газовой мишень коллимированным моноэнергетическим пучком частиц, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности установления требуемой велйчины полного потока фотонов спектральной линии, облучают мишень пучком частиц с энергией, достаточной для ионизации газа или частиц пучка, воздействуют на область возбуждения излучения электрическим полем с вектором напряженности, перпендикулярным к направлению пучка, и измеряют ток образующихся вторичных ионов или электронов в области, совпадающей с областью сбора излучения ВУФ диапазона, устанавливают ток пучка и/или концентрацию частиц мишени такими, что измеренная величина тока вторичных ионов или электронов равна

I -Ф ° е (-), в (Е) где Ф вЂ” требуемый поток фотонов спектральной линии; е — заряд электрона; ж(Е) =C(E)+c4(E) =, Я цо,, q)1 где C (Е) й(4 (E) — суммарные сечения ионизации частиц газовой мишени и частиц пучка при облучении мишени пучком частиц с энергией Е;

q — степень ионизации частиц; (7q (Е) — парциальное сечение образования иона с зарядом; це os — сечение возбуждения частиц мишени или пучка.