Способ определения параметров частиц десорбирующих с электропроводящей поверхности

 

Использование: определение параметров частиц, десорбирующих с электропроводящей поверхности. Сущность: синхронно регистрируют зависимости потока заряженных частиц, интегрального импульса и температуры поверхности образца от его потенциала относительно потенциала потока разреженной плазмы при наличии и отсутствии слоя адсорбированного вещества на поверхности образца, определяют значения интенсивности потока частиц, десорбирующих с поверхности, силу давления этих частиц на поверхность образца и температуру поверхности при значении потенциала, соответствующего максимуму десорбции, определяют силу давления Десорбирующих частиц на поверхность образца в области высоких отрицательных потенциалов и вычисляют концентрацию, среднюю скорость и среднюю молекулярную массу десорбирующих частиц. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) ((() (я)ю G 01 и 5/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4936034/25 (22) 12.05.91 (46) 07.06.93. Бюл. tk 21 (71) Институт технической механики AH УССР (72) В.А,Шувалов и В.З.Корн . (56) Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии. Под ред. А.В.Киселева и В.П.Древинга. М.: иэд. МГУ, 1973, с.108. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ пАРАМЕТ° РОВ. ЧАСТИЦ, ДЕСОРБИРУЮЩИХ С ЭЛЕК-, ТРОПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ (57)Использование: определение араметровчастиц, десорбирующихсэлектропроводящей поверхности. Сущность. синхронно рвгистриру(от зависимости потока заряжен Изобретение касается технической физики, физической и молекулярной газовой динамики, химической физики, плаэмохимии и может быть использовано для определения параметров части, десорбирующих с электропроводящей поверхностью.:

Цель изобретения — расширение области применения способа определения параметров десорбирующих частиц с электропроводящей поверхности на случай бомбардировки образца (поверхности твердого тела) частицами набегающего газового потока, увеличение числа определяемых параметров десорбирующих частиц и повышение точности получаемых результатов.

На фиг.1 показано положение образца в ходе эксперимента; на фиг.2 — экспериментально регистрируемые характеристики: на фиг.3 и 4 — схемы обработки соответственно

ВАХ и силовой характеристики. ных частиц, интегрального импульса и температуры поверхности образца от его потенциала относительно потенциала потока разреженной плазмы при наличии и отсутствии слоя адсорбированного вещества на поверхности образца, определяют значения интенсивности потока частиц, десорбирующих . с поверхности, силу давления этих частиц на поверхность образца и температуру поверхности при .значении пбтенциала, соответствующего максимуму десорбции, определяют силу давления десорбирующих частиц на поверхность образца в области высоких отрицательных потенциалой и вычисляют концентрацию, среднюю скорость и среднюю молекулярную массу десорбирующих частиц. 4 ил, Образец 1 (см. фиг.1) выполнен в виде плоской пластины или диска, к которому присоединены термопара 2 и элементы токоподвода (держатель микровесоа) 3 а единой системе с регулирующим прибором микровесов 4. Боковая и тыльная поверх- QQ ность образца 1 защищена от окружающей с Ъ среды — частично диссоциироаанного ионизованного газа 5 — экраном 6.

На фиг.2-4 принята единая нумерация позиций, где кривая 1 — Зависимость потока, заряженных частиц на рабочую поверхность образца от его потенциала а случае

Отсутствия на поверхности адсорбирован- . иых веществ; кривая 2 — аналогичная эааи- а симость при наличии адсорбента на поверхности образца; кривая 3 — зависимость суммарного импульса. переда ааемого рабочей поверхности образца потоком частиц в случае чистой поверхности; кривая 4— аналогичная зависимость а случае поверх1820301 ности, покрытой слоем адсорбента; кривая

«5 — температурная характеристика.

Предлагаемый способ определения параметров частиц, десорбирующих с электропроводящей поверхности при бомбардировке набегающим потоком частично диссоциированного ионизованного газа, реализуют следующим образом.

Образец 1, выполненный в виде пло, ской пластины или диска, к экранированной стороне которого присоединены термопара

2 и элементы токоподвода 3, помещают на вакуумные микровесы, размещенные в потоке разреженной плазмы.

В ходе эксперимента по реализации .предлагаемого способа синхронно регистрируют следующие характеристики (фиг.2):

1) I = I 9p) — зависимость потока эаряже IHblx частиц на поверхность образца от

его потенциала ф относительно потенциала потока разреженной плазмы — вольт-амперная характеристика образца;

2) Р = F (р) — зависимость импульса, передаваемого частицами потока поверхности образца, от потенциала ф — силовая характеристика, регистрируемая микровесами;

3) Ew = Ew(p ) — зависимость ЗДС термопары от потенциала ер — температурная характеристика.

Эти характеристики синхронно регистрируют как для образца, поверхность которого покрыта слоем адсорбированного вещества, так и для образца с чистой поверхностью.

На BAX (фиг.3) из-за десорбции частиц наблюдается резкое увеличение ионного тока в переходной области потенциалов — "крючок" (7): Как видно из фиг.3, ионный так в точке

А увеличивается на величину 4, соответствующую интенсивности десорбировавших. частиц, Выражая ld через концентрацию и среднюю скорость частиц (вторичных ионов), получим

ndl ЯД д=Ае

На силовой характеристике, как видно из фиг.4, десорбция частиц с поверх.ности, стимулированная набегающим . потоком, вызывает в определенном диапазоне потенциалов увеличение значения суммарного импульса, переносимого на поверхность образца. При детальном рассмотрении процесса можно получить следующие зависимости для интегральной силы, действующей на поверхность образца

, . = Fol l + е, + Fn + F + Fn (2) = Fol с, + Fe; + Fn + Fm + Fn + Fd (3) где F» " ч — сила воздействия потока на поверхность с потенциалом rp, свободную от адсорбента;

F< — сила воздействия потока íà поверхность с потенциалом, покрытую слоем

10 адсорбированного вещества:

Fo>l сила воздействия на поверхность с потенциалом р положительных ионов набегающего потока разреженной плазмы;

Ре,,-т; сила воздействия на поверхность с потенциалом электронов набегающего потока;

Fn, F, Fn Р— силы воздействиЯ на быстр поверхность соответственно нейтральных частиц, метастабильных частиц и быстрых

20 нейтралов;

Fd — сила воздействия на поверхность десорбирующих частиц.

Fd определяется как разность

25 р р здс F чист (4) 1 < (Г что позволяет определять Fd по силовой характеристике (фиг.4), При этом для образца, выполненного в виде плоской пластины или диска, характер-. ный размер которого И» Яд, где i4 — дебаевский радиус в невозмущенной плазме, влиянием электростатических сил можно пренебречь (их вклад в общий баланс сил

35 . пренебрежимо мая) (8).

Наличие Г на силовой характеристике является результатом действия на поверх, ность десорбирующих частиц и медленных ионов, возникших при иониэации десорби40 роаанных частиц набегающим потоком.

В области высоких отрицательных потенциалов на.силовой характеристике (фиг.3)

Fd - FÄ д — F " определяется только десорбированн ымй нейтральными частицами (вто45 ричные медленные ионы здесь отсутствуют, . об этом свидетельствует ионный ток ВАХ)

Fd1 = Fdn = Adn K Tw.. {5)

2

В области "крючка" на поверхность воздействуют уже и ионизованные десорбированные частицы в виде медленных вторичных ионов (о чем свидетельствует рост ионного

55 тока на ВАХ и сдвиг "плавающего" потенциала а область более положительных значений)

Fd2= Fdn+ Fdl = 2 K Гтч(поп+ па), (6)

1820301

2Fd лdlnl AKTw

© — АКТ (Fdr — Fd1)

W (8) п<ь = 2,56 .10 см з, пя = 1,92 10 см

4ld

Аепд (9) Vd = 4 88 .10 см /с, Md = 36 а.е,м.

Полученные результаты не вступают в противоречие с известными физико-химическими моделями процесса десорбции, Значение Md позволяет предполагать наличие на поверхности таких адсорбированных соединений, как СО, COz, Н20, что согласуется сданными масс-спектрометрии фоновой остаточной среды в вакуумных камерах.

Таким образом, использование предпо40 лагаемого способа определения параметров частиц, десорбирующих с поверхности электропроводящих материалов, позволяет увеличить число определяемых парэметров: определить концентрацию десор45 бирующих частиц, их среднюю скорость и среднюю молекулярную массу; расширить диапазон применения способа как для статических условий, тэк и для потоков разреженной плазмы при произ- .

50 вольной скорости потока; определять параметры потока заряженных частиц, соответствующие непосредственно моменту измерений, по BAX c использованием традиционных методов зон55 довой диагностики; контролировать этапы протекания процесса: начало„протекание и завершение десорбции непосредственно в ходе из- . мерений.

8KTw

ы4 где А — площадь поверхности образца;

К.— постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура поверхности образца;

ndn — концентрация десорбирующих нейтральных частиц; пж — концентрация медленных вторичных ионов.

При этом предполагается, что для частиц, десорбированных с поверхности, имеет место максвелловское распределение с температурой, равной температуре поверхности (9, 10}.

Иэ соотношений (5), (6) при известных

Т и А

Иэ соотношений (1) и (8) определяется средняя скорость десорбирующих частиц

При максвелловском распределении

Vd = ЛКТ, (10)

Ж% откуда определяется средняя молекулярная масса десорбирующих частиц

После подстановки в формулы (7), (8}, (9), (11) измеренных и определенных по ВАХ, силовой и температурной характеристикам значений ld, Fd), Fdz, Tw и энаЯ плоЩаДь поверхности образца А, вычисляют параметры частиц, десорбирующих с поверхности, а именно концентрацию, среднюю скорость и среднюю молекулярную массу.

Пример. Для определения параметров десорбирующих частиц образец был изготовлен в виде круглого алюминиевого диска диаметром 38 мм, к изолированной от контакта с плазмой стороне которого присоединялись хромелькопелевэя термопара и элементы токоподвода.

Образец был помещен на вакуумные микровесы в поток частично диссоциированного иониэованного азота при давлении в вакуумной камере 10 мм рт,ст. и концентрации ионов набегающего потока 5 10 см .

Информация о давлении в рабочей камере и параметрах набегающего потока не имеет принципиального значения для реализации заявляемого слособа — эти данные для определения параметров десорбирующих час-. тиц нигде не используются и приведены лишь для иллюстрации конкретного примера, На снятых экспериментальным путем зависимостях I„= l (p), F. = F(p), Ew = Ew(p) (см. фиг,2-4) бйли выбрайы точки 1 и ll npu фиксированных потенциалах поверхности:

p - -125 В, фц = -10 В. Экспериментальные параметры, определенные из зависимостей

Fdq = 8 10 дин, Fdz - 1,4. 10 дин, ld =

= 4,25 t 0 А, Tw = 400 К, После вычислений по формулам (7). (8), (9), (11) получаем значения концентраций, средней скорости и средней молекулярной массы частиц, десорбирующих с поверхности:

1820301

Формула изобретени я

Способ определения параметров частиц, десорбирующих с электропроводящей поверхности образца твердого тела, в набегающем потоке частично диссоциированно- 5 го ионизированного газа, включающий измерение суммарного импульса, передаваемого частицами поверхности образца, отличающийся тем, что; с целью повышения точности и расширения области 10 применения за счет увеличения числа определяемых параметров десорбирующих частиц, синхронно регистрируют .зависимости потока заряженных частиц, интегрального импульса и температуры поверхности об- 35 разца от его потенциала относительно потенциала потока разреженной плазмы при наличии и отсутствии слоя адсорбированного вещества на поверхности образца, определяют значения интенсивности потока.20 частиц, десорбирующих с поверхности, силу давления этих частиц на поверхность образца и температуру поверхности йри значении потенциала, соответствующего максимуму десорбции; определяют. силу давления де- 25 . сорбирующих частиц на поверхность образца в области высоких отрицательных потенциалов и вычисляют концентрацию, среднюю скорость и среднюю мол,м. десорбирующих частиц по формулам ЗО

2Fdq пбп Ак1пд! = .дд — (Fd2 — Fdl)

W e где nd> — концентрация десорбирующих нейтральных частиц; и я — концентрация медленных вторичных ионов (ионизованных десорбировэнных частиц);

Ри — сила давления частиц на поверхность в области высоких отрицательных потенциалов;

Fdg — сила давления частиц на поверхность в области максимума десорбции;

А — площадь поверхности образца, К вЂ” постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура поверхности образца, 41

Ч4 Аеп где Vd — средняя скорость десорбирующих частиц;

1д — поток десорбированных ионов на поверхность образца; е — заряд электрона;

Md=

8kTw где Md - средняя мол,м. десорбирующих частиц.

1820301

Фвт.1

Фих .2

1820301

@ate .Ç

Составитель . В. Шувалов

Техред М,Моргентал Корректор М. Ткач

Редактор Л, Волкова

Заказ 2027 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский «омбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101