Устройство для измерения угловых распределений пучка ионов

 

Устройство для измерения угловых распределений пучка ионов используется для исследований в области физики ион-атомных столкновений, преимущественно в исследованиях взаимодействия пучка ионов с монокристаллической или газовой мишенью, а также может использоваться при легировании поверхностей ионным пучком. Устройство содержит восьмиразрядный двоичный реверсивный счетчик, к выходам которого подключен восьмиразрядный сумматор. К второму входу сумматора подключено программируемое запоминающее устройство (ЗУ), позволяющее сдвигать выходной код сумматора. Адресные входы ЗУ подсоединены к мультиплексору, через который подключаются либо к реверсивному счетчику, либо к микропроцессорному контроллеру (МПК). К ЗУ подключена также схема управления реверсивным счетчиком. Девятиразрядный код сумматора поступает на внешнее накопительное устройство и на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), сигнал с которого подается на отклоняющие пластины посредством усилителя с парафазными выходами. Ионы, пролетая между пластинами отклоняются от первоначальной траектории и попадают на регистрирующий детектор, что приводит к запоминанию в накопительном устройстве кода, соответствующего углу отклонения. Для масштабирования выходного сигнала используется второй ЦАП, который задает опорное напряжение для первого. Управление вторым ЦАП, мультиплексором, программирование ЗУ, формирование тактовых импульсов для счетчика осуществляет МПК. Технический результат заключается в получении программируемого линейно-ступенчатого отклонения пучка ионов. Положительным эффектом является повышение эффективности проведения физических исследований и повышение локальной прочности легированных деталей. 1 ил.

Изобретение относится к исследованиям физики ион-атомных столкновений, преимущественно к исследованиям взаимодействия пучка ионов с монокристаллической или газовой мишенью.

Известны устройства электростатического сканирования пучка ионов по поверхности мишени, использующие пару (несколько пар) отклоняющих пластин, на которые подается изменяющаяся разность потенциалов, чем достигается отклонение пучка ионов от первоначальной траектории [1, 2].

Известно устройство для внедрения ионов в мишень, отклоняющее пучок заряженных частиц (ЗЧ) по двум взаимно перпендикулярным плоскостям. Данное устройство содержит два комплекта взамно перпендикулярных пластин, на которых можно изменять разность потенциалов с помощью управляющих устройств (УУ). Управляющее устройство каждого комплекта содержит реверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фазорасщепитель и два выходных усилителя. На счетчик первого УУ подаются сигналы от генератора. Фазорасщепители преобразуют сигналы с ЦАП в два сигнала, симметричных относительно общей точки, которые после усиления в выходных усилителях поступают на отклоняющие пластины. Таким образом, на первый комплект пластин подается изменяющееся напряжение, на второй - постоянное. По завершении прохода пучка ЗЧ по мишени первое УУ выдает сигнал, вызывающий изменение напряжения на втором комплекте отклоняющих пластин на фиксированную величину. Одновременно переключается на обратное изменение напряжение на первом комплекте пластин. Осуществляется линейное сканирование пучка ЗЧ по мишени (US 4260897 A, 1981).

Заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность использования пучка ионов (времени работы ускорителя) за счет измерения только интересующих областей углового или зарядового распределения пучка ионов (например, вырезания малоинформационных промежутков с малой интенсивностью), а также повышение эффективности использования ресурса детектора и устранения перегрузки последующего за ним электронного спектрометрического тракта за счет возможности исключения областей спектра распределения пучка ионов, имеющих высокую интенсивность.

Поставленная задача решается изменением способа формирования выходного ПДК, соответствующего углу отклонения пучка ионов в первой плоскости сканирования. Для этого в схеме прототипа введены дополнительные блоки, связанные определенным образом, что позволило более гибко задавать режимы сканирования и получать широкие возможности задания числа и местоположения окон. В предлагаемое устройство, построенное на базе МП-контроллера и содержащее восьмиразрядные двоичный реверсивный счетчик и сумматор, два ЦАП (вход первого из них подключен к выходу сумматора, вывод опорного напряжения первого подключен к выходу второго) и высоковольтный усилитель с парафазными выходами, к которым подключается первый комплект отклоняющих пластин, вместо схем сравнения, одного сумматора, ключа и схемы ИЛИ введены оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) кодов смещения, которое программируется МП-контроллером и выходные линии данных которого подключены к сумматору, двенадцатиразрядный мультиплексор, выходы которого подключены к линиям адреса и управления ОЗУ, вход управления и первые входы подключены к МП-контроллеру, а вторые - к выходам счетчика, схема управления, входы которой подключены к выходным линиям данных ОЗУ, а выход подключен к счетчику. В режиме сканирования выходной ПДК счетчика является адресом ОЗУ, что позволяет сдвигать выходной ПДК счетчика на величину кода, записанного в соответствующей ячейке памяти ОЗУ. Сложение ПДК счетчика и кода смещения, записанного в ОЗУ, осуществляет сумматор. Схема управления выделяет код 0FFH, записанный в ОЗУ и являющийся признаком верхней границы угла сканирования, при этом выходной сигнал схемы управления переключает направление счета реверсивного счетчика на обратное. Мультиплексор необходим для программирования ОЗУ МП-контроллером до выхода в режим сканирования. Указанные блоки при данной взаимосвязи позволяют существенно повысить эффективность использования пучка ионов и времени проведения эксперимента за счет исследования только интересующих областей спектра углового или зарядового распределения рассеянного пучка ионов. Кроме того, при использовании окон для исключения областей пика с высокой интенсивностью можно значительно повысить ресурс работы детекторов применительно к пиковым спектрам распределения, т.е. имеющим узкие области с большой интенсивностью потока ионов, вызывающие радиационное повреждение детектора и перегружающие спектрометрический тракт. В промышленности данное устройство может применяться для локального легирования поверхности деталей ионным пучком.

Разработано устройство (см. чертеж) на базе МП-комплекта 1821, состоящее из МП-контроллера 1, к которому подключены тактовый вход восьмиразрядного реверсивного счетчика 2, первый канал мультиплексора 4, ЦАП 3 и линии данных ОЗУ кодов смещения 6. Выходы реверсивного счетчика 2 подключены ко вторым входам мультиплексора 4 и к входам восьмиразрядного сумматора 5. Выходы мультиплексора 4 подключены к линиям адреса и управления ОЗУ 6. Выходные линии данных ОЗУ 6 подключены к сумматору 5 и к схеме управления 8. Сигнал переноса сумматора 5 образует девятый дополнительный разряд, который совместно с выходами сумматора 5 подключается к входу ЦАП 7. К выводу опорного напряжения ЦАП 7 подключен выход ЦАП 3. К выходу ЦАП 7 подключается высоковольтный усилитель 9 с парафазными выходами, к которым подключаются отклоняющие пластины.

Устройство работает следующим образом. С пульта МП-контроллера вводятся числовые константы (начало и конец первого окна, затем - второго, и т.д.), проверяется отсутствие ошибок ввода и производится математическая обработка введенных чисел, после чего МП-контроллер 1 записывает в ОЗУ 6 ПДК, необходимые для реализации требуемого режима сканирования. Адреса ячеек памяти ОЗУ 6 поступают от МП-контроллера 1 через мультиплексор 4. МП-контроллер выводит заданное значение ПДК в ЦАП 3, после этого начинает выдавать тактовые импульсы на счетчик 2 и переключает мультиплексор 4, переводя тем самым устройство в режим сканирования. ПДК с выхода счетчика 2 поступает на сумматор 5 и через мультиплексор 4 на линии адреса ОЗУ 6. Сумматор 5 складывает ПДК счетчика 2 с величиной ПДК, записанного в соответствующей ячейке памяти ОЗУ 6. Выход переноса сумматора 5 образует девятый разряд выходного ПДК. Реверсивный счетчик 2 начинает работать в режиме прямого счета. При выделении схемой управления 8 кода 0FFH, записанного в ОЗУ 6 и являющегося кодом признака верхней границы угла сканирования, сигнал со схемы управления 8 переключает счетчик 2 в режим обратного счета. При достижении нулевого значения счетчик 2 автоматически переключается в режим прямого счета. Этот процесс повторяется до прекращения поступления тактовых импульсов с МП-контроллера 1. Девятиразрядный выходной ПДК с выходов сумматора 5 поступает на ЦАП 7. Аналоговый сигнал с выхода ЦАП 7 усиливается высоковольтным усилителем 9 и подается на отклоняющие пластины. Пучок ионов проходит между этими пластинами и попадает на детектор. При регистрации иона детектором девятиразрядный выходной ПДК, соответствующий углу отклонения, передается во внешнее накопительное устройство. Опорное напряжение для ЦАП 7 формируется ЦАП 3 и задается шестиразрядным ПДК, поступающим на ЦАП 3 от МП-контроллера.

Использование предлагаемого устройства позволяет существенно повысить эффективность исследований в области физики ион-атомных столкновений, в частности изучение угловых и зарядовых распределений рассеянного пучка ионов, провзаимодействовавшего с газовой или монокристаллической мишенью, снизить затраты времени на проведение эксперимента, экономить время работы ускорителя, снизить трудоемкость ведения эксперимента за счет применения микропроцессорного управления, повысить срок службы дорогостоящих детекторов и устранить перегрузки электронного спектрометрического тракта, что существенно влияет на точность измерений. Возможно применение устройства в процессах легирования поверхностей ионным пучком для получения неоднородных зависимостей от координаты.

Источники информации 1. Патент Великобритании N 2137409, H 01 J 37/317, H 01 L 21/425.

2. Патент США N 4593200, H 01 J 37/256.

3. Патент США N 4260897, H 01 J 37/00.

4. Авт. св. СССР N 1646397, H 01 J 37/00.

Формула изобретения

Устройство для измерения угловых распределений пучков ионов, содержащее восьмиразрядный двоичный реверсивный счетчик, восьмиразрядный сумматор, входы которого подключены к выходам счетчика, два цифроаналоговых преобразователя, входы первого подключены к выходам сумматора, выход второго подключен к выводу опорного напряжения первого, высоковольтный усилитель с парафазными выходами, к которым подключены отклоняющие пластины, а вход подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, отличающееся тем, что в устройство введены запоминающее устройство, выходные линии данных которого подключены к сумматору, схема управления, входы которой подключены к выходным линиям данных запоминающего устройства, а выход подключен к выводу управления направлением счета счетчика, мультиплексор, выходы которого подключены к линиям адреса и управления запоминающего устройства, вторые входы подключены к счетчику, а первые входы подключены к микропроцессорному контроллеру, к которому также подключаются линии данных запоминающего устройства, второй цифроаналоговый преобразователь и тактовый вход счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1