Способ анализа газов и ионизационный детектор для его осуществления

 

Изобретения относятся к средствам определения состава газовых смесей и позволяют производить качественный и количественный анализ примесей в основном газе. Сущность изобретения: определение примесей осуществляется путем анализа энергии электронов, образующихся при ионизации атомов или молекул примесей при столкновениях с частицами определенной энергии, в качестве которых могут использоваться метастабильные атомы или молекулы основного газа, а также монохроматические фотоны от внешнего источника. Анализ энергии электронов, образующихся при столкновениях примесей с метастабильными атомами в послесвечении плазмы, зажигаемой между плоскими анодом и катодом, осуществляют путем получения второй производной тока в зависимости от приложенного напряжения. Для анализа энергии электронов можно использовать дополнительную сетку между анодом и катодом и вместо плазмы использовать для ионизации примесей внешний источник ультрафиолетового излучения. Расстояние между электродами и давление газа выбирают так, чтобы искажения измеренных значений энергии электронов не превышали заданный уровень. Технический результат: возможность проведения качественного и количественного анализа в широком диапазоне давлений. 2 с. и 38 з. п. ф-лы, 8 ил.

Таблицын

Формула изобретения

1. Способ анализа примесей в основном газе, заключающийся в том, что ионизируют атомы или молекулы примесей при столкновениях с частицами определенной энергии в ионизационной камере и измеряют ток на один из, по крайней мере, двух электродов, находящихся в указанной камере, в зависимости от приложенного между электродами напряжения, отличающийся тем, что давление основного газа и пространственную конфигурацию ионизационной камеры выбирают так, чтобы расстояние от любой точки внутри ионизационной камеры до ближайшей стенки или одного из указанных электродов было меньше средней длины перемещения электронов до момента потери заданной доли кинетической энергии, обеспечивают эквипотенциальность той области пространства ионизационной камеры, где происходят ионизирующие столкновения, по зависимости тока от приложенного между электродами напряжения определяют количество электронов с характеристическими значениями энергии, возникающих при ионизации указанных атомов или молекул, судят о составе примесей по параметрам этих электронов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного газа используют инертный газ.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве основного газа используют гелий.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что используют основной газ при давлении от 10 до 10⁵ Па и выше.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что приложенное напряжение между указанными электродами изменяют в диапазоне от 0 до порога ионизации основного газа, а количество электронов с характеристическими значениями энергии определяют по второй производной зависимости тока от приложенного напряжения.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для создания эквипотенциальности указанной области пространства ионизационной камеры используют импульсный источник энергии для образования в ионизационной камере плазмы после свечения, атомы или молекулы примесей ионизируют в плазме после свечения при столкновениях с метастабильными атомами или молекулами основного газа, образующимися при воздействии указанного импульсного источника энергии, указанный ток измеряют с задержкой после воздействия указанного импульсного источника энергии, при этом обеспечивают такую концентрацию и температуру заряженных частиц в указанной плазме после свечения в момент измерения, что Дебаевский радиус много меньше характерных размеров ионизационной камеры.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве указанного импульсного источника энергии используют импульсный газовый разряд между указанными электродами.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве указанного импульсного источника энергии используют импульсное лазерное излучение, создающее плазму между указанными электродами.

9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что ионизируют атомы или молекулы примесей при облучении плазмы после свечения фотонами заданной энергии от внешнего источника.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что ионизируют атомы или молекулы примесей при облучении фотонами, резонансными для атомов или молекул основного газа.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что используют указанные электроды плоской формы, расположенные параллельно друг другу и одновременно выполняющие роль стенок ионизационной камеры.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что в ионизационной камере устанавливают N изолированных катодов, на каждый из которых подают индивидуальное значение напряжения относительно одного или нескольких анодов, измеряют ток на каждый из указанных N катодов, по совокупности измеренных значений тока находят количество электронов с характеристическими значениями энергии, возникающих при ионизации указанных атомов или молекул примесей.

13. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что размещают проводящую сетку между указанными электродами и электрически соединяют ее с анодом для создания эквипотенциального пространства между ними, ионизируют атомы или молекулы примесей при облучении пространства между сеткой и анодом нейтральными частицами заданной энергии от внешнего источника.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что используют указанные электроды и сетку плоской формы и располагают их параллельно друг другу, при этом указанные электроды одновременно используют в качестве стенок ионизационной камеры.

15. Способ по любому из пп.13-14, отличающийся тем, что ионизируют атомы или молекулы примесей при облучении фотонами, резонансными для атомов основного газа.

16. Способ по пп.13-15, отличающийся тем, что контролируют заряд, попавший на катод, при превышении заданного значения этого заряда выключают указанный внешний источник и прикладывают электрическое поле до момента удаления заряженных частиц из пространства между электродами, а затем снова включают внешний источник и измерение тока.

17. Способ по любому из пп.13-16, отличающийся тем, что в ионизационной камере устанавливают N изолированных катодов, на каждый из которых подают индивидуальное значение напряжения относительно одного или нескольких анодов и соответствующих одной или нескольких сеток, измеряют индивидуально ток на каждый из указанных N катодов, по совокупности измеренных значений тока находят количество электронов с характеристическими значениями энергии, возникающих при ионизации указанных атомов или молекул примесей.

18. Способ по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что в качестве примеси анализируют состав материала мишени, распыляемой воздействием дополнительного источника энергии, при этом обеспечивают поступление примеси в ионизационную камеру в смеси с основным газом.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что используют указанную мишень в качестве катода, распыляемого предварительным плазменным разрядом, зажигаемым с помощью указанного дополнительного источника энергии.

20. Способ по пп.1-19, отличающийся тем, что молекулы примесей предварительно подвергают диссоциации на атомы в дополнительном плазменном разряде и производят анализ атомарного состава примесей.

21. Ионизационный детектор состава примесей в основном газе, включающий наполненную указанными газами ионизационную камеру с, по крайней мере, двумя электродами, источник энергии, создающий частицы с заданной энергией для ионизации атомов или молекул примеси, измерительную систему, подключенную к одному из электродов для регистрации тока в зависимости от напряжения, приложенного между электродами, отличающийся тем, что давление основного газа и пространственная конфигурация ионизационной камеры выбраны так, чтобы расстояние от любой точки внутри ионизационной камеры до ближайшей стенки или одного из указанных электродов было меньше средней длины перемещения электронов до момента потери заданной доли кинетической энергии, обеспечена эквипотенциальность всей области ионизационной камеры, где происходит ионизация примесей, а измерительная система выполнена с возможностью определения количества электронов с характеристическими значениями энергии, возникающих при ионизации указанных примесей.

22. Ионизационный детектор по п.21, отличающийся тем, что в качестве основного газа используется инертный газ.

23. Ионизационный детектор по п.22, отличающийся тем, что в качестве основного газа используется гелий.

24. Ионизационный детектор по любому из пп.21-23, отличающийся тем, что давление основного газа составляет от 10 до 10⁵ Па и выше.

25. Ионизационный детектор по любому из пп.21-24, отличающийся тем, что приложенное напряжение между указанными электродами изменяется в диапазоне от 0 до порога ионизации основного газа, а указанная измерительная система выполнена с возможностью определения второй производной зависимости тока от приложенного напряжения для определения количества электронов с характеристическими значениями энергии.

26. Ионизационный детектор по любому из пп.21-25, отличающийся тем, что в качестве указанного источника энергии установлен импульсный генератор плазмы после свечения в ионизационной камере, измерительная система выполнена с возможностью измерения указанного тока с задержкой после воздействия указанного импульсного генератора плазмы, при этом генератор плазмы создает концентрацию метастабильных атомов основного газа, достаточную для регистрации электронов с характеристическими значениями энергии, образующихся при ионизации примесей указанными метастабильными атомами, а также такую концентрацию и температуру заряженных частиц в указанной плазме после свечения, что к моменту измерения тока Дебаевский радиус все еще много меньше характерных размеров ионизационной камеры.

27. Ионизационный детектор по п.26, отличающийся тем, что указанный источник энергии обеспечивает зажигание импульсного газового разряда между указанными электродами.

28. Ионизационный детектор по п.26, отличающийся тем, что в качестве указанного источника энергии установлен импульсный лазер, создающий плазму между указанными электродами.

29. Ионизационный детектор по любому из пп.26-28, отличающийся тем, что для ионизации атомов или молекул примесей в плазме после свечения установлен дополнительный внешний источник фотонов заданной энергии.

30. Ионизационный детектор по п.29, отличающийся тем, что в качестве указанного дополнительного внешнего источника установлен источник фотонов, резонансных для атомов или молекул основного газа.

31. Ионизационный детектор по любому из пп.21-30, отличающийся тем, что указанные электроды выполнены плоской формы, расположены параллельно друг другу и выполняют роль стенок ионизационной камеры.

32. Ионизационный детектор по любому из пп.21-31, отличающийся тем, что в ионизационной камере установлено N изолированных катодов, на каждый из которых подано индивидуальное значение напряжения относительно еще одного или нескольких общих анодов, указанная измерительная система выполнена с возможностью индивидуального измерения тока на каждый из указанных N катодов в зависимости от поданного напряжения.

33. Ионизационный детектор по любому из пп.21-25, отличающийся тем, что между указанными электродами размещена проводящая сетка, электрически соединенная с анодом для создания эквипотенциального пространства между ними, а также установлен внешний источник нейтральных частиц заданной энергии так, чтобы атомы или молекулы примесей ионизовались при облучении пространства между сеткой и анодом.

34. Ионизационный детектор по п.33, отличающийся тем, что указанные электроды и сетка выполнены плоской формы и расположены параллельно друг другу, а указанные электроды дополнительно выполняют роль стенок ионизационной камеры.

35. Ионизационный детектор по любому из пп.33-34, отличающийся тем, что указанный внешний источник излучает фотоны, резонансные для атомов или молекул основного газа.

36. Ионизационный детектор по любому из пп.33-35, отличающийся тем, что указанная измерительная система выполнена с возможностью контроля тока на катод, а при превышении заданного значения этого тока в детекторе измерительная система обеспечивает выключение указанного внешнего источника, приложение электрического поля до момента удаления заряженных частиц из пространства между электродами, а затем новое включение указанного внешнего источника и измерение тока.

37. Ионизационный детектор по любому из пп.33-36, отличающийся тем, что в ионизационной камере установлено N изолированных катодов, на каждый из которых подано индивидуальное значение напряжения относительно одного или нескольких анодов и соответствующих одной или нескольких сеток, указанная измерительная система выполнена с возможностью индивидуального измерения тока на каждый из указанных N катодов.

38. Ионизационный детектор по любому из пп.21-37, отличающийся тем, что установлен дополнительный источник энергии, обеспечивающий поступление в ионизационную камеру в качестве примеси к основному газу распыленного материала мишени для анализа ее состава.

39. Ионизационный детектор по п.38, отличающийся тем, что указанная мишень установлена в качестве катода, распыляемого предварительным плазменным разрядом, зажигаемым с помощью указанного дополнительного источника энергии.

40. Ионизационный детектор по любому из пп.21-39, отличающийся тем, что установлен дополнительный источник плазменного разряда, в котором молекулы образца предварительно подвергаются диссоциации на атомы для анализа в ионизационной камере элементного состава образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33, Рисунок 34, Рисунок 35, Рисунок 36, Рисунок 37, Рисунок 38