Способ измерения спектра ионов и времяпролетный спектрометр ионов

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава путем ускорения ионов, которое происходит в ускоряющем промежутке, формирующимся в вакуумной камере между входным торцом трубы дрейфа и плазмой при подаче на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности и длительностью меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы с наибольшим соотношением Z/M_i, где Z - зарядность ионов в плазме, M_i - масса ионов. Импульс напряжения подается с импульсного источника ускоряющего напряжения, выполненного с отрицательной полярностью, высоковольтный вывод которого электрически соединен с трубой дрейфа, другой вывод соединен с заземленным корпусом вакуумной камеры. При транспортировке в трубе дрейфа ускоренные ионы разделяются на сгустки по массе, заряду и энергии, и разделенные сгустки регистрируются детектором. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава плазмы.

Известен времяпролетный способ измерения спектра ионов [1] путем их экстракции из плазмы, ускорения и формирования пучка, коротко-импульсного воздействия на ионы пучка радиального электрического поля в течение 100 нс и последующей транспортировке пучка ионов в трубе дрейфа и его регистрации детектором.

Разделение ионов по массам, заряду и энергии реализуется в указанном способе не для всего пучка, длительность которого может существенно превышать 100 нс, а только для той части пучка, которая прошла систему колец во время наличия на ней радиального электрического поля. Радиальное электрическое поле фокусирует ионы пучка на детектор малых размеров. Детектор перекрыт от прямого попадания нефокусируемого пучка. Таким образом, ионы пучка, прошедшие через систему радиального отклонения, в последующем при транспортировке в камере дрейфа разделяются по времени их прихода на детектор в зависимости от их массы и энергии.

Времяпролетный спектрометр, реализующий указанный выше способ [1], содержит источник ускоренных ионов, систему концентрических колец, расположенную перпендикулярно оси движения пучка ионов, и коллектор ионов. На концентрически расположенные кольца импульсно подается напряжение смещения таким образом, что ионы, проходя в зазоре между кольцами в течение действующего импульса напряжения, получают импульс энергии радиальной направленности и в последующем фокусируются в области коллектора. В отсутствие напряжения смещения пучок ионов проходит систему колец без изменения траекторий движения ионов.

Таким образом, из общей длительности ионного пучка Т выделяется импульс ионов длительностью τ. На пролетной базе между системой колец и коллектором ионы разной зарядности и массы разделяются и приходят на коллектор в разное время.

Недостатком способа и спектрометра является необходимость иметь предварительно сформированный поток ускоренных ионов. Этот спектрометр не может быть использован для анализа зарядового и массового состава плазмы.

Известен также способ измерения спектра ионов [2] путем экстракции из плазмы и ускорения ионов в ускоряющем промежутке, последующей инжекции и транспортировки ионного пучка в трубе дрейфа для разделения его на отдельные сгустки в соответствии с зарядовым, массовым и энергетическим составом ионов и детектирования разделенных сгустков. Ускорение ионов осуществляют приложением импульса положительной полярности к узлу ввода плазменного потока в спектрометр и заземлением трубы дрейфа. В результате ускоряющий промежуток образован узлом ввода плазмы и входным торцом трубы дрейфа. Способ выбран за прототип.

Недостаток способа заключается в технической сложности его реализации. Длительность ионного пучка должна быть малой, обеспечивающей при полном ускоряющем напряжении разделение ионов по массе и зарядности в трубе дрейфа разумной длины (например, несколько метров). Таким образом, область применения способа ограничивается только ускорителями и источниками ионов наносекундной длительности. Способ не применяется для анализа спектра плазмы.

Известен также времяпролетный спектрометр [2], реализующий данный способ и состоящий из последовательно расположенных в вакуумной камере источника плазмы, ускоряющего промежутка, трубы дрейфа и коллектора ионов. Выходная диафрагма источника плазмы является узлом ввода плазменного потока в спектрометр. Ускоряющий промежуток образован между выходной диафрагмой источника плазмы и входом трубы дрейфа, для чего к выходной диафрагме источника плазмы подсоединен высоковольтный вывод импульсного источника ускоряющего напряжения положительной полярности. Труба дрейфа подключена к заземленному выводу источника напряжения. При подаче короткого по длительности импульса ускоряющего напряжения положительной полярности на выходную диафрагму источника плазмы из него извлекаются и ускоряются ионы. Сформированный ионный пучок, при своем движении в трубе дрейфа, разделяется на отдельные сгустки в соответствии с зарядовым, массовым и энергетическим составом ионов. По времени прихода на коллектор ионов определяется массовый и зарядовый состав пучка. Доля каждого вида ионов в общем пучке определяется по соотношению площадей пиков осциллограммы тока с коллектора.

Недостатком данного спектрометра является то, что извлечение ионов происходит непосредственно из источника, который находится под ускоряющим потенциалом. Данный спектрометр не позволяет измерять зарядово-массовый состав ионов в свободной плазме или движущемся направленно потоке плазмы на любом расстоянии от источника.

Задачей изобретения является создание способа измерения спектра ионов и времяпролетного спектрометра ионов с более широкими функциональными возможностями.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности измерения зарядово-массового состава ионов плазмы, создаваемой любым источником плазмы и на любом расстоянии от него.

Поставленная задача решается тем, что способ измерения спектра ионов, как и прототип, предусматривает ускорение ионов плазмы, их транспортировку в трубе дрейфа для разделения по массе, заряду и энергии с последующей регистрацией разделенных сгустков. В отличие от прототипа в предлагаемом способе анализируемая плазма непосредственно контактирует с входом трубы дрейфа, а ускорение ионов осуществляют подачей на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности. Длительность импульса выбирают меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы с наибольшим соотношением Z/Mi, где Z - зарядность ионов в плазме, Mi - масса ионов.

Ускоряющий промежуток не задан конструктивными элементами устройства, как это имеет место в прототипе, а формируется между входным торцом трубы дрейфа и плазмой при подаче отрицательного ускоряющего потенциала на трубу дрейфа. Здесь в плазме образуется слой разделения заряда, и ускоренные в этом слое у входа трубы дрейфа ионы сразу попадают в трубу дрейфа. Во время дрейфа в трубе ионы пространственно разделяются в соответствии с их скоростью движения V_i, которая определяется из выражения

где е - заряд электрона, U - ускоряющее напряжение.

Выбирая длительность импульса ускоряющего напряжения меньшей времени пролета в трубе дрейфа ионов с наибольшим соотношением Z/M_i, обеспечивают приход на детектор даже самых быстрых ионов после окончания действия ускоряющего напряжения. Таким образом, ни один сорт анализируемых ионов не попадает в тормозящее электрическое поле, существующее во время действия импульса напряжения между выходным торцом трубы дрейфа и детектором. По времени прихода ионов на детектор и амплитудам сигнала с детектора определяют зарядовый и массовый составы ионов плазмы.

В устройстве поставленная задача решается тем, что времяпролетный спектрометр ионов, как и прототип, содержит трубу дрейфа и детектор, последовательно расположенные в вакуумной камере, а также импульсный источник ускоряющего напряжения. В отличие от прототипа импульсный источник ускоряющего напряжения выполнен отрицательной полярности и высоковольтным выводом электрически соединен с трубой дрейфа, а другим выводом соединен с заземленным корпусом вакуумной камеры. При этом импульсный источник ускоряющего напряжения выполнен с длительностью импульса τ_y, удовлетворяющей соотношению

где l_т.д. - длина трубы дрейфа, Mi/Z -наибольшее соотношение массы ионов к зарядности для ионов анализируемой плазмы; U - ускоряющее напряжение.

Для увеличения длины участка свободного дрейфа ионов при фиксированной длине трубы дрейфа вход и выход трубы дрейфа целесообразно закрыть электродами, прозрачными для ионов, например сетками.

Для улучшения условий транспортировки ускоренных ионов в трубе дрейфа электрод, расположенный на входном торце трубы дрейфа, выполняют выпуклым наружу от трубы дрейфа. Это обеспечивает фокусировку пучка и уменьшает попадание анализируемых ионов на стенки трубы.

Длина ускоряющего промежутка, формирующегося вблизи электрода на входе трубы дрейфа, зависит как от свойств плазмы, таких как: плотность плазмы, сорт ионов, наличие направленной вдоль оси трубы дрейфа скорости плазмы, температуры плазмы, так и от амплитуды и длительности ускоряющего напряжения, и может изменяться от долей миллиметра до десятков сантиметров.

Учитывая, что энергия ионов на входе в трубу дрейфа динамично изменяется по мере увеличения ускоряющего зазора, для улучшения разрешающей способности спектрометра при предполагаемых зазорах больше 1 мм перед входным электродом трубы дрейфа устанавливают дополнительный заземленный электрод. Наличие этого электрода уменьшает также потери ускоряющего напряжения на резистивный ток в плазме.

Для увеличения эффективности транспортировки ионов в трубе при ускоряющем зазоре, фиксированном двумя электродами, как входной электрод трубы дрейфа, так и дополнительный заземленный электрод выполняют выпуклыми наружу от трубы дрейфа.

Плазма, зарядовый и массовый состав которой требуется измерить данным спектрометром ионов, может быть создана любым способом, включая вакуумно-дуговой разряд, ВЧ и СВЧ разряды, различные газовые источники плазмы, лазерное излучение.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема времяпролетного спектрометра ионов.

Времяпролетный спектрометр установлен в вакуумной камере 1 и состоит из трубы дрейфа 2, выполненной из металла, вход и выход которой закрыты электродами 3 и 4, прозрачным для ионов, например металлическими сетками, электрически связанными с трубой дрейфа 2. Перед входом в трубу дрейфа 2 вблизи электрода 3 установлен заземленный электрод 5, прозрачный для ионов, например металлическая сетка. Электрод 3, установленный на входе трубы дрейфа 2 и заземленный электрод 5, образуют ускоряющий промежуток и могут иметь форму плоскости или форму, выпуклую наружу от трубы дрейфа 2. Выпуклая форма обеспечивает фокусировку формируемого ионного пучка. В другом варианте выполнения, при отсутствии заземленного электрода 5, ускоряющий промежуток будет образован электродом 3, установленным на входе трубы дрейфа 2 и плазмой 6, имеющей электрический контакт с заземленным корпусом вакуумной камеры 1. Напротив электрода 4, расположенного на выходе трубы дрейфа 2, с вакуумным зазором установлен детектор 7 заряженных частиц. Детектор 7 электрически связан с системой измерения тока заряженных частиц. Импульсный источник ускоряющего напряжения отрицательной полярности, являющийся генератором импульсных напряжений 8, подключен высоковольтным выводом к трубе дрейфа 2. Второй вывод генератора заземлен на камеру 1 и электрически соединен с заземленным электродом 5.

Устройство работает следующим образом. Рассмотрим работу устройства на примере формирования металлической плазмы вакуумно-дуговым испарителем, работающим в непрерывном режиме. Металлическая плазма поступает из источника в вакуумную камеру 1, заполняя ее объем. Анализируемая плазма двигается вдоль оси трубы дрейфа и контактирует с входом трубы дрейфа. От генератора импульсных напряжений 8 отрицательной полярности подают импульс напряжения амплитудой U и длительностью τ между трубой дрейфа 2 и вакуумной камерой 1.

При появлении потенциала смещения на трубе дрейфа 2 между плазмой 6 и электродом 3 и между электродом 4, установленным на выходе трубы дрейфа и детектором 7, отделенным от трубы дрейфа 2 вакуумным зазором, возникает разность потенциалов. Появление разности потенциалов между электродом 3 и плазмой 6 приводит к разделению зарядов в плазме и ускорению ионов из плазмы к электроду 3, а электронов в обратном направлении. Ускоренные ионы проходят электрод 3 и попадают в эквипотенциальное пространство трубы дрейфа 2. В трубе дрейфа 2 заряд ионного пучка нейтрализуется электронами, присутствующей в трубе плазмы. Ионы пучка дрейфуют в трубе дрейфа 2 со скоростями, определяемыми энергией ионов и их массой.

В то же время при появлении потенциала смещения на трубе дрейфа 2 между электродом 4 и детектором 7 частиц также возникает разность потенциалов. В зазоре между электродом 4 и детектором 7 происходит ускорение ионов в сторону трубы дрейфа 2 и ускорение электронов в сторону детектора 7 заряженных частиц. Учитывая, что скорость электронов на порядки величин больше скорости даже иона водорода, то электроны достигают коллектора за очень малое время (единицы наносекунд). В этой связи, начало сигнала электронного тока с коллектора служит временным отсчетом для определения массового и зарядового состава ионов в спектрометре данного типа.

Длительность импульса высоковольтного смещения с генератора импульсных напряжений 8 выбирают из следующих условий.

Минимальная длительность импульса смещения определяется процессами формирования ускоряющего промежутка между электродом 3 и плазмой 6 или между электродами 3 и 5. Вначале, при подаче потенциала смещения от генератора импульсных напряжений 8 на трубу дрейфа 2, ускоряющий промежуток формируется за счет смещения электронов плазмы. Этот процесс по времени не превышает нескольких наносекунд. Концентрация ионов по всему сформированному промежутку будет одинаковой и будет соответствовать исходной концентрации плазмы. При этом ионы, находящиеся на различном расстоянии от электрода 3, установленного на входе трубы дрейфа 2, ускоряясь в промежутке, получат разную энергию. По мере ускорения ионов будет происходить перераспределение концентрации ионов по ускоряющему промежутку. Стабилизация эмиссионной границы произойдет либо когда ширина ускоряющего промежутка станет равной величине определяемой законом трех вторых, либо если эмиссионная граница плазмы подойдет к электроду 5. В зависимости от параметров плазмы и величины ускоряющего напряжения время стабилизации эмиссионной границы может достигать от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд. Длительность импульса генератора импульсных напряжений 8 целесообразно выбирать такой, чтобы она превышала время стабилизации эмиссионной границы τ_c. Принципиально важным условием для выбора длительности импульса ускоряющего напряжения является условие дрейфа всех ускоренных ионов анализируемой плазмы, включая самые быстрые, имеющие наибольшее соотношение Z/Mi, в течение действия ускоряющего напряжения, внутри трубы дрейфа. Это означает, что ускоренные ионы не попадут в тормозящее их электрическое поле между электродом 4, установленным на выходе трубы дрейфа 2 и детектором 7. Максимальная энергия Е ионов, входящих в трубу дрейфа, определяется их зарядом и ускоряющим напряжением

E=ZeU

Наибольшая скорость дрейфа будет у ионов с наибольшим соотношением Z/Mi. Время дрейфа этих ионов τ_др определяется выражением

Таким образом, длительность импульса ускоряющего напряжения τ_y выбирают из условия

τ_y<τ_др.

Ионы с меньшим соотношением Z/Mi будут двигаться медленнее и придут на детектор, когда уже однозначно будет отсутствовать электрическое поле в зазоре между электродом 4 и детектором 7.

Ионы на детектор 7 приходят в разное время, что фиксируется, например, осциллографом. В дальнейшем по осциллограмме определяют массовый и зарядовый состав ионов и процентное соотношение отдельных компонент ионов в плазме.

Пример исполнения времяпролетного спектрометра. Вакуумно-дуговой испаритель работает с катодом из титана. Концентрация плазмы 6 вблизи электрода 3 составляет (1·10⁹-10¹⁰) ион/см³. Труба дрейфа 2 диаметром 100 мм имеет длину 600 мм. Ионы титана с зарядностью 1, 2, 3 и 4 хорошо разделяются при длительности импульса 500 нс и ускоряющем отрицательном потенциале с генератора импульсных напряжений 8 амплитудой 1000 В.

Источники информации

1. I.G.Brown, J.E.Galvin, R.A.MacGill, R.T.Wright. Improved time-of-flight ion charge state diagnostic./Rev. Sci. Instmm. 58(9), September, 1987, p.1589-1591.

2. S.P.Gorbunov, V.P.Krasov, I.A.Krinberg, V.L.Papemy. Source of metal ions with a variable velocity./6^th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p.67-70.

1. Способ измерения спектра ионов плазмы путем ускорения ионов, их транспортировки в трубе дрейфа для разделения по массе, заряду и энергии и последующей регистрации разделенных сгустков, отличающийся тем, что анализируемая плазма непосредственно контактирует с входом трубы дрейфа, ускорение ионов плазмы производят подачей на трубу дрейфа импульса напряжения отрицательной полярности длительностью, меньшей времени пролета в трубе дрейфа ускоренных ионов анализируемой плазмы с наибольшим соотношением Z/M_i, где Z - зарядность ионов в плазме, М_i - масса ионов.

2. Времяпролетный спектрометр ионов плазмы, содержащий вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов, а также импульсный источник ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что детектируемая плазма контактирует с входом трубы дрейфа, импульсный источник ускоряющего напряжения выполнен с отрицательной полярностью и его высоковольтный вывод электрически соединен с трубой дрейфа, другой вывод соединен с заземленным корпусом вакуумной камеры.

3. Времяпролетный спектрометр по п.2, отличающийся тем, что на входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с трубой дрейфа.

4. Времяпролетный спектрометр по п.3, отличающийся тем, что электрод, расположенный на входном торце трубы дрейфа, выполнен выпуклым наружу от трубы дрейфа.

5. Времяпролетный спектрометр по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что содержит дополнительный заземленный электрод, расположенный перед входным торцом трубы дрейфа.

6. Времяпролетный спектрометр по п.5, отличающийся тем, что заземленный электрод выполнен выпуклым наружу от трубы дрейфа.