СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ИОНОВ
METHOD OF MEASURING ENERGY SPECTRUM OF IONS

Изобретение относится к способам анализа заряженных частиц по энергиям с применением электрического поля и может быть использовано для определения функции распределения ионов в плазме рабочего вещества в работах по «Национальной космической технологической платформе» и технологической платформе «Управляемый термоядерный синтез».
Основными областями применения анализаторов заряженных частиц по энергиям являются: изучение поверхности твердых тел, исследование структуры вещества и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме, плазменные задачи геофизики и физики космического пространства. При исследовании потоков плазмы, генерируемых ускорителями плазмы с анодным слоем, стационарными плазменными двигателями и ускорителями других типов, наиболее часто используются анализаторы ионов по энергиям с задерживающим потенциалом (многосеточные). Обычно, в потоках плазмы концентрация ионов не равна концентрации электронов, поэтому, в целом, плазменный поток заряжен - имеет отличный от нуля, обычно положительный потенциал. Кроме того, поток плазмы из плазменного ускорителя (основной) и ультрафиолетовое излучение плазмы плазменного ускорителя генерируют в остаточном или реакционном газах экспериментальной, технологической установок или космической среды фоновую (вторичную) низкотемпературную плазму.
Известен способ анализа ионов по энергии в плазме рабочего вещества [в кн. Hutchinson I.H. Principles of Plasma Diagnostics: Cambridge University Press, 2002. - p. 94] с использованием анализатора с задерживающим потенциалом, в котором ионы регистрируются на коллекторе только в случае прохождения (преодоления) участка анализатора с задерживающим (тормозящим) электрическим полем, величина которого определяет минимальную энергию прошедших ионов:
E>eV,
где:
E - энергия прошедшего иона, эВ;
e - заряд электрона, Кл;
V - величина потенциала на анализирующей сетке, B.
Тормозящее электрическое поле создается между двумя сетками: разделительной и анализирующей. При этом на анализирующую сетку подается положительный потенциал, величиной от нуля до максимальной в спектре анализируемых ионов энергии, а на разделительную сетку подается отрицательный потенциал величиной, эквивалентной нескольким электронным температурам, который не пропускает в область анализирующего поля электроны, сопровождающие ионный поток. Кроме того, в анализаторе с задерживающим потенциалом выполняется входная сетка, разделяющая области плазмы рабочего вещества и анализатора и экранирующая электрические поля анализатора от плазмы, располагаемая перед разделительной сеткой, и коллектор, располагаемый за анализирующей сеткой. Потенциал входной сетки относительно плазмы фиксируется - на входную сетку подается нулевой электрический потенциал (сетка заземляется). На коллектор ионов подается положительный потенциал, исключающий погрешность измерения ионного тока из-за вторичной электронной эмиссии из материала коллектора.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- анализ ионов по энергии в плазме рабочего вещества производят с использованием анализатора с задерживающим потенциалом;
- анализирующее электрическое поле создается между двумя сетками: разделительной и анализирующей;
- на анализирующую сетку подается положительный потенциал, величиной от нуля до максимальной энергии в спектре анализируемых ионов;
- на входную сетку подается нулевой электрический потенциал (сетка заземляется);
- на коллектор ионов подается положительный потенциал, исключающий погрешность измерения ионного тока из-за вторичной электронной эмиссии из материала коллектора.
Недостатком данного способа является наличие погрешности при измерении энергетического спектра ионов в области низких энергий, если присутствует фоновая плазма и потенциал плазмы рабочего вещества отличен от нулевого,
pl
φ>0,
где:
pl
φ - потенциал плазмы.
Известен способ анализа ионов по энергии в плазме рабочего вещества [Лоян А.В., Максименко Т.А., Приходько П.С., Солонинко Е.П. Выявление двухпиковости функции распределения ионов по энергиям в двигателе МСПД-12 // Авиационно-космическая техника и технология, 2010. - №9. - С. 164-171] с использованием анализатора с задерживающим потенциалом, в котором ионы регистрируются на коллекторе только в случае прохождения участка анализатора с задерживающим электрическим полем, величина которого определяет минимальную энергию прошедших ионов, E>eV.
Тормозящее электрическое поле создается между коллектором и вторым электродом - сеткой номер 3 (номера сеток - смотри рис. 1.5 цитируемой работы). При этом на коллектор (между сеткой №3 и коллектором) подается положительный потенциал, величиной от нуля до максимальной энергии анализируемых ионов, а на разделительную сетку №2 подается отрицательный потенциал величиной, эквивалентной нескольким электронным температурам, который не пропускает в область анализирующего поля электроны, сопровождающие ионный поток. Кроме того, в анализаторе с задерживающим потенциалом выполняется входная сетка (№1), разделяющая области плазмы рабочего вещества и анализатора и экранирующая электрические поля анализатора от плазмы, располагаемая перед разделительной сеткой, и коллектор, располагаемый за анализирующей сеткой (№2). Потенциал входной сетки относительно плазмы фиксируется - на входную сетку подается нулевой электрический потенциал (сетка заземляется).
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- анализ ионов по энергии в плазме рабочего вещества производят с использованием анализатора с задерживающим потенциалом;
- на входную сетку подается нулевой электрический потенциал (сетка заземляется).
Недостатком данного способа является наличие погрешности при измерении энергетического спектра ионов в области низких энергий, если присутствует фоновая плазма и потенциал плазмы рабочего вещества отличен от нулевого.
Прототипом заявляемого способа является способ анализа ионов по энергии в плазме рабочего вещества [Ikeda Kei. Blocking potential type energy analyzer // патент Японии JPH0644931. - МПК G01T 1/29; G01T 1/36; H01J 37/05; H01J 37/252. - Опубл. 18.02.1994] с использованием анализатора с задерживающим потенциалом, в котором ионы регистрируются на коллекторе только в случае прохождения участка анализатора с задерживающим электрическим полем, величина которого определяет минимальную энергию прошедших ионов, E>eV.
Способ измерения энергетического спектра ионов по прототипу включает создание задерживающего электрического поля между двумя сетками: разделительной (поз. 12 на фиг. 1 прототипа) и анализирующей (поз. 14 на фиг. 1 прототипа). При этом на анализирующую сетку подается положительный потенциал, величиной от нуля до максимальной в спектре анализируемых ионов энергии, а на разделительную сетку и дополнительную сетку (поз. 16 на фиг. 1 прототипа), располагаемую за анализирующей сеткой перед коллектором, подается отрицательный потенциал величиной, эквивалентной нескольким электронным температурам, который не пропускает в область анализирующего поля электроны, сопровождающие ионный поток, и исключает погрешность измерения ионного тока из-за вторичной электронной эмиссии из материала коллектора. Кроме того, в анализаторе с задерживающим потенциалом по прототипу выполняется входная сетка (поз. 10 на фиг. 1 прототипа), разделяющая области плазмы рабочего вещества и анализатора и экранирующая электрические поля анализатора от плазмы, располагаемая перед разделительной сеткой, и коллектор (поз. 16 на фиг. 1 прототипа), располагаемый за дополнительной сеткой. Потенциал входной сетки относительно плазмы фиксируется - на входную сетку подается нулевой электрический потенциал (сетка заземляется). Дополнительный потенциал на коллектор не подается.
Признаками известного способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- анализ ионов по энергии в плазме рабочего вещества производят с использованием анализатора с задерживающим потенциалом;
- анализирующее электрическое поле создается между двумя сетками: разделительной и анализирующей;
- на анализирующую сетку подается положительный потенциал, величиной от нуля до максимальной в спектре анализируемых ионов энергии;
- на входную сетку подается нулевой электрический потенциал (сетка заземляется).
Недостатком способа по прототипу является наличие погрешности при измерении энергетического спектра ионов в области низких энергий, если присутствует фоновая плазма и потенциал плазмы рабочего вещества отличен от нулевого.
Технический результат заявляемого способа измерения энергетического спектра ионов заключается в исключении погрешности при измерении энергетического спектра ионов в области низких энергий при отличном от нулевого положительном потенциале плазмы рабочего вещества и в присутствии фоновой плазмы.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения энергетического спектра ионов с использованием анализатора с задерживающим потенциалом, включающем создание анализирующего электрического поля между двумя сетками разделительной и анализирующей при подаче положительного потенциала величиной от нуля до максимальной в спектре анализируемых ионов энергии на анализирующую сетку, осуществляют отделение потока доускоренных ионов основной плазмы от потока ионов фоновой плазмы, сформированного в процессе ускорения в электрическом поле плазменного потенциала, путем отражения потока ионов фоновой плазмы посредством подачи на разделительную сетку положительного потенциала величиной, превышающей потенциал основной плазмы:
c2
pl
U>φ, где:
c2
U - потенциал на разделительной сетке, В;
pl
φ - потенциал основной плазмы, В.
Из уровня техники при измерении спектра положительных ионов по энергии не известна подача положительного потенциала на разделительную сетку с целью отражения и торможения ионов.
Преимуществом заявляемого способа измерения энергетического спектра ионов является возможность измерения ионного тока, по которому рассчитывается функция распределения ионов по энергии, без погрешностей при отличном от нулевого положительном потенциале плазмы рабочего вещества и присутствии фоновой плазмы в диапазоне низких энергий: от нуля до величины, эквивалентной положительному потенциалу плазмы.
Заявляемый способ измерения энергетического спектра ионов поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 приведен сборочный чертеж анализатора с задерживающим потенциалом.
На фиг. 2 показаны зависимости тока коллектора от напряжения на анализирующей сетке.
На фиг. 3 показаны соответствующие зависимостям 1-3 фиг. 2 тока коллектора от напряжения на анализирующей сетке спектры ионов по энергии.
На фиг. 4 показаны зависимости тока коллектора от напряжения на анализирующей сетке в диапазоне низких энергий.
На фиг. 5 показаны соответствующие зависимостям 1-3 фиг. 4 тока коллектора от напряжения на анализирующей сетке спектры ионов по энергии в диапазоне низких энергий.
Поясним способ измерения энергетического спектра ионов и объект измерения.
i
е
pl
D
i
e
pl
i
e
2
В неограниченной плазме при равенстве концентраций n ионов и nэлектронов (квазинейтральная плазма) потенциал плазмы φ=0. Если плазма имеет конечные размеры - ограничена материальными стенками, то на границе плазма-стенка возникает переходная зона толщиной, равной дебаевской длине (r), со скачком потенциала порядка электронной температуры. Электрическое поле в плазме возникает при наличии нескомпенсированного заряда; его величина, в соответствии с законом Ампера, может быть оценена как E=4π(n-n)δ, где δ - расстояние, на которое разнесены заряды разных знаков. Соответственно, потенциал плазмы тогда определяется как интеграл от напряженности электрического поля на размере δ: φ=2πe(n-n)δ, где e - заряд электрона.
pl
i
e
pl
Мы в дальнейшем будем говорить о плазме с положительным φ>0 в сепарирующем пространстве макета создаваемого аксиально симметричного плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е-3 [Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент РФ №2411067. Опубл.: 10.02.2011 г. - Бюллетень №4; Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока // Письма в ЖТФ, 2010. - Т. 36, вып. 4. - С. 75-80]. Плазма генерируется в плазменном ускорителе с анодным слоем (ПУ), который является частью ПОМС-Е-3. Поток плазмы после ПУ проходит через азимутатор - область поперечного к направлению потоковой скорости магнитного поля величиной 0,15-0,4 Тл. Электроны через азимутатор, в основном, в соответствии только классическими механизмами, не проходят: электронный ларморовский и гибридный радиусы много меньше продольного (вдоль оси z, вдоль потоковой скорости) размера азимутатора. Поэтому на выходе азимутатора n>n и φ>0. В дальнейшем, для плазмооптического разделения производится компенсация объемного заряда многокомпонентного потока ионов с помощью внешнего источника холодных электронов. Остаточный газ в сепарирующем пространстве ПОМС-Е-3 частично ионизируется ультрафиолетовым излучением плазмы ПУ, и в процессе соударений с ионизацией атомов газа с электронами - образуется фоновая (вторичная) плазма, концентрация которой зависит от давления остаточного газа, уровня ультрафиолетового излучения, концентрации и энергии электронов.
ρl
Одной из задач, при решении которой нами используется анализатор с задерживающим потенциалом, является изучение степени компенсации объемного заряда многокомпонентного потока ионов в сепарирующем пространстве ПОМС-Е-3. Измерение потенциала плазмы проводилось эмиссионными (накальными) зондами; в интересующем нас режиме работы ПОМС-Е-3 оказалось, что φ=0÷+160 В. Ионы фоновой плазмы ускоряются на входную сетку 1 (фиг. 1) анализатора до энергии, эквивалентной потенциалу плазмы. Измеряемый спектр ионов формируется как сумма спектра ионов доускоренного потока плазмы из плазменного ускорителя плюс сформированный потенциалом плазмы пучок ионов фоновой плазмы. Энергетическая ширина на полувысоте спектра фоновой плазмы ΔE≤10 эВ.
Электроны фоновой плазмы полем потенциал плазмы - входная сетка 1 (фиг. 1) тормозятся и в анализатор не проходят, поэтому еще в одном разделении ионов и электронов на разделительной сетке 2 (фиг. 1), как в анализаторе по прототипу, нет необходимости.
На примере данной задачи мы и будем описывать реализацию заявляемого способа.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
В анализаторе с задерживающим потенциалом выполнена входная сетка 1 (фиг. 1), разделяющая области плазмы рабочего вещества и анализатора и экранирующая электрические поля анализатора от плазмы, располагаемая перед разделительной сеткой 2 (фиг. 1), и коллектор 4 (фиг. 1), располагаемый за анализирующей сеткой 3 (фиг. 1). Потенциал входной сетки 1 относительно плазмы фиксируется: на входную сетку 1 (фиг. 1) подается нулевой электрический потенциал (входная сетка 1 (фиг. 1) заземляется). На коллектор ионов 4 (фиг. 1) подается положительный потенциал, исключающий погрешность измерения ионного тока из-за вторичной электронной эмиссии из материала коллектора ионов 4 (фиг. 1). Корпус анализатора 5 (фиг. 1) электрически соединен с входной сеткой 1 (фиг. 1) и заземлен - потенциал корпуса 5 (фиг. 1) в процессе измерений остается постоянным.
C2
pl
Между двумя сетками разделительной 2 и анализирующей 3 создается анализирующее тормозящее электрическое поле при подаче на анализирующую сетку 3 положительного потенциала величиной от нуля до максимальной в спектре анализируемых ионов энергии. На разделительную сетку 3 при этом подается также положительный потенциал величиной, превышающей потенциал плазмы U>φ· Доускорения ионов полем разделительная сетка 2 - входная сетка 1, как в анализаторе по прототипу, не производится. Доускоренные в поле плазменного потенциала ионы в промежутке разделительная сетка 2 - входная сетка 1 тормозятся до энергий, которые были у них на выходе плазменного ускорителя; ионы фоновой плазмы вообще не попадают на коллектор ионов 4.
ПУ
АЗ
Экспериментальные доказательства, отражающие наличие проблемы и ее решение, представлены на фиг. 2-5. Изучался процесс плазмооптического разделения ионов на макете ПОМС-Е-3 при разрядном напряжении между анодом и катодом плазменного ускорителя U=900 В, величине индукции магнитного поля в азимутаторе В=0,286 Тл (азимутатор совмещен с катодом плазменного ускорителя); плазмообразующий газ - аргон.
C2
На фиг. 2 приведены кривые задержки анализатора; на фиг. 3 - соответствующие им энергетические спектры ионов. Измерения проведены по традиционному (по прототипу) способу, когда потенциал разделительной сетки 2 отрицателен U=-40 В. Спектры получены на расстоянии z=310 мм от азимутатора и на радиусах: 1-r=304 мм, 2-286 мм, 3-176 мм. Компенсация пространственного заряда в данном случае была неполная: потенциал плазмы положителен и растет в пространстве сепарации с увеличением радиуса. На кривых задержки (фиг. 2) явно видны две различные области: в диапазоне энергий от 10 до примерно 110 эВ и 110 ÷ примерно 880 эВ. В соответствии с законами масс-сепарации в ПОМС-Е-3 на меньших радиусах регистрируются ионы с более высокими энергиями (спектр 3 на фиг. 3). Этот спектр явно выделен и совпадает с расчетным. Сигнал и соответствующий ему спектр на энергиях ~40÷200 эВ к потоку плазмы из ПУ не может иметь отношения - это результат ускорения ионов фоновой плазмы в поле плазменного потенциала. «Вреда» изучаемому процессу в данном случае нет: поток явно выделен. Однако по спектру 1 (фиг. 3; r=304 мм) точной информации о характеристиках потока плазмы из ПУ извлечь нельзя - он наложился на спектр ионов фоновой плазмы. Спектр 2 (фиг. 3; 286 мм) - переходной между спектрами 1 и 3. Степень наложения спектров фоновой и потоковой плазмы определяется соотношением их концентраций и уровнем отклонения от квазинейтральности потоковой плазмы.
ПУ
АЗ
C2
C2
На фиг. 4 также приведены кривые задержки анализатора, а на фиг. 5 - соответствующие им энергетические спектры ионов (аргон; U=900 В; В=0,2860 Тл; z=310 мм; r=150 мм), но только в диапазоне низких энергий и при положительных потенциалах разделительной сетки 2 - по заявляемому способу: кривые 1 - U=+50 В; 2 - U=+57 В. Видна «пороговая» эволюция как кривых задержки, так и спектров при переходе положительного напряжения на разделительной сетке 2 через значение, соответствующее потенциалу плазмы (в данном случае 57 В). Следует отметить, что электроны плазмы (фоновой и потоковой) не попадают в анализатор из-за торможения в поле плазменного потенциала.
Таким образом, заявляемый способ измерения устраняет искажения энергетического спектра ионов нескомпенсированного плазменного потока в системе анализатор - фоновая плазма.