УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОТОКА ГАЗА ИЗ СВЕРХЗВУКОВОГО СОПЛА ДЛЯ УСКОРИТЕЛЯ ГАЗОВЫХ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ

Полезная модель относится к области ускорительной техники, в частности к вспомогательным устройствам для визуализации потока газа из сверхзвукового сопла при формировании пучков газовых кластерных ионов. Полезная модель предназначена для контроля геометрических параметров потока газа при его адиабатическом расширении через сверхзвуковое сопло в вакуумную камеру, что приводит к формированию газовых кластерных ионов и может быть применена в оптоэлектронике - для процесса планаризации подложек оптоэлектронных приборов и поверхности слоев, наносимых по планарной технологии для получения высокоэффективных оптоэлектронных приборов нового поколения и повышения выхода годных приборов; в оптике - для сверхтонкой полировки линз; в микроэлектронике - для планаризации поверхности полупроводниковых пластин и подложек литографических масок для бездефектной литографии сверхвысокого разрешения.
Технология планаризация кластерными ионами требуют тщательного определения параметров процесса - таких, как энергия и состав кластерных ионов, доза облучения и время обработки, а также форма потока газа, выходящего из сверхзвукового сопла.
Для визуализации потоков газа известны устройства, основанные на введении маркеров (аэрозоли, твердые частицы) в газовые среды [RU 134642 U1, RU 2297636 C1, RU 2319970 C1]. Данная группа устройств широко используется в экспериментальной аэродинамике: прямоточных или замкнутых аэродинамических каналах. Однако в условиях вакуумной камеры, в силу требований электронно-вакуумной гигиены, эти методы неприменимы.
Для визуализации потоков газа также известны устройства, основанные на оптическом рефракционном шлирен-методе, теневом методе Тёплера [см. например: US 5515158 A, CN 204143079 U, CN 103913288 А]. Для его реализации пучок лучей от точечного или щелевого источника света линзой или системой линз направляется через исследуемый объект и фокусируется на непрозрачной преграде с острой кромкой так, что изображение источника проецируется на самом краю преграды. Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все идущие от него лучи задерживаются преградой. При наличии неоднородности лучи будут рассеиваться ею, и часть их, отклонившись, пройдет выше преграды. Поставив за ней проекционный объектив, получают изображение неоднородностей.
Недостаток данной группы устройств, основанных на рефракционном методе при визуализации потока газа из сверхзвукового сопла в вакуум - необходимость создания сложной оптической системы и сквозного оптического тракта, совмещенного с вакуумной камерой.
Известны также устройства для визуализации потоков газа, в которых используется возбуждение люминесценции атомов или молекул газа с помощью лазерного [Tejeda G., Temperature and Density Mapping of Supersonic Jet Expansions Using Linear Raman Spectroscopy / G. Tejeda, B. , J.M. , S. Montero // PHYSICAL REVIEW LETTERS, 1996, Vol. 76, №1, pp. 34-37] или электронного [Gochberg L.A., Electron Beam Fluorescence Methods in Hypersonic Aerothermodynamics // Prog. Aerospace Sci., 1997, Vol. 33, pp. 431-480] пучка. Для реализации таких устройств требуется технически сложное и дорогостоящее оборудование: мощные лазеры или источники ускоренных электронов. Это также приводит к существенному усложнению конструкции вакуумной камеры, содержащей сверхзвуковое сопло.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для визуализации потоков газа, использующее возбуждение люминесценции атомов или молекул газа с помощью дугового разряда, поддерживаемого между электродами при подаче постоянного напряжения [М. Rasi et al. / Visualizing the expanding flow of gas from helium-jet and ion-guide nozzles // Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A 378, 1996, 251-257]. Устройство состоит из разрядной камеры, расположенной выше сопла по течению газа, двух игольчатых электродов, источника постоянного напряжения и прозрачных фланцев для наблюдения люминесценции газа. Острия электродов расположены на расстоянии 1 мм друг от друга и на расстоянии 3-4 мм от выходного сечения сопла. Для возбуждения люминесценции газа используется дуговой разряд, инициируемый и поддерживаемый между остриями электродов. Использование такого устройства для визуализации потока газа в ускорителе газовых кластерных ионов затруднено из-за требований к геометрическим параметрам сверхзвукового сопла, расположению, форме электродов и размерам вакуумной камеры. Недостатком устройства является необходимость размещения электродов на пути прохождения газа, что приводит к искажению картины наблюдаемого потока газа, т.е. к снижению точности визуализации потока газа.
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на то, что позволяет осуществлять визуализацию потока газа из сверхзвукового сопла в условиях формирования газовых кластерных ионов с высокой точностью и, как следствие, выполнять оптимизацию источника газовых кластерных ионов, не приводя при этом к существенному усложнению используемого оборудования.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве, включающем электроды, источник напряжения, а также смотровое окно вакуумной камеры, электроды выполнены плоскими и расположены после выходного сечения сопла на расстоянии 2-5 см симметрично относительно центральной оси прохождения потока газа при этом расстояние между электродами составляет не менее 3 см.
На расстоянии от сопла менее 2 см возникает вероятность пробоя между соплом и одним из электродов, при расположении электродов на расстоянии более 5 см не будет зарегистрирована важная информация по структуре течения газа, т.к. это расстояние является характерным продольным размером структуры течения газа.
При расстоянии между электродами менее 3 см произойдет искажение свечения потока газа из-за его взаимодействия с темными областями разряда или с электродами, если поток газа будет задевать за электроды.
На фиг. 1. приведена схема реализации предлагаемой полезной модели для визуализации потока газа из сверхзвукового сопла для ускорителя газовых кластерных ионов. В вакуумной камере 1 со смотровым окном 2, содержащей сверхзвуковое сопло 3, расположены симметрично относительно центральной оси прохождения потока газа два плоских электрода 4 и 5, электрод 4 заземлен, электрод 5 соединен с источником напряжения 6.
Работа устройства осуществляется следующим образом. После достижения в вакуумной камере, содержащей сверхзвуковое сопло, вакуумных условий, используемых при функционировании ускорителя газовых кластерных ионов, и подачи газа в сверхзвуковое сопло на плоский электрод 5 подается постоянное напряжение в диапазоне 300÷2000 В, конкретное значение которого выбирается в зависимости от используемых вакуумных условий и потока газа через сверхзвуковое сопло. При этом между плоскими электродами 4 и 5 инициируется и поддерживается разряд постоянного тока, причем неоднородности люминесценции разряда соответствуют неоднородностям течения газа из сверхзвукового сопла. Геометрические и иные характеристики разряда наблюдают с помощью смотрового окна 2 вакуумной камеры, выполненного из прозрачного материала.
Пример изображения потока газа, полученного с помощью указанного устройства, приведен на фигуре 2. На изображении хорошо видны геометрические параметры потока газа 7 и его структура, что, в частности, позволяет осуществлять оптимизацию расположения элементов системы формирования газовых кластерных ионов ускорителя.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять визуализацию потока газа из сверхзвукового сопла в условиях формирования газовых кластерных ионов, не требуя существенного усложнения вакуумной камеры, содержащей сверхзвуковое сопло, и использования дорогостоящего оборудования.