УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЫ СРЕДНЕГО ВАКУУМА

Заявляемое техническое решение относится к области ионно-эмиссионной диагностики плазмы, генерируемой при повышенных давлениях (1-100 Па) и имеющей потенциал, близкий к потенциалу земли.
Известно устройство для извлечения и транспортировки ионов из плазмы, представляющее собой времяпролетный спектрометр (патент РФ 2551119 C1), содержащий вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов, на входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с ней, а перед входным электродом размещен заземленный электрод, причем труба дрейфа электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения. Упомянутое устройство позволяет извлекать ионы из плазмы, созданной любым способом и имеющей любой потенциал относительно земли.
-2
Недостатком устройства является неспособность упомянутого прибора извлекать и транспортировать ионы из плазмы, создаваемой при повышенных давлениях 1-100 Па ввиду того, что его конструкция не предусматривает области перепада давлений и потому требует организации генерации плазмы, отбора, транспортировки и диагностики ионного пучка при давлениях не выше 10 Па, что диктуется необходимостью обеспечения бесстолкновительной транспортировки диагностируемого ионного пучка.
Известно устройство [D. B. Zolotukhin, A. V. Tyunkov, Yu. G. Yushkov, E. M. Oks, Modified quadrupole mass analyzer RGA-100 for beam plasma research in forevacuum pressure range // Review of Scientific Instruments. - 2015. - Vol.86, №12. - P. 123301.] для извлечения и транспортировки ионов из пучковой плазмы среднего вакуума в квадрупольный масс-спектрометр. Устройство имеет отрицательно-смещенный относительно земли извлекающий ионы электрод с малым отверстием, положительно-смещенную относительно земли протяженную трубу дрейфа с малым входным отверстием, а также фокусирующий электрод на выходе из трубы дрейфа. Данное устройство способно диагностировать плазму, имеющую любой потенциал относительно земли и создаваемую при повышенных давлениях, так как в нем предусмотрен перепад давлений на малых входных отверстиях в извлекающем электроде и трубе дрейфа, а сама труба дрейфа и последующие объемы детектора ионов откачиваются высоковакуумным насосом.
Недостатком такой конструкции является необходимость обеспечить вакуум-плотный диэлектрический промежуток между извлекающим электродом и трубой дрейфа. Попытка диагностировать плазму, создаваемую при высокой температуре (например, при испарении тугоплавких веществ) приведет к нагреву, деформации или разрушению такого промежутка. Кроме того, извлечение ионов из газо-металлической плазмы, частицы которой способны образовывать проводящие покрытия, приведет к напылению такого покрытия на диэлектрический промежуток и, следовательно, к короткому замыканию между извлекающим электродом и трубой дрейфа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для извлечения и транспортировки ионов, описанное в работе [A.V. Tyunkov, V.A. Burdovitsin, E.M. Oks, Yu.G. Yushkov, D.B. Zolotukhin, An experimental test-stand for investigation of electron-beam synthesis of dielectric coatings in medium vacuum pressure range // Vacuum. - 2019. - Vol. 163, P. 31-36]. Устройство содержит протяженную трубу дрейфа, в прилегающем к плазме торце которой проделано малое входное отверстие, на котором происходит перепад давлений, на выходе трубы дрейфа расположен фокусирующий ионы электрод, а труба дрейфа и все последующие после фокусирующего электрода объемы откачиваются высоковакуумным насосом. Труба дрейфа с ее граничащим с плазмой торцом представляет собой цельное изделие из металла, находящееся под отрицательным относительно земли потенциалом, поэтому ее торец с входным отверстием служит одновременно и извлекающим электродом. Внутри трубы дрейфа ионы движутся в бесполевом пространстве. Устройство позволяет извлекать ионы из плазмы, имеющей любой потенциал относительно земли и создаваемой при повышенных давлениях газа (1-100 Па). Такая конструкция сохраняет свою работоспособность при значительном нагреве трубы дрейфа, а также при осаждении на ее элементы проводящих покрытий из плазмы.
Недостатком устройства является низкое отношение «сигнал/шум» из-за отсутствия в трубе дрейфа элементов, создающих электрические поля для фокусировки ионного потока на выходное отверстие трубы.
Цель заявляемого технического решения состоит в увеличении соотношения «сигнал/шум» при диагностике плазмы, создаваемой при повышенном давлении (1-100 Па).
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для извлечения и транспортировки ионов из газоразрядной плазмы среднего вакуума, содержащем трубу дрейфа с малым входным отверстием, обеспечивающим перепад давления, и фокусирующий электрод, формирующий ионный поток на выходе из трубы дрейфа, внутри трубы дрейфа на половине ее длины L размещена диафрагма, изолированная от трубы дрейфа и имеющая положительный регулируемый потенциал относительно трубы дрейфа, причем диафрагма имеет центральное отверстие диаметром d, определяемое соотношением 0,7D ≤ d ≤ 0,9D, где D - внутренний диаметр трубы дрейфа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение соотношения «сигнал/шум» при диагностике плазмы, создаваемой при повышенном давлении (1-100 Па). Технический результат достигается вследствие фокусировки ионного потока внутри трубы дрейфа электрическим полем диафрагмы, имеющей центральное отверстие и положительно смещенной относительно трубы дрейфа. В этом случае диафрагма играет роль одиночной линзы-диафрагмы, и направляет на выходное отверстие трубы дрейфа ионы, которые без этой диафрагмы в выходное отверстие бы не попадали.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на фиг.1
1
2
3
U
- потенциала, фокусирующего
Фиг.1. Схематичное изображение устройства для извлечения и транспортировки ионов из плазмы среднего вакуума: 1 - труба дрейфа, 2 - малое входное отверстие, 3 - фокусирующий электрод, 4 - выходное отверстие трубы дрейфа, 5 - диафрагма. Источники: U - потенциала на диафрагме в трубе дрейфа, U - извлекающего ионы из плазмы потенциала на трубе дрейфа,  ионный поток на выходе из трубы дрейфа
Как и прототип, устройство включает в себя трубу дрейфа 1, в торце которой имеется малое входное отверстие 2, через которое ионы поступают из плазмы в трубу дрейфа. Малое входное отверстие 2 также служит для организации перепада давления между областью генерации плазмы (1-100 Па), и областью транспортировки и анализа параметров ионов (не выше 0,01 Па). Труба дрейфа 1 служит для транспортировки ионов из области отбора до области их анализа. После выходного отверстия 4 трубы дрейфа установлен фокусирующий электрод 3, окончательно формирующий направленный ионный поток для подачи на вход детектора или анализатора ионов (которым может быть времяпролетный или квадрупольный масс-спектрометр, энергоанализатор и т.д.). Отличие от прототипа состоит в наличии внутри трубы дрейфа диафрагмы 5 с центральным отверстием, установленной на половине длины L трубы дрейфа и обладающей регулируемым положительным потенциалом относительно трубы дрейфа 1. Диафрагма имеет центральное отверстие диаметром d, определяемое соотношением 0,7D ≤ d ≤ 0,9D, где D - внутренний диаметр трубы дрейфа.
Устройство работает следующим образом.
2
1
Труба дрейфа 1 помещается в область генерации плазмы при повышенном давлении (1-100 Па). При подаче на трубу дрейфа 1 отрицательного относительно земли потенциала U ионы поступают внутрь трубы дрейфа через малое входное отверстие 2, которое, в силу своей малости, обеспечивает перепад давления между областью генерации плазмы и объемом трубы дрейфа, откачиваемой со стороны выходного отверстия 4 и фокусирующего электрода 3 отдельным высоковакуумным насосом. Поступившие внутрь трубы дрейфа 1 ионы фокусируются регулируемым потенциалом U, поданным на диафрагму 5, установленную внутри трубы дрейфа и электрически изолированную от нее, и далее попадают в выходное отверстие 4. Именно благодаря фокусирующему полю диафрагмы 5, в выходное отверстие 4 трубы дрейфа попадают ионы, которые без этой диафрагмы 5 в выходное отверстие 4 бы не попадали. Вышедшие из выходного отверстия 4 трубы дрейфа ионы окончательно формируются в направленный поток фокусирующим электродом 3 и далее поступают на вход детектора или анализатора ионов (времяпролетный или квадрупольный масс-спектрометр, энергоанализатор и т. д.). За счет фокусировки ионов диафрагмой 5 в трубе дрейфа 1 достигается положительный эффект - увеличивается отношение «сигнал/шум» устройства, поскольку при наличии такой фокусировки более высокая доля ионов достигает выходного отверстия 4 трубы дрейфа, не поглотившись ее боковой стенкой или торцом, на котором расположено это выходное отверстие.
Диаметр отверстия d в диафрагме 5 выбран из следующих соображений. При d < 0,7D ионный сигнал уменьшается вследствие поглощения ионов на диафрагме. При d > 0,9D возрастает трудность обеспечения механической прочности диафрагмы и надежность ее фиксации в трубе дрейфа.
1
Расположение диафрагмы на половине длины трубы дрейфа L выбрано исходя из соображения максимально эффективного использования электрического поля диафрагмы, симметричного относительно ее плоскости. Более тонкая настройка фокуса диафрагмы может быть осуществлена изменением поданного на нее потенциала U относительно трубы дрейфа.
Результаты, представленные в Таблице 1, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно, увеличение отношения «сигнал/шум» устройства для извлечения и транспортировки ионов из пучковой аргоновой плазмы среднего вакуума (5 Па), при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.
Таблица.1 Увеличение отношения «сигнал/шум» при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом, при прочих одинаковых параметрах эксперимента.
Давление аргона в области генерации плазмы, Па
Давление в трубе дрейфа и детекторе ионов, Па
Отношение амплитуды пика иона <sup>40</sup>Ar<sup>+</sup> к уровню шума, относительные единицы
Прототип
5
0,01
2,7
Заявляемое решение
5
0,01
5,2