СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD FOR DETERMINATION OF CHARGED PARTICLES FLOW

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в диагностике параметров потоков заряженных частиц.
Известен способ диагностики параметров потоков заряженных частиц (Н.Н.Рыкалин, И.В.Зуев, А.А.Углов. Основы электронно-лучевой обработки материалов, М.: Машиностроение, 1978 г., с.25-28, с.28-31, 227 с.) путем вращения зонда по сечению потока, приема зондом электрических зарядов, формирования в цепи зонда импульсов тока или напряжения с последующей обработкой их параметров аналитическими методами. Однако метод достаточно сложен, может быть использован при измерении относительно небольших по размерам сечений потоков заряженных частиц, т.к. возрастает погрешность из-за разности перемещений зонда в дальних и ближних точках потока заряженных частиц. Это не позволяет измерять параметры широкоапертурных потоков заряженных частиц.
Известен способ определения параметров пучка заряженных частиц и устройство для его осуществления (Патент Российской Федерации №1807776, МПК G01T 1/29, опубликованный 20.02.20, Бюл. №10), в котором для увеличения точности определения радиуса круговой развертки пучка и нахождения его центра используют измерение падения напряжения на участке протекания по коллекторам тока заряженных частиц пучка.
К недостаткам этого способа необходимо отнести использование неподвижных проволочных электродов, с помощью которых можно измерять параметры только одного потока заряженных частиц и невозможно точное определение характера распределения плотности частиц по сечению потока. Кроме этого, точность измерения уменьшается в этом случае и за счет эффекта отражения части частиц потока от поверхности проволочных зондов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения распределения числа частиц потока методом подвижного коллектора с малым отверстием (Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. - М.: Энергоиздат, 1991. - 304 с.), в котором поток заряженных частиц отверстиями в металлической пластине разбивается на ряд микропотоков. Движущаяся заслонка поочередно открывает только одно отверстие, через которое проходят заряженные частицы, образуя микропоток. Под пластиной с отверстиями располагают коллектор (приемника заряженных частиц), основной задачей которого является улавливание всех частиц потока. Для исключения обратного вылета частиц из коллектора конструкцию его внутренней полости и наклон ее поверхности выполняют под углом, исключающим обратный вылет частиц.
К недостаткам этого способа следует отнести использование одного коллектора для всего потока, что делает размеры его внутренней полости значительно больше длины свободного пробега электрона. Это приводит к рекомбинации, ионизации атомов остаточного газа уже непосредственно в объеме коллектора, т.е. возникает дополнительное количество свободных заряженных частиц по сравнению с измеряемой величиной, приводящее к уменьшению точности измерения. С другой стороны поочередное измерение параметров микропотоков заряженных частиц приводит к увеличению общего времени процесса измерения распределения плотности частиц по сечению потока, следовательно, к уменьшению его быстродействия или к значительному усложнению конструкции устройства перемещения движущейся заслонки в условиях вакуума.
В основу изобретения поставлена задача упрощения и повышения быстродействия измерения характера распределения заряженных частиц по сечению потока путем разбиения его микроотверстиями на микропотоки и измерения их с помощью пакета изогнутых трубок.
1
1
2
1
1
Указанная цель при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, заключающемся в разбиении потока частиц плазмы выполненными в пластине отверстиями на микропотоки, направляемые затем в камеру коллектора (приемника), согласно изобретению прием частиц плазмы микропотоков осуществляют пакетом металлических трубок, изогнутых под углом 0<β≤90°, внутренний диаметр которых d<D<d+0,4L, внешний d<L+d, где d - диаметр отверстий в пластине, формирующих микропотоки заряженных частиц; L - расстояние между отверстиями. Причем для увеличения эффективности приема заряженных частиц конец изогнутой трубкой выполняют в виде конуса.
На фиг.1 изображена схема определения параметров потока заряженных частиц, где 1 - пластина с отверстиями, разбивающая поток плазмы 2 на микропотоки 3, и пакет изогнутых металлических трубок 4, расположенных вдоль сечения потока, а на фиг.2 представлена схема расположения отдельной изогнутой металлической трубки 5 и микропотока заряженных частиц 6.
Способ осуществляется следующим образом.
По сечению потока низкотемпературной плазмы 2 располагают пластину с микроотверстиями 1, которая разбивает его на микропотоки 6.
К каждому отверстию в пластине, формирующей микропотоки заряженных частиц, прикрепляют в качестве коллектора изогнутую трубку, попадая в которую частицы микропотока стекают в конец трубки, образуя электрический ток. Проходя через нагрузочное сопротивление R, ток создает падение напряжения, которое затем подается на электронную схему и на вход персонального компьютера для дальнейшей его обработки.
Для измерения параметров заряженных частиц в низкотемпературной плазме, например, плотности распределения частиц по сечению потока заряженных частиц, перпендикулярно движению частиц в потоке устанавливают пластину с микроотверстиями и пакет изогнутых трубок. Частицы потока плазмы, проходя через микроотверстия пластины, попадают в полость изогнутой металлической трубки. Частицы, взаимодействуя со стенками полости изогнутой металлической трубки, создают заряд, преобразуемый в электрический сигнал на сопротивлении нагрузки R. По величине сигнала судят о количестве заряженных частиц, поступающих в полость изогнутой металлической трубки.
Уменьшение числа рекомбинаций заряженных частиц с атомами и ионами остаточного газа во внутреннем объеме полости изогнутой металлической трубки можно достигнуть, уменьшая размеры этого объема. Этот процесс усугубляется при возникновении явления отражения заряженных частиц от внутренней поверхности полости изогнутой металлической трубки, если размеры ее объема превышают длину свободного пробега электрона. На основании этого вывода внутренний диаметр трубки выполняют меньше длины свободного пробега электрона, а трубку изгибают под углом 0<β≤90°. Это связано с тем, что при β=0 заряженные частицы, не взаимодействуя с внутренней поверхностью стенок трубки, будут встречать на своем пути атомы остаточного газа, увеличивая число заряженных частиц, т.е. будет наблюдаться искажение результатов измерения. С другой стороны, при β>90° изогнутый конец трубки будет мешать ее креплению к пластине, формирующей микропотоки заряженных частиц, усложняя конструкцию крепления трубки и сам процесс измерения. Изгиб трубки под углом 0<β≤90° приводит к взаимодействию заряженных частиц с внутренней поверхностью трубки посредством поглощения или отражения. В последнем случае частица, не встречая на своем пути атомы остаточного газа, перемещается, как по волноводу, и в конечном итоге поглощается поверхностью трубки.
2
1
2
1
2
1
В методе движущего отверстия в коллектор поочередно попадают микропотоки заряженных частиц путем открытия заслонки, закрывающей микроотверстия в пластине. Это приводит либо к вскрытию рабочей камеры для открытия очередного отверстия, либо к изготовлению сложной конструкции перемещения заслонки в условиях вакуума, что замедляет и усложняет получение точных результатов измерения распределения плотности частиц в области сечения потока плазмы. Применение для этих целей пакета изогнутых металлических трубок позволяет одновременно направить каждый микропоток в индивидуальный коллектор. Электрический заряд каждой изогнутой трубки через систему проводников попадает на переключатель, который электрически подсоединяет каждую изогнутую металлическую трубку к эталонному сопротивлению. Это позволяет использовать для снятия информации с индивидуальных изогнутых трубок и ее численного расчета с применением пакета программ электронные средства, что значительно сокращает процесс получения численных значений параметров распределения плотности частиц в сечении всего потока заряженных частиц. Для выполнения этого условия внешний диаметр трубки d выполняют меньше L+d, где L - расстояние между отверстиями. При d>L+d изогнутые металлические трубки не могут быть соосно совмещены с микроотверстиями пластины, а при d=L+d внешние поверхности трубок будут взаимодействовать друг с другом при креплении к поверхности пластины, формирующей микропотоки заряженных частиц, значительно затрудняя это крепление.
1
1
Внутренний диаметр, т.е. торец трубки, не должен взаимодействовать с частицами микропотока. Если это произойдет, то частицы будут отражаться от поверхности торца и уйдут за пределы коллектора, в качестве которого выступает изогнутая трубка. Поэтому внутренний диаметр трубки D выполняют больше d, но меньше, чем d+0,4L. Последнее условие гарантирует полное отсутствие процесса взаимодействия зарядов, проходящих через микроотверстия пластины с торцевой поверхностью трубок.
Таким образом, применение изогнутых трубок для каждого микропотока позволяет повысить точность, быстродействие измерения распределения плотности частиц в области сечения их потока и значительно упростить этот процесс.