ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ ПЛАЗМЫ
TIME-OF-FLIGHT PLASMA ION SPECTROMETER

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава ионов плазмы.
Известен времяпролетный спектрометр [S.P. Gorbunov, V.P. Krasov, I.A. Krinberg, V.L. Paperny. Source of metal ions with a variable velocity. / 6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p. 67-70], 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 указанного спектрометра является то, что извлечение ионов происходит непосредственно из источника, который находится под ускоряющим потенциалом. Такой спектрометр не позволяет измерять зарядово-массовый состав ионов в свободной плазме или в движущемся направленно потоке плазмы на любом расстоянии от источника.
Известен времяпролетный спектрометр ионов плазмы [RU 2266587 C1, МПК 7 H01J 49/40, опубл. 20.12.2005], содержащий вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов. 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. На входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с трубой дрейфа. Перед входным торцом трубы дрейфа установлен дополнительный заземленный электрод.
Недостатком этого спектрометра является то, что при подаче отрицательного импульса ускоряющего напряжения на трубу дрейфа одновременно с ускорением ионов в зазоре между заземленным электродом и трубой дрейфа происходит ускорение электронов из плазмы между трубой дрейфа и детектором. Ускорение электронов в зазоре подчиняется законам формирования потоков частиц в плазмонаполненных системах. Это означает, что в энергетическом спектре электронов присутствуют электроны с энергией от тепловой до максимальной соответствующей ускоряющему напряжению на трубе дрейфа. Наличие электронного тока приводит к смещению нулевой линии и вносит неопределенность в точность определения соотношения ионов с различным зарядовым состоянием в плазме.
Известен времяпролетный спектрометр ионов плазмы [RU 2551119 C1, МПК H01J 49/40 (2006.01), опубл. 20.05.2015], выбранный в качестве прототипа, 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. Перед входным электродом размещен заземленный электрод. Труба дрейфа электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения. Между выходным электродом трубы дрейфа и детектором ионов установлен дополнительный электрод, прозрачный для ионов, электрически подключенный к отрицательному выходу источника постоянного напряжения, второй выход которого подключен к вакуумной камере.
При подаче отрицательного импульса ускоряющего напряжения на трубу дрейфа происходит формирование слоя разделения заряда вблизи сеточного электрода, установленного на входе трубы дрейфа. Первоначально из плазмы вблизи сеточного электрода удаляются плазменные электроны и формируется, так называемый, матричный слой разделения заряда. Плотность ионов и их начальная скорость в матричном слое постоянны и соответствуют характеристикам ионов в плазме. После формирования матричного слоя разделения заряда, начинается ускорение ионов в электрическом поле слоя. По мере ускорения ионов, происходит перераспределение плотности ионов в зазоре и дальнейшее расширение формируемого слоя. Ионы матричного слоя начинают свою ускорение находясь в различных точках пространства слоя разделения заряда, тем самым, доходя до сеточного электрода, получают разные приращения скорости. Динамическое расширение слоя заряда из-за перераспределения плотности ионов в зазоре, так же приводит к тому, что ионы, даже стартуя с эмиссионной границы плазмы, проходя слой разделения заряда получают неполное приращение энергии, соответствующее ускоряющей разности потенциалов. Только после того, как слой разделения заряда будет пространственно стабилизирован, все ионы, извлекаемые с плазменной границы, будут получать полное приращение энергии. Таким образом, от момента приложения импульсного напряжения к трубе дрейфа до полного формирования слоя пространственного разделения заряда будет формироваться немоноэнергетический ионный поток. Разброс энергии ионов на входе в трубу дрейфа приводит к уширению импульса ионного тока на коллекторе, тем самым существенно снижая разрешающую способность спектрометра.
Техническая проблема, решаемая при использовании изобретения, заключается в возможности определения зарядового и массового состава многокомпонентной плазмы.
Предложенный времяпролетный спектрометр ионов плазмы, также как в прототипе, содержит 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, перед входным электродом размещен заземленный электрод, труба дрейфа электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения, между выходным электродом трубы дрейфа и детектором ионов установлен электрод, прозрачный для ионов, подключенный к отрицательному выходу первого источника постоянного напряжения, второй выход которого подключен к вакуумной камере.
Согласно изобретению между электродом, подключенным к отрицательному выходу первого источника постоянного напряжения, и детектором ионов установлен дополнительный электрод, прозрачный для ионов, подключенный к положительному выходу второго источника постоянного напряжения, второй выход которого подключен к вакуумной камере.
Плазма, зарядовый и массовый состав которой требуется измерить этим спектрометром ионов, может быть создана любым способом, включая вакуумно-дуговой разряд, ВЧ- и СВЧ-разряды, различные газовые источники плазмы, лазерное излучение.
Дополнительный электрод, положительной пролярности, позволяет исключить из формируемого ионного пучка ионы, не получившие полного приращения энергии в момент формирования ускоряющего зазора за счет их торможения на нем.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в возможности уменьшения ширины пиков тока ионов на полувысоте при измерении зарядово-массового состава ионов плазмы, создаваемой любым источником плазмы.
На фиг. 1 показана принципиальная схема времяпролетного спектрометра ионов плазмы;
на фиг. 2 - осциллограмма спектра ионов титана для прототипа;
на фиг. 3 - осциллограмма спектра ионов титана, полученная с помощью предлагаемого спектрометра.
Времяпролетный спектрометр ионов плазмы содержит вакуумную камеру 1, в которой расположена труба дрейфа 2, выполненная из металла, вход и выход которой закрыты электродами 3 и 4, прозрачными для ионов, например металлическими сетками. На входе в трубу дрейфа 2 перед входным электродом 3 установлен металлический заземленный сетчатый электрод 5. Входной электрод 3 и заземленный электрод 5 выполнены или плоскими, или выпуклыми наружу от трубы дрейфа 2. Напротив плоского выходного электрода 4 с зазором установлен детектор 7 заряженных частиц, который подключен к системе 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 8 заземлен. В зазоре между выходным электродом 4 и детектором 7 установлен сеточный электрод 9, к которому подключен источник отрицательного постоянного напряжения 10, второй вывод которого заземлен. В зазоре между сеточным электродом 9 и детектором 7 установлен дополнительный сеточный электрод 11, к которому подключен источник положительного постоянного напряжения 12, второй вывод которого заземлен.
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, двигается вдоль оси трубы дрейфа 2 и контактирует с входом трубы дрейфа 2. От генератора импульсных напряжений 8 отрицательной полярности подают импульс напряжения амплитудой U и длительностью т между трубой дрейфа 2 и вакуумной камерой 1.
При появлении потенциала смещения на трубе дрейфа 2 между плазмой 6 и входным электродом 3 возникает разность потенциалов. Появление разности потенциалов между входным электродом 3 и плазмой 6 приводит к разделению зарядов в плазме и ускорению ионов из плазмы к входному электроду 3, а электронов в обратном направлении. Ускоренные ионы проходят входной электрод 3 и попадают в эквипотенциальное пространство трубы дрейфа 2. Ионы, ускоряемые в течение времени формирования слоя разделения заряда, получают разную дополнительную энергию. Таким образом, в трубу дрейфа 2, в течение формирования слоя разделения заряда, входит поток ионов, имеющих разные скорости и энергии. В трубе дрейфа 2 заряд ионного пучка нейтрализуется электронами присутствующей в трубе плазмы. Ионы пучка дрейфуют в трубе дрейфа 2 со скоростями, определяемыми их энергией и массой. Сеточный электрод 9 с постоянным отрицательным потенциалом между выходным электродом 4 и сеточным электродом 11 обеспечивает очистку зазора от плазменных электронов, что исключает влияние электронного тока в зазоре на измерения тока ионов различной зарядности. Наличие дополнительного сеточного электрода 11 с постоянным положительным потенциалом обеспечивает торможение и отражение низкоэнергетических ионов, исключая их попадание на детектор 7, что способствует уменьшению энергетического разброса ионного потока и, как следствие, уменьшению ширины импульса ионного тока на полувысоте.
C
i
Длительность импульса высоковольтного смещения с генератора импульсных напряжений 8 выбирают из следующих условий. Минимальная длительность импульса смещения определяется процессами формирования ускоряющего промежутка 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 входного электрода 3, 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 заземленному электроду 5. В зависимости от параметров плазмы 6 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. Принципиально важным условием для выбора длительности импульса ускоряющего напряжения является условие дрейфа всех ускоренных ионов анализируемой плазмы 6, включая самые быстрые, имеющие наибольшее соотношение Z/M в течение действия ускоряющего напряжения, внутри трубы дрейфа 2. Это означает, что ускоренные ионы не попадут в тормозящее их электрическое поле между выходным электродом 4 и детектором 7. Максимальная энергия ионов E, входящих в трубу дрейфа, определяется их зарядом и ускоряющим напряжением
E=ZeU,
где Z - зарядность ионов;
e - заряд ионов;
U - ускоряющее напряжение.
i
др
Наибольшая скорость дрейфа будет у ионов с наибольшим соотношением Z/M наибольшее соотношение массы ионов к зарядности для ионов анализируемой плазмы. Время дрейфа этих ионов τ определяется выражением:
,
где  - длина трубы дрейфа;
i
M - масса иона.
y
Таким образом, длительность импульса ускоряющего напряжения τ выбирают из условия:
y
др
τ<τ,
i
то есть, ионы с наибольшим соотношением Z/M придут на детектор 7 после окончания импульса ускоряющего напряжения и будут зарегистрированы детектором 7.
Амплитуда постоянного отрицательного напряжения на сеточном электроде 9 и расстояние между сеточными электродами 4, 9 и 11 выбираются из условия полной очистки плазмы от электронов, что обеспечивает исключение смещения нулевой линии на осциллографе при измерении тока на коллекторе ионов.
Амплитуда постоянного положительного напряжения на сеточном электроде 11 выбирается меньшей амплитуды импульса напряжения, прикладываемой к трубе дрейфа 2, то есть
,
пол
где U - амплитуда постоянного положительного напряжения на сеточном электроде 11.
В этом случае, в зазоре между электродом 9 и 11 ионы испытывают торможение, теряя энергию, определяемую выражением
торм
пол
E=ZeU,
торм
торм
торм
Все ионы, входящие в зазор между сеточными электродами 9 и 11 и имеющие энергию меньше, чем E полностью потеряют свою энергию, не достигнув электрода 11. Таким образом, ионы непрошедшие полной разности потенциалов в слое разделения зарядов и имеющие энергию меньше чем. Е будут исключены из потока ионов попадающего на коллектор. Ионы с энергией E>E после прохождения электрода 11 попадают под действие ускоряющего электрического поля между электродом 11 и детектором 7.
Ионы с энергией, близкой к максимальной (E=ZeU), приходят на детектор 7 в разное время, что фиксируется системой измерения тока заряженных частиц, например, осциллографом. Отсутствие низкоэнергетических ионов уменьшает ширину регистрируемого импульса тока ионного пучка по основанию и на полувысоте и, таким образом, обеспечивает увеличение разрешающей способности спектрометра. По осциллограмме определяют массовый и зарядовый состав ионов и процентное соотношение отдельных компонент ионов в плазме.
Пример исполнения времяпролетного спектрометра ионов плазмы
9
10
3
9
3
Вакуумно-дуговой испаритель работал с катодом из титана. Концентрация плазмы 6 вблизи входного электрода 3 составляла (10-10) ион/см. Труба дрейфа 2 диаметром 100 мм имела длину 600 мм. Зазоры между электродами 4, 9, 11 и детектором 7 были выбраны, равными 5 мм. Постоянное отрицательное напряжение от источника напряжения 10 на сеточном электроде 9 амплитудой 300 В обеспечило полную очистку зазоров от электронов при концентрации плазмы 5⋅10 ион/см. Ионы титана с зарядностью i+, i+2 и i+3 хорошо разделяются при длительности импульса 300 нс и ускоряющем отрицательном потенциале с генератора импульсных напряжений 8 амплитудой 600 B. Осциллограмма тока с детектора 7, полученная с нулевым потенциалом на дополнительном сеточном электроде 11, представлена на фиг. 2. Видно, что имеет место уширение импульса по основанию и на полувысоте за счет наличия в потоке ионов низкой энергии. Приложение положительного постоянного смещения амплитудой 450 B на дополнительный электрод 11 от источника напряжения 12 обеспечило отсечку ионов с энергией меньше 450 эВ, что привело к уменьшению ширины импульса ионного тока по основанию и на полувысоте, как показано на осциллограмме тока с детектора 7 на фиг. 3. Сравнение осциллограмм на фиг. 2 и 3 показывает существенное улучшение разрешающей способности спектрометра.