ИМПУЛЬСНЫЙ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ СПЕКТРОГРАФ

Импульсный катодолюминесцентный спектрограф предназначен для исследования люминесцентных свойств в оптическом диапазоне спектра диэлектрических и полупроводниковых твердых тел в виде кусков, порошка, пудры или жидкого раствора, находящихся в воздухе при комнатной температуре. Модель выполнена в настольном варианте для эксплуатации в лабораторных условиях в нормально освещенном или затемненном помещении.
Автономные части спектрографа могут использоваться отдельно для решения специальных задач. В частности, блок возбуждения люминесценции может быть использован для облучения любых твердых тел электронным пучком заданной дозы облучения, а многоканальный фотоприемник - для регистрации спектров излучения различных источников света.
1-x
x
В модели реализуется новый метод возбуждения люминесценции в твердых телах при их облучении сильноточными наносекундными пучками электронов с энергией электронов более 100 кэВ. Возникающая при таком возбуждении люминесценция называется импульсной катод олюминесценцией (ИКЛ). Она возбуждается во всех телах, физически способных к люминесценции. Яркость ИКЛ выше яркости известной более 100 лет стационарной катодолюминесценцией (K.Ramseyer, J.Fischer, A. Matter et al. «A cathodoluminescence microscope for low intensity luminescence». // J. of Sed. Petr., 1989, V.9, P.619-662) (аналог 1), использующей для возбуждения люминесценции стационарные электронные потоки с энергией электронов 8-12 кэВ, а также яркости ее импульсного усовершенствования (М.В.Чукичев, Д.М.Сабри, В.И.Соколов, Т.П.Суркова. «Катодолюминесценция твердых растворов ZnMnSe». // Опт. и спектр., 1990, Т.68, №1, С.200-202) (аналог 2), использующей импульсные длительностью в несколько миллисекунд потоки электронов с энергий 30-70 кэВ. В приведенных аналогах из-за относительно низкой энергии электронов, которые рассеиваются в воздухе, облучение образцов осуществляется в вакууме, зачастую, при температуре жидкого азота. По той же причине электроны проникают в облучаемый образец на небольшую глубину: менее 1 мкм (аналог 1) и 1-10 мкм (аналог 2). Поскольку дефектная структура естественных поверхностных слоев такой толщины существенно отличается от дефектной структуры внутреннего объема твердого образца, то в обоих аналогах для получения люминесцентной информации, отражающей структуру внутреннего объема образца, облучаемая электронами поверхность предварительно подвергается механической и химической обработке, а в аналоге 2 обработанная таким образом поверхность дополнительно покрывается тонкой металлической пленкой. Последнее является необходимым условием для обеспечения стока избыточного заряда, возникающего за счет инжекции в образец внешних электронов и создающего на поверхности образца отрицательный потенциал, способный запирать дальнейшую инжекцию электронов и тем самым гасить люминесценцию.
Известно устройство [V.I.Solomonov, S.G.Michailov, A.I.Lipchak, V.V.Osipov, V.G.Shpak, S.A.Shunailov, M.I.Yalandin, M.R.Ulmaskulov. «CLAVI Pulsed Cathodoluminescence Spectroscope». // Laser Physics, 2006, Vol.16, #1, P.126-129] (прототип). В этом устройстве используются наносекундные пучки электронов со средней энергией 130 кэВ, генерируемые в вакуумной отпаянной электронной трубке, на которую подают наносекундные импульсы напряжения амплитудой 150 кВ от горизонтально расположенного генератора напряжения РАДАН. Эти электронные пучки распространяются в воздухе на несколько сантиметров, а в диэлектрический образец на глубину 100-150 мкм. Поэтому облучение образцов такими электронами проводится не в вакууме, а в воздухе при комнатной температуре. Причем, в отличие от стационарной катодолюминесценции (аналог 1) и ее импульсного усовершенствования (аналог 2) для возбуждения ИКЛ в этом устройстве облучаемая поверхность образцов не подвергается механической и химической обработкам и не металлизируется, так как компенсация избыточного заряда осуществляется ионами воздуха, создаваемых тем же электронным пучком. Это существенно упрощает пробоподготовку и позволяет осуществлять неразрушающий люминесцентный анализ. Недостатком этого устройства является то, в нем для направления электронного пучка на образец, расположенный на горизонтальной поверхности аппаратного столика, используется 90°-е поворотное устройство, позволяющее устанавливать ось отпаянной вакуумной электронной трубки перпендикулярно оси генератора РАДАН. Это усложняет устройство в целом и приводит к снижению КПД генерации пучка электронов и их средней энергии за счет частичного отражения формирующегося импульса напряжения от электрической неоднородности, обусловленной локальным поворотом оси формирующей линии.
В этом устройстве (прототип) спектральное разложение импульсной катодолюминесценции осуществляется дифракционным спектрографом в диапазоне 350-820 нм в первом порядке дифракции, а для регистрации спектра используется многоканальный фотоприемник на базе ПЗС-линейки (ПЗС - прибор с зарядовой связью), оптически совмещенной с электронно-оптическим преобразователем. Фотоприемник связан с компьютером посредством PCI-платы, установленной в слоте персонального компьютера. Недостатками такой схемы регистрации являются. Во-первых, относительная узость диапазона регистрируемого спектра, что приводит к частичной потере спектральной информации. Во-вторых, даже в этом диапазоне спектра возможно появление фальшивых полос с удвоенной длиной волны, представляющих собой вторые порядки дифракции, что приводит к искажению спектральной информации. Например, сильные полосы люминесценции в области 350-410 нм дополнительно будут проявляться в виде фальшивых полос в области 700-840 нм. В-третьих, использование PCI-платы усложняет конструкцию и сопровождается трудностями использования компактных современных компьютеров, особенно типа Notebook.
В предлагаемой полезной модели Импульсный катодолюминесцентный спектрограф устранены приведенные выше недостатки прототипа. Модель состоит из двух автономных блоков: блок возбуждения люминесценции и блок регистрации спектра, совмещенного через USB-порты с персональным компьютером. Поток люминесценции от блока возбуждения на фотоприемники передается по гибкому многожильному световому кабелю. Каждый блок выполняет свою конкретную функцию и может быть использован в составе других приборов. Блок возбуждения люминесценции представляет собой вертикальное сочленение импульсного ускорителя электронов РАДАН-ЭКСПЕРТ с аналитической камерой, которая выполняет функции экранировки внешнего оптического излучения, защиты от электромагнитных помех и биологической защиты от воздействия электронного пучка и неиспользованного тормозного рентгеновского излучения. В блоке регистрации спектра используются два многоканальных фотоприемника, аналогичные прототипу. Один фотоприемник предназначен для регистрации спектра в области 250-550 нм, а второй - в области 550-850 нм. Такое решение расширяет диапазон регистрируемого спектра и исключает появление фальшивых полос второго порядка дифракции. Поток люминесценции от исследуемого образца поступает одновременно на входные щели дифракционных спектрографов обоих фотоприемников по общему раздваивающему многожильному кварцевому световоду, передающему поток люминесценции с одной и той же области свечения образца на оба фотоприемника, адаптированные друг с другом программным обеспечением. В отличие от прототипа в предлагаемой модели электроника, обеспечивающая функционирование ПЗС-линеек, расположена внутри фотоприемников, а связь с компьютером осуществляется через USB-порты. Все это позволяет одновременно регистрировать оптический диапазон 250-850 нм спектра импульсной катодолюминесценции, по качеству не уступающего спектру фотолюминесценции этих же образцов, но находящихся в вакууме и охлажденных до криогенной температуры. Программное обеспечение полезной модели обеспечивает автоматическое усреднение спектральной информации по задаваемому оператором числу импульсов излучения от одного до нескольких сот, что приводит к снижению величины случайных шумов и стабилизации амплитудных характеристик спектра люминесценции до 90% и выше.
По сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель имеет вертикальную одноосную компоновку блока возбуждения люминесценции, которая не требует дополнительных электротехнических устройств для изменения направления распространения электронного пучка и обеспечивает повышенную компактность прибора. Расширение диапазона регистрируемого спектра, практически, на весь оптический диапазон позволяет получать дополнительную спектрально-люминесцентную информацию без ее искажения спектральными полосами второго порядка дифракции. Связь фотоприемников с компьютером через USB-порты позволяет использовать в составе прибора современные персональные компьютеры.
В отличие от аналогов предлагаемая полезная модель позволяет существенно упростить пробоподготовку и проводить неразрушающий люминесцентный анализ образцов твердого вещества любой формы, без их дополнительной обработки и вакуумирования.
Блок возбуждения люминесценции (фиг.1) состоит из наносекундного ускорителя электронов, представляющий собой высоковольтный генератор наносекундного напряжения РАДАН (1), нагруженный на вакуумную ускорительную отпаянную трубку ИМА3-150Э (2), и защитной аналитической камеры для установки исследуемых образцов (3), установленные на опоре (7). Ускорительная трубка ИМА3-150Э располагается в аналитической камере. Принцип действия ускорителя основан на явлении взрывной эмиссии электронов с холодного катода под воздействием импульса высокого напряжения наносекундной длительности, подаваемого на катод трубки от импульсного источника питания. Эмитированные электроны ускоряются тем же напряжением в вакуумном зазоре анод-катод в трубке ИМА3-150Э. Ускоренные электроны, пройдя сквозь выходное окно трубки (бериллиевая фольга), распространяясь в воздухе, поглощаются анализируемым образцом, возбуждая в нем люминесценцию.
Исследуемый образец устанавливается на столик (4), удаленный на 15 мм от выходного окна ускорительной трубки. Параметры электронного пучка в этой области аналитической камеры приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры электронных пучков.
Длительность импульса, нс
1,3-1,4
Плотность тока импульса, А/см<sup>2</sup>
60
Флюенс импульса электронов, электрон/см
8·10<sup>11</sup>
Средняя энергия электронов, кэВ
130
Поперечное сечение электронного пучка имеет форму круга с гауссовым распределением поглощенной дозы электронного пучка. На расстоянии 15 мм от выходного окна ускорительной трубки, в месте установления образца, в центре пятна облучения максимальная доза составляет 1 кГр, а диаметр пятна на полувысоте профиля 12 мм. Такая геометрия позволяет анализировать образцы в форме куска, порошка и жидкого раствора, которые устанавливаются внутрь камеры на аппаратных столиках.
Аналитическая камера снабжена локальной защитой от ионизирующего излучения, которая обеспечивает мощность эквивалентной дозы неиспользованного рентгеновского излучения на расстоянии 10 см от внешней поверхности камеры менее 1 мкЗв/час при частоте работы ускорителя 1 Гц.
Регистрация люминесценции может проводиться посредством визуального наблюдения или фотографирования свечения поверхности образца и многоканального фотоприемника. Для реализации первых двух способов на передней стенке корпуса имеется окно (5) из стекла ТФ-5 толщиной 25 мм. Для третьего на боковой стенке камеры имеется оптический разъем (6) для подсоединения многожильного кварцевого световода, по которому световой поток люминесцирующего образца передается на многоканальный фотоприемник.
В корпусе каждого фотоприемника размещаются дифракционный спектрограф ОС-12С и фотодетекторная головка МОРС-1/ЭОП/В/2048, представляющая собой волоконно-оптическое сочленение электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с линейным прибором с зарядовой связью (ПЗС-линейка) типа LX511, и электроника, обеспечивающая функционирование ЭОП и ПЗС-линейки. На лицевом торце корпуса фотоприемника расположены система управления спектрографом и оптический разъем для подсоединения многожильного световода, а на заднем торце - управление фотодетекторной головкой и соединитель для подключения USB-кабеля. Питание фотоприемников осуществляется от персонального компьютера, к которому фотоприемники подключаются через USB-порт.
Входные щели спектрографов ОС-12С выполнены на торце многожильного кварцевого световода, передающего поток люминесценции из аналитической камеры. Соединение спектрографа с фотодетекторной головкой осуществляется посредством жесткого крепления с образованием светового замка, исключающего внешнюю подсветку. Спектральная область регистрации обоими фотоприемниками за один кадр - 250-850 нм, аппаратная функция и спектральное разрешение - не хуже 2 нм, точность измерения длины волны ±0,75 нм, динамический диапазон чувствительности - семь порядков, из которых три обеспечиваются ПЗС-линейкой и четыре - дискретным регулированием напряжения на микроканальной пластине (МКП) ЭОП.
Программное обеспечение SpeCAD позволяет реализовать различные режимы работы фотоприемника. Оно обеспечивает калибровку шкалы длин волн по известному спектру источников света; регистрацию спектра ИКЛ в интегрирующем по времени режиме при усреднении по N световым импульсам спектр:
,
где I(λ,t) - текущая интенсивность, Т - экспозиция, задаваемая программно в пределах от 10 мс до 1 с. Программа SpeCAD обеспечивает запоминание, обработку и архивирование полученных спектров.
Прибор может быть использован для визуального наблюдения люминесценции различных твердых тел, в том числе монокристаллов и минералов, с целью выявления неоднородностей роста и различных микроминеральных включений.
Для определения минерального вида вещества, в том числе драгоценных камней по спектрам их люминесценции. Для иллюстрации на фиг.2 приведены спектры импульсной катод олюминесценции синтетического (1) и натурального (2) александритов и природного хризоберилла (3), зарегистрированные на этой полезной модели. Спектры иллюстрируют возможность идентификации этих драгоценных камней, в том числе возможность отличить природный камень от его синтетического аналога.
Для быстрого неразрушающего анализа минералов, кристаллов и керамики на предмет обнаружения в них и идентификации примесных ионов и кристаллических фаз.