СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ВУФ-ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01J47/02 

Изобретение относится способам измерения интенсивности излучения источников, излучающих в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне (ВУФ-излучения) и устройствам для их осуществления.

Известен способ измерения потока фотонов, создаваемого ВУФ-излучателем, с использованием ионизационных камер, представляющих собой отпаянное устройство, содержащее электроды для измерения ионизационного тока и ионизируемое ВУФ-излучением вещество, находящееся при давлении ниже атмосферного (см., например. Carver J.H., Mitchell P., J. Sci. Instrum.1964, v.41, p.555-557). Для определения потока фотонов величину ионизационного тока в электрон/с делят на величину квантового выхода ионизации. При этом обязательным является полное поглощение излучения ионизуемым веществом. В качестве такого вещества использовался оксид азота и другие соединения, энергия ионизации которых меньше энергии фотонов, испускаемых излучателем, и для которых известен квантовый выход ионизации. ВУФ-излучение вводилось в ионизационную камеру через прозрачное для ВУФ-излучения окно. Последнее обстоятельство вносит неопределенность в результат измерения из-за поглощения излучения материалом окна и загрязнения внутренней поверхности окна продуктами фотолиза, которые также поглощают ВУФ-излучение. Кроме того, выделение газов из штенгеля, происходящее в процессе отпайки, изменяет газовый состав в камере.

Известен способ измерения интенсивности источника ВУФ-излучения с использованием проточной камеры, работающей при пониженном по сравнению с атмосферным давлении (см. Costela A., Garo R.G., Webb C.E. J. Phys. E.: Sci. Instrum., 1983, v.16, p.742-744). Согласно этому способу, поток, содержащий ионизируемое вещество, протекает через ионизационную камеру, благодаря чему в объеме камеры не накапливаются продукты фотолиза. Недостатком известного способа, принятого за прототип, является наличие вакуумного оборудования, усложняющего и удорожающего процесс измерения. Кроме того, известное устройство также содержит окно для ввода излучения, вносящее неопределенность в результаты измерений.

Задача изобретения состояла в устранении погрешности измерения, вносимой окном, а также в упрощении и удешевлении устройства для измерения за счет исключения необходимости использования вакуумной техники.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что предложен способ измерения интенсивности источников ВУФ-излучения, при котором через проточную ионизационную камеру, облучаемую источником ВУФ-излучения, пропускают поток ионизуемого ВУФ-излучением вещества и измеряют ионизационный ток, интенсивность источника ВУФ-излучения рассчитывают путем деления величины ионизационного тока в электрон/с на квантовый выход ионизации, в котором, согласно изобретению через ионизационную камеру пропускают смесь газа, прозрачного для ВУФ-излучения, с ионизуемым ВУФ-излучением веществом, концентрация которого лежит в диапазоне от 1000 ppm до 10000 ppm, находящуюся при давлении не ниже атмосферного.

Другим отличием способа является то, что в качестве ионизуемого вещества используют пары летучих органических соединений.

В предпочтительном варианте выполнения в состав смеси включен газовый компонент, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением, а для расчета интенсивности источника ВУФ-излучения частное от деления величины ионизационного тока в электрон/с на квантовый выход ионизации, дополнительно умножают на коэффициент ослабления ионизационного тока К, причем К определяют по формуле:

где σ₁ - сечения поглощения ионизуемого компонента, σ₂ - сечение поглощение компонента, поглощающего ВУФ-излучение, но не ионизуемого этим излучением, а n₁ и n₂ - концентрации этих компонентов в смеси.

Другим отличием способа является то, что в качестве газового поглощающего, но не ионизуемого компонента, ослабляющего ионизационный ток, используют метан или кислород в концентрациях от 0,5% до 20% по объему.

Задача решается также тем, что предложено устройство для измерения интенсивности источников ВУФ-излучения, содержащее проточную ионизационную камеру с источником ВУФ-излучения, облучающим внутренний объем камеры, два электрода для измерения ионизационного тока, установленные в камере, патрубок для подвода ионизуемого вещества и патрубок для вывода этого вещества, в которое, согласно изобретению, введен баллон, содержащий смесь прозрачного для ВУФ-излучения газа и ионизуемого вещества с концентрацией от 1000 ppm до 10000 ppm, причем для управления потоком газа, поступающего в проточную ионизационную камеру, установлены регулятор расхода газа и измеритель расхода газа.

В другом варианте осуществления изобретения газовый компонент, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением, заключен в отдельный баллон, снабженный регулятором расхода и измерителем расхода газа, причем на входе в патрубок для подвода газа с ионизуемым веществом установлен смеситель, где смешиваются потоки, поступающие из обоих баллонов.

Благодаря отмеченным выше особенностям предлагаемого способа и устройства для его осуществления обеспечивается достижение технического результата изобретения, который состоит в устранении погрешности измерения, вносимой окном ионизационной камеры, в существенном упрощении и удешевлении процедуры измерения и реализующего его устройства за счет исключения необходимости использования вакуумного оборудования.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен один из возможных вариантов выполнения устройства для осуществления предлагаемого способа.

На фиг.2 представлена схема осуществления другого варианта выполнения устройства.

Устройство содержит баллон 1, заполненный смесью прозрачного для ВУФ-излучения газа, например азота с парами бензола или изобутилена с концентрацией от 1000 до 10000 ppm. На баллоне 1 установлен регулятор 2 и измеритель 3 расхода газа. Смесь по трубопроводу 4 поступает в патрубок 5 проточной ионизационной камеры 6. Камера 6 представляет собой смонтированный в металлическом корпусе (на фиг 1. не показан) фторопластовый цилиндр внутренним диаметром 30 мм, в котором находятся два плоскопараллельных стальных электрода 7, шириной 20 мм и длиной 100 мм, отстоящие друг от друга на расстояние 20 мм. Один из электродов подключен к источнику питания другой - к электрометру (на фиг.1 не показаны). Торцы камеры 6 снабжены фторопластовой заглушкой 8 и фторопластовым диском 9, на котором установлена ВУФ-лампа 10, подключенная к источнику питания (на рис.1 не показан). Диск 9 опирается на электроды 7 и имеет толщину 0,2 мм. В диске 9 имеется отверстие для ввода излучения ВУФ-лампы 10. Для отвода парогазовой смеси из проточной камеры имеется выходной патрубок 11, соединенный с фильтром - поглотителем 12. Величина расхода парогазовой смеси через камеру 6 составляла от 1 до 1,5 л/мин. Разность потенциалов между электродами 7 задавалась равной 1000 В, что обеспечивало работу ионизационной камеры в режиме полного сбора зарядов. Ионизационный ток измерялся с разрешением 4×10^-14 А.

В соответствии с заявленным способом описанное устройство работает следующим образом. Парогазовая смесь протекает через ионизационную камеру 6 при давлении не ниже атмосферного и подвергается воздействию ВУФ-излучения, испускаемому ВУФ-лампой 10. Такое давление позволяет отказаться от использования уплотнительных элементов, в том числе окон, герметизирующего ионизационную камеру. Содержащийся в смеси ионизуемый компонент полностью поглощает излучение, что обеспечивается его высокой концентрацией и размерами камеры. В результате поглощения излучения происходит ионизация вещества. Под действием электрического поля, создаваемого электродами 7, в ионизационной камере 6 протекает электрический ток. Величина потока Ф [фотон/с] определяется по формуле:

где i - сила тока в амперах, e - заряд электрона в кулонах, η - квантовый выход ионизации. Последняя величина есть вероятность отрыва электрона при поглощении фотона молекулой. Эта величина в области энергий, излучаемых ВУФ-лампами (порядка 10 эВ) меньше 1, так как при поглощении фотона кроме ионизации происходят и другие процессы, например фотодиссоциация. Благодаря тому, что в камере организован проток смеси, продукты фотодиссоциации не накапливаются в объеме камеры и не влияют на результаты измерений. Реализация процесса измерения при давлении не менее атмосферного позволяет вместо вакуумного оборудования позволяет использовать баллон, заполненный смесью при давлении выше атмосферного, что гораздо дешевле и практичнее. Кроме того, как уже отмечалось, здесь не требуется дополнительное окно, что повышает достоверность измерений.

В качестве примера ниже приведены результаты измерения потока ВУФ-излучения, испускаемого ВУФ-лампой криптонового наполнения CDL-1050 (ООО «БАП «Хромдет-Экология»), работавшей при токе разряда 0,06 мА. Эта лампа излучает в ВУФ-области две спектральных линии (116.5 и 123,6 нм). Через ионизационную камеру пропускалась смесь азот-бензол с концентрацией последнего 3000 ppm. Был измерен ионизационный ток, составивший 10^-10 А (или 1.6×10⁹ электронов/с). Значение квантового выхода бензола в приведенном выше спектральном диапазоне равно 0,5. Величина потока определяется как частное от деления ионизационного тока на квантовый выход и равна 3,2×10⁹ фотон/с.

Представленная на фиг.2 схема устройства отличается от устройства, изображенного на фиг.1 тем, что она содержит дополнительный баллон 13, в котором находится смесь газа прозрачного для ВУФ-излучения с компонентом, поглощающим ВУФ-излучение, но не ионизуемого этим излучением, например метаном. На выходе баллона 3 установлен регулятор расхода 14 газа и измеритель 15 расхода газа. Перед патрубком 5 для ввода смеси установлен смеситель 16 предназначенный для смешивания двух потоков, поступающих в проточную ионизационную камеру.

Наличие дополнительного компонента, поглощающего ВУФ-излучение, но не ионизуемого этим излучением, позволяет измерять интенсивные потоки ВУФ-излучения, которые создают значительные ионизационные токи (большие 10^-9 А). При таких токах наблюдаются отклонения от линейности, вызванные объемным зарядом. Поглощение дополнительным компонентом известной доли излучения, при котором не происходит ионизация, позволяет ионизационной камере работать в диапазоне линейности.

Коэффициент ослабления ионизационного тока за счет добавки вещества, поглощающего ВУФ-излучение, но не ионизуемого этим излучением, определяется по формуле (1), причем концентрации n₁ и n₂ рассчитываются на основании данных о концентрации компонентов в баллонах 1 и 13, а также расходах смесей, измеренных измерителями 3 и 15 расхода.

В качестве примера ниже приведен расчет К для смеси следующего состава на входе в патрубок 5: изобутилен - 0, 0052% - метан - 1,02% - азот марки “Б” - остальное. Использовалась ВУФ-лампа ксенонового наполнения CDL-1050/кс (ООО БАЛ ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ), работавшая при токе разряда 0,2 мА. Значение К рассчитывалось для излучения с длиной волны 129,5 нм (резонансная линия ксенона) по формуле (1) на основании данных о сечениях поглощения изобутилена и метана, приведенных в литературе. Вторая резонансная линия (147 нм), излучаемая ксеноновой лампой, не может ионизовать изобутилен и поэтому не учитывается. Значения σ₁ для метана принималось равным 1,8×10^-17 см². Значения σ₂ для изобутилена принималось равным 3,6×10^-17 см². Вычисленное по формуле (1) значение К составило 96,2.

Это значение использовалось для расчета потока ВУФ-излучения по формуле

полученной из формулы (2) умножением числителя на К.

При ионизационном токе 2×10^-11 А и травном для изобутилена 0,2 (по литературным данным) величина потока фотонов, рассчитанная по формуле (3), составила 6,0×10¹⁰ фотон/с.

Следует отметить, что газ, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением, например метан, может входить в состав газовой смеси в баллоне, однако при этом невозможно регулировать степень ослабления ионизационного тока, как это делается в устройстве по фиг.2.

Изобретение относится к способам измерений интенсивности источников ВУФ-излучения и устройствам для их осуществления. В способе измерения интенсивности источников ВУФ-излучения через проточную ионизационную камеру, облучаемую источником ВУФ-излучения, пропускают поток ионизуемого вещества и измеряют ионизационный ток, а затем по величине ионизационного тока и квантового выхода рассчитывают поток ВУФ-излучения. Через ионизационную камеру пропускают смесь газа, прозрачного для ВУФ-излучения, с содержанием ионизуемого вещества от 1000 ppm до 10000 ppm при давлении не ниже атмосферного, причем в состав смеси добавляют компонент, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением, с концентрацией 0,5-20% по объему. Описано также устройство для осуществления способа, содержащее проточную ионизационную камеру с источником ВУФ-излучения, облучающим внутренний объем камеры, два электрода для измерения ионизационного тока, патрубки для подвода и отвода ионизуемого вещества. В устройство введен баллон, содержащий смесь прозрачного для ВУФ-излучения газа с ионизуемым веществом, концентрация которого составляет от 1000 ppm до 10000 ppm, находящуюся при давлении выше атмосферного, причем в потоке газа, поступающего в проточную ионизационную камеру, установлены регулятор расхода и измеритель расхода газа. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения интенсивности источников ВУФ-излучения, при котором через проточную ионизационную камеру, облучаемую источником ВУФ-излучения, пропускают поток ионизуемого вещества, измеряют ионизационный ток, интенсивность источника ВУФ-излучения в фотонах в секунду рассчитывают путем деления величины ионизационного тока в электронах в секунду на квантовый выход ионизации, отличающийся тем, что через ионизационную камеру пропускают смесь газа, прозрачного для ВУФ-излучения, с ионизуемым ВУФ-излучением веществом, концентрация которого лежит в диапазоне от 1000 млн^-1 до 10000 млн^-1, находящуюся при давлении не ниже атмосферного.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионизуемого вещества используют пары летучих органических соединений.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в состав смеси включен газовый компонент, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением, а для расчета интенсивности источника ВУФ-излучения в фотонах в секунду частное от деления величины ионизационного тока в электронах в секунду на квантовый выход ионизации дополнительно умножают на коэффициент ослабления ионизационного тока К, причем К определяют по формуле
,
где σ₁ - сечения поглощения ионизуемого компонента, σ₂ - сечение поглощения компонента, поглощающего ВУФ-излучение, но не ионизуемого этим излучением, а n₁ и n₂ - концентрации этих компонентов в смеси.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, в качестве газового компонента, ослабляющего ионизационный ток, используют метан или кислород в концентрации от 0,5% до 20% по объему.

5. Устройство для измерения интенсивности источников ВУФ-излучения, содержащее проточную ионизационную камеру с источником ВУФ-излучения, облучающим внутренний объем камеры, два электрода для измерения ионизационного тока, установленные в камере, патрубок для подвода ионизуемого вещества и патрубок для вывода ионизуемого вещества, отличающееся тем, что в него введен баллон, содержащий смесь прозрачного для ВУФ-излучения газа и ионизуемого вещества с концентрацией от 1000 млн^-1 до 10000 млн^-1 при давлении не ниже атмосферного, причем для управления потоком газа, поступающего в проточную ионизационную камеру, установлен регулятор расхода газа и измеритель расхода газа.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в баллон дополнительно введен газовый компонент, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением в количестве от 0,5% до 20% по объему.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что газовый компонент, поглощающий ВУФ-излучение, но не ионизуемый этим излучением, заключен в отдельный баллон, снабженный регулятором расхода газа и измерителем расхода газа, причем на входе в патрубок для подвода ионизуемого вещества установлен смеситель.