УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ИОНОВ ПЛАЗМЫ Российский патент 2020 года по МПК H01J49/48 

Область техники

Изобретение относиться к области измерений в физике плазмы и физике заряженных частиц. Оно может быть использовано для исследования плазмы, в частности, измерения энергетического распределения ионов в потоке плазмы, создаваемой импульсными источниками нагрева, например, импульсами СО₂ лазера.

Уровень техники

Аналогами заявляемого технического решения являются широко известные из литературы анализаторы энергии заряженных частиц, например, электростатические цилиндрические дефлекторы [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. - М.: Наука, 1978. - 224 с., страница 78]. Устройство представляет собой фильтр, пропускающий заряженные частицы по правилу отбора E/z=const(U), где Е - энергия иона, z - его зарядовый номер, U=|+U|=|-U| - напряжение на электродах. Энергетическое разрешение такой измерительной схемы определяется дисперсией анализатора (дефлектора, являющегося частью цилиндрического конденсатора), размерами входной и выходной щелей анализатора и расстоянием от источника.

Близких аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является схема измерений потока ионов из лазерной плазмы, использующая комбинацию электростатического цилиндрического энергоанализатора и расположенной перед ним пролетной трубы, в которой плазменный поток свободно расширяется и разворачивается по времени прилета и, следовательно, по энергии [А.В. Кильпио, Н.Г. Киселев, П.П. Пашинин, И.В. Рудской, Б.Ю. Шарков, Е.В. Шаткое, А.В. Шумшуров. Исследование энергетических спектров многозарядных ионов Ti из лазерной плазмы. Квантовая электроника, Т. 35, №7, 2005, С. 638]. Устройство состоит из вакуумной камеры с облучаемой мишенью, присоединенной к ней пролетной трубой, ось которой совпадает с нормалью к поверхности мишени, электростатического цилиндрического дефлектора и детектора ионов, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ). Для регистрации частиц различной зарядности и энергии проводится серия измерений с различными энергиями настройки Е=ezU во всем диапазоне напряжений, где ионы наблюдаются. Затем первичные данные, представляющие собой осциллограммы серии пичков, соответствующих разным зарядовым номерам ионов и их энергиям, обрабатываются, в результате чего можно получить парциальные токи ионов различной зарядности (в относительных единицах) или функции распределения по энергии, в зависимости от формы представления. Для определения момента вылета ионов из плазмы обычно на отдельном канале осциллографа записывается форма лазерного импульса.

Работа устройства и процедура восстановления энергетического спектра ионов предполагает, что плазма разделяется по зарядам на входе в дефлектор на границе собственного электрического поля устанавливаемого между электродами. Процесс разделения описывается законом Чайлда - Ленгмюра - Богуславского известного как «закон 3/2», поскольку извлекаемый ток ионов меняется как I~U^3/2 (где I-ионный ток, U-приложенное напряжение).

Недостатком устройства-прототипа является то, что процессы разделения зарядов на входе анализатора и регистрации энергий частиц не являются независимыми. Как результат при настройке анализатора на низкие энергии ионов (малые напряжения на электродах, U) разделение зарядов практически не происходит и эта возможная часть спектра ионов не регистрируется, так что восстановленные характеристики частиц являются некорректными в области низких значений энергии, поскольку происходит недооценка их потока. Существующая возможность уменьшения этой ошибки за счет снижения всего потока плазмы уменьшением входной щели ограничена предельной чувствительностью (усилением) ВЭУ.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение недостатков аналогов, а именно, что плазма, направленная в анализатор не полностью разделяется по зарядам (электронам и ионам) при установлении малых значений напряжений настройки, тем самым спектр энергий потока ионов регистрируется с ошибками.

Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что устройство позволяет полностью разделить процессы измерения потока ионов и извлечения зарядов из плазмы за счет установки перед входом в анализатор трехэлектродной системы разделения зарядов плазмы, так что последующая регистрация потока ионов не зависит от напряжения анализатора.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что предложено устройство для исследования энергетического спектра ионов плазмы, содержащее вакуумную камеру с мишенью, в которую с помощью оптического окна и объектива фокусируется лазерный пучок, присоединенную к ней по оси разлета пролетную трубу, электростатического цилиндрического анализатора энергоспектра ионов и детектора заряженных частиц (ВЭУ) с нагрузочным сопротивлением, напряжение с которого заводится на вход осциллографа, а на второй вход заводится реперный сигнал лазерного импульса, при этом между пролетной трубой и анализатором размещаются электродная система, включающая два электрода под земляным потенциалом, и третий электрод изолированный от них и размещенный симметрично между ними под отрицательным потенциалом -V.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

- процессы измерения потока ионов и разделения зарядов плазмы на входе в анализатор разделены и спектр энергий потока ионов регистрируется без ошибок.

- позволяет избежать ошибки измерений при применении энергоанализатора без системы экстрагирующих электродов на входе, которая состоит в недооценке потока ионов низкой энергии из-за недостаточного разделения зарядов плазмы при низких напряжениях на электродах анализатора.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 приведен пример сравнения форм полного ионного тока измеренного впрямую после экстракции пучка и полного тока восстановленного из данных анализаторных исследований для ионов свинца

На фиг. 2 показана схема предложенного изобретения, где цифрами обозначены:

1 - Вакуумная камера;

2 - Мишень;

3 - Объектив;

4 - Оптическое окно;

5 - Лазерный пучок;

6 - Пролетная труба;

7, 10 - Электроды под потенциалом земли;

8 - Изолятор;

9 - Электрод под отрицательным потенциалом;

11 - Электростатический дефлектор;

12 - Детектор заряженных частиц;

13 - Нагрузочное сопротивление;

14 - Осциллограф;

15 - Детектор лазерного излучения

Осуществление и примеры реализации изобретения

Как показывают экспериментальные исследования генерации ионов из лазерной плазмы, в частности, плазмы создаваемой СО₂ лазером, спектр энергий получаемых ионов действительно широк, особенно при плотностях потока лазерного излучения q≥10¹³ Вт/см² и большое количество частиц имеет низкие энергии разлета [Сатов Ю.А. Формирование мощных импульсов С0₂ лазера для исследования лазерной плазмы и эффективной генерации высокозарядных ионов: дис. на соискание степ. д. физ-мат. наук: 01.04.08: защищена 03.10.2006: М, 2006. - 251 с.: Стр. 167-168.]. Сравнение форм полного ионного тока измеренного впрямую после экстракции пучка и полного тока восстановленного из данных анализаторных исследований указывало на заметное отличие в области низких энергий частиц. На Фиг. 1 приведен пример такого сравнения для ионов свинца, получаемого из данных этой работы.

Новые физические свойства предлагаемого устройства реализуются при устранение причины недооценки потока ионов низкой энергии, проистекающего из-за неполного разделения зарядов плазмы при низких напряжениях анализатора. Такой результат достигается помещением перед входной щелью анализатора двух электродов с земляным потенциалом и размещенным между ними изолированным электродом с отрицательным потенциалом -V. При этом величина потенциала выбирается достаточно большой для обеспечения полного разделения зарядов плазмы на всей длительности процесса генерации плазмы (во все моменты прилета к входной щели).

Схема работы предложенного изобретения поясняется кратким описанием чертежа, приведенного на Фиг. 2.

В вакуумную камеру 1 помещается исследуемая мишень 2, которая облучается импульсом лазера 5, вводимым в камеру через оптическое окно 4 и фокусируемым на поверхность мишени объективом 3. Создаваемая в результате нагрева мишени плазма расширяется преимущественно по нормали к поверхности мишени в пространстве вакуумной камеры и пролетной трубы 6, на выходе которой установлены два электрода 7, 10 под потенциалом земли, а между ними электрод 9 под отрицательным потенциалом -V, разделенный от земли изолятором 8, обеспечивающим разделение зарядов плазмы во все моменты ее прилета к электродам. Изменение спектра ионов в виде их ускорения на первом межэлектродном промежутке на величину ΔЕ=ezV в точности компенсируется замедлением на втором промежутке, так что внесенная система электродов не искажает исследуемый спектр энергий частиц. Далее полученный ионный пучок направляется в анализатор, в качестве которого используется электростатический цилиндрический дефлектор 11. На выходе анализатора установлен детектор заряженных частиц 12, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ). ВЭУ вырабатывает ток пропорционально потоку заряженных частиц, который протекает через нагрузочное сопротивление 13, и падение напряжения на нем заводится на вход двухканального осциллографа 14. На второй вход осциллографа подключается сигнал импульса лазерного излучения, получаемый с помощью детектора лазерного излучения 15, на который заводится часть излучения, отраженного оптическим окном 4, для реперного по времени сигнала. Итак, в результате предложенных конструктивных изменений анализатором регистрируется весь реальный спектр ионов существующих в налетающей плазме и таким образом исключаются ошибки определения потока ионов в области низких энергий. Появляющееся новое физическое свойство подтверждает то, что предложенная работа соответствует критерию изобретения.

Работоспособность устройства не вызывает сомнений из общефизических понятий и может быть проверена экспериментально путем сравнения энергетических спектров частиц полученных с помощью прототипа и предлагаемого устройства для одного источника импульсной плазмы.

Изобретение относится к области измерений в физике плазмы и физике заряженных частиц. Технический результат - повышение точности регистрации спектра энергий потока ионов и последующего измерения потока ионов. Устройство для исследования энергетического спектра ионов плазмы содержит вакуумную камеру с мишенью, в которую с помощью оптического окна и объектива фокусируется лазерный пучок, присоединенную к ней по оси разлета пролетную трубу, электростатический цилиндрический анализатор энергоспектра ионов и детектор заряженных частиц (ВЭУ) с нагрузочным сопротивлением, напряжение с которого заводится на вход осциллографа, а на второй вход заводится реперный сигнал лазерного импульса. Между пролетной трубой и анализатором размещаются электродная система, включающая два электрода под земляным потенциалом, и третий электрод, изолированный от них и размещенный симметрично между ними под отрицательным потенциалом -V. 2 ил.

Устройство для исследования энергетического спектра ионов плазмы, содержащее вакуумную камеру с мишенью, в которую с помощью оптического окна и объектива фокусируется лазерный пучок, присоединенную к ней по оси разлета пролетную трубу, электростатический цилиндрический анализатор энергоспектра ионов и детектор заряженных частиц (ВЭУ) с нагрузочным сопротивлением, напряжение с которого заводится на вход осциллографа, а на второй вход заводится реперный сигнал лазерного импульса, отличающееся тем, что между пролетной трубой и анализатором размещаются электродная система, включающая два электрода под земляным потенциалом, и третий электрод, изолированный от них и размещенный симметрично между ними под отрицательным потенциалом -V.