Способ измерения пространственного распределения атомных концентраций Советский патент 1984 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к методам измерения концентраций атомов в пространстве и может найти применени в спектральном анализе, при излучении кинетики газофазных химических реакций, в методах лазерного разделе ния изотопов, а также в полупроводниковом производстве. Известен способ измерения пространственного распределения концентра Ц1в1 атомов с помощью метода атомноабсорбционного анализа Л , Однако этот обладает низкой чувствительнос ью и невысокой селек тивностью Кроме того, поскольку в данном методе использзпот однолучевую схему, метод имеет недостаточное прострднственное разрешение. Наиболее близким к изобретению является способ измерения.пространственного распределения атомных концентраций, включающий облучение анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения и изме рения концентрации образовавшихся ионов з , Известный способ обладает невыдокой чувствительностью при детектиро вании атомных концентраций, поскольк дпя получения информации о пространственно1м распределении концентраций атомов необходимо, чтобы обе ступени работали в линейном, далеком от насы щения режиме, определяющем зависимость величины ионного сигнала от плотности лазерного излучения. Кевьг сокая селективность метода определяе ся тем, что в резонанс настроена только первая ступень ионизации, а вторая ступень является неселектив ной. Пространственное, разрешение и точность метода определяются величино фокусировки линзы и при исполь зовании длинофокусных линз, ког да необходимо зондировать атомные пучки большого сечения, значительно ухудшаются по одной из координат (например X или Y) и достигают величины 2-3 мм. Целью изобретения является увеличение чувствительности, селективност пространственного разрешения и точности измерений. Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения прост ранственного распределения атомных концентраций, включающему облучение анализируемой области резонансным и дополнительным излучением,, пространственное сканирование излучения, измерение концентрации образовавшихся ионов, Частоту дополнительного излучения настраивают в резонанс с высоколежащими или ридберговскими состояниями анализируемых атомов и направляют его под прямым .углом к резонансному, причем максим-л- пространственного распределения интенсивности дополнительного излучег.тч устанавливают в максимуме резона;;сного. Суть способа состоит в следующем,, Для измерения пространственного распределения атомных концентраций в предложенном способе используют метод двухступенчатой селективной лазерной ионизации атомов. При этом частоту излучения первого лазера настраивают на длину волны резонансного перекода атома, а второго дополнительного лазера - на длину волны перехода с возбужденного первым лазером уровня на уровни, расположенные вблизи -границы ионизации. Б зависимости от характера решаемой задачи высоковозбужденные атомы могут ионизоваться импульсом электрического поля, ИК-лазерным путем, при столкновениях с атомами или молекулами буферного газа, а также за счет возбуждения лазерным излучением второй ступени, автоионизационных состояний. Если направить излучения первого лазера и второго в двух взаимно перпендикулярных направлениях и совместить их максимумы интенсивности, то селективная ионизация атомов будет происходить только в области пересечения лазерных лучей, причем преимущественно в области совмещенных максимумов интенсивносуей. Точку пересечения максимумов интенсивностей можно сканировать в пространстве по трем координатам, координаты этой точки ЯВ.11ЯЮТСЯ координатами зоны, где мы хотим измерить пространственное распределение атомных концентраций. Координаты точки пересечения нетрудно измерить, исходя из данных о пространственных координатах лазерного луча Более высокая чувствительность метода достигается за счет ТОГО; что в предложенном методе можно работать не только в линейном режиме по мощности лазерного -излучени но в режиме насыщения, причем поскольку в режиме насыщения величина ионизационного сигнала слабо зависи от мощности лазерного излучения, то за счёт этого существенно увеличива ся точность измерений. Селективность метода селективной лазерной фотоионизации существенным образом зависит от числа ступеней лазерного излучения селективно наст роенных на атомные переходы. В предлагаемом способе число селективных ступеней должно быть равным двум или более, что означает увеличение селективности метода по сравнению с прототипом. .Пространственное разрешение метода определяется только диаметрами лазерного излучения обоих ступеней и равно размерам лазерного луча максимального диаметра. Диаметр лазерно го луча в принципе можно задать порядка нескольких длин волн квантов лазерного излучения, т.е. пространственное разрешение предложенного метода может достигать величины не скольких микрон. На фиг.1 показана схема установки реализующей предложенный способ; на фиг.2 и 3 - схемы переходов энергетических уровней атомов галлия и индия. Устройство содержит атомный пучок 1, излучение 2 азотного лазера, (разрядник 3, лазеры на красителях 4, электромеханический привод с линзой 5, лазерные лучи 6, печь 7, электроды 8, вторичный электронный умножитель 9 и самописец 1U. Измерение пространственного распр деления втомных концентраций осуществляется на экспериментальной установке (фиг.1). Накачка лазеров на красителях осуществляется импульс ным азотным лазером .Резонансное излучение первого и дополнительное излучение второго лазеров на красителях направляются в атомном пучке под прямым углом. Лучи лазеров фокусируются с помощью электромеханического привода линзы и равномерно перемещаются по оси X и У. Атомный пучок формируется за счет эффузии паров галлия и индия через каналы диафрагм (4 мм) из печи, нагретой до 1200°С (давление пиров 410 мм рт.ст.), при этом концентрации атомов составляет 10 - 10 см. Остаточное давление в камере 10мм рт.ст. Лучи лазеров пересекают атомный пучок между электродами, на которых создается импульсное электрическое поле. Импульсное электрическое напряжение на электродах возникает при разряде заряженного отрезка коаксиального кабеля через согласованный разрядник со световым поджигом на передающую линию. Для запуска разрядника часть излучения азотного лазера отводится и фокусируется на одном из электродов разрядника. Амплитуда импульса напряжения меняется в пределах 0,1 - 18 кВ. Ионы, образовавпшеся в результате ионизации высоковозбужденных атомов импульсным электрическим полем, вытягиваются этим же полем через щель в электроде с нулевым потенциалом и далее увлекаются электрическим полем катода вторично-электронного умножителя, находящегося под потенциалом -4 кВ. Сигнал с ВЭУ поступает на стробирующий импульсный вольтметр и, самопишущий прибор. Развертка самопишущего прибора осуществляется синхронно с вращением дифракционной решетки второго лазера на красителе, при помощи которой перестраиваются его частоты. Схема используемых переходов энергетических уровней атомов галлия и индия приведены на фиг.2 и 3. Перестраивая частоту излучения лазера, можно попасть на резонансный переход (г . атома галлия или 5р Рч/2- 65 5(2 атома индия. Далее перестраивается длина волны второго лазера на красителе и при попадании Т(2 в резонанс с переходами 5S S, V PI/,% 65 5„г- пр р„ з/2иозникаёт ионный сигнал, обусловленный ионизацией высоковозбужденных атомов изЛучением лазеров первой и второй ступени. В результате проведенных экспериентов установлено, что с помощью писываемого способа удается измеить атомные концентрации с простанственным разрешением на уровне 10-100 мкм в атомных пучках с очень изкой концентрацией атомов порядка 10 - 10 атомов/см.

5f/j

/П

.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ КОНЦЕНТРА1ЩЙ, включающий облучение -анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения, измерение концентрации образовавшихся ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, селективности, пространственного разрешения и точности измерений, частоту дополнительного излучения настраивают в резонанс с высоколежащими или ридберговскими состояниями анализируемых атомов и направляют его под прямым углом к резонансному, причем максимум пространственного 3 распределения интенсивности дополнительного излучения устанавливают в максш-1уме резонансного.