Способ анализа ионов и продуктов их нейтрализации Советский патент 1992 года по МПК H01J49/00 

& 4i

1lMjof ppTCHtie относится к техН1гчсс- Koft (hHTJHKe и может быть использовано н игглсдо1 пниях по изучению элементарных прс пегсоп в плазмохимических роякциях, при получении заряженных члстип, при анализе состава веществ и для выявления возбужденных состояний частиц п различных элементарных процессах.

Целью изобретения является повышение информативности и точности анализа чяс.тиц без усложтгения оборудования аналитического устройства.

Способ включает операци и получения, извлечения, ускорения ионов, разделе 1ия их по массе и заряду, регистрации ионов и продуктов их нейтрализации и определение величины, характеризующей результат воздействия ионов и нейтралов на регистрирующий Элемент, доп6лните17ьно в . .; анализируемом масс-спектре частиц определяют наличие возбужденных частиц, их врем я жизни и полученные результаты учитывают при анализе.

Операции по определению наличия возбужденных частиц включают выявление различий в результатах воздействия на регистрирующий элемент фотонов и бомбардирующих частиц, например, 1тутем сравнения функциональных зависимостей величины, обусловленной воздействием частиц и фотонов на регистрирующий элемент, от времени воздействия дпя возбужденных и невозбужденных частиц или путем сравнения глубины и направления проникновения в фоточувствительном веществе фотоно и бомбардирующих частиц, а также путем сравнения.вторичной эмиссии с регистрирующего элемента, обусловленно возбужденными и невозбужденными частицами.

Кроме того, повьш ение информативности анализа частиц дополнительно достигается операцией по определению времени жизни возбужденного состояни частицы, включающей изменение ускоряющего напряжения при анализе и фиксирование момента исчезновения реЗуль тата воздействия фотонов на регистрирующем элементе, а также определение времени пролета частицы от места ее образования до регистрирующего элемента.

Регистрация спектра ионов по крайней мере при двух различных по времени экспозициях, но при неизменных

.-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

остальных параметрах и условиях анализа обеспечивает выявление характера функциональной зависимости коли- чествеиного результата воздействия исследуемых ионов на регистрирующий злемент от количества этих ионов. При этом регистрирующий элемент может быть любым, позволяющим регистрировать результат удара ионов о поверхность элемента и результат воздействия на элемент фотон9В, испускаемых ионами в возбужденном состоянии. Например, использование фотопластины позволяет установить функциональную зависимость оптической плотности почернения D, полученной фотометриро- ванием изображения масс-энергетичес- кого спектра ионов, от количества ионов, которое пропорционально времени экспозиции t, т.е. определить зависимость D ft).

Оптическая плотность почер нения дпя определенной эмульсии фотопластин зависит от массы, заряда скорости, кинетической энергии частиц, их плотности, экспозиции фотопластины, а также и от энергии возбуждения час-. тицы, если она находится в возбужденном состоянии, и количества возбужденных частиц, причем характер последней .зависимости может значительно отличаться от характера перечисленных выше зависимостей, так как различна чувствительность фотоэмульсии к длине волны излучения, которое испускает возбужденная частица при переходах ее электронов с одного урЪ вня на другой.

При всей многосложности этих зависимостей для определенной фото- .; эмульсии, массы, заряда, кинетической энергии и рода частицы функциональная зависимость оптической плотности почернения от времени экспозиции практически будет вполне определенной и характерной только для данной фотоэмульсии и данных параметров частицы.

Однако в случае, если к указанным параметрам частицы добавляется то, что она находится в возбужденном состоянии, оптическая плотность почернения увеличится н будет определяться суммой оптических плотностей почернения, обусловленных кинетической энергией частиц и энергией их возбуждения. .Например, дпя двух экспозиций с временами t, и t в случае, когда

J .1426интенсивность т-рунпы чпстии, находящихся в оснопном состоянии, характеризуется постоянным во 1-фемени ното- ком частиц Ф , будем иметь значения опп-гческой плотности ггочернения D (t,) и D (t,) соотпртственно. При этом

D (t,) А п t, D (t) А Ф. t. ,

(О10

где А - постоянная, характеризующая чувствительность фотопластины к ноз- действизо частиц с данной ки1;етичес- кой энергией, условия обработки фотопластины и прочие неизменные факторы.

Сравнивая D (t,) и D (t,), получим

D (t,) - D (t,) A Т„ (tj-t, ) (2

За эти же времена t, и t поток Р.частиц другой группы, часть из ко- торых находится в возбужденном состоянии, вызовет почернения D (t ) и D (t,)

,) А.1,.Ф„4 B.t,. ,j) А t.-H В t.-K , (3)

где В - чувствительность пластиньг к воздействию фотонов данной энергии, образующихся при девозбуждении части- цы в результате ее столкновения с поверхностью фотопластины; К - параметр, характеризующий долю возбужденных частиц в общем количестве частиц, Оё:К : .

Сравнивая D (t, ) и D (t), получим

В.(Ц) - D rt, ) А.Р (Ч-t, ) + + (t - t,)(4)

При сравнении выражений 2) и (А) видно, что, еслиФ„ ;9 „, то

D(t)-D(t,) DCt)-D(t,). (5.)

На основании этого неравенства определяется энергетическое состояние группы aнaлизиpye nJIx частиц по отношению к известному энергетичес- кому состоянию другой группы частиц.

Сравнение зависимостей DCt) для различных групп частиц можно произво/4 44

дить,определяя разность почернений,и OTHotiietnift 1ши тангенсы углов наклон прямых D(t) в декартовой системе координат.

Если невозможно установить режим работы, при котором потоки исследуемых и извест{гых частиц равны, необхдимо учесть зависимость почернения фотопластины от величины notoKOB частиц. При использовании фотопластины можно не измерять поток (ток) частиц и воспользоваться тем, что , и для выделения группы возбужденных частиц построить зависимость ЛВСВ),где D - максимальное для дан- пой группы почернение фотопластины. Для возбужденных частиц UD будет больше при любых значениях D.

В данном слуг ае в качестве калиб ровочной использовалась группа ионов входящая в тот же энергетический спектр, что и исследуемая группа.

На фиг. 1 представлена зависимость оптической плотности почернения фотопластины D от времени экспозиции t для различных потоков частиц } соответствующих потокам пяти rfiynn масс-энергетического спектра отрицательных ионов водорода, извлеченных из газоразрядной плазмы} на фиг. 2 - энергетический спектр Н при времени экспозиции t 20 с.

Как видно из графиков, все группы отличаются одна от другой величиной кинетической 3Het)rHH, которую они приобрели в газоразрядной плаз- ме. Кинетическая энергия всех групп, приобретенная ионами при отборе из плазмы и ускорении, составляет 12кдВ и одинакова для всех групп.

Количественная оценка каждой из групп производилась по оптической плотности почернения. Регистрация спектров производилась на фотопластинку для ядерных исследований типа МР с эмульсией № 224. Фотометрирова- ние спектров проводилось с помощью регистрирующего микрофотометра И(.

Сравнивая зависимости D t) для различных групп, отмечаем, что D(t) для групп 3 и 5 имеет нелинейный характер: резкий рост при небольших значениях t и тенденцию к насыщению, зависимости D(t) для групп 1, 2 и 4 остаются линейными. Такое различие кривых D(t) свидетельствует о наличии в пучках возбужденных частиц.

v.n;i(if;THO исшов Н , обрязукчцих группы 3 я 5, илходиться в возбужденном со- ппнпми подтперждллось в многочис- .1гн1|)1х чкспериментлх с использопа- ииом дпниого способа анализа, а также п других экспери 1ситах. Поскольку на регистрируюишй элемент розбуждби- fibie 4)CTVHibi оказывают суммарное воз- дс йстние, которое складывается из результатов бомбардировки частицами и воздействием фотонов, возникающих гтри девозбуждении частиц, то выявление различий в результатах воздействия фотонов и частиц на регистрирующий элемент можно проводит и другими способами, например, сравнивая глубину проникновения частиц в регистрирующий элемент и фотонов, срав- нипая направление проникновения частиц и фотонов, при этом фотоны в отличие от частиц создают ореол вокруг м.чсс-спектральной линии на фо- точупстБИтельном материале. Можно так же выявить различие в величинах вторичной электронной эмисии при одинаковых потоках возбужденных и невозбужденных частиц и другими способами, позволяющими из суммарного воз- дейстпия выделить результат воздействия фотонов на регистрирующий элеМ{: ГГ,

Предлагаемый способ позволяет оп- ргделить также время жизни возбужденных частиц по времени пролета этих ч;)с тип от места их образования до места регистрации и моменту появ- лепия или исчезновения признаков их присутствия на регистрирунрщем элементе. Изменение времени пролета можно осуществлять путем изменения ускоряющего напряжения.

В результате многократных проверок предлагаемого способа и сопоставления его результатов с результатами, полученными другим способом, а также принимая во внимание время пролета возбужденных отрицательньЕХ ионов водорода от места их отбора иэ плаз- Ы до фотопластины, которое составляло в экспериментах 8 1 О с, было обнаружено свойство отрицательных ионов водорода находиться в возбужденном метастабильном состоянии.

Предпагаемьй способ позволяет проводить анализ не только положительных или отрицательньж ионов, но и продуктов их нейтрализации, происходящей в пучках ионов, разделенных по

15

20

таряду, массе и энергии. В результате проиессоп нейтрализации в указанных пучках наблюдаются как нейтральные атомы или молекулы с такой же массой, как ион,так и с массой, отличной от массы первоначального иона, которые легко отделяются от ионов, например, электрическим полем. Q Масс-спектроскопический анализ элементов по таким характеристикам частиц как масса, заряд и кинетическая энергия с применением предпожей- ного способа дополняется существенной характеристикой частицы - внутренним энергетическим состоянием, которая не только увеличивает информативность анализа, но и позволяет увеличить точность количественного анализа состава веществ за счет внесения в результаты анализа поправок, связанных с дополнительным воздействием фотонов на регистрирующий элемент.

Использование предлагаемого способа анализа ионов и продуктов их нейтрализации обеспечивает по сравнению с другими способами следующие преимущества: возможность обнаружения и выделения возбужденных частиц в исследуемом спектре частиц; возможность обнаружения и выделения частиц в метастабильных состояниях; возможность повыщения точности определения характера процессов образования ионов; возможность определения возбужденных состояний частиц при очень малых количествах частиц; возможность определения границ зон генерации ионов в различных электрических состояниях в исследуемом объекте; возможность исключения ошибок при количественном анализе состава веществ за счет учета частиц в воз- бужденных состояниях; расширение возможностей анализа частиц без изменения аналитического устройства; ВОЗМОЖНОСТ1 определения характера выноса энергии из плазмы возбужденны50 ми частицами; возможность диагностического контроля за характером цессов в реакторе или газоразрядной плазме; возможность дальнейших исследований с целью получения частиц

55 с определенным уровнем возбуждения; возможность повьппения качества экспресс-анализа частиц с минимальными затратами времени.

30

35

40

45

1U

Формула изобретения

I . Способ анализа ионов и продуктов mt нейтрализации, содержащий получение, извлечение, ускорение ионов разделение их по массе и заряду, регистрацию ионов и продуктов их нейтрализации и определение величины, характеризующей результат воздействия ионов и нейтралов на регистрирующий элемент, отлич ающий- с я тем, что, с целью повьпиения информативности и точности анализа, дополнительно после определения величины, характеризующей результат воздействия ионов и нейтралов на ре-, гистрирующий элемент, определяют наличие возбужденных частиц и время их жизни.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наличие возбужденных частиц определяют путем выявления различий в результатах воздействия на регистрирующий элемент бомбардирующих частиц и испускаемых фотонов.

J ги

ч .« |

.

I - |.

-в

1

1 ОЛ

10

3.Способ по пп. I и 2, о т л и- чающийся тем, что наличие возбужденных частиц определяют путем выявления разливши при сравнении

функциональных зависимостей величи - ны, обусловле ной воздействием частиц и фотонов на регистрирующий элемент от времени поздействия для возбужденных и невозбужденных частиц при одинаковых остальных параметрах этих частиц.

4.Способ по пп. 1 и 2, от л и- чающийся тем, что для регист рации ионов используют фотопластину, а наличие возбужденных частиц определяют путем сравнения глубины и направления проникновения в фотоэмульсию бомбардирующих частиц и фотонов.

5.Способ по п. Is отличающийся тем, что дополнительно изменяют ускоряющее напряжение до момента исчезновения результата воздействия фотонов на регистрирукнцем элементе и по времени . пролета частиц от места их образования до регистрирующего элемента определяют время жизн возбужденного состояния частиц.

15

20

25

3

Изобретение может быть использовано при изучении элементарных процессов, например, в плазмохимичесХих реакциях. Способ анализа ионов и продуктов их нейтрализации состоит в следующем: получают, извлекают и ускоряют ионы, разделяют их по массе И заряду, регистрируют их и продукты их нейт15ализации, определяют величину, характеризующую результат воздействия ионов и нейтралов на регистрирующий элемент (РЭ) и определяют наличие возбужденных: частиц и время их жизни, например, путем выявления различий в результатах, воздействия на РЭ бомбардирующих частиц и испускаемых фотонов или путем выявления различий при сравнении функциональных зависимостей величины, обусловленной воздействием частиц и фотонов на РЭ,от времени воздействия для возбужденных и невозбужденных частиц при одинаковых остальных параметрйх или путем сравнения глубины и направления прояйк- иовения в фотоэмульсию фотопластины бомбардирующих частиц и фотонов. Способ высокоинформативен и точен. .4 з.п. ф-лы, 2 ил.

о.г

5 10 15 20 25 30 t,c /te./

х

1,812 1,5S 1.296 1,008 0,120 О.П

о,т

12000 12100 12200 (Риг. г

I II 1

12300 Е,зв