Способ генерации излучения линейчатого спектра в ВУФ-диапазоне Советский патент 1991 года по МПК G01J3/10 

Изобретение относится к области спектроскопии и метрологии оптических измерений в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра, а более конкретно к способам создания абсолютных (стандартных) источников излучения.

Цель изобретения - уменьшение погрешности установления требуемой величины полного потока фотонов спектральной линии в ВУФ области спектра.

Пример. Генерировали излучение спектральных линий атомов и ионов Не и ионов Аг с заданным полным потоком фотонов, пропуская через газовую мишень из атомов Не или Аг пучок электронов с известной энергией частиц пучка Е. Для возбуждения линейчатого излучения

использовались процессы возбуждения и ионизации с возбуждением атомов Не или Аг при столкновении с электронами: е(Е 500 эВ) + Не - е + Не - е + Не+

+ h v (52,2; 53,7 и 58,4 нм); е(Е 500 эВ) + Не - 2е + (НеУ - 2е +

+ Не + h v (30,4 нм); е(Е 300 эВ) + Аг - 2е + (Аг4) - 2е + + + h v (92,0; 93,2 нм). Поток электронов, создаваемый электронной пушкой, коллимировался двумя круглыми диафрагмами в пучок с поперечным сечением при входе в мишень диаметром 3 мм и расходимостью 2°. Пучок направлялся в камеру столкновений с открытым окном (апертурной диафрагмой) в сторону наблюдения излучения и диффеа XI ю ю

со

ренциальной откачкой, наполняемую газом-мишенью (Не или Аг). Апертурная диаф- рагма располагалась в плоскости, параллельной оси лучка, и отстояла от этой оси на 10 мм. Размер диафрагм (ширина) в поперечном пучку направлении, равный 6 мм., был больше размера пучка, а размер диафрагмы (длина) вдоль пучка устанавливался равным протяженности области сбора ионов в этом направлении. Таким образом, апертура источника излучения задавалась длиной диафрагмы и размером пучка в поперечном ему направлении.

Сбор вторичных ионов осуществлялся с помощью двух плоских параллельных ме; таллических пластин размером 15x40 мм и расстоянием между ними 20 мм, расположенных симметрично оси пучка облучающих мишень частиц. На пластины подавалось постоянное напряжение 10 В. Величина напряжения обуславливалась условием полноты сбора вторичных частиц, которое определялось появлением плато на вольт- амперной характеристике схемы измерения тока вторичных частиц. Этой же вольт-амперной характеристикой контролировалось условие однократности неупругих столкновений в камере столкновений. Нарушение этого условия приводило к росту абсолютного значения тока на плато вольт-амперной характеристики. Поэтому, варьируя давление газа мишени и величину тока облучающего мишень пучка, добивались получения минимального значения тока вторичных частиц на плато вольт-амперной характеристики.

Область сбора ионов задавалась тем, что одну из пластин разрезали на три части - центральную, длиной 20 мм, на которую осуществлялся сбор вторичных ионов (или электронов, если поменять полярность приложенного напряжения), и две крайние, длиной по 10 мм, которые заземлялись. Длина апертурной диафрагмы устанавливалась равной длине центральной пластины - 20 мм, а проекции их краев в направлении вектора напряженности электрического поля строго совмещались и тем самым устанавливалось равенство области сбора вторичных частиц апертуре источника излучения.

Использовались газовые мишени двух типов.

В случае генерации излучения спект-. ральных линий ионов Не+, Аг приготовлялась статическая газовая мишень из атомов Не или Аг с практически равномерным давлением в области прохождения пучка. Для получения источника излучения линий атомов Не создавалась струйная мишень, пересекавшая под прямым углом пучок электронов и имеющая диаметр поперечного сечения в месте пересечения 15 мм (перепад давления на оси и краю струи составлял

12). Дифференциальная откачка обеспечивала перепад давления внутри камеры столкновений (в месте прохождения, пучка) и за апертурной диафрагмой (вне камеры столкновений) примерно на порядок величины в случае статической мишени, и более чем на два порядка - в случае струйной мишени. Последнее обстоятельство показывает преимущество применения струйной мишени в случае генерации излучения резонансных линий атомов Не, так как для этих линий наиболее жестки условия для устранения самопоглощения излучения,

Предварительно оценивались условия применимости предлагаемого способа генерации излучения с точки зрения выпол- няемости условия однократности столкновений и отсутствия реабсорбции излучения,

При генерации излучения путем облучения газовой мишени пучком электронов ир- мерялся вторичный ток ионов. Условие однократности неупругих столкновений накладывав1 ограничение на концентрацию атомов мишени исходя из того, что средняя

длина пробега электрона Длр в мишени должна быть не меньше размера источника излучения (длины центральной пластины для сбора вторичных ионов) L С учетом того, что при используемых энергиях электронов пучка сечения ионизации атомов Не и Аг значительно превышают сечения и возбуждения, можно определить Дпр как

лпр -

1

П Cjon

.Тогда ограничения на концентрацию (или давление Р) газа можно представить в виде

п.Ј(Щоп) или р

5

кТ

/Доп

10 19Тор

см

- постоянгде k 1

ная Больцмана;

Т-температура в°К. В данном случае р Ј 0,75 Тор для Не и р ,1 Тор для Аг.

0 с другой стороны, условие однократности неупругих столкновений означает, что образовавшийся ион не должен быть повторно ионизован другим налетающим электроном, что приводит к ограничению на

5 ток электронного пучка. Это ограничение представляется в виде условия, что средний временной интервал tcp между неупругими столкновениями иона мишени с налетающими электронами

- СР (II х.1 1

СР 7iV. Пэл эл О|оп I

иэл

1эл Olon

где в - заряд электрона; Эл - плотность тока пучка электронов, должен быть не меньше времени нахождения однократно заряженного иона в области действия пучка элек- тронов (зоне столкновений). При рассматриваемых параметрах сталкивающихся частиц основной вклад в неупругие столкновения вносит ионизация (процессы рекомбинации пренебрежимо малы), поэтому в формуле для tcp стоит oion - сечение ионизации иона Не (или . За время на- хождения иона в зоне столкновений с достаточной точностью можно принять удвоенное время прохождения зоны столкновений исном, родившимся на краю зоны и имеющим нулевую составляющую скоро- сти теплового движения в направлении вектора напряженности поля, собирающего ионы:

И

2р

2d mion

е En

где d - размер зоны столкновений в направлении вектора напряженности поля (в нашем случае d 3 мм); mion - масса иона; En - напряженность электрического поля (в данном случае En а: 5 В/см). В результате условие ограничения плотности тока пучка электронов имеет вид

ЭЛ

2 crion V 2d mion

еЕл

место в данном случае, величина к0 представляется в виде

къ 1,07 10 15Aofn4//7lF, где длина волны в центре линии; f - сила осциллятора; п - концентрация атомов (ионов), поглощающих линию; (л - атомный вес; Т эВ - температура газовой мишени. При наблюдении излучения в направлении, нормальном (или близком к нор- мальному) плоскости апертурной диафрагмы, за {-принималось расстояние от оси пучка электронов до апертурной диафрагмы (I «1 см). Было принято, что погрешность задания потока излучения линии, вносимая влиянием реабсорбции, должна быть не больше 1 %, что соответствует условию

K0lg 0,01.

(1)

В отношении линий ионов Не и Аг+ требование к давлению, вытекающее из этого условия, оказалось много слабее, чем требование, связанное с условием однократности столкновений, и именно последнее учитывалось на практике. Иная ситуация оказалась для линий атомов Не, для которых влияние реабсорбции существенно и в наибольшей степени для резонансной линии А 58.4 нм. Поэтому при генерации излучения линий атомов Не использовалась струйная мишень, чтобы уменьшить эффективную длину мишени в направлении наблюдения и создать большой перепад давления между объемами камеры столкновений и за апертурной диафрагмой. Для линий Не

Изобретение относится к спектроскопии и метрологии оптических измерений в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра, а именно к способам создания абсолютных (стандартных) источников излучения, разработка которых на ВУФ диапазон спектра представляет сложную научно-техническую задачу, Цель - уменьшение погрешности установления требуемой величины полного потока фотонов спектральной линии в ВУФ области спектра. При облучении пучком частиц производят ионизацию газа, воздействуют на область возбуждения излучения электрическим полем с вектором напряженности, перпендикулярным направлению пучка, выделяют область сбора образующихся вторичных ионов (или электронов), равную апертуре источника, по заданной величине полного потока фотонов спектральной линии вычисляют ток вторичных ионов (или электронов) и, изменяя ток пучка и/или концентрацию частиц мишени, устанавливают измеренную величину тока ионов (или электронов), равную вычисленному значению. сл с

Подставив в формулу параметры используемого источника, получили 1эл Ј 50 А/см для аргоновой мишени и 1эл 3600 А/см2 для мишени Не.

В данном примере электронной пушкой можно было реализовывать плотность тока пучка 100 мА/см2, поэтому ограничение на плотность тока пучка электронов заведомо выполнялось.

Наконец, необходимо учесть еще одно ограничение на концентрацию частиц ми- шени, связанную с условием отсутствия реабсорбции излучения. Это условие можно выразить в виде соотношения Kol« 1 , где Ко- линейный коэффициент поглощения в центре линии; L- размер газовой мишени в направлении наблюдения. В случае доппле- ровского механизма уширения линии (за счет теплового движения атомов), что имеет

ох

2,1 5,6 2,3

10 10 10

-13 - 14 -14

п , для А 58,4 нм ,7нм

пА 52,2нм

откуда для концентрации атомов гелия п или давления Р с учетом {1) имеет место условие

пЈ.

5 1010см 3

11

1,8 -10 см 3 4,3 1011см 3

или

- б

-10 Тор для 58,4 нм Тор53.7 нм

10-5Тор52,2мм.

Данное ограничение на концентрацию мишени более сильное, чем ограничение,

обусловленное требованием однократности столкновений.

Из условия ограничения на концентрацию атомов мишени получено предельное значение тока вторичных ионов 1пред, пре- вышение которого приводит к неконтролируемому уменьшению точности задания потока фотонов генерируемого излучения. Таким образом, генерация линейчатого излучения с заданной точностью потока фотонов может быть осуществлена для

U

пред

А -|э

где 1эл - ток пучка электронов, облучающих мишень; А - коэффициент, имеющий значение

О, 07 для линий Аг

А

0,96 для линий Не

2,0 10 для А 58,4 линии Нес 7 для А 53,7нм

1,7 10 для А 52,2нм

В соответствии с формулой изобретения точность задания полного потока фотонов спектральной линии определяется погрешностью измерения тока вторичных ионов (51 и погрешностью определения отношения сечений Ов/tfo . Ток вторичных ионов измерялся с погрешностью ,6 I ±0,1 %, а поскольку 51 «д/(аь/Ои), то погрешность задания потока фотонов равна погрешности определения отношения сечений & (0в/дй).

Ставилась задача генерировать излучение линий Не, Не и Аг+ с полным потоком фотонов, равным

Ф .

2 Ю фот/с для линий Не

I

10

) 9АдляА; 8АдляА 3АдляА АдляА: 4АдяяА

5 10 фот/с для линий Не и Аг

Согласно заданному значению потока отонов выставлялся (изменением давления ли тока пучка электронов) измеряемый ток торичных ионов, равный соответственно

10 9АдляА

- с 10

10 10

ю

Точность расчета отношения ав/Ои составляет

±5% для линий Не°иНе+ ±8% для линий Аг .

в/0й) «

Формула изобретения

5 (0в/0й) «

Способ генерации излучения линейчатого спектра в ВУФ диапазоне с полным потоком фотонов требуемой величины, включающий возбуждение излучения путем облучения газовой мишени коллимированным моноэнергетическим пучком частиц, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности установления требуемой величины полного потока фотонов спектральной линии, облучают мишень пучком частиц с энергией, достаточной для ионизации газа или частиц пучка, воздействуют на область возбуждения излучения электрическим полем с вектором напряженности, перпендикулярным к направлению пучка, и измеряют ток образующихся вторичных ионов или электронов в области, совпадающей с областью сбора излучения ВУФ диапазона, устанавливают ток пучка и/или концентраЦию частиц мишени такими, что измеренная величина тока вторичных ионов или электронов I равна

-« Шгде Ф - требуемый поток фотонов спектральной линии;

е - заряд электрона;

0и(Е)ой(Е)Ч-ой(Е) 5; qoq,

где Ои (Е)иоЯ(Е) - суммарные сечения ионизации частиц газовой мишени и частиц пучка при облучении мишени пучком частиц с энергией Е;

q - степень ионизации частиц;

Oq (Е) - парциальное сечение обраэо- вания иона с зарядом;

qe OB - сечение возбуждения частиц мишени или пучка.