Устройство для определения коэффициента гетерогенной рекомбинации свободных атомов и радикалов на поверхности твердых тел Советский патент 1993 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к -технике измерений, в частности, к устройствам для рпре- ;деления каталитической активности поверхности твёрдых тел, и может быть использовано для определения скорости гетерогенной рекомбинации атомов и свободных радикалов на поверхности твердых тел. : .. : - ..:,: :. .- ;.:

Задачей, поставленной и решаемой при разработке заявляемого устройства, является обеспечение возможности проведения экспресс-измерений коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов у для серии образцов (без повторения однотипных подготовительных циклов) и экспресс-измерений температурных зависимостей коэффициента у для различных образцов в одинаковых условиях опыта (концентрация атомов в газовой фазе, предварительное заполнение поверхности тела атомами газа); сокращение отдельного измерительного цикла; достижение высокой надежности и воспроизводимости количественных результатов; расширение класса исследуемых твердых тел; (расширение диапазона дрпу- i стимых температур анализируемых твёрдых тел); расширение диапазона допустимый температур анализируемых твердых тел и концентраций атомов газа, при которых определяют коэффициент у.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство для Определения коэффициента гетерогенной, рекомбинации свободных атомов и радикалов на поверхности твердых тел, включающее замкнутую измерительную камеру, соединенную каналами с вакуумным насосом и разрядной трубкой, помещенной

00

5

Сл 00

внутрь индуктора высокочастотного генератора, причем внутри камеры помещен держатель с люминофором, с которым оптически связан фотодетектор, выход которого подключен к блоку регистрации, внутри измерительной камеры введена цилиндрическая трубка с размещенной внутри нее подвижной подложкой с гнездами для образцов, причем на поверхности трубки, ограниченной камерой, выполнено окно, расположенное под люминофором, и отверстия, центры которых расположены на одной прямой с центром окна, причем общая площадь отверстий на порядок меньше площади окна.

Заявляемое устройство может быть использовано для определения температурных зависимостей искомого коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов у (Т) на одном классе образцов, а также может быть использовано для проведения измерений на образцах одного класса в разных фазовых состояниях, когда необходимы строго контролируемые идентичные условия в газовой фазе.

Благодаря тому, что в заявляемом устройстве в цилиндрической тефлоновой трубке, внутри которой перемещают подвижную тефлоновую подложку с образцами и пустыми гнездами, выполнено окно, через которое осуществляется взаимодействие атомизированного газа, заполняющего измерительную камеру, с поверхностью исследуемого образца, обеспечивается возможность проведения экспресс-измерений,коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов (и температурной зависимости этого коэффициента) одновременно для большого числа образцов в одинаковых (строго контролируемых) внешних условиях.

Чередование гнезд с образцами и пустых гнезд - пассивных тефлоновых промежутков на подвижной тефлоновой подложке (подаваемых поочередно к окну в цилиндри- . ческой трубке), позволяет проводить измерения для серии образцов без повторения однотипных подготовительных циклов и обеспечивает надежную опорную кинетику (при наличии пассивного промежутка в окне). Это способствует сокращению измерительного цикла и достижению высокой надежности и воспроизводимости количественных результатов.

Выполненные в тефлоновой трубке отверстия малого диаметра создают условия для достижения начального стационарного уровня заполнения поверхности исследуемых образцов. Отверстия выполнены таким образом, чтобы их общая площадь над исследуемым образцом, была много меньше площади образца (Sore. 0,1 50бр.)

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство

отличается наличием новых узлов, что позволяет более эффективно (принципиально иным образом) определять коэффициент гетерогенной рекомбинации атомов газа. Изобретение поясняется фиг. 1 и 2,

На фиг, 1 представлена схема устройства для определения коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов и свободных радикалов газа на поверхности твердых тел. Устройство содержит сопряженные вакуумно-плотно натекатель (дозирующий вентиль) 1; стеклянную разрядную трубку 2, снабженную рогом Вуда 3 для гашения рассеянного света; вакуумный агрегат 4 (с воз- можностью получения предельного

разряжения Па), стеклянную трубку 5, ведущую к стеклянной измерительной камере 6, покрытой внутри тефлоном. Подводящая трубка 5 снабжена прерывателем атомов 7 сильфонного типа. Устройство содержит также приспособление сильфонного типа 8, служащее для подачи образцов в измерительную камеру и включающее подводящую стеклянную трубку 9, внутренняя стенка которой покрыта материалом с малым коэффициентом у (например, тефлоном), цилиндрическую тефлоновую трубку 10с окном 11, (жестко закрепленную в подводящем канале сильфона и проходящую через измерительную камеру); установленную внутри цилиндрической трубки подвижную тефлоновую подложку 12 с гнездами 13, в которых на нагревателе 14 размещаются образцы 15, и с пустыми гнездами 16, (т. е. на подложке между гнездами, в которых размещаются образцы, имеются пассивные теф- лоновые промежутки - пустые гнезда). В цилиндрической трубке 10 с окном 11 высверлены отверстия 17 малого диаметра так, что их общая площадь над исследуемым образцом много меньше площади образца, (с целью создания условий предварительного заполнения поверхности образцов свободными атомами). Тонкие малоинерциональные нагреватели 14 соединены с токоподводящими элементами 18, каждое гнездо покрыто тефлоном и отделено от другого тефлоновыми прокладками 19; сама цилиндрическая трубка 10 также закрывается тефлоновыми прокладками 20. В измерительной камере 6 (над окном 11) расположен держатель 21 для люминесцентного зонда, покрытый тефлоном.

Устройство содержит также ВЧ-генера- тор 22. индуктивно связанный с разрядной

трубкой 2 и служащий для возбуждения разряда в исследуемом газе, и комплекс регистрирующей аппаратуры, включающий фотоэлектронный умножитель 23, осциллограф 24, самописец 25. Блок программируемого нагрева 26 служит для задания температурного режима образцов.

В схеме устройства использованы: дозирующий вентиль (I) - СНА -2; вакуумный агрегат (4) - НМД-150; ВЧ-генератор (22) - УВЧ-66, ФЭУ (22) -ФЭУ-84, осциллограф (24)-С8-12; самописец (25)-АКСУ-003.

Устройство работает следующим образом. В измерительную камеру на держатель 21 помещают люминесцентный зонд - крупинку 1-2 мм2) люминофора с коротким послесвечением. В гнезда 13 на подвижной подложке 12, на нагреватели 14 помещают, исследуемые образцы.

Газ через натекатель 1 поступает в измерительную камеру 6; с помощью вакуумного агрегата 4 в камере устанавливают требуемое давление (в интервале 10-И О- Па). Диссоциация атомов исследуемого газа осуществляется с помощью безэлектродного разряда, возбуждаемого ВЧ-генератором 22, индуктивно связанным с разрядной трубкой 2. Диссоциированные при указанном давлении частицы поступают в измерительную камеру 6, где возбуждают свечение люминесцентного зонда (радикало-реком- бинационную люминесценцию), расположенного на держателе 21. Имеющиеся в тефлоновой трубке 10с окном 11 отверстия 17 малого диаметра создают условия для достижения начального стационарного уровня заполнения поверхности исследуемых образцов.

К окну 11 в тефлоновой трубке 10 подают (перемещая подвижную подложку 12 с помощью сильфона 8 в этой трубке) первый пассивный тефлоновый промежуток - пустое гнездо 16. Атомы и свободные радикалы гибнут с малой скоростью на стенках и всех конструкционных элементах, покрытых тефлоном (в том числе и на поверхности тефлонового пустого гнезда). Кинетическая кривая затухания люминесценции l(t) регистрируется с помощью ФЭУ 23, самописца 25 (или осциллографа 24).

В момент времени ti к окну 11 в трубке 10 подается образец 15 (обладающий заметно большим, чем тефлон, коэффициентом гетерогенной рекомбинации), при этом скорость гибели атомов возрастает и фиксируется кинетическая кривая затухания свечения люминесцентного зонда Н (t, ). Далее к окну подается следующий за исследованным образцом тефлоновый промежуток и весь процесс повторяется для

следующего исследуемого образца. Коэффициенты гетерогенной рекомбинации атомов каждого из исследуемых к-ых образцов рассчитывают по формуле

8V

Ук

VSK

. / dlnl(t) fc f dlnlk(t.t - tk) ч . . ,

t( dt ) (-- di--L) J.

где / - объем измерительной камеры;

v - средняя скорость теплового движения свободных атомов или радикалов;

SK - площадь поверхности к-ro образца;

W- l(t) - изменяющаяся со временем интенсивность свечения люминесцентного зонда, соответственно, при наличии в окне трубки пассивного тефлонового промежутка (пустого гнезда) между образцами l(t)

и при наличии в окне трубки k-ro исследуемого образца 1К (t). Подобным образом можно определять зависимость коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов от температуры образца и концентрации рекомбинирующих частиц (изменяя указанные параметры).

Пример. Определение коэффициентов гетерогенной рекомбинации атомов водорода на поверхности монокристалла ZnS

при разных температурах образца.

На фиг. 2 представлена экспериментальная зависимость натурального логарифма интенсивности свечения люминесцентного зонда от времени затухания. При 2 с, затухание интенсивности связано с гибелью атомов водорода на тефлоновой стенке измерительной ячейки и других ее конструкционных элементах, в том числе и на пассивном тефлоновом промежутке в окне тефлоновой трубки. При этом

|-(),ic-i

Эти же значения величины - имеют меЬ

сто для других (следующих) тефлоновых промежутков (пустых гнезд) в окне трубки. В момент времени с к окну подается образец ZnS (площадь поверхности Si 0,5 см2), при К. При этом скорость затухания зонда увеличивается до

-()KMHUec-1

Соответственно, коэффициент гетероген- ной рекомбинации атомов Н на монокристалле ZnS при К равен:

при

1 1

У1 -STV-(гт-т)

i-з

При , вновь к окну в тефлоновой трубке подается пустое гнездо, при этом

0,1 . При с к окну подается следуь

ющий образец ZnS, при К (площадь поверхности ,25 см2). Скорость затухания возрастает до значения 7,8 , что

соответствует уг 5 10 .

Далее указанный измерительный цикл может многократно повторяться для других образцов. Например, в момент времени с к окну подан пассивный тефлоновый промежуток, при этом вновь равно

0,1 . В момент времени с в окно поступает образец ZnS (площадь поверхности ,1 см2), скорость затухания люминесцентного зонда возрастает до с ,

з

что соответствует коэффициенту гетерогенной рекомбинации атомов Н на ZnS (при К), равному уз 0,5.

Данным значенияму на ZnS при разных температурах соответствует энергия активации процесса рекомбинации, равная 0,35 эВ. Можно отметить, что удобнее работать на образцах, имеющих большие значения величины у , тогда можно использовать образцы, имеющие малую площадь поверхности.

Использование предлагаемого устройства для определения коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов и свободных радикалов на поверхности твердых тел обеспечивает, по сравнению с изве- стными устройствами и прототипом, следующие преимущества.

1. Позволяет осуществлять экспресс-измерение коэффициента гетерогенной рекомбинации атомов у для серии образцов (без повторения однотипных подготовительных циклов) в одинаковых (строго контролируемых) внешних условиях, в то время как в прототипе, продолжительность полного измерительного цикла, включая и нанесение образца на стенки камеры, для одного образца, приблизительно, в 10 раз больше.

2. Позволяет проводить экспресс-измерения температурной зависимости коэффициента у для серии образцов е одинаковых

условиях опыта, в то время как в прототипе, в этом случае требуется равномерный прогрев поверхности большой площади, что очень сложно и может привести, например,

к осыпанию фосфора с поверхности измерительной камеры.

3. Способствует сокращению измерительного цикла и достижению высокой надежности и воспроизводимости

количественных результатов за счет надежной опорной кинетики, которая обеспечивается при подаче к окну в трубке пассивного тефлонового промежутка, и обеспечения идентичных внешних условий.

4. Расширяет класс исследуемых твердых тел (порошки, монокристаллы, тонкие пленки, поликристаллы) в то время, как в прототипе могут исследоваться лишь порошкообразные или пластичные материалы.

5. Расширяет диапазон допустимых температур (77-Ю3 К) анализируемых твердых тел и концентраций атомов газа (Р 10-10 Па), при которых определяется коэффициент у.

Формула изобретения

Устройство для определения коэффициента гетерогенной рекомбинации свободных атомов и радикалов на поверхности твердых тел, включающее замкнутую измерительную камеру, соединенную каналами с вакуумным насосом и разрядной трубкой, помещенной внутрь индуктора высокочастотного генератора, причем внутри камеры размещен держатель с люминофором, с которым оптически связан фотодетектор, выход которого подключен к блоку регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения воспроизводимости и правильности результатов определения коэффициента гетерогенной рекомбинации, внутрь измерительной камеры введена цилиндрическая трубка с размещенной внутри нее подвижной подложкой с гнездами для образцов, причем на поверхности трубки,

ограниченной камерой, выполнены окно, расположенное под люминофором, и отверстия, центры которых расположены на одной прямой с центром окна, причем общая площадь отверстий не порядок меньше площади окна.

Сущность изобретения: устройство, включает замкнутую измерительную камеру, внутрь которой введена цилиндрическая трубка с размещенн ой внутри нее подвижной подложкой с гнездами для образцов, соединенные каналами с измерительной камерой, вакуумный насос и разрядная трубка,помещённая внутри индуктора высокочастотного генератора, размё ще н- ный внутри камеры держатель с люминофором и фотодетектором, оптически связанный с люминофором и подключенный к блоку регистрации, причем на поверхности трубки, ограниченной камерой, выполнен о ,.. 6 к н о„ ра з м е щё нн оё п од люминофором, и отверстия, ueHtpbi которых расположены на одной прямой с центро ок«а, причем их общая площадь в десять paiv меньше площади окна. 2 ил.