Оглавление

Цель работы. 2

Оборудование. 2

Теоретический минимум. 2

Описание управления напряжением на отсечной сетке. 4

Описание программы измерения давления. 5

Порядок выполнения работы. 6

Порядок работы с вакуумным постом. 6

Порядок работы с системой измерения энергии ионов. 9

Просмотр и обработка полученных результатов. 10

Примеры измерений. 12

Вопросы к лабораторной работе. 13

 

 

 

Цель работы

Определение энергетического спектра плазмы методом многосеточного зонда. Освоение навыков работы с источниками ионов, вакуумной системы.

Оборудование

Источник ионов КЛАН -52М

Вакуумный пост

Карта сбора данных NI PCI 6024E

Персональный компьютер со средой  Labview.

Программы сбора данных, управления напряжением на отсечной сетке.

Теоретический минимум.

Двухэлектродный зонд, впервые  примененный Ленгмюром, схематически изображен на рис. 1, а. Он состоит из плоского коллектора К и  сетки С, установленной перед коллектором со стороны плазмы. Роль этой сетки заключается в том, чтобы  отсечь электроны плазмы. Для этого на нее подается большой отрицательный потенциал. Электроны  отталкиваются полем сетки, а ионы из плазмы проходят через ее ячейки к коллектору. Такой процесс иногда называют разрывом плазмы. На коллектор подают  положительный потенциал, тормозящий ионы. Изменяя этот  потенциал, можно получить кривую задержки ионного тока, которая приведена на рис. 1, б. До коллектора доходят лишь ионы, энергия которых превосходит задерживающую разность потенциалов между плазмой и  коллектором. Таким образом, в случае направленного потока ионов кривая задержки представляет собой  интегральный энергетический спектр, из которого графическим дифференцированием можно получить  дифференциальный спектр. По величине полного ионного тока на зонд можно оценить плотность ионов в плазме. Изменив полярность потенциалов на сетке и коллекторе, можно выделить и проанализировать электронную  компоненту плазмы.

Хотя двухэлектродный зонд и позволяет получить раздельно кривые задержки ионов и электронов, он  имеет следующие недостатки: высокий потенциал на сетке приводит к сильному возмущению плазмы; недостаточно эффективно подавляется фотоэлектронная и  вторичная эмиссия с электродов. Поэтому более широко применяются трех- и четырехэлектродные зонды, а иногда и зонды с большим числом электродов.

Трехэлектродный зонд, впервые примененный в работе Ионова Н.И.(1952), состоит из двух сеток и коллектора (рис.2а). Разрыв плазмы с выделением ионной компоненты осуществляется с помощью сетки С₂, на которую подают достаточно высокий отрицательный потенциал относительно плазмы.Сетка С₁ служит для экранировки плазмы от поля  сетки С₂. Кривую задержки измеряют, изменяя положительный потенциал коллектора. Потенциал сетки С₁ должен быть близок к потенциалу плазмы. В частности, он может быть равен потенциалу изолированного зонда. Так как электрическое поле коллектора почти не проникает за пределы сетки С₁ собирающая поверхность зонда практически не изменяется при изменении  задерживающего потенциала, вследствие чего кривые задержки трехэлектродного зонда имеют хорошее насыщение.

Рис.2. Схемы трехэлектродного (а) и четырехэлектродного (б) зондов.

 

Недостатком трехэлектродного зонда, как и двухэлектродного является влияние вторичной эмиссии при измерении кривых задержки электронов. В этом случае коллектор находится под отрицательным напряжением относительно сетки С₂, вследствие чего вторичные электроны и фотоэлектроны уходят с коллектора, образуя в его цепи фоновый ток. При измерении кривой  задержки ионов полярность электродов обратная, поэтому уход электродов с коллектора затруднен.

Для подавления токов вторичных электронов и фотоэлектронов в четырехэлектродном зонде (рис.2б) используется дополнительная сетка С_з, которую называют супрессорной. На нее подают отрицательный относительно  коллектора потенциал, создающий тормозящее поле для вторичных электронов. Кроме того, эта сетка экранирует сетку С₂ от поля коллектора, которое, проникая в  ячейки последней, снижает величину эффективного  потенциала в ее плоскости, что может привести к  разрушению слоя объемного заряда между сеткой С₁ и плазмой. Как будет видно из дальнейшего, в последнем случае разрыва плазмы не происходит и к коллектору приходят частицы обоих знаков. Анализ частиц по энергиям  возможен изменением потенциала сетки С₃ или коллектора.

 Таким образом, распределение потенциалов в  четырехэлектродном зонде при анализе электронов такое: потенциал на сетке С₁близок к потенциалу плазмы; на сетке С₂ — высокий положительный потенциал,  достаточный для разрыва плазмы; на сетке С₃—переменный анализирующий потенциал, отрицательный относительно коллектора.

В данной работе используется трехэлектродный зонд.

Описание управления напряжением на отсечной сетке

Напряжение на отсечной сетке задается с помощью программируемого источника питания GW Instek PSP-603. Напряжение, выдаваемое источником, лежит в пределе 0-60В, что полностью покрывает необходимый диапазон.

Управление источником происходит через COM-порт при помощи интерфейса VISA. Управление напряжением на отсечной сетке происходит в реальном времени. Оператор задает напряжение в программе при помощи регулятора «Напряжение на отсечной сетке».

Описание программы измерения давления

Программа позволяет записывать данные о давлении в вакуумной системе, измеряемые с помощью вакуумметра ВМБЦ-12. На экран выводится осциллограмма зависимости давления от времени. Также указываются расположение файла с данными и частота опроса вакуумметра (рис.1,2). Также можно график зависимости можно построить из файла *.txt в программе «Origin» .

Рисунок 1

 

Рисунок 2

 

Рисунок 3

Порядок выполнения работы.

Необходимыми условиями создания исследуемой плазмы являются наличие вакуума и рабочего газа. Для этого необходимо откачать вакуумный пост до нужного давления, а затем напустить рабочий газ.

Ниже приведены выдержки из инструкций к вакуумному посту и системе подачи газа. Неправильная эксплуатация этих устройств может привести к их поломке и дорогостоящему ремонту. Поэтому перед выполнением данной работы необходимо ясно и четко знать порядок работы с вакуумным постом, системой подачи газа и системой измерения энергии ионов.

Рис.4. Стойка питания и управления

Порядок работы с вакуумным постом

 

    1.  Произведите внешний осмотр поста и убедитесь в том, что:

- нет механических повреждений;

-боковые обшивки установлены на свои места;

-все кнопки на стойке питания и управления находятся в исходном положении.

2.      Проверьте заземление вакуумного поста, убедитесь, что клемма провода заземления имеет надежный контакт с болтом контура.

3.      Откройте вентиль на водопроводной магистрали и подайте воду на охлаждение турбомолекулярного насоса.

4.      Установить расход воды турбомолекулярного насоса согласно прилагаемому паспорту. Проконтролируйте слив воды.

5.      Включить тумблер стойки питания и управления (расположен на задней стенке стойки).

6.      Включить блок управления вакуумной системой, нажав кнопку «ON/OFF». Должна загореться световая индикация кнопки.

7.      Включить вакуумметры 13BT3-003 (Рис. 1, Поз. 1, Поз. 4). При помощи этих приборов можно проверить наличие давления в системе.

8.      Включить форвакуумный насос, для этого необходимо нажать кнопку «NL1» на мнемосхеме, при этом должна загореться световая индика­ция кнопки, означающая, что насос включен.

9.     

Открыть электромагнитный клапан, для этого необходимо нажать кнопку «VЕ1», при этом на мнемосхеме должна загореться световая индикация кнопки и светодиод зеленого цвета, означающий, что кла­пан открыт.

	Рис.5. Мнемосхема блока управления вакуумной откачкой

 

 

 

10.  Откачать форвакуумную магистраль до тех пор, пока на мнемосхеме не загорится светодиод «РТ1», что соответствует давлению Р< 10 Па. При натекании атмосферы (РТ1 >10 Па) в форвакуумную магистраль индикатор «РТ1» погаснет; проверка наличия вакуума в форвакуум- ной магистрали может осуществляться не только по мнемосхеме, но и по вакуумметру 13BT3-003 (Рис.4, Поз. 4).

11.  Открыть форвакуумный клапан, для этого необходимо нажать кнопку «VM2» и удерживать ее до тех пор, пока не загорится световая инди­кация кнопки (зеленая), означающая, что клапан открыт.

12.  Откачать турбомолекулярный насос «NR1». На мнемосхеме должен гореть светодиод «РТ1».

13.  Включить турбомолекулярный насос, для этого необходимо нажать кнопку «NR1», расположенную на мнемосхеме, при этом должна за­гореться световая индикация кнопки; затем автоматически включится блок питания турбомолекулярного насоса БП-267 на стойке питания и управления, при этом загорится светодиод «РЕЖИМ», и через 10 секунд загорится светодиод «ПУСК». После того, как турбомолеку­лярный насос выйдет на режим, включится индикатор «РЕЖИМ». Время разгона до 20 минут. На мнемосхеме должен загореться свето­диод (зеленого цвета), означающий, что насос готов к работе и свето­диод «РМ1» означающий, что в насосе вакуум примерно Р=1х10^-3 Па).

14.  Открыть высоковакуумный затвор, для этого необходимо нажать кнопку «VT1», затвор будет открываться и через 30 секунд должна загореться световая индикации кнопки, означающая, что затвор от­крыт, после чего необходимо отжать данную кнопку.

15.  Откачать вакуумную систему до давления 1x10^-6 мм.рт. ст. (1,33 x 10^-4 Па) (контроль производить по вакуумметру ВМБ-14 (Рис.4, Поз. 1)).

	ВНИМАНИЕ! Давление запуска вакуумметра ВМБ-14 соответст­вует Рпуск= 7,5x10-3 мм рт. ст. (1 Па), то есть при таком давлении можно включать данный прибор. Давление запуска контролируется по вакуумметру 13BT3-003: если стрелка будет показывать давление ниже "1 Ра", то можно включать.

 

 

 

 

 

 

 

Отключение поста

 

16.  Закрыть высоковакуумный затвор, для этого необходимо нажать кнопку «УТ1» и удерживать ее до тех пор, пока не загорится световая индикация кнопки (красная); после этого необходимо отжать данную кнопку (так как кнопка с фиксацией).

17.  Выключить турбомолекулярный насос, для этого необходимо отжать кнопку «NR1», расположенную на мнемосхеме, при этом должна по­гаснуть световая индикация кнопки; затем автоматически выключит­ся блок питания турбомолекулярного насоса БП-267 на стойке пита­ния и управления. Откачку на форвакуум продолжать до тех пор, по­ка не остановится ротор насоса (около 40 минут).

18.  Закрыть форвакуумный клапан, для этого необходимо нажать Кнопку «VM2» и удерживать ее до тех пор, пока не загорится световая инди­кация кнопки (красная).

19.  Закрыть электромагнитный клапан, для этого необходимо отжать кнопку «VE1», при этом должна погаснуть световая индикация кноп­ки.

20.  Выключить форвакуумный насос, для этого необходимо отжать кноп­ку «МЛ» на мнемосхеме, при этом должна погаснуть световая инди­кация кнопки.

21.  Закрыть все клапаны и затвор на мнемосхемах.

22.  Выключить блок управления вакуумной системой, для этого необхо­димо отжать кнопку «ON/OFF».

23.  Выключить тумблер стойки питания и управления;

24.  Закрыть магистраль подачи воды в систему охлаждения турбомоле­кулярного насоса.

Порядок работы с системой измерения энергии ионов

 

1.     Убедиться, что вакуумная камера откачана до нужного давления и осуществляется напуск рабочего газа.

2.     Включить тумблеры 6 и 8 на приборной панели блока вспомогательных систем. Они отвечают за подачу на коллектор пилообразного задерживающего напряжения(0-1000В) и усиление выходного сигнала (коллекторного тока).

3.     Откройте программу «Лр№1Измерение энергии ионов». Интерфейс программы  представлен на рис. 6

Рисунок 6

4.     Введите в окно «Путь к файлу записи» название файла, в котором будут сохранены результаты. Файл должен иметь расширение .tdms.

5.     Выберите из выпадающего меню «Газ» рабочий газ.

6.     Запустите программу, нажав по кнопке «стрелка».

7.     В окне регистрации сигналов должны появиться кривые зависимости напряжения и коллекторного тока от времени.

8.     Изменяя положение штока, определить наибольшую амплитуду коллекторного тока, оставить шток в этом положении. Записать данные о положении штока в окно «Положение штока».

9.     Установите с помощью блока вспомогательных систем напряжение экстракционной системы ионного источника 600В.

10. Внесите в окна «Ток ионного источника», «Натекание газа», «Напряжение экстракционной системы» соответствующие данные из блока вспомогательных систем.

11.   Введите в окно «Название записи» номер и нажмите кнопку «Запись».Перед каждой записью увеличивайте значение в окне «Название записи» на 1.

12.  Проведите измерения изменяя напряжение на отсечной сетке с помощью регулятора «Напряжение на отсечной сетке»(рисунок 7).

13.  Проведите несколько записей, изменяя напряжение экстракционной системы ионного источника от 600В до 1000В.

Рисунок 7

Просмотр и обработка полученных результатов.

1.     Нажмите на кнопку «Просмотр». Откроется новое окно.

 

Рисунок 8

2.     Выберите в окне «Путь к файлу с результатами» нужный Вам файл.

3.     Из вкладки «Отображаемые зависимости» выберите нужную Вам зависимость  (ток от времени, напряжение от времени, либо вместе).

4.     Изменяя значения в окне «Название записи» можно просмотреть результаты при различных конфигурациях установок.

5.     В измеренном сигнале присутствуют шумы, поэтому необходимо их сгладить. В рамках предложенной программы эту процедуру произвести невозможно, поэтому предлагается использовать специализированную программу  “Origin 8”.

6.     После выбора нужной записи нажмите кнопку «Сохранить в txt файл». Программа сохранит txtфайл с тем же названием и в той же директории где расположен исходный файл.

7.     Впрограмме “Origin 8”  построитьВАХиприменитьфильтрPercentile(Analysis>Signal Processing>Smoothing>Open Dialog>Method>Percentile Filter). Меняя параметры Percentileи PointofWindow добиться удаления искажений.

Примеры измерений.

Рис. 9

На верхнем рисунке показаны зависимости от времени напряжения на анализирующей сетке и ток на коллекторе. На нижнем рисунке более подробно показана зависимость тока на коллекторе от времени. Видно, что в сигнале присутствуют наводки, связанные с работой других приборов. Предлагается производить обработку в программе «Origin».

Вопросы к лабораторной работе

 

1.     Для чего применяются многосеточные зонды:

а) для вычисления параметров электронной компоненты плазмы,

б) для измерения ленгмюровской частоты,

в)для измерения параметров ионной компоненты плазмы.

 

2.     Какая проблема при измерениях  многосеточными зондами:

а) уменьшение входного напряжения ,

б) отделении сопутствующего электронного тока,

г) увеличение электронного тока,

д) уменьшение ионного тока.

 

3.     Что приводит к нагреву плазмы?

а) увеличение температуры,

б) подача большого напряжения,

в) бомбардировка поверхности зонда частицами плазмы

 

4.     В чем заключается недостаток трехсеточного зонда

а)  во влияние вторичной эмиссии при измерении кривых задержки электронов

б) в трудности разделения электронной и ионной характеристики

в) во влиянии ударной ионизации на все характеристики

 

5.     При каких условиях произойдет разрыв плазмы с отсечением электронов (где h(C₂) —размер ячейки сетки С₂; d_c — толщина слоя объемного заряда у поверхности этой сетки;  – ее потенциал).

а) 2d_c<h(C₂) и U_c2/kT_e1

б) 2d_c<h(C₂) и U_c2/kT_e1

в)2d_c>h(C₂) и U_c2/kT_e1

г) 2d_c>h(C₂) и U_c2/kT_e1

6.   От чего зависит — коэффициент, учитывающий геометрический фактор коллектора по отношению к входу в зонд

а) от начальной энергии и характера  распределения частиц по скоростям.

б) только от распределения частиц по скоростям

в)только от начальной энергии

г) здесь нет правильного ответа

 

7.     На что влияет объемный заряд при  достаточно высокой плотности плазмы

а) на плавающий потенциал

б)  на распределение  потенциала в пространстве между разрывающей сеткой С₂ и коллектором

в)на разности потенциалов между электродами зонда

г) распределение потенциала между электродами зонда

 

Скачано с www.znanio.ru