Способ измерения пространственного распределения атомных концентраций

ЭИ)М ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИД ЬСТВ 118-2 3 ение .ананык и до- остранстния из вавшихся Эшкабилов рственный я тем, вительорбомно-абанализ анстве змерен ченкяоколеш илов Н.Б.ка атомноухступенча,-"Кванто 82, %10,го в ск имиТОМОВ Иуглом кпростра состояниямаправляю щими илианализ ирего под езонансномуественного ичем ксимумени ннтенсив распред тельног ти допол СТРАНСТ- КОННИЯ ПРАТОИНЬИ злучения устанавливаюрЕзонансного. макси; ОСУДАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ"Наука", 1966, с. 26.2. Турсунов А.Т., ЭшкПространственная диагносго пучка галлия методомтой лазерной фотоионизацвая электроника". Т. 9,с. 2096 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ИЗИЕРЕВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРАЦИЙ, включающий облучлизируемой области резонанполнительным излучением, пвенное сканирование излучмерение концентрации образионов, о т л и ч а ю щ и йчто, с целью увеличения чувности, селективности, просного разрешения и точностичастоту дополнительного излнастраивают в резонанс с высИзобретение относится к методам измерения концентраций атомов в пространстве и может найти применение в спектральном анализе, при излучении кинетики газофазных химических реакций, в методах лазерного разделе" ния изотопов, а также в полупроводниковом производстве.Известен способ измерения прост 10 ранственного распределения концентраций атомов с помощью метода атомноабсорбционного анализа Ц .Однако этот метод обладает низкой чувствительносЕью и невысокой селективностью. Кроме того, поскольку в данном методе используют однолучевую схему, метод имеет недостаточное пространственное разрешение.Наиболее близким к изобретению является способ измерения,простран 20 ствечного распределения атомных концентраций, включающий облучение анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения и изме. 2 рения концентрации образовавшихся ионов 2 .Известный способ обладает невысокой чувствительностью при детектироо вании атомных концентраций, посколькуз 0 для получения информации о пространственном распределении концентраций атомов необходимо, чтобы обе ступени работали в линейном, далеком от насыщения, режиме, определяющем эависи мость величины ионного сигнала от плотности лазерного излучения. Невысокая селективность метода определяется тем, что в резонанс настроена только первая ступень ионизации, а 40 вторая ступень является неселективной.Пространственное разрешение и точность метода определяются величиной пятна Фокусировки линзы и при испольэовании длинофокусных линз, т.е. когда необходимо зондировать атомные пучки большого сечения, значительно ухудшаются по одной иэ координат (например Х или У) и достигают вели чины 2-3 мм.Целью изобретения является увеглчение чувствительности, селективности., пространственного разрешения и точности измерений. 1Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения пространственного распределения атомных концентраций, включающему облучение анализируемой области резонансным и дополнительным излучением, пространственное сканирование излучения, измерение концентрации обреовавшихся ионов, Частоту дополнительного излучения настраивают в резонанс с высоколежащими или ридберговскими состояниями анализируемых атомов и направляют его под прямым .углом к резонансному, причем максимум пространственного распределения интенсив" ности дополнительного излучен;я 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 перехода атома, а второго дополнительного лазера - на длину волны перехода с возбужденного первым лазером уровня на уровни, расположенные вблизи границы ионизации.В зависимости от характера решаемой задачи высоковозбужденные атомы могут ионизоваться импульсом электрического поля, ИК-лаэерным путем, при столкновениях с атомами или молекулами буферного газа, а также за счет возбуждения лазерным излучением второй ступени, автоиониэационных 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 интенсивностей. Точку пересечения максимумов интенсивностей можно сканировать в пространстве по трем координатам, координаты этой точки являются 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 ре 1092387Атомный пучок формируется за счет эффузии паров галлия и индия черезканалы диафрагм (4 мм) из печи, нагретой до 1200 С (давление паров 55 жиме по мощности лазерного излучения,но в режиме насыщЕния причем поскольку в режиме насыщения величинаионизационного сигнала слабо зависитот мощности лазерного излучения, то 5за счет этого существенно увеличивается точность измерений.Селективность метода селективнойлазерной фотоионизации существеннымобразом зависит от числа ступенейлазерного излучения селективно настроенных на атомные переходы. В предлагаемом способе число селективныхступеней должно быть равным двумили более, что означает увеличениеселективности метода по сравнению спрототипом,Ъ.Пространственное разрешение метода определяется только диаметрамилазерного излучения обоих ступенейи равно размерам лазерного луча мак-симального диаметра. Диаметр лазерно.го луча в принципе можно задатьпорядка нескольких длин волн квантовлазерного излучения, т.е. пространственное разрешение предложенногометода может достигать величины нескольких микрон,На фиг,1 показана схема установки,реализующей предложенный способ; на ЗОфиг.2 и 3 - схемы переходов энергетических уровней атомов галлия ииндия.Устройство содержит атомный пучок1, излучение 2 азотного лазера, 35разрядник 3, лазеры на красителях 4,электромеханический привод с линзой5, лазерные лучи 6, печь 7, электроды 8, вторичный электронный умножитель 9 и самописец 10, 40Измерение пространственного распределения атомных концентраций осуществляется на экспериментальной установке (фиг.1). Накачка лазеров45 на красителях осуществляется импульсным азотным лазером.Резонансноеизлучение первого и дополнительное излучение второго лазеров на красителях нап- . равляются в атомном пучке под прямым углом. Лучи лазеров фокусируются с помощью электромеханического привода линзы и равномерно перемещаются по оси Х и У,10им рт.ст.) при этом концентра"ции атомов составляет 10 - 10 смз .В 9Остаточное давление в камере 10 имрт,ст. Лучи лазеров пересекают атомный пучок между электродами, на которых создается импульсное электрическое поле,Импульсное электрическое напряжение на электродах возникает при раз-ряде заряженного отрезка коаксиального кабеля через согласованный разрядник со световым поджигом на передающую линию. Для запуска разрядникачасть излучения азотного лазера отводится и фокусируется на одном изэлектродов разрядника, Амплитуда импульса напряжения меняется впределах 0,1 - 18 кВ.Ионы, образовавшиеся в результатеионизации высоковозбужденных атоиовимпульсным электрическим полем, вытягиваются этим же полем через щельв электроде с нулевым потенциаломи далее увлекаются электрическим полем катода вторично-электронногоумножителя, находящегося под потенциалои -4 кВ. Сигнал с ВЭУ поступаетна стробирующий импульсный вольтметри самопишущий прибор. Развертка самопишущего прибора осуществляется синхронно с вращением дифракционной решетки второго лазера на красителе,при помощи которой перестраиваютсяего частоты.Схема используемых переходов энергетических уровней атомов галлия ииндия приведены на фиг.2 и 3, Перестраивая частоту излучения лазера,можно попасть на резонансный переход4 р Р 1 -ф 58 8,12 атома галлия или2 г25 р Р 12-68 8112 атома индия. Далееперестраивается длина волны второголазера на красителе и при попаданиигг в резонанс с переходами 58 Я, -э2пр Р 1(гд, 68 81,- пр Р 1 з 1 гвозникаетионный сигнал, обусловленный ионизацией высоковозбужденных атомов излучением лазеров первой и второй ступени,В результате проведенных экспериментов установлено, что с помощью описываемого способа удается измерить атомные концентрации с пространственным разрешением на уровне 10-100 мки в атомных пучках с очень низкой концентрацией атомов порядка 10 - 10 атомов/см .61092387 М ХО Корректор И. Зрдейи Гулько Техред Т.Иаточка едак е., д. 4/5 атент роектная, 4 гор аказ 3246/27 Тирак 823 Подпис ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раувская наб