РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка (рис. 2.1), предназначенная для исследования спектров излучения частиц, выбитых с поверхности мишени ионным пучком, состоит из следующих основных узлов:
Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки:
1 - ионный источник;
2 - электростатическая линза;
3 - камера корректоров;
4 - камера масс-анализатора;
5 - электромагнит масс-анализатора;
6 - камера мишени;
7 - мишень;
8 - фокусирующая линза;
9 - монохроматор.
1. Магнитный дуговой источник положительных ионов с воздушным охлаждением. Он состоит из цилиндрического анода, электронного рефлектора, магнитной катушки и вольфрамового катода прямого накала. Ионизация атомов напускаемого газа осуществлялась электронами, осциллирующими в магнитном поле.
2. Трехэлектродная электростатическая линза предназначена для ускорения и фокусировки ионного пучка. Рабочее напряжение линзы Uраб. ? 30 кэВ.
3. Камера корректоров. В камере расположены две пары корректоров, служащих для параллельного перемещения пучка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях и цилиндр Фарадея, предназначенный для измерения полного тока пучка ионов I0 на выходе из электростатической линзы.
4. Камера масс-анализатора расположена между полюсами магнита и имеет угол поворота ? = 60? и радиус поворота R = 200 мм, что дает возможность разделять по массам пучки ионов вплоть до 40 а.е.м. (Ar+) при энергии Е = 30 кэВ.
5. Секторный электромагнит масс-анализатора с расстоянием между полюса-
ми d = 20 мм.
6. Камера мишени. В ней размещена мишень (7); 3 окна: кварцевое - для вывода оптического излучения, остальные - стеклянные, предназначенные для наблюдения за процессом бомбардировки и состоянием поверхности мишени. Цилиндр Фарадея, находящийся в камере мишени, позволяет измерять ток пучка ионов I, выделенных по массам. Коэффициент проходимости камеры масс-анализатора (К=I/I0) равняется 20-35 %. Также в камере мишени располагается азотная ловушка, которая применяется вымораживания паров масел в остаточном газе.
7. Мишень имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении и поворачиваться вокруг оси камеры.
8. Фокусирующая кварцевая ахроматическая линза с фокусным расстоянием F = 134 мм и диаметром D = 28 мм предназначена для фокусировки оптического излучения, выходящего из камеры мишени, на плоскость входной щели монохроматора МДР-3 (9).
9. Монохроматор МДР-3 является частью фотоэлектрической системы регистрации (ФЭСР), которая подробно описана в подразделе 2.2.
Электрическая схема питания установки размещена в двух пультах - низковольтном и высоковольтном. Питание цепей ионного источника осуществляется при помощи нескольких разделительных трансформаторов. Вытягивающее и фокусирующее напряжение подается на источник и линзу с высоковольтных рентгеновских выпрямителей УРС-70. Напряжение на пластины корректоров подается от выпрямителей на 10 кВ. Катушки магнита масс-анализатора питаются от двух стандартных источников питания УИП-1.
Откачка установки осуществляется двумя форвакуумными насосами РВН-20 и двумя диффузионными насосами М-500, присоединенными к камере корректоров и камере мишени. Для вымораживания паров масел применяется азотная ловушка, установленная на вакуумном агрегате, откачивающем камеру мишени. Давление остаточного газа в камере мишени и камере корректоров измеряется блоками ламп ПМТ-2 и ПМИ-2. Его значение в камере мишени не превышает 1?3?10-4 Па и не меняется при работающем источнике ионов. Предельный вакуум, в установке составлял 7?10-5 Па.
Для исследования основных характеристик ИФЭ металлов в атмосфере химически активных газов, в частности кислорода, использовалась система напуска, которая позволяла с помощью игольчатого вентиля тонкой регулировки изменять давление напускаемого газа в камере мишени от 1?10-4 Па до 1?10-1 Па.
2.2. Система регистрации излучения
Ионная бомбардировка твердых тел сопровождается выбиванием некоторого числа частиц в возбужденном состоянии. При отлете от поверхности эти частицы теряют свое возбуждение за счет излучательных переходов и являются источником свечения, наблюдающегося у поверхности бомбардируемой мишени. Вид наблюдаемого ореола представлен на рис. 2.2.
Светящаяся область над поверхностью исследуемого образца имела протяженность от 1 до 3 см и была различной интенсивности в зависимости от материала мишени и условий эксперимента.
На рис. 2.2 в правом нижнем углу, справа от ореола виден светящийся след ионного пучка, который он оставляет при прохождении через остаточный газ в камере мишени. Интенсивность этого свечения существенным образом зависела от вакуумных условий в камере мишени, в частности, сильно возрастала при напуске кислорода. В рамках данной работы это свечение не исследовалось, однако его влияние учитывалось при определении основных характеристик ИФЭ.
В связи с тем, что целью настоящей работы было исследование оптического излучения частиц, покинувших поверхность, мишень располагалась таким образом, что оптическая ось фокусирующей линзы фотоэлектрической системы регистрации была перпендикулярна плоскости, образованной осью пучка и нормалью к поверхности мишени. Это обеспечивало возможность отделить излучение отлетающих возбужденных частиц от возможной ионолюминесценции самой поверхности мишени. Однако в необходимых случаях плоскость мишени могла быть в вакууме повернута таким образом, чтобы было можно исследовать и свечение поверхности мишени. Схема оптической части эксперимента представлена на рис. 2.3.
Излучение ореола 1 выводилось через кварцевое окошко камеры мишени 2 и линзой 3 фокусировалось на входную щель монохроматора 4, на выходе которого регистрировалось с помощью электрической части ФЭСР, работающей в режиме счета фотонов в области длин волн 250 - 800 нм.
Рис. 2.3. Схема оптической части системы регистрации излучения:
1 - ореол излучения;
2 - кварцевое