Введение к работе
Актуальность проблемы. С развитием различных областей науки и техники предъявляются все более жесткие требования к чистоте применяемых материалов, технологических сред и полуфабрикатов изделий, что приводит к необходимости разработки высокочувствительных аналитических спектрометров . Аналогичная задача ставится также в связи с экологической проблемой, в частности і в связи с необходимостью контроля микропримесей тяжелых металлов. Большой комплекс исследований, выполненных в Институте Спектроскопии АН СССР, МШИ и других научно-исследовательских организациях, показывает, что наиболее перспективны для создания высокочувствительных экспрессных аналитических приборов лазерные спектроскопические и масс-спектрометрические методы. В частности, исследования, выполненные в ИС АН СССР, показывают, что на основе методов лазерной спектроскопии могут быть разработаны спектрометры, обеспечивающие пределы обнаружения по ряду примесей до Ю-1* %. Однако, в этих исследованиях, как правило, применялись термические источники атомных пучков, что практически исключало безмерность проведения локального анализа. В то же время в . ряде приложений локальность анализа играет принципиальную роль. Особенно велико значение данного параметра в случае необходимости исследования топографии распределения примеси по поверхности изучаемого образца. Такие задачи часто возникают в гшкроэлектроннке, металлургии, при отработке технологии получения особочистых материалов п в ряде других экспериментальных исследований.
В связи с этим представляется актуальным поиск и изучение возможных методов создания точечных источников заряженных и нейтральных частиц для аналитических спектрометров.
Обзор литературных данных показывает, что наиболее перспективными объектами.исследований, с этой точки зрения, являются лазерная плазма (ЛП), плазменные точки (ПТ) и ионное распыление. В ряде работ, посвященных изучению ЛП, ПТ и ионного распыления, зарегистрированы эмиссионные процессы, свидетельствующие о том, что все три объекта, в принципе, могут быть использованы в качестве источников пучков заряженных и нейтральных частиц. Экспериментальные исследования показьгоа-ют, что такие источники имеют характерные размеры от 10 см до 10""* см, т.е. в лабораторных условиях могут считаться точечными. Актуальность исследования ЛП, ПТ и ионного распыления как точечных источников для лазерных аналитических спектрометров обусловлена также такими их общими особенностями как: высокой стабильностью воспроизведения пространотвенного положения; возможностью получения частиц любых элементов путем замены распыляемой мишени; относительной конструктивной простотой и малой энергоемкостью.
Рассмотрение и анализ результатов исследований ЛП, ПТ и ионного распыления, опубликованных в открытой печати, показывают, однако, что некоторые физические явления в точечных источниках^изучены недостаточно полно; некоторые явления ранее не исследовались совершенно; многие экспериментальные факты не систематизированы или не объяснены; физические процессы, происходящие в изучаемых объектах не рассматривались с единых позиций как процессы, происходящие в точечных источниках пучков заряженных и нейтральных частиц. Все перечисленное приводит, очевидно, к затруднению использования рассматриваемых точечных источников в аналитических спектрометрах, которые могли бы быть созданы на их основе.
- б -
Целью работы являлось изучение физических особенностей точечных источников заряженных и нейтральных частиц на основе лазерной плазмы, плазменных точек и ионного распыления для выявления возможностей создания на их основе лазерных аналитических спектрометров для локального анализа.
Научная новизна
В данной работе проведены комплексные исследования лазерной плазмы, плазменных точек и ионного распыления как точечных источников заряженных и нейтральных частиц. Показана общность ряда физичесгак процессов, протекающих в таких источниках и значительное влияние, оказываемое на параметры эмиссии частиц, геометрических параметров источников.
Обнаружен и исследован ряд новых эффектов и закономерностей, характеризующих физические особенности точечных источников и возможности создания на их основе лазерных спектрометров:
обнаружена эмиссия многозарядных ионов при распаде ПТ;
обнаружено монотонное возрастание, максимальной заряд-ности эмиттируемых из ПТ ионов по мере роста атомного веса элементов, содержащихся в плазме. Зарегистрированы коны с
X и 25 ;
показано, что механизмом, ответственным ва генерацию электронных пучков в ПТ, может являться аномальной cram зф-фект, развивающийся в результата резкого изменения параметров разрядной цепи при образовании перзтяякк плазменного столба и ПТ;
показано, что в ПТ также как и в ЯП особенности эмиссии ионов определяются балансом длительностей процессов ионизации, рэкомбинации и распада плазменных сгустков;
экспериментально показано, что метод селективной лазерной ионизации обеспечивает изучение параметров атомной эмиссии при облучении поверхности ионнш пучком;
создан высокочувствительный лазерный атомно-ионизаци-онный спектрометр (ЛАИС), основанный на комбинации методов селективной лазерной ионизации и ионного распыления и предназначенный для исследования поверхности твердых тел;
экспериментально показано, что при плотности мощности лазерного излучения на мишени ~ 5*10 Втcm""" эмиссионный поток атомов содержит два разделенных во времени пика эмиссии, первый из которых обусловлен рекомбинацией ионов в плотной плазменном сгустке, а второй испарением атомов непосредственно с разогретой поверхности; показано, что длительность эмиссии атомов с поверхности, облученной импульсом лазера, работающего в режиме модулированной добротности, может достигать I0""3 с;
-показана возможность влияния эффекта увлечения на генерацию электронных пучков в лазерной плазме;
- показана возможность влияния эффекта увлечения на
возникновение красной сдвижки в спектре рассеянного лазерно
го излучения;
зарегистрирован эффект увлечения при асимметричном отражении излучения от металлической поверхности, реализуемом при отражении лазерного излучения от дифракционной решетки;
экспериментально обнаружен режим эффективной фокусировки разлетающегося потока лазерной плазмы о помощью магнитной линзы, обеспечивающий получение фокусного расстояния на два порядка меньшего, чей в классической решше фокусировки конного пучка;
- экспериментально показана возможность создания лазерного атомно-флуорзсцентного спектрометра (ЛДОС) с лазерным методом отбора пробы, обеспечивающего предел обнаружения ынкропримесей до 10 %.
Все результаты, перечисленные выше, получены впервые и представлены в оригинальных работах автора.
Практическое значение
В работе показана принципиальная возможность разработки на основе лазерной плазмы, плазменных точек и ионного распыления точечных источников заряженных и нейтральных частиц для лазерных аналитических спектрометров. Показано, что наиболее перспективно, с точки зрения создания высокочувствительных спектрометров для локального элементного анализа, использование лазерной плазмы и ионного распыления в качестве источников пучков атомов в комбинации с методами атомной флуоресценции и селективной лазерной ионизации. Информация, полученная при исследовании атомных пучков, формирующихся при о,блучэшш поверхности лазерным импульсом или ионным пучком обеспечила возможность разработки опытного образца ЛАФС и экспериментального образца ЛАИС. Выполнены метрологические исследования параметров,разработанных ЛМС и ЛЛКС. .Показано, что ЛЛІС с лазерным методом формирования атомного пучка из материала исследуемого образца, обеспечивает получение предела обнаружения по ряду микроприкесей до 10 %. Показано, что комбинация методов ионного распыления и селективной лазерной ионизации в ЛЛИС обеспечивают получение предела Обіг
нарушения до 10 % при исследовании поверхностных слоев твердых тел.
Ряд технических решений, использованных при разработке
лазерных спектроиетров, защищен авторскими свидетельствами на
изобретения. ~~
Опытные образец МФО передан предприятию-заказчику и внедрен с целью использования его для решения задач отого . предприятия.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Разработаны методы экспериментального исследования зарядових, энергетических, временных распределении эмиссии заряженных и нейтральных частиц из точечных источников.-Ыетоди основаны на использовании явлений атомной флуоресценции, селективной лазерной ионизации, вреияпролетноА селекции по ыассаы.
-
Обнаружена эмиссия ыногозарядных ионов из ПТ и показана общность процессов формирования зарядовых распределений ионов в ЛП и ПТ: в обоих случаях определяющее влияние оказывает баланс длительностей процессов ионизации, рекомбинации и распада плазменных сгустков. Показано, что сканирование электрического поля при образовании ПТ должно привести к формированию при этом трубчатого релятивистского электронного. пучка. Обнаружено, что энергия зииттируеыых из ПТ ионов достигает 300 кэВ, а величина заряда 25. Сделан вывод о затруднительности использования в аналитических спектрометрах пучков заряженных частиц, эыиттируеыых из ПТ, в силу их значительного энергетического и зарядового разброса.
-
Выполнен комплекс исследований физических особенностей лазерной плазмы: особенностей эмиссии атомов, генерации быстрых электронов, возможностей управления разлетом ла-верной плазмы. Показано, что процесс'эмиссии атоыов состоит
из двух частей: первого рекомбинационного пика и последукь
щей менее интенсивной спадающей тепловой*с разогретой поверхности. Показано, что длительность тепловой эмиссии может достигать Ю-3 с. Проведены прямыз измерения тока увлечения электронов поглощаемыми в ЛП фотонами. Показана возможность влияния эффекта увлечения на генерация) быстрых электронов в ЛП и на возникновение красной сдвижки в спектре рассеянного лазерного излучения. Показана возможность управления разлетом лазерной плазмы путем эффективной фокусировки плазменного потока, формирующегося при разлете ЛП с помощью магнитной линзк. Сделан зкзод о перспективности применения лазерной плазмы в качестве источника атомов исследуемых образцов в флуоресцентной спектрометре. Показано, что оптимальное сочетание аналитических характеристик спектрометра достигается при использовании временной части атомного пучка, соответ-стэузз^зй спаду рекоибинационного пика зшісски.
-
На осноээ информации, полученной пра иселедоранїш лазерной плазмы, созданы макетный и опытна! образцы лазерных ггесгего-флуорвсцентігк спэитрсмстрсз {ЛЛ5С) с лопсрнкы методом формирования пучка атомов исследуемых образцов. Опытный образец ЯМС передан прэдприятият-заказчмку и внедрен- с цельзз использования его для решения задач этого предприятия. Про-вздени метрологические исследования параметров спеїсгрои-зїра я поі-сазано, что спектрометр является высокочуветвптельньаг прибором (предел обнаружения до 10 %), обеспечивающий локальный практически нераэрушакзщий контроль при исследоваїни примесей в особочистых материалах.
-
Методом селективной лазерной ионизации изучены параметры атомных пучков, формирующихся при ионном распылении.
- 10 -Проведено сравнение особенностей распыления твердых тел лазерным излучением и ионным пучком и подтверждено, что при разработке спектрометра для послойного анализа более перспективно применение ионного распыления. Показано, что сочетание ионного распыления и селективной лазерной ионизации обеспечивает возможность разработки спектрометра для высокочувствительного локаль-. ного исследования поверхности твердых тел --лазерного атомно-ионизационного спектрометра (ЛАИС). Создан макетный образец ЛЛИС. Проведены метрологические исследования спектрометра и показано, что ЛАИС обеспечивает возможность получения предела обнаружения примесей до 10" /S.
На основании вышеизложенного можно заключить, что представленный в диссертационной работе коылпекс исследований физических особенностей точечных источников заряженных и нейтральных частиц, ire обобщение и создание на этой основе лазерных спектрометров для локального анализа позволяют квалифицировать характер основных результатов диссертации как научно обоснованное техническое реше- ние, внедрение которого вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Апробация работы. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались на семинарах следующих организаций: ФИАН, ИОФАН, ИАЭ, ИФЗ, ОИЯИ, ИСАИ, МИФИ, ИФАН УССР, а также на 17 Всесоюзных, отраслевых и I Международной конференциях (12 Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва, 1978г.), в том числе, автором был сделан доклад на пленарном заседании УІ Всесоюзного симпозиума по эмиссионной электронике (г.Рязань, 1986г.).
Публикации. По теме диссертации в печати опубликовано 32 статьи: ЮМ и Письма в НЭТФ - б, ЖТФ и Письма в ЖТФ - б, Физика плазмы - 3, ШС - 2, КАХ - I, Поверхность - I, авторские свидетельства на изобретения - 6, депонированные
- II -.
статьи в ВИНИТИ - 2, Обзор по электронной технике - I, Электронная промышленность - 5.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация содержит 231 страницу, включает 57 рисунков и список литературных ссылок из 212 наименований.
