Високотемпературний пристрій для збудження та іонізації атомів

Винахід відноситься до технічної фізики, що вивчає ефективні перерізи збудження на іонізації атомів електронним ударом, які потрібні для вирішення прикладних задач фізики плазми, квантової електроніки, спектроскопії та інших. Відомі пристрої для вивчення збудження та іонізації атомів металів електронним ударом, засновані на застосуванні способу атомного та електронного пучків, що перетинаються (А.с. СРСР №146092, кл. G01N27/66, G01N23/22, опубл. 1962). Ці пристрої складаються з двох основних вузлів - джерела електронного пучка і джерела атомного пучка. Недоліком відомих пристроїв є те, що в них окрім теплових екранів не передбачені елементи теплової розв'язки при жорсткому кріпленні нагрітої ефузійної камери (випаровувача речовини, що досліджується) джерела атомного пучка до інших елементів конструкції (наприклад, до стінки вакуумної камери, теплового екрана, що охолоджується проточною водою). Це приводить до того, що значна частина електроенергії, що підводиться для нагріву ефузійної камери, витрачається на некорисний нагрів інших елементів конструкції. В таких пристроях для досягнення температури більш ніж 1000°C, потрібно підводити велику потужність, що окрім низької економності джерела атомного пучка створює цілий ряд незручностей у проведенні експериментів, наприклад, застосування громіздких потужних джерел електричного струму. В зв'язку з цим в існуючих пристроях досягнуті температури до 110 - 1300°C (Бейлина Г.М., Павлов С.И., Раховский В.И., Сороколетов О.Д. Измерение функции и ионизации атомов металлов електронным ударом // Журнал прикладной механики и технической физики. 1965. - №2. - С.94 - 96; Любимов А.П., Павлов С.И., Раховский В.И., Зайцева Н.Г. Метод измерения эффективных сечений ионизации и коэффициентов ионизации атомов металлов при электронном ударе // Известия АН СССР. - Сер. физическая, 27. - №8. - 1963. - С.1060 - 1064), недостатні для вивчення електронного збудження та іонізації атомів більшості елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва, що характеризуються, низькою пружністю парів, тобто високою температурою фазових переходів. Із відомих пристроїв для збудження та іонізації атомів металів методом атомного та електричного пучків, що перетинаються, найбільш близьким по призначенню до конструкції є пристрій, що складається із джерел електронного та атомного пучків, корпуса печі з тепловим екраном, графітової спіралі та нагріваючого елементу, екрану з водяним охолодженням, центруючого фланця, колектора іонів, розташованих в металевій вакуумній камері з вікном для виводу випромінювання збуджених атомів (див. канд. дисертацію Е.І. Непійпова "Экспериментальное изучение возбуждения резонансных линий атомов алюминия, галия, индия и таллия электронным ударом". - Ужгород, 1975ю - С.35). В цьому пристрої, який вибрано прототипом, жорстке кріплення ефузійної камери здійснено шляхом суцільного дотику її бокової поверхні з корпусом печі, який в свою чергу сумісно з тепловим екраном укріплений за допомогою центрувального фланця на екрані, що охолоджується проточною водою. Внаслідок великої поверхні теплових контактів відбувається значний вихід енергії, що підводиться, від корпусу печі і дифузійної камери внаслідок їх дотику через центруючий фланець до охолодженого водою екрану. Окрім того, тепловий екран, що розташований між нагрівним елементом і екраном з водяним охолодженням, виконаний разом з корпусом печі, тому він теж сприяє відбору від корпусу печі і ефузійної камери енергії, що підводиться. Нарешті, розташований між ефузійною камерою та нагріваючим елементом корпус печі, обмежує теплопередачу від нагрівача до ефузійної камери і, таким чином, знижує ефективність і економічність джерела атомного пучка. Температура до 1200°C досягалася при підведеній потужності 800Вт. Завданням винаходу є отримання пучка атомів речовини з високою температурою фазових переходів при температурах е фузійної камери джерела атомного пучка, що перевершують 1300°C і мінімальних втрата х енергії, що підводиться до джерела атомного пучка. Поставлене завдання досягається таким чином, що високотемпературний пристрій для збудження та іонізації електронним ударом атомів елементів з високою температурою фазових переходів, що складається із джерел електронного і атомного пучків, теплового екрану, екрану з водяним охолодженням, колектора іонів, розташованих в металевій вакуумній камері з віконцем для виводу випромінювання збуджених атомів, який відрізняється тим, що ефузійна камера обладнана для теплової розв'язки елементамикріплення у вигляді циліндричного порожнистого тонкостінного штока, який є продовженням дна ефузійної камери і закінчується кільцем з голчастими опорами, а також фігурною шайбою з голчастими опорами, стаканом з дном, що відтворює за формою фігурну шайбу, який закріплений на охолодженому водою тепловому екрані, причому ефузійна камера голчастими опорами встановлена на дні стакана і фіксована голчастими опорами фігурної шайби, що розташована над кільцем ефузійної камери і жорстко закріплена до дна стакана. Ефузійна камера виготовлена із термостійкого матеріалу, наприклад, молібдена, а фігурна шайба і стакан - із нержавіючої сталі. Сутність винаходу пояснюється схематичним розрізом пристрою, що зображений на фіг.1, а також кресленнями фігурної шайби - фіг.2 і стакана - фіг.3. Джерелом направленого пучка керованих по енергіям електронів служить електронна гармата 1, наприклад, що складається з торцевого оксидного катоду, трьох формуючих анодів і приймача електронів. Джерело атомного пучка складається з ефузійної камери циліндричної форми 2, холодної щілини 3, нагріваючого елементу 4, теплового екрану 5, екрану 6 з водяним охолодженням і елементів кріплення ефузійної камери. До елементів кріплення ефузійної камери 2 відносяться циліндричний пологий тонкостінний шток "a", що є продовженням дна ефузійної камери і закінчується кільцем "b" з голчастими опорами "c", а також фігурна шайба 7 (фіг.2) з голчастими опорами і стакан 8 (фіг.3), що має днище, яке відтворює по формі фігурну шайбу. З метою покращення відкачки залишкових газів бокові стінки стакана 8 мають профрезовані чотирикутні отвори (фіг.3). Стакан приварений до теплового екрану з водяним охолодженням, що захищає одночасно стінки вакуумної камери від нагріву. Ефузійна камера повинна бути виготовлена з термостійкого матеріалу типу кераміка, вольфрам, молібден, а фігурна шайба і стакан з молібдена або нержавіючої сталі. Ефузійна камера 2 встановлена голчастими опорами на днище стакана 8 (фіг.3) і фіксується голчастими опорами фігурної шайби 7, яка жорстко притягнута до днища стакана 8 трьома болтами. Число голчастих опор на ефузійній камері, а також на фігурній шайбі вибрано по три штуки, що розташовані на рівних відстанях по колу. До решти елементів пристрою відносяться термопара 9, колектор іонів 10, пастка 11, що охолоджується рідким азотом, несучий фланець 12. Останній з'єднується з вакуумною камерою шляхом стискувальних болтів через вакуумні ущільнювачі. Стінки вакуумної камери, екран 6 з водяним охолодженням, азотна пастка 11 і несучий фланець 12 виготовлені з нержавіючої сталі. Пристрій працює таким чином. Ефузійна камера 2 з речовиною 13, що досліджується, нагрівається від нагріваючого елементу 4, внаслідок чого створюється певна пружність парів речовини, що досліджується в ефузійній камері. Вільні атоми через канал 14 проникають в вакуумну камеру. Канал 14 і холодна щілина 3 обмежують напрям руху атомів і, таким чином, формують геометрію атомного пучка, що конденсуються на азотній пастці 11. Необхідна концентрація атомів в пучку задається температурою ефузійної камери (що вимірюється термопарою 9), яка тим вища, чим важче випаровується речовина, що досліджується, тобто, чим вища його температура фазових переходів. Збудження та іонізація атомів відбувається в ударному просторі, тобто - в місці взаємно перпендикулярного перетину електронного та атомного пучків. Вивчення збудження проводиться шляхом виводу світлового випромінювання через кварцове віконце вакуумної камери, проектуванням його на вхідну щілину спектрального монохроматора і наступною реєстрацією інтенсивності спектральних ліній фотоелектричним методом. Вивчення іонізації здійснюється шляхом реєстрації утворення іонів на колектор іонів 10. Ефективність теплової розв'язки, що забезпечує малі втрати енергії, що підводиться до джерела атомного пучка, досягається малою теплопровідністю пологого тонкостінного молібденового штока ефузійної камери, мінімальною площею теплових контактів, завдяки голчастим опорам, а також відсутністю якогось теплового екрану між нагріваючим елементом і ефузійною камерою. Як приклад реалізації винаходу за допомогою представленого пристрою вперше були визначені ефективні перерізи збудження п'ятнадцяти найбільш інтенсивних спектральних ліній атомів гадолінію в інтервалі спектра 2000 - 6000Å, а також енергетичні залежності від порогів збудження до 300еВ. Перерізи збудження в максимумі при 20 - 30еВ мають значення в інтервалі (1 - 5) × 10-18см 2. Виміри виконані при температурі 1600°C і порівняно невисокій підведеній потужності в 350Вт. Вказана температура обумовлена властивостями речовини (гадолінія), що досліджувалися, пристрій може працювати і при значно вищих температурах. Таким чином, запропонований пристрій розширює можливості застосування методу перетинних атомного та електронного пучків для визначення ефективних перерізів збудження та іонізації атомів елементів з високою температурою фазових переходів. Дослідження збудження та іонізації атомів електронним ударом можуть бути виконані при значно вищих температурах (T > 1300°C) і менших затратах потужності, ніж за допомогою відомих пристроїв. Пристрій буде використаний для вивчення ефективних перерізів збудження та іонізації атомів, що використовуються при створенні приладів з використанням плазми, газорозрядних лазерів, а також напилення тонких плівок, що представляють інтерес при створенні електронних схем (мікроелектроніка).