Устройство для регистрации и исследования времяпролетных и пространственных характеристик лазерного эрозионного факела

Полезная модель относится к лазерной технике, в частности к устройствам детектирования лазерной плазмы. Устройство может быть использовано для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела, а именно определения энергетического спектра и пространственного распределения заряженных частиц, образующихся при лазерной абляции металлов, полупроводников и диэлектриков в вакууме. Технической задачей является создание компактного устройства, позволяющее регистрировать и исследовать энергетический спектр и пространственное распределение заряженных частиц, образующихся при лазерной абляции металлов, полупроводников и диэлектриков в вакууме, который может быть выполнено в двух вариантах: 1. Внутри металлического цилиндра на расстоянии d друг от друга расположены два тороидальных соленоида. В этом случае скорость разлета лазерной эрозионной плазмы определяется по временному интервалу t₀ между сигналами катушек. 2. Внутри металлического цилиндра на расстоянии d от мишени расположен один тороидальный соленоид. В этом случае скорость разлета лазерной эрозионной плазмы определяется по временному интервалу t ₀ между сигналом катушки и фотодиода, регистрирующего сигнал вспышки плазмы. Изменение положения устройства для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела по углу относительно оси х позволяет исследовать пространственное распределение заряженных частиц в лазерном эрозионном факеле.

Заявляемое в качестве изобретения устройство относится к лазерной технике, в частности к устройствам детектирования лазерной плазмы. Устройство может быть использовано для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела, а именно определения энергетического спектра и пространственного распределения заряженных частиц, образующихся при лазерной абляции металлов, полупроводников и диэлектриков в вакууме.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для определения амплитудно-временных характеристик потока заряженных частиц (например, электронов) без заметного искажения содержащее полый тороидальный корпус со сквозной кольцевой проточкой, выполненной на поверхности тороида и обращенной к его оси. В датчике установлен симметрично относительно его оси по крайней мере один металлический сетчатый экран, перекрывающий апертуру датчика и электрически соединенный с ним по всей линии соприкосновения датчика и экрана, при этом расстояние между проточкой и экраном выбирается из соотношения h<V_tx/10, где V - скорость заряженных частиц; t _x - характерное время измерения тока (патент на изобретение РФ 2136007 от 27.08.1999 г., МПК⁶, G01R 19/08; С23С 14/46).

Общими признаками прототипа и полезной модели технического решения являются: наличие полого тороидального корпуса.

Метод импульсного лазерного напыления широко применяется для вакуумного осаждения тонких металлических, полупроводниковых пленок и многослойных структур на их основе. Заряженные частицы лазерного эрозионного факела представляют большой интерес для импульсного лазерного напыления, поскольку обладают большей адгезией с подложкой по сравнению с нейтральными частицами. Поэтому исследование кинетики разлета и пространственного распределения заряженных частиц в лазерном эрозионном факеле является актуальным.

Задачей полезной модели является создание компактного устройства для регистрации и исследования времяпролетных и пространственных характеристик заряженной компоненты лазерного эрозионного факела.

Технической задачей является создание компактного устройства, позволяющее регистрировать и исследовать энергетический спектр и пространственное распределение заряженных частиц, образующихся при лазерной абляции металлов, полупроводников и диэлектриков в вакууме.

Устройство для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела поясняется рисунком, где:

1 - металлический цилиндр,

2 - тороидальный соленоид (пояс Роговского),

3 - двухканальный осциллограф,

4 - лазерный эрозионный факел,

5 - мишень,

6 - лазерное излучение,

7 - диэлектрическая диафрагма.

Устройство для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела представляет собой заземленный полый металлический цилиндр 1, внутри которого на расстоянии d друг от друга расположены два осецентрированных соленоида 2 на тороидальных ферритовых ВЧ сердечниках (пояс Роговского) с N числом витков обмотки каждый. Выводы обмоток соленоидов через RC-фильтр подключены к двухканальному осциллографу 3. RC-фильтр подавляет шумы в катушке, сохраняя при этом форму исследуемого сигнала. Лазерный эрозионный факел 4, который образуется при абляции мишени 5 импульсным лазерным излучением 6, распространяется перпендикулярно мишени вдоль оси х. Пучок заряженных частиц в факеле, пролетая сквозь соленоиды, наводит в них импульсы тока I(t), которые регистрируются двухканальным осциллографом. Металлизированные снаружи диэлектрические диафрагмы 7 используются для пространственного ограничения лазерного эрозионного факела, а металлический цилиндр является одновременно несущим корпусом устройства и экраном от помех. Эквивалентная схема пояса Роговского с интегрирующей цепочкой приведена на вставке рисунка.

Устройство для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела может быть выполнено в двух вариантах:

1. Внутри металлического цилиндра на расстоянии d друг от друга расположены два тороидальных соленоида. В этом случае скорость разлета лазерной эрозионной плазмы определяется по временному интервалу t₀ между импульсами тока I(t), регистрируемыми на выводах катушек.

2. Внутри металлического цилиндра на расстоянии d от мишени расположен один тороидальный соленоид. В этом случае скорость разлета лазерной эрозионной плазмы определяется по временному интервалу t ₀ между сигналом катушки и фотодиода, регистрирующего сигнал вспышки плазмы.

Скорость заряженных частиц V в лазерном эрозионном факеле, пролетающих через устройство определяется соотношением:

где t₀ - временной интервал между импульсами тока, определяемый с помощью двухканального осциллографа. Ток на обмотке соленоида будет определяться выражением:

где U_C(t) - напряжение, измеряемое двухканальным осциллографом на емкости RC-фильтра, r - сопротивление катушки, µ и µ₀ - магнитные проницаемости сердечника и вакуума, S - площадь сечения ферритового сердечника. Концентрация частиц n(t), пролетающих сквозь диафрагму соленоида площадью S₀, будет определяться следующим образом:

где е - заряд электрона. S₀ - площадь отверстия диэлектрической диафрагмы

Изменение положения устройства для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела по углу относительно оси х позволяет исследовать пространственное распределение заряженных частиц n() в лазерном эрозионном факеле.

1. Устройство для регистрации и исследования времяпролетных характеристик лазерного эрозионного факела и пространственного распределения в нем заряженных частиц, включающее два осецентрированных соленоида на тороидальных ферритовых сердечниках с магнитной проницаемостью µ, сечением S, N числом обмоток и сопротивлением r каждый (пояс Роговского), расположенных друг от друга на расстоянии d и помещенных в металлический цилиндр, играющий роль экрана, ось х которого перпендикулярна мишени и двухканальный осциллограф, к каналам которого подключены выводы обмоток соленоида; при этом скорость заряженной компоненты лазерного эрозионного факела определяется соотношением:

V=d/t₀,

где t₀ - временной интервал между импульсами, определяемый с помощью двухканального осциллографа, а концентрация заряженных частиц, пролетающих сквозь диафрагму соленоида площадью S₀ будет определяться выражением:

,

где Uc(t) - напряжение, измеряемое двухканальным осциллографом на выводах обмотки; e - заряд электрона; S ₀ - площадь отверстия диэлектрической диафрагмы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол между осью металлического цилиндра с катушками х и перпендикуляром к плоскости мишени может изменяться, вырезая при этом разные участки лазерного эрозионного факела.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние d между катушками изменяется.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что начальный момент распространения лазерного эрозионного факела определяется по его излучению с помощью быстродействующего фотодиода.