CN101470090A - 一种可重复使用的原子氧探头及探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复使用的原子氧探头及探测系统，属于气体探测领域。本发明采用制备于蓝宝石基底上的氧化锌半导体薄膜作为探头，其上镀制有金属电极，通过导线与直流电源和电流表相连接；探头安装于半导体加热器上，侧面装有热电偶，用来测量和控制探头温度。原子氧作用于探头后，通过测量氧化锌薄膜电阻变化可以得出原子氧束流通量变化，从而达到探测的目的。通过加热器加热，可以使半导体薄膜表面吸附的原子氧脱附，使其电阻值恢复到初始值，从而达到重复使用的目的。本发明对原子氧具有良好的响应特性，通过加热，探头具有稳定的重复使用特性，可用于地面原子氧探测和低地球卫星轨道环境中的原子氧探测。

Description

一种可重复使用的原子氧探头及探测系统

技术领域

本发明涉及一种可重复使用的原子氧探头，属于气体探测领域。

背景技术

在开展低地球轨道原子氧环境地面模拟方法开展研究工作时，需要对地面原子氧模拟设备产生的原子氧的束流强度和通量进行测量，同时也需要在卫星上搭载仪器设备对低地球轨道环境中的原子氧束流强度和通量进行实时探测。

现在通常做法是采用薄膜与原子氧发生反应，导致质量减少或电阻率增大、原子氧与金属发生反应，释放热量和原子氧与导电金属膜反应，导致膜层质量增加等方法来推算出原子氧的束流强度和通量。

常见的几种探测方法主要有聚酰亚胺薄膜质损法，纳米银膜测电导率变化法和碳膜质损法等。这些方法具有一个共同的缺点：不可以重复使用，完成一次探测就必须对探头材料进行更换。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以重复使用的原子氧探头及探测系统，解决了常规方法不能重复探测的缺点。

本发明方法中的探头材料为氧化锌薄膜，薄膜的载体为蓝宝石单晶片，大小为10×10mm；在氧化锌薄膜表面镀制金属电极，电极尺寸为2×10mm，电极间距为6mm。

探头薄膜及电极制备方法如下：

采用脉冲激光沉积方法在蓝宝石单晶片上镀制出具有高度C轴择优取向的氧化锌薄膜。其具体制备过程如下：将蓝宝石单晶片用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗后，装在试样架上送入脉冲激光薄膜沉积系统的真空室。待真空室的真空度达到3×10^-5Pa时，开启加热器，对单晶片进行加热至600℃；打开KrF激光器，使激光入射到氧化锌靶，产生的氧化锌等离子体沉积在蓝宝石单晶片上，形成C轴择优取向的氧化锌薄膜，薄膜膜厚约为200nm。

金属电极同样采用脉冲激光沉积方法室温下镀制后在真空室中600⁰C下退火10分钟，其膜厚约为100nm。

采用本探头的测试平台由半导体加热及温控单元、探头和电信号获取单元三部分组成。半导体加热及温控单元由半导体加热器、热偶、温度显示单元和可调节直流电压源组成；电信号获取单元由直流稳压电源和电流表和电阻组成。

将制备于蓝宝石基底上，镀制有金属电极的氧化锌半导体薄膜作为探头，其上，通过导线与直流电源和电流表相连接；探头安装于半导体加热器上，侧面装有热电偶，用来测量和控制探头温度。原子氧作用于探头后，通过测量氧化锌薄膜电阻变化可以得出原子氧束流通量变化，从而达到探测的目的。通过加热器加热，可以使半导体薄膜表面吸附的原子氧脱附，使其电阻值恢复到初始值，从而达到重复使用的目的。本发明对原子氧具有良好的响应特性，通过加热，探头具有稳定的重复使用特性，可用于地面原子氧探测和低地球卫星轨道环境中的原子氧探测。

本发明方法采用的测试系统的连接关系为：

探头及温度控制单元处于地面原子氧模拟试验系统的真空室中，电信号获取单元处于真空室外部。

由氧化锌薄膜2和加热器4构成的探头放置于原子氧模拟实验装置真空室9中；探头薄膜2上镀制金属电极1，通过导线10与直流稳压电源6和电流表7连接；采用热电偶3对探头温度进行测量，加热器4通过调节与其连接的直流电源8的电压控制加热温度。

本发明的工作原理为：

将探头放置于原子氧模拟实验设备真空室中，通过加热器对氧化锌薄膜行加热，使其吸附的气体脱附；待薄膜的电阻值稳定后将温度降至40℃，探测过程中维持该温度；打开原子氧，当原子氧作用于氧化锌薄膜表面后，导致氧化锌薄膜载流子浓度降低，使薄膜电阻变大，通过电流变化值计算出薄膜电导率的变化，进一步可计算出作用于氧化锌薄膜的原子氧束流强度和通量；关闭原子氧，通过加热器再次对氧化锌薄膜加热，使其恢复至初时状态，从而达到重复测量的目的。

本发明的优点为：采用氧化锌半导体薄膜作为探头材料，实现了同一探头可对原子氧束流强度和通量进行重复测量，具有测量精度高，成本低和方法简单等优点。

附图说明

图1—本发明测试系统工作示意图；

图中：(a)测试系统示意图、(b)测试过程示意图；

1—金属电极、2—氧化锌薄膜、3—热电偶、4—加热器、5—温度显示、6—直流稳压电源、7—电流表、8—可调节直流电源、9—真空室、10—导线。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作进一步详细说明。

实施例

本发明由金属电极1、氧化锌薄膜2、热电偶3、加热器4、温度显示5、直流稳压电源6、电流表7、可调节直流电源8、真空室9、导线10组成。

通过加热器4对探头薄膜2进行加热至100℃，保持十分钟，使其表面吸附气体充分脱附；待薄膜电流稳定后温度降至40℃，打开原子氧，原子氧与氧化锌薄膜作用后，薄膜电流发生变化，直至电流达到稳定值后关闭原子氧，通过计算薄膜电导率的变化可计算出作用于薄膜表面的原子氧束流强度及通量，此过程为一个测试循环。再次加热器升温至100℃，使其薄膜电阻值恢复至初始值，重复上述步骤，进行下一轮测试。

本实例中采用1.52×10¹⁵atom/cm².s的束流强度(采用Kapton薄膜质量损失法标定)，共进行了两轮测试。两轮测试中，第一次测试前氧化锌薄膜的电阻初始值为4.587kΩ，第一轮测试结束后经加热其电阻值恢复至4.586kΩ，经原子氧作用25分钟后，两轮测试中薄膜最终电阻值均稳定在5.51kΩ。说明本探头具有良好的重复特性。由下面公式：

$F=\left(\frac{l}{\mathrm{\τbe\μ}}\right)\left(\frac{1}{\mathrm{\α}(1-\mathrm{\γ})}\right)\frac{{\mathrm{dg}}_s}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}$

其中，

F：原子氧束流强度(cm^-2s^-1)

α：被电离数目和半导体探测器表面粒子总数的比率；

γ：原子氧在氧化锌表面的散射系数，常数；

μ：表面电子迁移率(cm²V^-1s^-1)；

b：氧化锌薄膜的宽度；

l：电极间的距离；

τ：氧化锌薄膜厚度；

gs：氧化锌薄膜电导率

计算出两次测试的原子氧的束流强度分别为1.49×10¹⁵atom/cm².s和1.51×10¹⁵atom/cm².s，相应的束流通量分别为2.235×10¹⁹atom/cm²和2.265×10¹⁹atom/cm²。

利用本发明原理设计的探头具有测试简单，测试周期短，可以对原子氧进行重复测试等优点。通过实验表明，最大可测量的原子氧通量可达10×10²⁰Atom/cm²。

Claims (3)

1.一种可重复使用的原子氧探头及探测系统，由半导体加热及温控单元、探头和电信号获取单元三部分组成；半导体加热及温控单元由半导体加热器(4)、热偶、温度显示单元和可调节直流电压源组成；探头由镀制于蓝宝石基底上的氧化锌半导体薄膜、金属电极组成；电信号获取单元由直流稳压电源、电流表和电阻组成，其特征在于：由氧化锌薄膜(2)和加热器(4)构成的探头放置于原子氧模拟实验装置真空室(9)中；探头薄膜(2)上镀制金属电极(1)，通过导线(10)与直流稳压电源(6)和电流表(7)连接；采用热电偶(3)对探头温度进行测量，加热器(4)通过调节与其连接的直流电源(8)的电压控制加热温度。

在工作温度下，通过测量薄膜电流变化信号得出薄膜的电阻率变化，计算出作用在薄膜表面的原子氧束流强度和通量。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：探头用氧化锌半导体薄膜材料采用脉冲激光沉积方法制备；金属电极采用脉冲激光沉积方法制备。

3.根据权利要求1所述的一种可重复使用的原子氧探测用探头，其特征在于：探头及温度控制单元处于地面原子氧模拟试验系统的真空室中，电信号获取单元处于真空室外部；通过加热器加热，可以使半导体薄膜表面吸附的原子氧脱附，使其电阻值恢复到初始值，从而达到重复使用的目的。

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