CN110161554A - 一种原子能谱测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原子能谱测量系统和测量方法，包括等离子体发生器、准直单元、电子枪、收集单元和测量单元；等离子体发生器用于产生等离子体，等离子体经过中性化板后生成原子束；准直单元用于对原子束进行准直；电子枪用于发射纳秒级脉冲宽度的电子束，以使电子束轰击准直后的原子束，并使原子束离化成离子；收集单元用于收集离子；测量单元用于测量得到收集单元的电流‑时间信号，并根据电流‑时间信号得到原子束的能谱信息。本发明中，采用纳秒级脉冲宽度的电子束作为电离源，由于电子和离子的生成时间很短，在收集单元的接收端口根本来不及形成等离子体，因此，不会产生等离子体空间电位和鞘层，从而提高了原子能谱的测量准确度。

Description

一种原子能谱测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及能谱测量技术领域，更具体地说，涉及一种原子能谱测量系统和测量方法。

背景技术

原子氧是低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)最主要的环境因素之一，它会对航天器暴露组件、材料产生非常致命的伤害，影响其在轨服役寿命。为了保障航天器长期在轨可靠运行，国际上很多研究机构和国际组织，通过在地面上建立模拟装置开展了相关的研究工作。其中，原子氧能谱参数的准确测量，是上述研究工作的基础。

如图1所示，现有技术公开了一种对原子能谱进行测量的方法，用于对材料表面反射等离子体中的离子产生的原子氧束能谱进行测量。其在原子氧束路径上设置了电子枪，通过电子枪发射出的具有一定能量的电子束，对经过准直的原子氧束进行轰击，使其离化形成氧离子，并通过带有筒镜能量分析器的质谱仪对飞行过来的离子能谱进行分析。

但是，由于进入测量段的本底气体密度比原子氧束密度高1个量级以上，因此，不仅原子氧束会被离化，本底气体也会被离化，使得离化后的电子束在筒镜能量分析器窗口处产生的等离子体具有空间电位，该等离子体与筒镜能量分析器之间会形成等离子体鞘层，如图2所示。

由于等离子体空间电位和鞘层电压一般会到达几V，甚至十几V，因此，被电离的热运动离子如本底气体离子会被空间电位和鞘层加速后也会进入筒镜能量分析器，影响原子氧能谱的测量准确度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种原子能谱测量系统和测量方法，以提高原子能谱的测量准确度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种原子能谱测量系统，包括等离子体发生器、准直单元、电子枪、收集单元和测量单元；

所述等离子体发生器用于产生等离子体，所述等离子体经过中性化板后生成中性的原子束；

所述准直单元位于所述原子束的传输路径上，所述准直单元包括至少两级准直器，所述至少两级准直器依次设置在所述原子束的传输路径上，用于对所述原子束进行准直；

所述电子枪用于发射纳秒级脉冲宽度的电子束，所述电子束的传输方向与所述经过准直后的原子束的传输方向垂直，以使所述电子束轰击所述准直后的原子束，并使所述原子束离化成为离子；

所述收集单元用于收集所述离子；

所述测量单元用于测量得到所述收集单元的电流-时间信号，并根据所述电流-时间信号得到所述原子束的能谱分布和密度信息。

可选地，所述准直单元包括第一级准直器和第二级准直器，所述第一级准直器和第二级准直器对中设置且依次位于所述原子束的传输路径上。

可选地，还包括抽真空单元，所述抽真空单元包括至少两级差分抽气子系统，所述至少两级差分抽气子系统依次设置在所述原子束的传输路径上，用于对所述原子能谱测量系统进行抽真空。

可选地，所述抽真空单元包括第一级差分抽气子系统和第二级差分抽气子系统；

所述第一级差分抽气子系统与所述原子束的准直区对应设置；

所述第二级差分抽气子系统与所述原子束的离化区对应设置。

可选地，还包括增压泵抽气接口，所述增压泵抽气接口与所述差分抽气子系统相连。

可选地，还包括环形的磁屏蔽器；

所述收集单元位于所述磁屏蔽器的环形区内；

所述磁屏蔽器具有第一入口和第二入口，所述准直后的原子束从所述第一入口进入所述磁屏蔽器的环形区，所述电子束从所述第二入口进入所述磁屏蔽器的环形区，所述电子束在所述环形区内轰击所述原子束。

可选地，所述等离子体发生器为电子回旋共振等离子体。

可选地，所述收集单元为法拉第筒或电子倍增器。

一种原子能谱测量方法，应用于如上任一项所述的原子能谱测量系统，所述测量方法包括：

通过等离子体发生器产生等离子体，所述等离子体经过中性化板后生成中性的原子束；

通过准直单元对所述原子束进行准直；

通过电子枪发射纳秒级脉冲宽度的电子束，以使所述电子束轰击所述准直后的原子束，并使所述原子束离化成为离子；

通过收集单元收集所述离子；

通过测量单元测量得到所述收集单元的电流-时间信号，并根据所述电流-时间信号得到所述原子束的能谱分布和密度信息。

可选地，等离子体发生器产生等离子体之前，还包括：

通过抽真空单元进行抽真空。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的原子能谱测量系统和测量方法，采用纳秒级脉冲宽度的电子束作为电离源，由于电子和离子的生成时间很短，在收集单元的接收端口根本来不及形成等离子体，因此，不会在电离源中产生等离子体空间电位和鞘层，也就无需考虑等离子体空间电位和鞘层对原子能谱测量结果的影响，从而提高了原子能谱的测量准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的一种原子能谱测量装置的结构示意图；

图2为图1所示的原子能谱测量装置产生的等离子体鞘层的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种原子能谱测量系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的某一时刻到达收集单元的氧离子数目分布图；

图5为本发明实施例提供的原子氧束能量和数量信息分布图；

图6为本发明实施例提供的一种法拉第筒的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种原子能谱测量方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种原子能谱测量系统，主要用于如低地球轨道空间环境、空间原子氧源模拟实验环境等分布在几eV～十几eV范围内原子能谱的测量。

虽然对于原子能谱测量而言，在低能区(几eV以下)和较高能区(几十eV以上)均有比较好的测量方法和技术手段，取得了很多的研究成果并有较为广泛地应用，但是，对于与空间模拟原子氧源相应的，分布在几eV～十几eV范围内原子能谱的测量，仅进行了很少数的研究工作。而本发明实施例提供的原子能谱测量系统不仅能测量分布在几eV～十几eV范围内的原子能谱，也能对低能区和较高能区范围内的原子能谱进行测量。

如图3所示，本发明实施例提供的原子能谱测量系统包括等离子体发生器10、准直单元11、电子枪12、收集单元13和测量单元14。当然，如图3所示，该原子能谱测量系统还包括反应腔体的壳体15等，在此不再赘述。

其中，等离子体发生器10用于产生等离子体。可选地，等离子体发生器10为微波电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，简称ECR)等离子体发生器。由于等离子体发生器10具有运行稳定、产生的原子束面积大、调节方便灵活等优点，因此，最能真实模拟所需空间的环境。

中性化板16位于等离子体发生器10出射等离子体的路径上，等离子体发生器10出射的等离子体经过中性化板16后生成中性的原子束。可选地，本发明实施例中的原子束包括原子氧束，但不仅限于原子氧束。

可选地，中性化板16为钽板。可选地，中性化板16所在平面与等离子体的路径呈45°夹角，以使等离子体经过中性化板16前后的路径呈90°角。当然，本发明并不仅限于此，在实际应用中，可以根据原子能谱测量系统的具体结构设置中性化板16与等离子体的路径夹角。

准直单元11位于中性化板16生成的原子束的传输路径上，其中，准直单元11包括至少两级准直器，至少两级准直器依次设置在原子束的传输路径上，用于对原子束的传输路径进行准直。

可选地，如图3所示，准直单元11包括第一级准直器111和第二级准直器112，第一级准直器111和第二级准直器112严格对中设置，即第一级准直器111和第二级准直器112的中心线位于同一条直线上，并且，第一级准直器111和第二级准直器112依次位于原子束的传输路径上。

电子枪12位于准直后的原子束的传输路径上，电子枪12用于发射具有一定能量的纳秒级脉冲宽度的电子束，电子束的传输方向与经过准直后的原子束的传输方向垂直，或者说，电子枪12的方向与准直器的方向垂直，以使电子束轰击准直后的原子束，并使原子束中的原子离化成为离子，如将原子氧离化成氧离子。

收集单元13用于收集原子离化后生成的离子。可选地，收集单元13为法拉第筒或电子倍增器等。其中，原子束被电子束轰击后，原子束即离化后的离子的传输方向不会改变，收集单元13如法拉第筒的收集面与离子的传输方向垂直。其中，电子枪12产生的电子束与收集单元13之间的距离以及两者之间的脉冲时间差即反映了原子氧束的能谱信息。也就是说，本发明采用的是飞行时间法获得的原子束的能谱信息。

测量单元14用于测量得到收集单元13的电流-时间信号，并根据电流-时间信号得到原子束的能谱分布和密度信息。

可选地，测量单元14包括测量模块和扫描显示模块，测量模块与收集单元13连接，测量模块用于测量收集单元13的电流信号，测量模块得到的电流信号，通过通信线(如485通信线)反馈给上位机即扫描显示模块，得到并显示收集单元13的电流-时间信号曲线，从而可以根据电流-时间信号曲线分析得到原子束的能谱分布和密度信息。

如图4和图5所示，图4和图5反应了原子氧束的能谱分布及密度信息。图4为某一时刻到达收集单元13的氧离子数目分布图，由图4可以看出，在t1时刻到达收集单元13的氧离子数目最多，也就是能量最高时刻，对应于图5中的E3。图5为原子氧束能量和数量信息分布图，该图反应了不同能量原子氧束的数量分布情况。

如图3所示，本发明实施例提供的原子能谱测量系统还包括抽真空单元，抽真空单元包括至少两级差分抽气子系统，至少两级差分抽气子系统依次设置在原子束的传输路径上，用于对原子能谱测量系统进行抽真空。

可选地，抽真空单元包括第一级差分抽气子系统和第二级差分抽气子系统。

第一级差分抽气子系统与原子束的准直区对应设置，即第一级差分抽气子系统与第一准直器和第二准直器所在区域对应设置，用于对该区域进行抽真空。

第二级差分抽气子系统与原子束的离化区对应设置，即第二级差分抽气子系统与电子枪12和收集单元13所在区域对应设置，用于对该区域进行抽真空。

若通过电子枪12直接对原子束进行离化，则原子束的离化率仅为本底气体离化率的百万分之一量级，导致信噪比太低，无法进行正常测量。而本发明实施例提供的原子能谱测量系统，通过抽真空单元使测量系统的真空度足够低，提高了信噪比，使测量结果更加精确。

如图3所示，本发明实施例提供的原子能谱测量系统的反应腔体的壳体15上还具有增压泵抽气接口17，该抽气接口与差分抽气子系统相连，用于抽真空。可选地，原子能谱测量系统的真空度低于1.0×10^-4Pa。

可选地，如图3所示，本发明实施例提供的原子能谱测量系统还包括环形的磁屏蔽器18，用于屏蔽外界信号或电子等对原子的离化以及离子的收集产生影响。

其中，收集单元13位于磁屏蔽器18的环形区内；磁屏蔽器18具有第一入口和第二入口，准直后的原子束从第一入口进入磁屏蔽器18的环形区，电子束从第二入口进入磁屏蔽器18的环形区，电子束在环形区内轰击原子束。当然，该磁屏蔽器18还包括出口，该出口用于实现收集单元13和位于磁屏蔽器18的环形区之外的测量单元14的连接。

可选地，本发明实施例中的磁屏蔽器18为金属线圈，当向该金属线圈通电时，该金属线圈具有磁屏蔽功能。

可选地，本发明实施例中的法拉第筒，如图6所示，包括石墨收集体130和电阻R，该电阻R的一端与石墨收集体130相连、另一端与接地端相连，该石墨收集体130朝向离子入射方向的一侧具有收集薄膜130a。该石墨收集体130与测量单元14相连，用于将收集离子后产生的电流传输给测量单元14。

本发明实施例提供的原子能谱测量系统，采用纳秒级脉冲宽度的电子束作为电离源，由于电子和离子的生成时间很短，在收集单元13的接收端口根本来不及形成等离子体，因此，不会在电离源中产生等离子体空间电位和鞘层，也就无需考虑等离子体空间电位和鞘层对原子能谱测量结果的影响，从而提高了原子能谱的测量准确度；

采用等离子体发生器和中性化板产生原子束。由于等离子体发生器具有运行稳定、产生的原子束面积大、调节方便灵活等优点，因此，最能真实模拟所需空间的环境；

通过抽真空单元使测量系统的真空度足够低，提高了信噪比，使测量结果更加精确。

本发明实施例还提供了一种原子能谱测量方法，应用于如上任一实施例提供的原子能谱测量系统，如图7所示，所述测量方法包括：

S101：通过等离子体发生器产生等离子体，所述等离子体经过中性化板后生成中性的原子束；

S102：通过准直单元对所述原子束进行准直；

S103：通过电子枪发射纳秒级脉冲宽度的电子束，以使所述电子束轰击所述准直后的原子束，并使所述原子束离化成为离子；

S104：通过收集单元收集所述离子；

S105：通过测量单元测量得到所述收集单元的电流-时间信号，并根据所述电流-时间信号得到所述原子束的能谱分布和密度信息。

其中，等离子体发生器产生等离子体之前，还包括：

通过抽真空单元进行抽真空。

具体地，打开系统电源后，通过抽真空单元将系统装置抽成真空，然后，打开等离子发送器，产生等离子体，等离子体经过中性化板后生成原子束，采用准直单元对原子束进行准直，采用纳秒脉冲电子枪产生脉冲电子束，并使电子束轰击原子束，使原子束离化，之后，采用收集单元接收离化后的离子，采用测量单元测量得到收集单元的电流-时间信号，从而获得原子束的能谱分布及密度信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种原子能谱测量系统，其特征在于，包括等离子体发生器、准直单元、电子枪、收集单元和测量单元；

所述等离子体发生器用于产生等离子体，所述等离子体经过中性化板后生成中性的原子束；

所述准直单元位于所述原子束的传输路径上，所述准直单元包括至少两级准直器，所述至少两级准直器依次设置在所述原子束的传输路径上，用于对所述原子束进行准直；

所述电子枪用于发射纳秒级脉冲宽度的电子束，所述电子束的传输方向与所述经过准直后的原子束的传输方向垂直，以使所述电子束轰击所述准直后的原子束，并使所述原子束离化成为离子；

所述收集单元用于收集所述离子；

所述测量单元用于测量得到所述收集单元的电流-时间信号，并根据所述电流-时间信号得到所述原子束的能谱分布和密度信息。

2.根据权利要求1所述的原子能谱测量系统，其特征在于，所述准直单元包括第一级准直器和第二级准直器，所述第一级准直器和第二级准直器对中设置且依次位于所述原子束的传输路径上。

3.根据权利要求1所述的原子能谱测量系统，其特征在于，还包括抽真空单元，所述抽真空单元包括至少两级差分抽气子系统，所述至少两级差分抽气子系统依次设置在所述原子束的传输路径上，用于对所述原子能谱测量系统进行抽真空。

4.根据权利要求3所述的原子能谱测量系统，其特征在于，所述抽真空单元包括第一级差分抽气子系统和第二级差分抽气子系统；

所述第一级差分抽气子系统与所述原子束的准直区对应设置；

所述第二级差分抽气子系统与所述原子束的离化区对应设置。

5.根据权利要求4所述的原子能谱测量系统，其特征在于，还包括增压泵抽气接口，所述增压泵抽气接口与所述差分抽气子系统相连。

6.根据权利要求1所述的原子能谱测量系统，其特征在于，还包括环形的磁屏蔽器；

所述收集单元位于所述磁屏蔽器的环形区内；

所述磁屏蔽器具有第一入口和第二入口，所述准直后的原子束从所述第一入口进入所述磁屏蔽器的环形区，所述电子束从所述第二入口进入所述磁屏蔽器的环形区，所述电子束在所述环形区内轰击所述原子束。

7.根据权利要求1所述的原子能谱测量系统，其特征在于，所述等离子体发生器为电子回旋共振等离子体。

8.根据权利要求1所述的原子能谱测量系统，其特征在于，所述收集单元为法拉第筒或电子倍增器。

9.一种原子能谱测量方法，其特征在于，应用于权利要求1～8任一项所述的原子能谱测量系统，所述测量方法包括：

通过等离子体发生器产生等离子体，所述等离子体经过中性化板后生成中性的原子束；

通过准直单元对所述原子束进行准直；

通过电子枪发射纳秒级脉冲宽度的电子束，以使所述电子束轰击所述准直后的原子束，并使所述原子束离化成为离子；

通过收集单元收集所述离子；

通过测量单元测量得到所述收集单元的电流-时间信号，并根据所述电流-时间信号得到所述原子束的能谱分布和密度信息。

10.根据权利要求9所述的原子能谱测量方法，其特征在于，等离子体发生器产生等离子体之前，还包括：

通过抽真空单元进行抽真空。