CN110244342B - 稳态原子束能谱测量系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳态原子束能谱测量系统以及方法，使用多栅离子能量分析器和朗缪尔探针结合的方式来测量离子能谱，通过朗缪尔探针测量等离子体空间电位和鞘层电位，并对多栅离子能量分析器的导体外壳施加相应的校正电压来抵消等离子体电位和鞘层电位的影响，从而获得更加准确的测量结果。

Description

稳态原子束能谱测量系统以及方法

技术领域

本发明涉及粒子能谱测量技术领域，更具体的说，涉及一种稳态原子束能谱测量系统以及方法。

背景技术

距地面高度150km以上的电离层称为F层，是原子氧离子O⁺的稠密层，其密度占了总离子密度的80％以上。一般的低地球轨道航天器，如载人飞船、气象卫星、对地观测卫星和空间站的飞行高度在200–600km之间，完全处于F层的区域。

虽然原子氧离子的能量较低，只有0.1eV，但是与相对速度高达8km/s的航天器碰撞时，其能量可达5eV，这相当于将航天器置于6000K的高温中。另外，原子氧作为一种强氧化剂，它的氧化性仅次于氟。航天器表面材料在原子氧的腐蚀下，会发生变形剥蚀甚至失效。它对材料的腐蚀作用还会产生可凝聚的气体生成物，进而污染航天器上的其他光学仪器和设备。因此，准确研究空间原子氧的特性，以制定相应的预防措施，对航天事业的发展具有重要意义。

原子氧能谱参数的测量是原子氧特性的研究基础。目前，测量原子束能谱的一般方法是将原子束离化为离子，通过对离子能谱的测量来间接获得原子束的能谱信息。使原子离化为离子的方式有多种，其中一种常见的方式是使用稳态电子枪产生热电子，对热电子进行加速后去轰击原子使其电离。这种电离方式会给离子能谱测量结果带来误差。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种稳态原子束能谱测量系统以及方法，可以提高原子能谱测量准确性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种稳态原子束能谱测量系统，所述测量系统包括：

发生装置，所述发生装置用于产生原子束；

真空测量室，所述真空测量室具有第一通孔以及第二通孔；所述原子束通过所述第一通孔通入所述真空测量室；

位于所述真空测量室内的稳态电子枪，所述稳态电子枪用于对所述原子束进行电离，形成待测等离子体；

通过所述第二通孔置于所述真空测量室中的朗缪尔探针，所述朗缪尔探针用于对所述待测等离子体的空间电位和鞘层电位进行测量，获取用于计算校正电压的测量结果；

位于所述真空测量室内的多栅离子能量分析仪器，所述多栅离子能量分析仪器用于在其导体外壳输入所述校正电压时，测量所述待测等离子体中原子能谱。

优选的，在上述测量系统中，所述发生装置用于产生原子氧束；

所述测量系统用于测量氧原子能谱。

优选的，在上述测量系统中，所述发生装置包括：

ECR等离子体发生器，所述ECR等离子体发生器用于产生初始等离子体；

中性钽板，所述中性钽板用于提供电子，使得所述初始等离子体形成所述原子束。

优选的，在上述测量系统中，还包括：第一级准直器、第一级差分抽气装置、第二级准直器以及第二级差分抽气装置；

其中，所述发生装置出射的原子束依次通过所述第一级准直器、所述第一级差分抽气装置、所述第二级准直器以及所述第二级差分抽气装置，进入所述真空测量室。

优选的，在上述测量系统中，所述真空测量室的侧壁具有第三通孔；

所述导体外壳连接有用于输入所述校正电压的导线，所述导线通过所述第三通孔延伸至所述真空测量室外部。

优选的，在上述测量系统中，所述导体外壳内设置有多层栅网，所述栅网接入设定电压，以形成选择离子通过的电场。

优选的，在上述测量系统中，所述朗缪尔探针具有相对的探测端以及引线端，所述探测端通过所述第二通孔置于所述真空测量室中，所述引线端位于所述真空测量室外部，且安装在一可移动的机械扫描装置上。

优选的，在上述测量系统中，所述稳态电子枪包括：

导体套筒，所述导体套筒的顶面具有两个阴极通孔，其底面具有电离通孔；

两个阴极柱，所述阴极柱的下端通过一对应所述阴极通孔置于所述导体套筒内，其上端位于所述导体套筒外；两个所述阴极柱的上端接入第一电源电压，两个所述阴极柱的下端连接有钨丝；

阳极靶，所述阳极靶置于所述导体套筒外，且与所述电力通孔相对设置，所述阳极靶接入第二电源电压，所述第二电源电压大于所述第一电源电压；

其中，所述原子束从所述电离通孔与所述阳极靶之间通过时电离为所述待测等离子体。

本发明还提供了一种稳态原子束能谱测量方法，采用上述任一项所述测量系统测量原子能谱。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的稳态原子束能谱测量系统以及方法中，使用多栅离子能量分析器和朗缪尔探针结合的方式来测量离子能谱，通过朗缪尔探针测量等离子体空间电位和鞘层电位，并对多栅离子能量分析器的导体外壳施加相应的校正电压来抵消等离子体电位和鞘层电位的影响，从而获得更加准确的测量结果。

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为本发明实施例提供的一种稳态原子束能谱测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多栅离子能量分析仪器的结构示意图；

图3为采用多栅离子能量分析仪器形成的I-V曲线图；

图4为朗缪尔探针的结构示意图；

图5为图4所示朗缪尔探针测量获得的I-V曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种稳态电子枪的结构示意图；

图7为不同仪器电位下的离子透过率曲线；

图8为不同仪器电位下的I-V曲线；

图9为低密度原子氧束环境下本申请测量系统和国外仪器测量结果对比曲线图。

具体实施方式

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。

电离方式在电离过程中会形成等离子体，等离子体空间电位和鞘层电位会对离子进行加速，从而给离子能谱的测量结果带来误差。现有测量装置和方法中，均忽略了这一点，因此现有技术的测量结果是不准确的。有鉴于此，本发明实施例技术方案使用多栅离子能量分析器和朗缪尔探针结合的方式来测量离子能谱，通过朗缪尔探针测量等离子体空间电位和鞘层电位，并对多栅离子能量分析器的导体外壳施加相应的校正电压来抵消等离子体电位和鞘层电位的影响，从而获得更加准确的测量结果。

如用于氧原子能谱测量时，通过本发明实施例所述技术方案，可以建立一天底面模拟空间环境原子氧束能谱测量系统，使用多栅离子能量分析仪器测量原子氧束能谱，结合使用朗缪尔探针测量等离子体空间电位和鞘层电位，用于校正能谱，最终获得更加准确的能谱测量结果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种稳态原子束能谱测量系统的结构示意图，所述测量系统包括：发生装置11，所述发生装置11用于产生原子束；真空测量室12，所述真空测量室12具有第一通孔以及第二通孔；所述原子束通过所述第一通孔通入所述真空测量室12；位于所述真空测量室12内的稳态电子枪13，所述稳态电子枪13用于对所述原子束进行电离，形成待测等离子体；通过所述第二通孔置于所述真空测量室12中的朗缪尔探针14，所述朗缪尔探针14用于对所述待测等离子体的空间电位和鞘层电位进行测量，获取用于计算校正电压的测量结果；位于所述真空测量室12内的多栅离子能量分析仪器15，所述多栅离子能量分析仪器15用于在其导体外壳输入所述校正电压时，测量所述待测等离子体中原子能谱。

所述发生装置11用于产生原子氧束；所述测量系统用于测量氧原子能谱。需要说明的是，本发明实施例中以测量氧原子能谱为例进行说明，显然，基于本发明实施例所述技术方案，也可以测量其他原子能谱，不局限于氧原子能谱的测量。

如图1所示，所述发生装置11包括：ECR等离子体发生器111，所述ECR等离子体发生器111用于产生初始等离子体113；中性钽板112，所述中性钽板112用于提供电子，使得所述初始等离子体113形成所述原子束。

如图1所示，所述测量系统还包括：第一级准直器21、第一级差分抽气装置22、第二级准直器23以及第二级差分抽气装置24；其中，所述发生装置11出射的原子束依次通过所述第一级准直器21、所述第一级差分抽气装置22、所述第二级准直器23以及所述第二级差分抽气装置24，进入所述真空测量室，通过双级准直器，可以保证原子速度方向均是相同的，通过双级差分抽气装置可以实现抽极限真空。所述第二级差分抽气装置24用于对所述真空测量室12进行抽真空处理。

可选的，所述真空测量室12的侧壁具有第三通孔；所述导体外壳连接有用于输入所述校正电压的导线16，所述导线16通过所述第三通孔延伸至所述真空测量室12外部，以便于为所述导体外壳输入所述校正电压。

所述真空测量室12还设有观察窗口17，基于该观察窗口17可以观察朗缪尔探针14的位置以及所述稳态电子枪13中钨丝的点亮状态。所述第一级差分抽气装置22具有放气阀18。

所述多栅离子能量分析仪器15的结构如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种多栅离子能量分析仪器的结构示意图，具有导体外壳31，所述导体外壳31内设置有多层栅网，所述栅网接入设定电压，以形成选择离子通过的电场。图2所示方式中，设置有四层栅网37、36、35和34，在底部栅网34和导体外壳31底部之间具有收集极33和微弱电流测量电路32。所述多栅离子能量分析仪器15在导体外壳31内部设置收集极33和微弱电流测量电路32，可以在导体外壳31内部进行微弱电流检测，相比于外部检测方式，可以减少干扰，有助于提高准确度。

四层栅网施加不同的电压，栅网之间形成预设电场，只有高于电场能量的离子能够通过栅网到达收集极33形成电流。通过对栅网所加电压进行扫描，测量其收集极33电流，可以得到如图3所示I-V曲线。通过所述多栅离子能量分析仪器15测量过程如图3所示，图3为采用多栅离子能量分析仪器形成的I-V曲线图，对该曲线进行微分即为离子能量分布。可以基于需求设置所述多栅离子能量分析仪器15中栅网数量，不局限于4层栅网，栅网数量越多，所述多栅离子能量分析仪器15体积越大，实验表明四层栅网测量效果最好。

如图1和图4所示，图4为朗缪尔探针的结构示意图，所述朗缪尔探针14具有相对的探测端以及引线端，所述探测端通过所述第二通孔置于所述真空测量室12中，所述引线端位于所述真空测量室12外部，且安装在一可移动的机械扫描装置19上。

如图4所示，所述朗缪尔探针14在引线端设置有手柄42以及从所述手柄42连出的引出线41，在探测端设置有钨丝44，其本体为两节陶瓷管43，陶瓷管的一端作为引线端，另一端作为探测端。对所述朗缪尔探针14施加不同的偏压，测量收集电流，可以得到如图5所示的I-V曲线，图5为图4所示朗缪尔探针测量获得的I-V曲线图，图5中，Vs即为等离子体电位，包括上述等离子体空间电位和鞘层电位。

所述稳态电子枪13的结构如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种稳态电子枪的结构示意图，所述稳态电子枪13包括：导体套筒52，所述导体套筒52的顶面具有两个阴极通孔，其底面具有电离通孔；两个阴极柱51，所述阴极柱51的下端通过一对应所述阴极通孔置于所述导体套筒52内，其上端位于所述导体套筒52外；两个所述阴极柱51的上端接入第一电源电压V_e，两个所述阴极柱51的下端连接有钨丝54；阳极靶53，所述阳极靶53置于所述导体套筒52外，且与所述电力通孔相对设置，所述阳极靶53接入第二电源电压V_a，所述第二电源电压V_a大于所述第一电源电压V_e。其中，所述原子束55从所述电离通孔与所述阳极靶53之间通过时电离为所述待测等离子体。第二电源电压V_a正极为地，导体套筒52接地。第一电源电压V_e负极为小于0的负电位。

两阴极柱51均可以为铜柱。钨丝54两端电压为V_e，加速电压为V_a，由于阳极靶53电压较高，钨丝54发射的热电子向阳极靶53移动，与正下方的原子束55碰撞，使得原子束电离。

下面以测氧原子能谱为例进行说明：

所述发生装置11用于产生原子氧束。使用ECR等离子体发生器111和中性钽板112来生产和真实空间相当的原子氧环境。ECR等离子体发生器111全称为微波电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance)等离子体发生器，其内部产生氧等离子体。氧等离子体经过中性钽板112时，接收中性钽板112上的电子生成中性原子氧束，并被中性钽板112反射。该设计的原子氧产生方式具有运行稳定、原子氧束面积大、调节灵活方便的优点，能够模拟真实空间原子氧环境。

ECR等离子体发生器111通常工作于几个毫托(1mTorr≈133.322Pa)的环境中。受本底真空度影响，如果使用稳态电子枪13直接离化原子氧束，那么原子氧束的离化率将非常低，仅能够达到本底气体离化率的百万分之一量级，信噪比非常低，很难进行正常的测量，为了提高离化率，本发明实施例采用了两级差分抽气装置，并配以两级分离原子氧束的准直器，可以大幅提高真空度。通过稳态电子枪13对原子氧束进行离化，在气压足够低的情况下，可以使得原子氧束电离率达到百分之一量级，对应信号强度在可测量范围内。

原子氧束受到电离后会形成等离子体，等离子体空间电位和鞘层电位会对离子进行加速，如果不消除该影响，测量结果就会有额外的误差。本发明实施例所述技术方案使用带有机械扫描装置19的朗缪尔探针14对等离子体空间电位和鞘层电位进行测量，基于测量结果获得校准电压，通过对多栅离子能量分析仪器15的导体外壳施加校准电压可以消除该影响。多栅离子能量分析仪器15置于等离子体中，配以扫描电压、偏压和微弱电流检测单元，就可以测得I-V特性曲线，从而获得原子氧能谱分布。

采样本发明实施例所述测量系统测量原子氧能量谱过程如下：

第一步，建立空间原子氧束地面模拟测量系统。

采用图1所示测量系统，各组件连接关系如图1所示，在连接时需要严格密封，以便提高真空度。一些关键组件，比如多栅离子能量分析器、朗缪尔探针和稳态电子枪的具体结构示意图如图2、图4、图6所示，需要保证所使用的材料无磁，避免磁干扰影响测量结果。

第二步，建立测量电路系统和软件系统

离子能谱分布是通过不同扫描电压下的收集极电流体现，因此需要搭建电路产生扫描电压和测量微弱电流。扫描电压的范围应能覆盖离子能谱分布范围，比如能谱分布在0–30eV，则扫描电压至少为0–30V。微弱电流测量级别需要根据离子电流大小确定，比如本发明测量的离子电流在pA量级，则需要搭建pA量级的微弱电流测量电路。此外，还需要控制芯片和上下位机软件来实现整套系统的控制。上位机运行在电脑中，下位机运行在控制芯片中，上位机向下位机发送命令控制整个系统的启动、测量和停止，下位机将测量结果发送给上位机进行显示。

第三步，开始测量。

以上步骤完成后，即可开始测量。测量前需要先抽真空，真空度达到一定程度后，打开ECR等离子体发生器111、稳态电子枪13，此时产生氧等离子体。使用朗缪尔探针14测量等离子体电位，将多栅离子能量分析仪器15的导体外壳设置为相应的校准电压，设置栅网扫描电压范围，开始测量。

通过上述描述可知，本发明实施例所述测量系统至少具有如下有益效果：

第一，使用朗缪尔探针14测量等离子体电位，基于测量结果对多栅离子能量分析仪器15的导体外壳施加校准电压，可以抵消等离子体电位对测量结果的影响。

稳态电子枪13离化原子氧束会产生等离子体，等离子体空间电位和鞘层电位会对等离子体进行加速，从而带来额外的测量误差。本发明实施例技术方案使用朗缪尔探针14测量等离子体空间电位和鞘层电位，并基于测量结果对多栅离子能量分析仪器15的导体外壳施加校准电压，用于抵消该影响，提高测量准确性。

如图7和图8所示，图7为不同仪器电位(多栅离子能量分析器外壳电位)下的离子透过率曲线，图8为不同仪器电位(多栅离子能量分析器外壳电位)下的I-V曲线，示出了考虑等离子体电位(仪器电位U_s＝-2V)和不考虑等离子体电位(仪器电位U_s＝0V)两种情况下，仿真得到多栅离子能量分析仪器15的离子透过率曲线和I-V曲线。相比于仪器电位为-2V情况，仪器电位为0V时的I-V曲线向右下方偏移，使离子速度的测量结果增大。仿真时，入射的原子氧束均值速度为7600m/s，仪器电位为-2V时，离子均值速度的拟合结果为7626m/s，仪器电位0V时的拟合结果为7699m/s，这表明抵消等离子体电位后能减小测量误差。

如图9所示，图9为低密度原子氧束环境下本申请测量系统和国外仪器测量结果对比曲线图，图9中，左侧纵轴为I-V曲线的纵轴，右侧纵轴是I-V曲线的微分曲线dI/dV-V曲线的纵轴，如图9所示，本申请技术方案所述测量系统与国外仪器离子能量分析仪器的实验测量结果比对，可以看出，本申请技术方案所述测量系统中多栅离子能量分析仪器15能够完整地测得原子氧束能谱分布，从图9中可以清晰地读出能谱分布的两个峰值点。而国外仪器外壳施加负偏压的方法虽然可以提高收集极电流大小，但是测量的结果偏离真实值几十eV，测量结果误差很大。

第二，使用两级差分抽气系统和两级准直器提高原子氧束电离率。

多栅离子能量分析仪器15收集极电流在pA量级，很难检测。如果稳态电子枪13对原子氧束的离化率比较低，那么收集极电流将更小。本发明实施例所述测量系统增加了两级差分抽气系统和两级准直器，可以大幅提高真空度和电离率。通过稳态电子枪13对原子氧束进行离化，在气压足够低的情况下，可以使得原子氧束电离率从百万分之一提高到百分之一量级。

第三，使用ECR等离子体发生器111产生氧等离子体，再通过中性钽板112中和氧等离子体产生原子氧束，该方案产生的原子氧束具有运行稳定、原子氧束面积大和调节灵活方便的优点，能够较为真实的还原空间原子氧环境。

本发明另一实施例还提供了一种稳态原子束能谱测量方法，该测量方法采用上述实施例所述测量系统测量原子能谱，具有较高的测量准确性。

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。对于实施例公开的测量方法而言，由于其与实施例公开的测量系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见测量系统对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (8)

1.一种稳态原子束能谱测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

发生装置，所述发生装置用于产生原子氧束；

真空测量室，所述真空测量室具有第一通孔以及第二通孔；所述原子束通过所述第一通孔通入所述真空测量室；

位于所述真空测量室内的稳态电子枪，所述稳态电子枪用于对所述原子束进行电离，形成待测等离子体；

通过所述第二通孔置于所述真空测量室中的朗缪尔探针，所述朗缪尔探针用于对所述待测等离子体的空间电位和鞘层电位进行测量，获取用于计算校正电压的测量结果；所述朗缪尔探针具有相对的探测端以及引线端，所述探测端通过第二通孔置于所述真空测量室中，所述引线端位于所述真空测量室外部；

位于所述真空测量室内的多栅离子能量分析仪器，所述多栅离子能量分析仪器用于在其导体外壳输入所述校正电压时，测量所述待测等离子体中氧原子能谱；所述导电外壳连接有用于输入所述校正电压的导线。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述发生装置包括：

ECR等离子体发生器，所述ECR等离子体发生器用于产生初始等离子体；

中性钽板，所述中性钽板用于提供电子，使得所述初始等离子体形成所述原子束。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括：第一级准直器、第一级差分抽气装置、第二级准直器以及第二级差分抽气装置；

其中，所述发生装置出射的原子束依次通过所述第一级准直器、所述第一级差分抽气装置、所述第二级准直器以及所述第二级差分抽气装置，进入所述真空测量室。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述真空测量室的侧壁具有第三通孔；

所述导线通过所述第三通孔延伸至所述真空测量室外部。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述导体外壳内设置有多层栅网，所述栅网接入设定电压，以形成选择离子通过的电场。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述引线端安装在一可移动的机械扫描装置上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的测量系统，其特征在于，所述稳态电子枪包括：

导体套筒，所述导体套筒的顶面具有两个阴极通孔，其底面具有电离通孔；

两个阴极柱，所述阴极柱的下端通过一对应所述阴极通孔置于所述导体套筒内，其上端位于所述导体套筒外；两个所述阴极柱的上端接入第一电源电压，两个所述阴极柱的下端连接有钨丝；

阳极靶，所述阳极靶置于所述导体套筒外，且与所述电力通孔相对设置，所述阳极靶接入第二电源电压，所述第二电源电压大于所述第一电源电压；

其中，所述原子束从所述电离通孔与所述阳极靶之间通过时电离为所述待测等离子体。

8.一种稳态原子束能谱测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述测量系统测量原子能谱。

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