Современное состояние техники для исследования спектра излучения плазмы магнетронного разряда

Спектрофотометр — прибор, предназначенный для измерения отношений двух потоков оптического излучения, один из которых — поток, падающий на исследуемый образец, другой — поток, испытавший то или иное взаимодействие с образцом. Данный прибор позволяет производить измерения для различных длин волн оптического излучения, соответственно в результате измерений получается спектр отношений потоков. Обычно используется для измерения спектров пропускания или спектров отражения излучения.

Спектрофотометр является основным прибором, используемом в спектрофотометрии. Анализируемый спектр получается путем регистрации флуоресценции после воздействия на исследуемое вещество каким-либо излучением (рентгеновским или лазерным излучением, искровым воздействием и др.).

Обычно измеряемыми величинами являются интенсивность и энергия (длина волны, частота) излучения, но могут регистрироваться и другие характеристики, например, поляризационное состояние.

Применение

Применяется в колориметрии и спектральном анализе.

Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного. В зависимости от этого приборы имеют разное назначение.

Конструкция

На рисунках 3.4, 3.5 приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения данного объекта относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой:

Рис. 3.4. Схема 1 устройства спектрофотометра

Измеряемый образец освещается белым светом. Монохроматор расположен в исходящем потоке. Для улучшения характеристик и точности измерений в современных спектрофотометрах также используются двойные монохроматоры.

Рис. 3.5. Схема 2 устройства спектрофотометра

Измеряемый образец освещается монохроматическим светом.

Методы регистрации спектров

Для регистрации спектра могут использоваться полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счётчики, либо детекторы на базе ПЗС линейки или ПЗС матрицы. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме.

При интерпретации спектров в большинстве случаев производится сравнение полученного спектра со спектром вещества известного состава.

Ранние спектроскопы представляли собой простые призмы с градуировкой, обозначающей длины волн света, в современных приборах они вытеснены дифракционной решёткой.

Типы спектрометров

Различают следующие типы спектрометров:

· -рентгенофлуоресцентный спектрометр,

· -искровой оптико-эмиссионный спектрометр,

· -лазерный спектрометр,

· -ИК-спектрометр,

· -спектрометр индуктивно-связанной плазмы,

· -атомно-абсорбционный спектрометр,

· -масс-спектрометр,

· -спектрогониометр.

Известны исследования, посвященные научному анализу спектра веществ. К ним относится работа по созданию автоматизированного спектрометрического комплекса для диагностики плазмы магнетронного разряда под руководством Шумова А.В. при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана.

На рис. 3.6 приведена схема диагностической системы на основе спектрометра Avaspec-2048 с CCD-регистрацией, предназначенной для нахождения пространственных распределений электронной температуры плазмы.

Рис. 3.6. Схема диагностической системы: 1 – вакуумная камера; 2 – магнетронная распылительная система; 3 – область горения разряда; 4 – оптическая головка; 5 – бронированный оптоволоконный кабель; 6 – вакуумный оптический ввод; 7 – разветвленный оптоволоконный кабель; 8 – спектрометр; 9 – привод оптической головки; 10 – шаговый двигатель; 11 – вакуумный электрический ввод; 12 – блок управления шаговым двигателем; 13 – модуль ЦАП – АЦП; 14 – управляющий компьютер.

Высокочувствительный оптоволоконный спектрометр AvaSpec-2048

Существует множество оптических спектрометров, используемых в зависимости от природы источника сигнала и технической реализации спектрометрической системы.

Одной из фирм, реализующих данные виды спектрометров, является фирма Avantes, выпускающая оптоволоконные спектрометрические комплексы на базе спектрометров AvaSpec для аналитических и лабораторных исследований. Рассмотрим более подробно оптоволоконный спектрометр, использованный для исследований.

Рис. 3.7. Внешний вид спектрометра AvaSpec-2048

AvaSpec-2048 – высокочувствительный оптоволоконный спектрометр, рекомендуемый для использования с целью проведения аналитических исследований с высокой фотометрической чувствительностью в спектральном диапазоне 200-1100 нм и оптическим разрешением от 0,04 нм.

Оптоволоконный спектрометр AvaSpec-2048 сконструирован с использованием модульного принципа, что обеспечивает гибкость и масштабируемость спектрофотометрической системы и позволяет использовать спектрометр для построения разнообразных измерительных систем в комплексе с различными источниками света, фибероптическими принадлежностями и датчиками Avantes.

Настольный автоматизированный спектрометр AvaSpec-2048 может также использоваться как фотоколориметр, радиометр, нефелометр, спектрофлюориметр и люминометр благодаря возможности изменений конфигурации спектрометрической системы.

Рис. 3.8. Устройство оптической скамьи.

Измерительный модуль.

Измерительный модуль AvaSpec-2048 высокочувствительного спектрометра построен на базе AvaBench-75 платформы с симметричной оптической скамьёй Czerny-Turner и 2048 элементной CCD детекторной матрицы.

AvaSoft-Basic – стандартный бесплатный пакет программ, который поставляется со спектрометрами AvaSpec. К основным характеристикам AvaSoft относится дружественный к пользователю интерфейс с выпадающими меню диалога, которыми можно управлять при помощи курсора мыши.

При помощи курсора можно управлять такими операциями, как считывание длины волны, координат точки на спектре и величины оси Y. С помощью выделения участка спектра курсором мыши можно увеличить и детализировать участок спектра по осям X и Y (отобразить детали спектра в горизонтальном и вертикальном направлениях).

Кнопки в основном окне предназначены для управления спектральными исследованиями (начало и остановка измерений) и для простого сохранения информации о референсном сигнале, темновом токе и спектральных характеристиках в ходе эксперимента.

Дополнительные кнопки доступны для печати, изменения режима представления данных: режимы абсорбции, коэффициент пропускания, иррадиации или необработанные данные области видимости.

Пользователь может устанавливать параметры сбора данных, такие как время интеграции датчика, поправку на темновой ток, усреднение сигнала и спектральное сглаживание в общих диалоговых окнах.

Сохраненные графические данные могут быть экспортированы в формат ASCII, конвертируются и читаются в Excel и другими программами обработки данных.

Рис. 3.9. Интерфейс программного обеспечения AvaSoft-Basic

Новой особенностью программного обеспечения AvaSoft-Basic является поддержка платформы AvaSpec-USB2, множественных функциональных возможностей USB и новых опций сохранения и отображения данных.

Список литературы

1. Ахерн, А.Дж. Масс-спектрометрический метод определения следов (Trace analysis by mass spectrometry)/ А.Дж. Ахерн;пер. с анг. Л.Ф. Грушко, Г.И. Рамеандика; под ред. М.С. Чупахина. – М.: Мир,1975. – 453 с.

2. Сысоев, А.А. Введение в масс-спектрометрию/ А.А.Сысоев, М.С.Чупахин. – М.: Атомиздат, 1977. – 304 с.

3. Лебедев, А.Т. Масс-спектроскопия в органической химии/Ф.Т. Лебедев. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2003. – 493 с., ил.

4. Сорокин, В.И. Масс-спектрометрия. Методы ионизации и разделения ионов: методическое пособие к спецкурсу «Спектральная идентификация органических соединений»/ В.И. Сорокин, В.А. Озерянский. – Ростов на дону: Южный федеральный университет, 2007. – 39 с.

5. Основы масс-спектрометрии органических соединений / В.Г. Заикин, А.В. Варламов, А.И. Микая, Н.С. Простаков – М. : МАИК «Наука Интерпериодика», 2001. – 286 с. ISBN 5-7846-0100-8.

6. Исследование характеристик плазмы в несбалансированной магнетронной распылительной системе/ А. А. Соловьев, Н. С. Сочугов, К. В. Оскомов, С. В. Работкин// ФИЗИКА ПЛАЗМЫ. – 2009. – Т. 35 – № 5. – С. 443–452.

7. Берлин, Е.В. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок/ Е.В. Берлин, С.А. Двинин, Л.А. Сейдман. – М.: Техносфера, 2007. – 167 с.

8. Вопросы теории плазмы: сборник статей/ под ред. М. А. Леонтовича. Вып.1 : сборник. – М.: Госатомиздат, 1963. – 287 с.

9. Методы спектрального анализа / А.А. Бабушкин, П.А. Бажулин, Ф.А. Королев, Л.В. Левшин, В.К. Прокофьев, А.Р. Стриганов. – Издательство: Московский университет, 1962. –510 c.

10. Зельдович, Я.Б.Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений / Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. – Изд. 2-е, доп. – М.: Наука, 1966. – 688 с.

11. Грим Г. Спектроскопия плазмы : пер. с англ. / Г. Грим ; пер. В. А. Абрамов [и др.] ; ред. Г. В. Шолин, Г. Е. Смолкин. – М. : Атомиздат, 1969. – 452 с.

12. Вайнштейн Л.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий / Л.А. Вайнштейн, И.И. Собельман, Е.А. Юков. – М.: Наука, 1979 г. – 318с.

13. Биберман Л.М. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы / Л.М. Биберман, В.С. Воробьев, И.Т. Якубов. – М.: Наука, 1982 г. – с. 378.

14. Физический энциклопедический словарь./ под ред. А. Прохоров. – Москва: "Советская энциклопедия", 1984г. –945 с.

15. Автоматизированный спектрометрический комплекс для диагностики плазмы магнетронного разряда / Градов В.М., Зимин А.М., Кривицкий С.Е., Шумов А.В. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез", вып.1. – 2009 г.. – С. 64-71.