Diagnostika plazmatu

Dutinová laserová absorpční spektroskopie

Dutinová laserová absorpční spektroskopie (anglicky Cavity Ring-Down Spectroscopy, zkratka CRDS) pracuje na principu pohlcování laserového záření o dané vlnové délce atomy a molekulami v plazmatu. Laserový paprsek vytvářený v laditelném laseru barvivem, jež je excitováno pulzním laserem čerpacím, je zaveden do dutinového rezonátoru, který tvoří dvě téměř nepropustná kulová zrcátka umístěná odraznou vrstvou souose proti sobě. V této dutině laserový parsek podstupuje mnohočetné odrazy, čímž se výrazně prodlouží jeho dráha pohlcujícím prostředím plazmatu. Z postupného poklesu intenzity záření v dutině lze poté stanovit absolutní koncentraci atomů a molekul v plazmatu. Tuto diagnostickou metodu lze kromě stanovování koncentrací základních stavů použít i k určení trendů v koncentraci záporných iontů či k sledování výskytu metastabilních stavů.

Systém CRDS sestává z čerpacího laseru InnoLas SpitLight 400 a barvivového laditelného laseru Radiant Dyes NarrowScan.

 

Čerpací laser InnoLas SpitLight 400

  • generace záření: Nd:YAG tyče s pulzním čerpáním
  • emitované vlnové délky: 1064 nm (základní), 532 nm a 355 nm
  • frekvence pulzů a jejich trvání: 10 Hz, 6-7 ns
  • energie v pulzu: 400 mJ (pro 1064 nm), 300 mJ (pro 532 nm) a 120 mJ (pro 355 nm)
  • průměr svazku: 6 mm

 

Barvivový laditelný laser Radiant Dyes NarrowScan

  • konfigurace: základní plus frekvenční konverze (FCU), FCU sledování a optogalvanická kalibrace
  • laditelný rozsah a ladicí element: 330 - 800 nm, zrcadlo
  • teoretická šířka pásma pro 600 nm: 0.06 cm-1 (2,16 pm)

Langmuirova sonda Hiden ESPION

Elektrostatická Langmuirova sonda pracuje na principu měření elektrického proudu procházejícího tenkým drátkem do plazmatu v závislosti na rozdílu elektrických potenciálů mezi sondou a okolním plazmatem. Na rozdíl od optické emisní spektroskopie se tudíž jedná o metodu invazivní. Ze změřené volt-ampérové charakteristiky je posléze možné odvodit důležité lokální charakteristiky plazmatu jako např. koncentraci elektronů a iontů, teplotu elektronů či jejich rozdělovací funkci v závislosti na energii nebo plovoucí a plazmový potenciál. Tyto charakteristiky jsou důležité jak pro důkladné pochopení fyzikální a chemických procesů probíhajících v plazmatu, tak i pro potřeby jeho počítačových simulací.

Specifikace:

  • hrot sondy: válcový o průměru 0,15 mm a délce 10 mm rozsah napětí: od -200 V do +100 V
  • rozsah proudů: od -100 mA do 1000 mA
  • časové rozlišení: cca 2,5 µs

Hmotnostní spektrometr Hiden EQP 300 s energiovým rozlišením

Diagnostika výbojového plazmatu je nezbytná pro objasnění složitých vzájemných vztahů mezi lokálními parametry plazmatu a prvkovým složením, strukturou chemických vazeb, strukturou materiálu a mikrostrukturou vrstev vytvářených plazmovými technologiemi.

Hiden EQP 300 (EQP=Electrostatic Quadrupole Plasma) je analyzátor energie iontů spojený s kvadrupólovým hmotnostním analyzátorem. Umožnuje získání hmotnostních spekter, potenciálových profilů a provádění detailní analýzy kladných i záporných iontů, neutrálů a radikálů z plazmatu. Tato měření lze vyhodnocovat v závislosti na čase a je také možno zkoumat přechodové a povýbojové stavy.

Základními částmi plazmového monitoru Hiden EQP 300 jsou:

  • systém pro extrakci iontů z plazmatu
  • zdroj elektronů pro ionizaci neutrálních částic a radikálů (energie elektronů 1–150 eV)
  • 45° sektorový elektrostatický analyzátor pro určování energie iontů (rozsah 200 eV, detekce kladných i záporných iontů)
  • kvadrupólový hmotový filtr umožňující určování částic podle poměru m/q (poměr hmotnosti a náboje částice, rozsah do 300 amu)
  • dynodový elektronový násobič pro určení počtu částic (1–20000000 dopadů za sekundu)

Optická emisní spektroskopie

Jedním z vhodných nástrojů diagnostiky plazmatu je optická emisní spektroskopie, jejíž velkou výhodou oproti jiným metodám je její neinvazivnost – neruší vlastní proces. Snímá se při ní pouze záření plazmatu. Naměřené spektrální intenzity poskytují informace o obsazení různých excitovaných stavů atomů a molekul v plazmatu, z nichž lze stanovit významné parametry plazmatu (např. stupeň ionizace atomů a molekul nebo stupeň disociace molekul). Hlavními součástmi optického spektrometru jsou monochromátor a detektory intenzity záření.

Optický spektrometr Jobin Yvon THR 1000

Specifikace:

  • konfigurace: asymetrický Czerny–Turner
  • ohnisková vzdálenost: 1000 mm
  • difrakční mřížka: holografická 110×110 mm, 1800 vrypů/mm
  • disperze: 0,5 nm/mm při 500 nm
  • rozlišení: 0,005 nm při 500 nm a šířce vstupní štěrbiny 10 µm

Systém pro detekci intenzity záření:

  • fotonová čítací hlava Hamamatsu H 3460-04
  • vícekanálový čítač Stanford Research System SR 430
  • fotonásobiče různých druhů

Pro rychlou analýzu záření plazmatu lze využít i snadno přenosný spektrometr OceanOptics HR4000.

Spektrometr OceanOptics HR4000

Specifikace:

  • konfigurace: symetrický křížený Czerny-Turner
  • vstupní štěrbina a difrakční mřížka: 5 µm, 300 vrypů/mm
  • rozsah vlnových délek a rozlišení: 200 - 1100 nm, cca. 0,75 nm
  • detektor: Toshiba TCD1304AP s 3648 pixely a OFLV filtrem pro potlačení vyšších difrakčních řádů