ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 51-56
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 53.087.4
АВТОМАТИТИЗАЦИЯ ИОННО-ПУЧКОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ПРОГРАММ ОБЛУЧЕНИЯ © 2015 г. Н. В. Мамедов, В. А. Курнаев, Д. Н. Синельников, Д. В. Колодко
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 E-mail: m_nikitos@mail.ru Поступила в редакцию 05.03.2014 г.
Описана система автоматизации установки "Большой масс-монохроматор МИФИ" с дуоплазмат-роном в качестве ионного источника и выносным четвертьсферическим энергоанализатором отраженных и выбитых из мишени ионов. Создание системы компьютерного управления позволило осуществить ионно-пучковые эксперименты в автоматическом программируемом режиме, в том числе проводить одновременное определение элементного состава и толщины поверхностных пленок в процессе плазменного/ионного воздействия.
DOI: 10.7868/S0032816215010061
ВВЕДЕНИЕ
Понимание процессов, происходящих при взаимодействии плазмы с обращенными к ней материалами первой стенки термоядерных установок с магнитным удержанием, важны из-за сильного влияния этого взаимодействия на параметры и работоспособность этих установок [1]. Поэтому актуальны разработки методов и устройств, которые позволяют проводить in situ исследования поверх-
ности материалов, подвергающихся плазменному воздействию.
Для установки "Большой масс-монохроматор МИФИ" (б.м.м.) [2] (см. рис. 1) разработана методика анализа поверхности с помощью спектроскопии ионного рассеяния непосредственно в процессе плазменного облучения. Диагностика состава и толщины поверхностных пленок осуществляется с использованием основного ионного
Рис. 1. Схема установки. 1 — дуоплазматрон; 2 — электростатическая линза; 3 — сепарирующий электромагнит; 4 — вакуумная камера дифференциальной откачки; 5 — входная диафрагма основного ионного пучка; 6 — мишень; 7 — вакуумная камера для замены мишени; 8 — манипулятор ввода—вывода мишени; 9 — плазменная пушка; 10 — входная диафрагма энергоанализатора; 11 — выходная диафрагма энергоанализатора; 12 — электростатический энергоанализатор; 13 — вторично-электронный умножитель ВЭУ-1а.
51
4*
Рис. 2. Блок-схема питания установки. НК — блок питания накала катода (Delta Elektronika S 6-40); СПД — система питания разряда дуоплазматрона (Delta Elektronika ES 0300-0.45, Matsusada RB-30P); СГН — система газонапуска (MKS Type 1179A); ПЛ — питание линзы; ВМ — выдвижная мишень для измерения тока; ПСМ — питание сепарирующего магнита (EA-PSMPS 848-05 R REM); М — мишень с термопарой; ППИ — питание плазменного источника БП-138; ВН — блок питания вытягивающего напряжения плазменного источника (Matsusada RB-30P); БПВ — блок питания ВЭУ-1а; МВНА — микровольтнаноамперметр ЭК-1601 или наноамперметр Tektronix DMM 4020; НМ — блок нагрева мишени (EA-PSMPS 912-50 RM); ПОЭ — питание обкладок энергоанализатора (Advanced Hivolt PSM10, Matsusada RB-30P); ПА — пикоамперметр Keithley 6485; ИК — инфракрасный порт.
канала установки б.м.м. [3]. Для моделирования плазменного воздействия используется малогабаритный встраиваемый источник плазмы и ее компонентов на основе пеннинговского разряда [4].
В экспериментах по спектроскопии ионного рассеяния необходимо управлять пучком ионов (источником ионов и ионно-оптической системой, сепарирующим электромагнитом), системой развертки энергоанализатора, поддерживать необходимую температуру мишени, а также осуществлять сбор и обработку регистрируемого сигнала рассеянных ионов. Ниже описана система автоматизации, удовлетворяющая всем требованиям эксперимента.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Компьютерное управление осуществлено с использованием АЦП—ЦАП-модулей фирмы ICP DAS и National Instruments. Система состоит из двух основных блоков контроллеров (рис. 2):
— блока управления (выделен на рисунке штриховой линией), который осуществляет изменение параметров накала катода, разряда в дуоплазматроне и напуск рабочего газа через инфракрасный порт, поскольку корпус ионного источника находится под высоким напряжением;
— блока управления ускоряющим напряжением, фокусирующими линзами, магнитным полем сепарирующего магнита, напряжением на обкладках энергоанализатора, который также осуществляет измерение экспериментальных данных и обеспечивает стабилизацию ионного тока и мониторинг формы ионного пучка на входе в камеру взаимодействия.
Схема подключения блока управления ионным источником состоит из двух 24-разрядных скоростных модулей аналогового ввода 1-7017F, трех 12-разрядных модулей аналогового вывода I-7024 и одного модуля 1-7520, который является преобразователем протокола Я8-232 в Я8-485 с автоматическим контролем направления передачи данных для Я8-485. Основные технические характеристики АЦП-ЦАП-модулей можно найти
на сайте производителя [5]. Важно отметить, что все они имеют внутреннюю гальваническую изоляцию на 3 кВ по RS-232, что облегчило их "развязку" с заземленным корпусом установки.
Питание ионного источника смонтировано на специальной высоковольтной стойке. Вся стойка питается от разделительного (на 40 кВ) трансформатора общей мощностью 5 кВт. Одна пара модулей I-7017F и I-7024 осуществляет компьютерное управление параметрами накала катода с помощью блока питания Delta Elektronika S 6—40 (6 В, 40 А), другая управляет током и напряжением разряда в ионном источнике с помощью блока питания Delta Elektronika ES 0300-0.45 (300 В, 0.45 А). Третья пара контролирует поток рабочих газов через два натекателя (масс-флоуконтроллера) MKS Type 1179A и давление в источнике с помощью измерителя давления типа PIRANI. Имеется возможность наращивать систему контролеров и изменять ее.
Схема блока управления ионно-оптической системой и системой измерения состоит из двух пар модулей I-7017F, I-7024 и I-7017, I-7022, одной I-7520 и двух USB-устройств сбора и передачи данных NI USB-6009 (фирмы National Instruments) [6]. С помощью этого блока также осуществляются управление монопольным масс-спектрометром МХ-7403 для измерения состава остаточного газа в установке и управление питанием встраиваемого плазменного источника на основе пеннинговского разряда.
Питание двух катушек сепарирующего электромагнита масс-монохроматора осуществляется через два управляемых блока EA-PSMPS 848-05 R REM (14 В, 50 А) со стабилизацией по току 10 мА. Значение магнитного поля на центральной траектории масс-сепаратора измеряется датчиком Холла CMUS 1.0_02 [7] с точностью ±0.1 мТл. Ионный ток на мишень измеряется наноампер-метром Tektronix DMM 4020 или микровольтна-ноамперметром ЭК 1601.
Ускоряющее и фокусирующее напряжения на ионном источнике устанавливаются с помощью стабилизированных по напряжению (стабильность напряжения ~10-3) блоков Matsusada RB-30P (30 кВ, 1.5 мА) и Advanced Hivolt PSM10 (10 кВ, 1.5 мА) соответственно. С этих же блоков на компьютер передаются показания реально выставленного напряжения.
Парафазное напряжение на электростатический энергоанализатор подается от блоков высокого напряжения разной полярности (Matsusada RB5-6P (до +5 кВ) и Advanced Hivolt PSM 5 (до —5 кВ) таким образом, что центральная траектория, по которой движутся ионы выделенной энергии в энергоанализаторе, находится под нулевым относительно земли потенциалом. Ток от прошедших энергоанализатор ионов усиливается вторичным
электронным умножителем ВЭУ-1а и измеряется пикоамперметром Keithley 6485. Усиленный аналоговый сигнал с пикоамперметра подается на аналого-цифровой преобразователь I-7017F или оцифровывается и подается сразу на персональный компьютер через интерфейс RS-485.
Мишень прогревается галогенной лампой мощностью 120 Вт до температуры 750°C с помощью блока питания EA-PSMPS 912-50 (10 В, 50 А). Температура измеряется хромель-алюмелевой термопарой, подключенной к мультиметру Victor 86B, который соединен с компьютером через инфракрасный порт.
Программное обеспечение автоматизированной системы управления установкой б.м.м. создано в среде LabVIEW 8.6, основанной на графическом языке программирования G фирмы National Instruments (США) [8]. Для автоматизации установки был написан ряд программ (часть интерфейса одной из них показана на рис. 3), отвечающих за управление определенными частями б.м.м. и способных работать как по отдельности, так и вместе: программа, управляющая работой диагностического ионного источника, программа автоматической и ручной развертки магнита (автоматическое сканирование около выбранной массы, поиск максимального значения тока), программа измерения энергетических спектров отраженных частиц (для каждого измеренного значения записываются сигналы с датчика магнитного поля, значение ускоряющего ионы напряжения, температуры мишени, а также реального времени, тока на мишень), программа управления плазменным источником типа Пеннинга.
ОДНОВРЕМЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА И ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ
В качестве примера использования системы автоматизации опишем методику одновременного определения элементного состава и толщины поверхностной пленки твердого тела. Как показано в [9], по виду энергетических спектров ионов отдачи и однократно отраженных от твердого тела ионов инертных газов можно определить элементный состав поверхностного слоя. Такие ионы формируют спектр с узкими пиками, соответствующими частицам, однократно рассеянным от атомов поверхностного слоя, а также первично выбитым ионам отдачи.
Ранее было показано [10], что при малоугловом рассеянии ионов водорода с энергиями до 20 кэВ можно с ангстремным разрешением определять толщину тонкого слоя вещества с малым атомным номером над слоем тяжелого элемента. Это возможно, поскольку ионы водорода из-за малого сечения упругого рассеяния глубже проникают в поверхность и формируют широкие куполообраз-
— | —; [ I; ;М г: 1 тМ :: 1 т: 1 г:Тг:i;:; i:
Рис. 3. Основные окна интерфейса программы измерения энергетических спектров ионов при поочередном во времени облучении исследуемой поверхности масс-сепарированным по отношению масс к заряду пучками ионов водорода и инертных газ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.