Автоматизированный спектрометрический комплекс для диагностики плазмы магнетронного разряда

Внедрение: 2009 г.

Исследователи из МГТУ им. Н.Э. Баумана интегрировали модуль E14‑440D в систему управления автоматизированного комплекса для спектральной диагностики плазмы сложного состава.

На рисунке 1 приведено устройство магнетронной распылительной системы (МРС) – источника плазмы.

Рисунок 1. Магнетронная распылительная система с электромагнитами: 1 – плазма; 2 – магнитные силовые линии; 3 – катод-мишень; 4 – катушки магнитной системы; 5, 6 – составной магнитопровод.

Спектральная диагностика плазмы магнетронного разряда, реализующегося в скрещенных Е×Н‑полях практически для любых сочетаний материала катода и плазмообразующего газа, предъявляет ряд специфических требований к диагностическому комплексу и его программному обеспечению.

Основу созданного авторами автоматизированного спектрометрического комплекса, обеспечивающего программируемое управление работой оборудования и оперативную интерпретацию результатов, составляет многоканальный спектрометр AvaSpec-2048 с CCD-детекторной линейкой фирмы Avantes. Использованная конфигурация прибора перекрывает диапазон длин волн от 355 до 810 нм и включает 4 независимых канала, различавшихся диапазонами длин волн, характеристиками используемых дифракционных решеток (от 1200 до 3600 штрихов/мм), размерами щелей, фильтрами для обрезания гармоник второго порядка.

Схема автоматизированного спектрометрического комплекса представлена на рисунке 2. Его особенностями являются размещение собирающей оптики внутри камеры вблизи источника излучения и транспортировка излучения наружу посредством специального вакуумного оптического ввода и системы оптоволоконных кабелей.
 

Рисунок 2. Схема автоматизированного спектрометрического комплекса: 1 – плазма магнетронного разряда; 2 – оптическая головка; 3 – оптоволоконный кабель; 4 – многоканальный спектрометр; 5 – привод оптической головки; 6 – шаговый двигатель; 7 – блок управления шаговым двигателем; 8 – модуль сопряжения ЦАП-АЦП; 9 – персональный компьютер.

Для пространственного сканирования разряда была создана конструкция привода, позволяющая осуществлять управляемое от ПЭВМ перемещение системы сбора излучения внутри вакуумной камеры. Она предусматривала возможность переустановки оптической головки под любым углом к оси разряда и обеспечивала ее программируемое осевое перемещение. Для этого использовался расположенный в вакуумном объеме шаговый двигатель, вращение ротора которого с помощью винтовой передачи преобразовывалось в поступательное.

Импульсы генерировались цифровым блоком управления шаговым двигателем с интерфейсом управления от ПК на основе модуля E14‑440D. Блок управления поддерживал следующие функции:

• включение/выключение питания;
• изменение направления вращения ротора двигателя;
• подача импульсов для поворота ротора на 1 шаг;
• переключение режимов полного и половинного шагов.

Для подачи импульсов была использована одна из линий ЦАП модуля E14‑440D, остальные сигналы формировались цифровыми линиями этого модуля.

Основные интерфейсы управления работой комплекса и обработки данных приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Основные пользовательские интерфейсы спектрометрического комплекса.

Приводимые ниже рисунки 4‑6 относятся к применению созданного спектрометрического комплекса в задачах регистрации эмиссионных спектров различных участков магнетронного разряда.
 

Рисунок 4. Распределение заселённостей уровней атомов в окне программы SpectrAn (расстояние от мишени 7 мм, давление аргона 0,5 Па, разрядное напряжение 650 В). Прямые, исходящие из начала координат, соответствуют постоянной температуре, изменяемой с шагом 0,2 эВ.

Авторы отмечают, что применение комплекса для диагностики плазмы магнетронного разряда показало, что специализированный комплекс и реализованные методики обработки данных работоспособны и удобны в использовании. Автоматизация позволяет значительно снизить трудоёмкость обработки спектральных данных.
Характер полученных зависимостей от параметров разряда качественно согласуется с современными представлениями о физических процессах в магнетронном разряде, а результаты соответствуют имеющимся литературным данным. Это позволяет сделать вывод как о перспективности созданного спектрометрического комплекса, так и о применимости реализованной в нём методики диагностики плазмы магнетронного разряда.

Источник:
Градов В.М., Зимин А.М., Кривицкий С.Е., Шумов А.В. Автоматизированный спектрометрический комплекс для диагностики плазмы магнетронного разряда // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. – 2009. – Вып. 1. – С. 64‑71.

Разработчик: В.М. Градов, A.M. Зимин, С.Е. Кривицкий, А.В. Шумов (Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана)