Устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий

Устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий

Реферат

Изобретение относится к методам исследования электрофизических свойств диэлектрических покрытий и может быть использовано, в частности, для изучения электронно-индуцированных процессов зарядки, накопления и кинетики зарядов в диэлектриках.

Учет данных эффектов важен при разработке электронно-зондовых технологий, таких как электронная микроскопия, рентгеновский микроанализ, оже-спектроскопия, электронно-лучевая литография. Зарядка поверхности диэлектрических объектов приводит к потере контраста изображения, изменению эффективной энергии падающих электронов, невозможности проведения количественного анализа.

В то же время в других приложениях, например в запоминающих потенциалоскопах, накопителях энергии на электретах, дозиметрах, эти явления находят полезное практическое применение.

Известны методики измерения поверхностного заряда диэлектриков, основанные на контроле энергетических спектров вторичных электронов, эмитируемых с их поверхности под действием электронной бомбардировки (Ю.П. Топоров, В.И. Анисимова, В.А. Клюев, патент SU №885928; Э.И. Рау, Е.Н. Евстафьева, М.В. Андрианов. Физика твердого тела, 2008, т. 50, вып. 4, с. 602-605).

Реализация данных методик предполагает использование сложного оборудования и недоступна для массового практического использования.

Известно устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических образцов, включающее в себя неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока и контролируемый образец, перемещающийся относительно электрода (Губкин А.Н. Электреты. Электретный эффект в твердых диэлектриках. М.: Наука, 1978, с. 90-97).

Применение известного устройства для решения поставленной задачи затруднительно из-за сложности совмещения процедур измерения потенциала с необходимостью облучения поверхности исследуемых диэлектриков ускоренными электронами.

Известные модификации данной методики (Алейников Н.М., Алейников А.Н., Агошкин В.В. Способ измерения плотности заряда плоских диэлектриков, патент РФ №2260811; Алейников Н.М. Способ определения плотности заряда в диэлектриках, патент РФ №1471152) по тем же причинам не решают указанную проблему.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий (SU №1780124 A1, О.Н. Крютченко, А.Ф. Маннанов, А.И. Улитенко, Э.И. Соколовский, опубл. 07.12.92 г., бюл. №45 - прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в нем, во-первых, не предусмотрена возможность облучения поверхности образцов диэлектриков в вакууме ускоренными электронами и, во-вторых, значение потенциала находится аналитически по формуле с неизбежной погрешностью.

Задачей данного изобретения является расширение функциональных возможностей известного устройства и повышение точности измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном устройстве измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий, включающем в себя неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока, исследуемый образец, расположенный на вращающемся цилиндре, выполненным из материала с высокой электропроводностью, в углублении в радиальном направлении и размещенный над ним измерительный электрод, при этом поперечные размеры измерительного электрода и ширина углубления для образца выполнены равными, расстояние электрод-образец составляет 0,1-0,2 мм, а скорость вращения цилиндра не менее 200 об/мин, над держателем образца на равном расстоянии от оси вращения с измерительным электродом расположен источник электронов, а измерительный тракт регистрации индуцированного переменного тока предварительно проградуирован с помощью дисковых элементов питания.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет использования источника ускоренных электронов и процедуры предварительной градуировки измерительного тракта регистрации индуцированного переменного тока - получение зависимости амплитудного значения наведенного тока в цепи измерительного электрода от потенциала поверхности контролируемых образцов.

Положительный эффект от использования данного изобретения обусловлен тем, что с помощью разработанного устройства может быть проведено экспрессное измерение с повышенной точностью потенциала поверхности диэлектрических покрытий, образованного контролируемой электронной бомбардировкой, при одновременной регистрации проходящего через них сквозного тока.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» и «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Один из вариантов конструкции предлагаемого устройства измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий представлен на фиг. 1. Оно включает в себя цилиндрический держатель образца 1, на котором расположен исследуемый образец 2. Держатель образца выполнен из меди, соединен со шкивом электромотора 3 и может вращаться вокруг оси. Над держателем образца расположены измерительный электрод 4, в электрической цепи которого предусмотрена возможность контроля индуцированного переменного тока, и источник электронов 5.

На фиг. 2 представлена зависимость амплитудного значение индуцированного в цепи измерительного электрода тока от потенциала эталонных образцов (наборов дисковых элементов питания с различными номиналами).

Устройство работает следующим образом.

Измерительную часть устройства с исследуемым диэлектрическим покрытием (фиг. 1) помещают в вакуумную камеру, которую откачивают до давления остаточных газов, равного 10^-5 мм рт.ст. Включают электронную пушку и приводят в движение с помощью электромотора цилиндрический держатель образца.

Поверхность диэлектрического покрытия при периодическом прохождении зоны облучения электронами приобретает определенный потенциал. При перемещении покрытия относительно измерительного электрода в электрической цепи последнего возникает импульсный наведенный ток, амплитуда которого однозначно определяется величиной поверхностного потенциала исследуемого покрытия.

Зная амплитуду наведенного тока, по имеющейся градуировочной зависимости (фиг. 2) определяют искомое значение потенциала поверхности покрытия.

Испытание разработанного устройства производилось на промышленной установке УВН-2М-1. В качестве образцов диэлектрических покрытий использовалась фольга из сплава алюминия АМГ-6 толщиной 500 мкм, шириной 1 см, прошедшая предварительный отжиг в кислороде при температуре 400°С. При этом на ее поверхности формировался слой оксида алюминия толщиной 50 нм.

Вакуумная камера установки откачивалась до давления остаточных газов 10^-5 мм рт.ст. Источник электронов с прямонакальным вольфрамовым катодом позволял осуществлять облучение поверхности образцов покрытий электронами, ускоренными до энергий 10-1000 В при токе 0,1-0,5 мА.

Скорость вращения держателя образцов устанавливалась равной 600 об/мин. При этом амплитуда полезного сигнала составляла 10-100 мкА. Величина потенциала поверхности исследуемых образцов в зависимости от условий электронной бомбардировки изменялась в диапазоне 2-25 В.

Использование предлагаемого технического решения позволит получить экономический эффект за счет выбора оптимальной технологии изготовления диэлектрических покрытий и условий их эксплуатации.

Устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий, включающее неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока, исследуемый образец покрытия, расположенный на вращающемся цилиндре, выполненным из материала с высокой электропроводностью, в углублении в радиальном направлении и размещенный над ним измерительный электрод, при этом поперечные размеры измерительного электрода и ширина углубления для образца выполнены равными, расстояние электрод-образец составляет 0,1-0,2 мм, а скорость вращения держателя образца не менее 200 об/мин, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства и повышения точности измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий, над держателем образца на равном расстоянии от оси вращения с измерительным электродом расположен источник электронов, а измерительный тракт регистрации индуцированного переменного тока предварительно проградуирован с помощью дисковых элементов питания.