Способ определения показателя преломления конденсированного газа

 

Изобретение м.б. использовано в криовакуумной технике для исследования газовых потоков. Для повышения точности по предлагаемому способу монохроматическое излучение направляют нормально к поверхности подложки, а интерферограммы получают при интерференции пучков, отраженных от поверхности криоосадка и соответственно поглощающей и прозрачной подложке, охлажденных до одинаковой температуры , определяют начало координат, разность фаз f интерферограмм.а показатель преломления щ конденсированного газа определяют по формуле m K2-VK 4-tgV(ng + K) где П2 показатель преломления поглощающей подложки. К2 - показатель поглощения С/) поглощающей подложки. 2 з.п. ф-лы. 3 ил. f

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 N 21/45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

OllMCAH VIE VI3O6PETE НР54

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Кг—

Ю

-Ь 4

М (21) 4810370/25 (22) 04.04.90 (46) 23,03,92, Бюл, ¹ 11 (71) Государственный оптический институт им, С.И.Вавилова (72) А.Ф.Подкорытов, А.Д,Шнырев, О,Е.Яровников и M.Á.Æåëòoáðþx (53) 535.24 (088.8) (56) Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973, с. 207.

Олейников Л.М, и Глазунов В.Д. Установка для определения плотности криоосадков, Вопросы атомной науки и техники.

Сер. Общая и ядерная физика. —. M., ЦНИИТЭМ по атомной науке и технике, 1984, вып; ! (26); с. 10-16, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННОГО ГАЗА

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано в криовакуумной технике для определения оптико-физических свойств конденсированых газов, а также для исследования газовых потоков.

Потребности развития исследований в области космонавтики, ядерной энергетики, физики плазмы, разработки крупных сверхпроводящих устройств привели к созданию качественно новых вакуумных систем, в которых необходимый вакуум достигается с помощью криоохлаждения, По чистоте свободной от углеводородов атмосферы остаточных газов, низкому предельному-давлению с учетом возможно короткого времени откачки, высокой удельной

ЯЛ 1 721477 А1

{57) Изобретение м.б. использовано в криовакуумной технике для исследования газовых потоков. Для повышения точности по предлагаемому способу монохроматическое излучение направляют нормально к поверхности подложки; а интерферограммы получают при интерференции пучков, отраженных от поверхности криоосадка и соответственно поглощающей и прозрачной подложке, охлажденных до одинаковой температуры, определяют начало координат, разность фаз р интерферограмм,а показатель преломления п1 конденсированного газа определяют по формуле

С9Р где пг — показатель преломления поглощающей подложки. Kz — показатель поглощения поглощающей подложки. 2 з.п. ф-лы. 3 ил, быстроте действия, крионасосы превосходят все обычные высоковакуумные насосы.

При разработке или выборе наиболее предпочтительного способа криооткачки, а также повышения ее эффективности, необходимо учитывать оптико-физические свойства конденсирующихся газов.

Важнейшей характеристикой конденсированных газов является их плотность, Расчет плотности может быть произведен наиболее точно на основе показателя преломления конденсированного газа.

Точное значение показателя преломления дает возможность правильно определить скорость образования криоосадка и его структуру.

1721477

Известны способы определения показателя преломления прозрачной пленки на прозрачной подложке, основанные на регистрации интерференции, возникающей при сложении двух лучей, отраженных от поверхности пленки и подложки, например, способ Абелеса, включающий определение угла падения О р-поляризованного монохроматического света, при котором интенсивности пучков, отраженных от поверхности подложки -с пленкой и без пленки, будут равны, а показатель преломления пленки вычисляется из соотношения

tg О = n»/np, где nnn — показатель преломления пленки, no — показатель преломления подложки.

Недостатком такого способа является ограниченная область применения. Этот способ дает достаточно точный результат только в случае определения показателя преломления однородной пленки. Для конденсированного газа характерна неоднородная, столбчатая структура слоя, что необходимо учитывать при определении показателя преломления. Кроме того, этот способ трудно реализовать в криовакуумной технике из-за ограниченного рабочего объема камеры.

Наиболее близким к изобретению является способ определения показателя преломления конденсированного газа в криовакуумной камере, включающий направление на подложку с растущим криоосадком монохроматического излучения под разными углами; регистрацию интерферограмм двух отраженных пучков света, Показатель преломления определяется по соотношению:

inг ф — (— ) sin ф

1 (m2/m1) где ф1, 1/г — углы падения пучков света;

m1, гпг — количество минимумов на интерферограммах, соответствующих углам падения ф1 и 1/г за одинаковый промежуток времени, Недостатком способа является невысокая точность при определении показателя преломления слоев неоднородной структуры.

Целью изобретения является повышение точности определения показателя преломления конденсированных газов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения показателя преломления слоя конденсированного газа в криовакуумной камере, включающему направление монохроматического излучения на подложку с криоосадком и регистрацию интерферограмм, излучение направляют нормально к поверхности подложки, формируют интерферограммы со сдвигом фаз, определяют разность фаз ринтерферограмм, а показатель преломления п1 конденсированного газа находят по формуле

10 п1 Кг— (1) где п1, Кг — показатели преломления и поглощения поглощающей части подложки соответственно.

16 Записать интерферограмму со сдвигом фаэ можно различными путями. Например, путем интерференции излучения, отраженного от поверхности криоосадка и охлажденных до одинаковой температуры

20 поглощающей и прозрачной частей подложки.

Или интерферограммы со сдвигом фаз формируют путем интерференции излучений с длинами волн Л1 и Лг, отраженных от подложки выполненной прозрачной для Л1 и поглощающей для Лг, а сдвиг фаз р находят по формуле р= (— Л -Лг, х 62

d1 где d1 и бг — расстояния на интерферограммах от начала координат до первого минимума для Л1 и Лг соответственно.

Повышение точности стало возможным благодаря выбору в качестве измеряемой величины разности фаз двух интерферограмм. Эту разность фаз представляется возможным измерить в малый отрезок времени, за который практически не сказывается влияние изменения структуры криоосадка. Выбор в качестве измеряемой величины разности фаз накладывает жесткие условия построения интерферограммы, а именно параллельности падения излучения на образец в обоих случаях, Выбор математической обработки результатов измерения ставит условием строго определенное падение излучения на поверхность рабочего элемента, а именно нормальное падение, что, в свою очередь, приводит к дополнительному повышению точности за счет исключения влияния анизотропии растущего слоя криоосадка.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа определения показателя преломления конденсированных газов; на фиг. 2 и 3 — интерферограммы.

Устройство содержит камеру 1, подложку 2, окно 3, светоделительную пластину 4, источник 5 излучения, светоделительную

1721477 призму 6, приемники 7 и 8 излучения, уси- величину разности фаз р которая зависит лители 9 и 10 и самописец 11. от оптических постоянных подложки и пленНа фиг. 2 изображены интерферограм- ки. Интерференционная картина, пол чен— у щая растущей пленке ная от системы прозрачная подложка— лученна поглощающей подложке; 13 — соответст- пленка, необходима для определения начавующая растущей пленке на прозрачной 5 ла координат. По интерферограммам опреподложке; отрезок Л соответствует двум деляют величину р . Для этого измеряют точкам с одинаковой фазой; отрезок х сост- длину отрезка Л (фиг.2), что соответствует ветствует периоду интерферограммы. По точкамодинаковыхфаз. Разностьфаэопреоси абсцисс обозначено время Т, по Оси деляют из соотношения координат — интенсивность l. 10 2г

На фиг, 3 изображены интерферограм- х (2) мы: 14 — полученная при облучении i4 15— Определив таким образом величин;0 и у при z; б1, б2 — расстояние от зная значение оптических постоянных по— ичину;0 и начала координат до первого минимума для глощающей подложки, определяют значедлин волн Л1 и Я2 соответственно. 15 ние показателя преломления слоя

Способ осуществляется следующим об- конденсированного газа из выражения (1), Пример. В криовакуумной камере 1 с разом.

В криовакуумной камере создают необ- окном 3 размещена подложка 2, поверхходимое давление. В зависимости от соста- ность которой устанавливается перпендикува газа и структуры исследуемого слоя 20 лярно оптической оси окна 3. Для выбираюттемпературу подложки, охлажда- исключения колебания температуры поглоют ее до этой температуры и поддерживают щающей и прозрачной частей подло жки, н изменнои в течение всего рабочего они конструктивно выполнены s виде одной цикла изме ений, пластины селенида цинка, половина котороНа поверхность подложки направляют 25 го была покрыта пленкой золота и являлась потокисследуемогогаза,приэтомнаповер- поглощающей подложкой. Пластину из хности образуется слой криоконденсата. ZnSe охлаждают до необходимой темпе аД е нормально к поверхности рабочего туры. В качестве источника оптического израэлемента направляют два параллельных лучения был взят Не-Ne лазер с длиной пучка света Л1 и Л2: луч Л1 падает на погло- 30 волны излучения 0,63 мкм. Значение оптищающую подложку, а Л2 — на прозрачную. ческих постоянных золота для излучения траженные от рабочего элемента лучи Не-Ne лазера составляет: показатель преЛ) и Л) являются результатом сложения ломления п2=0,36, показатель поглощения двух лучей: луча, отраженного от растущего К2 = 2,19. Для упрощения конструкции излуслоя криоосадка, и луча, отраженного от по- 35 чателя в установке использован один источник излучения, а два параллельных луча подложки. получают делением пучка с помощью светоВ отраже отраженном от поглощающей подделительной пластины 6. Для регистрации

no®K луче света электромагнитная волна 40

40 электрическая схема, которая включает принЯет фазУ коле аний по отношению к емники 7 ч емники 7 и 9 оптического излучения, усилители 9 и 10 и самописец 11. мости от показателя поглощения подложки.

Если на поверх с и н поверхности подложки будет проОбъектом анализа является поток аргона, зрачная пленка, Отраженные От подлОжки и 45 Пе е н ч пленки лучи интерферируют. ИнтерференПеред началом исследования камеру 1 ционную картину можно зарегистрировать ч г откачивают до давления 10 то . Посл на самописце. В сл чае неп случае непрерывно измечего подложку охлаждают криоагентом. Даняющейся толщины плен ф онная картина представляет собой ки интер еренци поток аргона; на пове хн р; рхности начинает рагармонически з ен ю с кривую, ч р д, дложку облучают

50 сти слой к иооса ка, По ло лучами Л1 и Л2. Полученные при отражении ачной подложки отра оТ погло ae eA и и женная волна не изменяетсвоей ф . Е щ щеи и прозрачной подложек рф р ц онные картины регистрируют азы. сли инте е ен и женных лучей от систем прозрачная по - 5,,ь ложка — пленка и поглощающая подложка— пленка, причем толщина пленки в обоих - г 1 О ачной 13 случаях должна быть равна, то интерферог- ложках поглощающей (12) и и оз ачной 13 по Рог ложках, совмещены на одном рисунке. ич ются одна от другой лишь на

1721477 (3) Пр=

„, = /„г,пг (4)

1 г 1 - п3. (1-t)+(1+f) где пр — коэффициент преломления пленки при падении излучения вдоль оси цилиндров (нормально к поверхности); 30 п — коэффициент преломления пленки

n1— при падении излучения поперек оси цилиндров(параллельно поверхности); пм — показатель преломления криоосадка без пор (пустот); 35

f — часть объема пленки, занятая криоосадком.

Если конденсированный газ — аргон; nkp з.

= 1,3; р<о = 1770 кг/м; f = 0,7, то расчеты по формулам (3)-(5) показателя преломления 40 для разных направлений падения излучения дают пр = 1,218, пг = 1,199.

Для конкретного способа определения показателя преломления np =- 1,218, п =

=1,213. 45

На основе методики определения показателя преломления можно записать

m1Л югЛ

2п

50.(7) пр

Разность фаз определяют, используя вы ра жение (2).

Для этого измеряют длину отрезков Л и х, В этих случаях величина Л=

34,2 мм, а х = 51,9 мм. Для более точного 5 определения длины отрезков Л и х рекомендуется в качестве точек одинаковых фаз выбирать точки минимумов, Далее, используя выражение (1), по вычисленному значению разности фаз р и известным 10 значением оптических констант золота пг и

Кг определяют показатель преломления аргона n1 = 1,218.

Структура конденсированных газов зависит от условий их образования. Наиболее 15 вероятно появление столбчатой структуры, Для описания ее оптических свойств используют модель однородных цилиндров, разделенных вакуумом, ось которых совпадает с нормалью к поверхности: 20 и р п

Подставляя численные значения, пол- 55 учают л р = 1,19. Таким образом, абсолютная ошибка составляет 0,028; относительная ошибка 2,3 $.

Соответствующую ошибку в величине плотности криоконденсата рассчитывают из уравнения (3)

1 в np г (8)

1 — 40 а плотность криоконденсата р =р f.

Получают fop = 0,603, fpeaa = 0,7, pnp =

1067,3 кг/M, Îðeää = 1239 кг/M

Абсолютная ошибка составляет 171,6 кг/м . Относительная ошибка 13,8 Д.

Формула изобретения

1. Способ определения показателя преломления конденсированного газа в криовакуумной камере, включающий направление монохроматического излучения на подложку с криоосадком и регистрацию интерферограмм, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, излучения направляют нормально к поверхности подложки, формируют интерферограммы со сдвигом фаз, определяют разность фаз р интерферограмм, а показатель преломления п1 конденсированного газа находятся по формуле: где п1и Кг — показатели преломления и поглощения поглощающей части подложки соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интерферограммы со сдвигом фаз формируют путем интерференции излучения, отраженного от поверхности криоосадка и охлажденных до одинаковой температуры поглощающей и прозрачной частей подложек.

3, Способ по п.1, отличающийся тем, что интерферограммы со сдвигом фаз формируют путем интерференции излучений с длинами волн Л1 и Лг, отраженных от подложки, выполненной прозрачной для

ih и поглощающей для Лг, а сдвиг фаз р находят по формуле

p = р Л1 Лг) л С1г где d1 и dz — расстояния на интерферограммах от начала координат до первого минимума для Л1 и Лг соответственно.

1721477

1721477

Фиг. 2 ин

Составитель Ю. Гринева

Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончакова

Редактор Н. Рогулич

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 947 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5