CN110320191A - 原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置及方法，其中装置包括：光阑、静电透镜、样品控制台、光学透镜和光谱仪，离子束依次经过光阑、静电透镜后聚焦在设置于样品控制台上的样品表面，样品经离子束辐照激发出的光经光学透镜射入至光谱仪。本发明避免了传统研究方案样品辐照后辐照损伤的恢复以及二次测量对辐照损伤的破坏，实现离子辐照损伤光学特征的深度分布的原位表征。

Description

原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置及方法
技术领域
本发明属于离子辐照损伤技术领域，更具体的说是涉及一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置及方法。
背景技术
由于发光光谱超高的灵敏度(探测精度可达十亿分之一量级)，因此在现有的材料离子辐照损伤研究中，一种有效的测试方法即是通过测试材料的发光光谱(通常探测波段为紫外、可见及近红外波段)来表征辐照损伤的光学特征。常规的思路为先进行对材料进行不同条件下的离子辐照，随后利用光致发光(PL，采用激光作激发源)、阴极荧光(CL，采用电子束作激发源)等常见的测试方法进行光学特征测量。这类型研究方法属于离线分析测试方法，材料在离子辐照后的内部微观结构会有所恢复，且采用激光作为激发源时存在着激发波长受限的影响，无法表征能级差高于激光能量的缺陷结构；而采用电子束作为激发源则存在着二次激发的影响，会对原有的损伤结构造成破坏。因此，此类型研究方法获得的离子辐照损伤光学特征的准确性可能存在一定的问题。解决此类型离线分析测试方法的问题可采用离子激发发光法(Ion Beam Induced Luminescence，IBIL)的方法，直接采用进行离子辐照的离子束作为激发源，在离子辐照的同时测量发光光谱，从而实现离子辐照损伤光学特征的原位分析。
目前的离子激发发光分析获得的结果是离子入射范围内的所有缺陷的发光光谱，由于离子种类或者能量的差异，对应的核阻止本领和电子阻止本领存在明显的差异，使得离子损伤的深度分布并不均匀；温度等因素也会影响特定类型缺陷的迁徙和演变，造成离子辐照损伤深度分布的变化。
因此，如何提供一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置及方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置及方法，避免了传统研究方案样品辐照后辐照损伤的恢复以及二次测量对辐照损伤的破坏，实现离子辐照损伤光学特征的深度分布的原位表征。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，包括：光阑、静电透镜、样品控制台、光学透镜和光谱仪，离子束依次经过所述光阑、所述静电透镜后聚焦在设置于所述样品控制台上的样品表面，样品经离子束辐照激发出的光经所述光学透镜射入至光谱仪。
优选的，所述光阑与所述静电透镜间沿离子束传输方向依次设置有第一偏转电极、第二偏转电极。离子束通过第一偏转电极和第二偏转电极后，能够调节离子束的发散度，保证离子束的传输品质。
优选的，所述第一偏转电极采用四极偏转电极，所述第二偏转电极采用八极偏转电极，通过光阑、四极偏转电极、八极偏转电极、静电透镜后，可将离子束聚焦至纳米级宽度。
优选的，还包括CCD相机，所述CCD相机设置于所述离子束聚焦点的正上方。利用聚焦的离子束辐照样品控制台上的荧光材料，根据CCD相机观察到的荧光斑尺寸及位置信息，结合样品控制台的调节，确保离子束聚焦在样品表面。
优选的，所述样品控制台采用高精度可移动控制台，可实现样品控制台纳米级步长的移动，最小步长可达5纳米。
一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的方法，包括如下步骤：
(1)离子束经过光阑后，利用静电透镜将离子束进一步聚焦，获得纳米级宽度的离子束；
(2)调节样品控制台，确保离子束聚焦在样品表面；
(3)调节光学透镜的位置及角度，确保光谱仪光路的焦点与离子束在样品表面聚焦的焦点在同一位置；
(4)调节样品控制台使共聚焦点处于样品的不同深度，实现离子辐照损伤光学特征深度分布的原位表征。
优选的，所述光阑与所述静电透镜间沿离子束传输方向依次设置有第一偏转电极、第二偏转电极，离子束通过第一偏转电极和第二偏转电极调节离子束发散度，保证了离子束的传输品质。
优选的，所述步骤(2)中利用聚焦的离子束辐照样品控制台上的荧光材料，根据CCD相机观察到的荧光斑尺寸及位置信息，结合样品控制台的调节，确保离子束聚焦在样品表面。
优选的，所述步骤(3)中利用激光笔从光谱仪光纤接口处反向照射，利用光路的可逆性，根据CCD相机观察到的荧光斑尺寸及位置信息，调节光学透镜位置和角度，确保光谱仪光路的焦点与步骤(2)中离子束聚焦的焦点在样品表面同一位置。
本发明的有益效果在于：
本发明结构简单，操作方便，利用光阑、第一偏转电极、第二偏转电极以及静电透镜，将离子束聚焦至纳米级宽度；利用光学透镜聚焦荧光，通过调试使得聚焦离子束的焦点和光谱仪的焦点共于一个焦点，实现公共焦点处离子辐照损伤光学特征的测量，随后利用高精度的样品控制台实现样品纳米级步长的移动，从而实现样品不同深度的离子辐照损伤光学特征的原位分析。本发明利用原位表征技术避免了传统研究方案样品辐照后辐照损伤的恢复以及二次测量对辐照损伤的破坏；结合共聚焦原理，实现离子辐照损伤光学特征的深度分布的原位表征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的结构示意图。
其中，图中，
1-光阑；2-静电透镜；3-样品控制台；4-光学透镜；5-光谱仪；6-样品；7-第一偏转电极；8-第二偏转电极；9-CCD相机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1，本发明提供了一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，包括：光阑1、静电透镜2、样品控制台3、光学透镜4和光谱仪5，离子束依次经过光阑1、静电透镜2后聚焦在设置于样品控制台3上的样品表面，样品6经离子束辐照激发出的光经光学透镜4射入至光谱仪5。其中光阑1可根据需求的不同选用不同的口径，利用光阑1能够减小离子束束斑直径。
在另一种实施例中，光阑1与静电透镜2间沿离子束传输方向依次设置有第一偏转电极7、第二偏转电极8。离子束通过第一偏转电极7和第二偏转电极8后，能够调节离子束的发散度，保证离子束的传输品质。
在另一种实施例中，第一偏转电极7采用四极偏转电极，第二偏转电极8采用八极偏转电极，通过光阑1、四极偏转电极、八极偏转电极、静电透镜2后，可将离子束聚焦至纳米级宽度(大于5nm)。
本发明还包括CCD相机9，CCD相机9设置于离子束聚焦点的正上方。利用聚焦的离子束辐照样品控制台3上的荧光材料，根据CCD相机9观察到的荧光斑尺寸及位置信息，结合样品控制台3的调节，确保离子束聚焦在样品表面。
在另一种实施例中，样品控制台3采用高精度可移动控制台，可实现样品控制台3纳米级步长的移动，最小步长可达5纳米。
一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的方法，包括如下步骤：
(1)离子束经过光阑1后，利用静电透镜2将离子束进一步聚焦，获得纳米级宽度的离子束；
(2)调节样品控制台3，确保离子束聚焦在样品表面；
(3)调节光学透镜4的位置及角度，确保光谱仪5光路的焦点与离子束在样品表面聚焦的焦点在同一位置；
(4)同步开启离子束发射装置和光谱仪5，进行共聚焦点处样品辐照损伤光学特征的光谱采集，调节样品控制台3使共聚焦点处于样品6的不同深度，实现离子辐照损伤光学特征深度分布的原位表征。
在另一种实施例中，光阑1与静电透镜2间沿离子束传输方向依次设置有第一偏转电极7、第二偏转电极8，离子束通过第一偏转电极7和第二偏转电极8调节离子束发散度，保证了离子束的传输品质。
在另一种实施例中，步骤(2)中利用聚焦的离子束辐照样品控制台3上的荧光材料，根据CCD相机9观察到的荧光斑尺寸及位置信息，结合样品控制台3的调节，确保离子束聚焦在样品表面。
在另一种实施例中，步骤(3)中利用激光笔从光谱仪5的光纤接口处反向照射，利用光路的可逆性，根据CCD相机9观察到的荧光斑尺寸及位置信息，调节光学透镜4位置和角度，确保光谱仪5光路的焦点与步骤(2)中离子束聚焦的焦点在样品表面同一位置。
本发明结构简单，操作方便，利用光阑1、第一偏转电极7、第二偏转电极8以及静电透镜2，将离子束聚焦至纳米级宽度；利用光学透镜4聚焦荧光，通过调试使得聚焦离子束的焦点和光谱仪5的焦点共于一个焦点，实现公共焦点处离子辐照损伤光学特征的测量，随后利用高精度的样品控制台3实现样品纳米级步长的移动，从而实现样品不同深度的离子辐照损伤光学特征的原位分析。本发明利用原位表征技术避免了传统研究方案样品辐照后辐照损伤的恢复以及二次测量对辐照损伤的破坏；结合共聚焦原理，实现离子辐照损伤光学特征的深度分布的原位表征。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，其特征在于，包括：光阑、静电透镜、样品控制台、光学透镜和光谱仪，离子束依次经过所述光阑、所述静电透镜后聚焦在设置于所述样品控制台上的样品表面，样品经离子束辐照激发出的光经所述光学透镜射入至光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，其特征在于，所述光阑与所述静电透镜间沿离子束传输方向依次设置有第一偏转电极、第二偏转电极。
3.根据权利要求2所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，其特征在于，所述第一偏转电极采用四极偏转电极，所述第二偏转电极采用八极偏转电极。
4.根据权利要求1或3所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，其特征在于，还包括CCD相机，所述CCD相机设置于所述离子束聚焦点的正上方。
5.根据权利要求1所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的装置，其特征在于，所述样品控制台采用高精度可移动控制台。
6.一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)离子束经过光阑后，利用静电透镜将离子束进一步聚焦，获得纳米级宽度的离子束；
(2)调节样品控制台，确保离子束聚焦在样品表面；
(3)调节光学透镜的位置及角度，确保光谱仪光路的焦点与离子束在样品表面聚焦的焦点在同一位置；
(4)调节样品控制台使共聚焦点处于样品的不同深度，实现离子辐照损伤光学特征深度分布的原位表征。
7.根据权利要求6所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的方法，其特征在于，所述光阑与所述静电透镜间沿离子束传输方向依次设置有第一偏转电极、第二偏转电极，离子束通过第一偏转电极和第二偏转电极调节离子束发散度。
8.根据权利要求6或7所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用聚焦的离子束辐照样品控制台上的荧光材料，根据CCD相机观察到的荧光斑尺寸及位置信息，结合样品控制台的调节，确保离子束聚焦在样品表面。
9.根据权利要求8所述的一种原位分析离子辐照损伤光学特征深度分布的方法，其特征在于，所述步骤(3)中利用激光笔从光谱仪光纤接口处反向照射，利用光路的可逆性，根据CCD相机观察到的荧光斑尺寸及位置信息，调节光学透镜位置和角度，确保光谱仪光路的焦点与步骤(2)中离子束聚焦的焦点在样品表面同一位置。
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