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JPS5811595B2 - High-speed plasma energy distribution measuring device - Google Patents
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JPS5811595B2 - High-speed plasma energy distribution measuring device - Google Patents

High-speed plasma energy distribution measuring device

Info

Publication number
JPS5811595B2
JPS5811595B2 JP51023661A JP2366176A JPS5811595B2 JP S5811595 B2 JPS5811595 B2 JP S5811595B2 JP 51023661 A JP51023661 A JP 51023661A JP 2366176 A JP2366176 A JP 2366176A JP S5811595 B2 JPS5811595 B2 JP S5811595B2
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JP
Japan
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circuit
probe
signal
voltage
sample
Prior art date
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Expired
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JP51023661A
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Japanese (ja)
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JPS52106772A (en
Inventor
雨宮宏
清水和男
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RIKEN
Original Assignee
RIKEN
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエネルギースペクトルを測定する装置に係るも
のであり、特にガス放電プラズマ中の電子のエネルギー
スペクトルを高速で決定するための装置に係るものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for measuring energy spectra, and more particularly to an apparatus for rapidly determining the energy spectrum of electrons in a gas discharge plasma.

ガス放電プラズマ中の種々の機構を知る上で電子のエネ
ルギースペクトルを決定することは基礎的なことであり
、そのための方法として従来トリベスタイン法に基礎を
置く交流重畳法が使用されてきた。
Determining the energy spectrum of electrons is fundamental to understanding various mechanisms in gas discharge plasma, and the alternating current superposition method, which is based on the Trivestein method, has been used as a method for this purpose.

一般に0〜50eV程度の低エネルギーのプラズマ中の
電子はプラズマ中に挿入されそして電圧を印加されたプ
ローブにより検出される。
Generally, electrons in a plasma having a low energy of about 0 to 50 eV are inserted into the plasma and detected by a probe to which a voltage is applied.

プローブの電圧電流特性は第1図に示す非線形な曲線で
表わされ、そしてプローブ電流1P(Vp)は次式で与
えられる。
The voltage-current characteristics of the probe are expressed by the nonlinear curve shown in FIG. 1, and the probe current 1P (Vp) is given by the following equation.

ここでe、mは電子の電荷と質量、sはプローブ表面積
、f(E)は求めるエネルギースペクトル関数であり、
EはエネルギーそしてVpはプローブ電圧(プラズマの
空間電位を基準としてプラズ電位より低い方向に正をと
る)である。
Here, e and m are the charge and mass of the electron, s is the probe surface area, and f(E) is the energy spectrum function to be sought.
E is the energy and Vp is the probe voltage (takes a positive value in the direction lower than the plasma potential with the plasma space potential as a reference).

(1)式をVpについて二階微分をとるととなり、1p
(Vp)の二階微分からエネルギースペクトル関数f(
E)が得られることが分る(トリベスタイン法)。
If we take the second derivative of equation (1) with respect to Vp, we get 1p
From the second derivative of (Vp), the energy spectrum function f(
It can be seen that E) can be obtained (Trivestein method).

プローブ電流ip、二陥微分エネルギースペクトル関数
f(B)の関 係を第1図に示す。
The relationship between the probe current ip and the two-fold differential energy spectrum function f(B) is shown in FIG.

この図から明らかなように、はf(B)と同一の変化の
様子を示す。
As is clear from this figure, shows the same change as f(B).

このトリベスタイン法を利用する交流重畳法においては
ある範囲で変化するプローブ電圧Vpに微小振幅の交流
電圧v(t)を重畳し、1p−Vp凸曲線非線形性のた
め生ずる歪波から二階微分に比例する周波数成分(例え
ば、v(t)=asinωtのときは2ωの成分)を検
出してエネルギースペクトルf(E)を求めている。
In the AC superposition method using this Trivestein method, an AC voltage v(t) of minute amplitude is superimposed on the probe voltage Vp which changes within a certain range, and the distorted wave generated due to the 1p-Vp convex curve nonlinearity is proportional to the second derivative. The energy spectrum f(E) is obtained by detecting the frequency component (for example, the 2ω component when v(t)=asinωt).

第2図はこの交流重畳法を実施する従来装置のブロック
図である。
FIG. 2 is a block diagram of a conventional device that implements this AC superimposition method.

Pはプラズマ中に挿入されたプローブ、1は階段波電圧
を発生するプローブ電圧発生器、2は微小振巾の交流電
圧を発生する交流電圧源であり、階段波電圧の各ステッ
プに微小振巾の交流電圧を重畳する。
P is a probe inserted into the plasma, 1 is a probe voltage generator that generates a staircase voltage, and 2 is an AC voltage source that generates an AC voltage with a minute amplitude, and each step of the staircase voltage has a minute amplitude. superimposes an alternating current voltage.

3はプローブ回路を流れるプローブ電流1p(t)のう
ちf(E)を表わす特定周波数成分のみを選択増巾する
増巾器であり、4は参照信号発生回路であって、非線形
回路、選択増幅器、移相器及び波形整形回路から成る。
3 is an amplifier that selectively amplifies only a specific frequency component representing f(E) of the probe current 1p(t) flowing through the probe circuit, and 4 is a reference signal generation circuit, which includes a nonlinear circuit and a selection amplifier. , a phase shifter and a waveform shaping circuit.

5は参照信号発生回路4からのサンプリングパルスに応
答して選択増幅器の出力を抽出保持するサンプラーであ
る。
Reference numeral 5 denotes a sampler that extracts and holds the output of the selection amplifier in response to the sampling pulse from the reference signal generation circuit 4.

従来、このサンプラー5の出力信号を積分回路で平滑し
て測定信号としていた。
Conventionally, the output signal of the sampler 5 was smoothed by an integrating circuit to obtain a measurement signal.

しかしながら、かゝる積分回路の使用は固有の時間遅れ
が存在する。
However, there is an inherent time delay in using such an integrating circuit.

一般に積分回路の時定数はS/N比の点から、被積分信
号の周期の数十倍以上に選ぶ必要がある。
Generally, the time constant of the integrating circuit needs to be selected to be several tens of times or more the period of the signal to be integrated from the viewpoint of S/N ratio.

一方積分回路の遅れ時間は時定数と同一のオーダとなる
On the other hand, the delay time of the integrating circuit is of the same order as the time constant.

したがって積分回路を採用するものでは高速性の上限が
積分回路の時定数で制約されることになる。
Therefore, in a device that employs an integrating circuit, the upper limit of high speed is limited by the time constant of the integrating circuit.

すなわち高速測定を実現しようとしてこれを短縮すると
著るしく信号対雑音比が低下するという不都合が生じた
That is, when this time is shortened in an attempt to realize high-speed measurement, there arises the problem that the signal-to-noise ratio is significantly reduced.

本発明は信号対雑音比を改善し、しかもプラズマ中の電
子のエネルギー分布を高速で測定することのできる装置
を提供することである。
An object of the present invention is to provide an apparatus that improves the signal-to-noise ratio and can measure the energy distribution of electrons in a plasma at high speed.

すなわち、本発明の装置においては、参照周波数信号か
らつくられるサンプリングパルスによって被検波信号を
各周期の最大振巾時刻で抽出することにより信号対雑音
比を改善し、さらにこの抽出した信号をデジタル量に変
換した後プローブ電圧の階段波の各ステップ毎にこのス
テップに重畳する交流信号の個数の加算平均値を得るよ
うにしてそれにより従来使用されている積分回路を排し
高速測定を可能としているのである。
That is, in the device of the present invention, the signal-to-noise ratio is improved by extracting the detected wave signal at the maximum amplitude time of each period using a sampling pulse generated from the reference frequency signal, and the extracted signal is converted into a digital quantity. For each step of the staircase wave of the probe voltage, the average value of the number of AC signals superimposed on this step is obtained, thereby eliminating the conventional integration circuit and enabling high-speed measurement. It is.

以下に添付図を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

第3図に本発明の実施例を示す。FIG. 3 shows an embodiment of the present invention.

この図においてP、1,2,3,5は第1図と同様の回
路、すなわち、プローブ、階段波電圧発生器、交流電圧
源、選択増巾器、サンプルホールド回路をそれぞれ示し
ている。
In this figure, P, 1, 2, 3, and 5 indicate the same circuits as in FIG. 1, that is, a probe, a staircase voltage generator, an AC voltage source, a selective amplifier, and a sample-and-hold circuit, respectively.

6は周波数てい倍回路(又は微小振巾交流電圧Vt=a
siω1t+bsinω2tの場合には混合回路)、7
は整形遅延回路、8はアナログテジタル変換器、9はア
キュムレータそして10は1.8゜9の各回路の動作を
制御する制御回路である。
6 is a frequency multiplier circuit (or minute amplitude AC voltage Vt=a
In the case of siω1t+bsinω2t, it is a mixed circuit), 7
1 is a shaping delay circuit, 8 is an analog-to-digital converter, 9 is an accumulator, and 10 is a control circuit for controlling the operation of each circuit of 1.8°9.

本発明による測定装置の動作を第4図を参照して説明す
る。
The operation of the measuring device according to the present invention will be explained with reference to FIG.

先ず階段波発生回路1の出力電圧(第4図a)に微小振
巾交流電圧源2からの微小交流電圧(第4図b)を重畳
しく第4図c)、これをプローブP1に加える。
First, a minute AC voltage from a minute amplitude AC voltage source 2 (Figure 4B) is superimposed on the output voltage of the staircase wave generating circuit 1 (Figure 4A), and this is applied to the probe P1.

他方交流電源2からの交流信号は、回路6及び7により
2倍周波数の信号(参照信号)に変換され(第4d)、
これを矩形波に変換後(第4図e)選択増巾器3の遅延
時間も考慮して第4図fに示すように時間τだけ遅らさ
れてさらに波形整形して巾の狭いサンプリングパルスと
される。
On the other hand, the AC signal from the AC power source 2 is converted into a double frequency signal (reference signal) by the circuits 6 and 7 (4th d),
After converting this into a rectangular wave (Fig. 4 e), taking into consideration the delay time of the selection amplifier 3, the waveform is further reshaped by a time τ as shown in Fig. 4 f, and a narrow sampling pulse is generated. It is said that

(第4図g)プローブの非線形特性によって生じるプロ
ーブ電流の歪波から特定の周波数成分のみを選択増巾す
る回路3の出力信号(第4図h)の最大振巾と同時点に
上記のサンプリングパルスを生じてサンプルホールド回
路5はこのサンプリングパルスに応答して選択増巾回路
3からの出力信号波形の最大値を抽出保持する(第4図
i)。
(Fig. 4 g) The above sampling is performed at the same time as the maximum amplitude of the output signal of the circuit 3 (Fig. 4 h) that selectively amplifies only a specific frequency component from the distorted wave of the probe current caused by the nonlinear characteristics of the probe. A pulse is generated, and the sample and hold circuit 5 responds to this sampling pulse to extract and hold the maximum value of the output signal waveform from the selective amplification circuit 3 (FIG. 4i).

このサンプルホールド回路の出力は、回路8によりデジ
タル量に変換された後アキュムレータ9において加算平
均される(第4図j)。
The output of this sample and hold circuit is converted into a digital quantity by a circuit 8 and then averaged by an accumulator 9 (FIG. 4j).

次に階段波が一段上がると上記の動作が繰返される。Next, when the staircase wave goes up one step, the above operation is repeated.

この結果階段波が一段づつ上昇するごとにアキュムレー
タ9からは各段について一段に重畳する交流信号の個数
だけの加算値が順次得られ、そしてこれらを平均したも
のが測定信号xとして得られる。
As a result, each time the staircase wave rises one step at a time, the accumulator 9 sequentially obtains additional values corresponding to the number of AC signals superimposed on one step for each step, and the average of these values is obtained as the measurement signal x.

第5図は測定結果の一例として本発明の高速プラズマエ
ネルギー分布測定装置による場合と従来装置による場合
とを対比して示している。
FIG. 5 shows, as an example of measurement results, a case using the high-speed plasma energy distribution measuring device of the present invention and a case using a conventional device in comparison.

従来装置では積分操作による遅延のためプローブ電圧を
正負両方向に掃引すると測定されるエネルギースペクト
ルにはずれが生じ、これに対して本発明の装置では積分
操作による遅延が存在しないためプローブ電圧を正負両
方向に掃引しても同一のスペクトルが得られるのである
In the conventional device, when the probe voltage is swept in both positive and negative directions due to the delay caused by the integral operation, the measured energy spectrum will be out of alignment.On the other hand, with the device of the present invention, there is no delay due to the integral operation, so the probe voltage can be swept in both the positive and negative directions. Even if the spectrum is swept, the same spectrum can be obtained.

既に述べたように、信号対雑音比の観点から被積分信号
の周期に対して積分回路の時定数は数十倍以上を必要と
する。
As already mentioned, from the viewpoint of the signal-to-noise ratio, the time constant of the integrating circuit needs to be several tens of times or more the period of the signal to be integrated.

このことは高速測定の測定速度の上限を決めているもの
でこれ以上の高速性は積分回路を使用する限り望めなか
ったのであるが本発明により積分回路の使用は排除され
、それによる高速性の上限は著しく高められたのである
This determines the upper limit of the measurement speed for high-speed measurements, and higher speeds could not be expected as long as an integrating circuit was used. However, the present invention eliminates the use of an integrating circuit, and thereby increases the speed. The upper limit has been significantly raised.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はプローブの電流電圧特性と、プローブ電流の2
階微分d2ip/dV2pとエネルギースペクトルの関
係を示す。 第2図は従来のプラズマ中の電子のエネルギースペクト
ルの測定装置を示す。 第3図は本発明によるプラズマ中の電子のエネルギース
ペクトルの測定装置を示す。 第4図は第3図の測定装置の各部の信号波形を示す。 第5図は従来装置と本発明の装置により測定したエネル
ギースペクトルを対比して示す。 P・・・プローブ、1・・・階段波発生回路、2・・・
微小振巾交流電圧源、3・・・選択増巾器、4・・・参
照信号発生回路、5・・・サンプルホールド回路、6・
・・周波数てい倍回路、7・・・整形遅延回路、8・・
・アナログデジタル変換器、9・・・アキュムレータ、
10・・・制御回路。
Figure 1 shows the current-voltage characteristics of the probe and the probe current
The relationship between the order differential d2ip/dV2p and the energy spectrum is shown. FIG. 2 shows a conventional apparatus for measuring the energy spectrum of electrons in plasma. FIG. 3 shows an apparatus for measuring the energy spectrum of electrons in plasma according to the present invention. FIG. 4 shows signal waveforms at various parts of the measuring device shown in FIG. FIG. 5 shows a comparison of energy spectra measured by the conventional device and the device of the present invention. P... Probe, 1... Staircase wave generation circuit, 2...
minute amplitude AC voltage source, 3... selection amplifier, 4... reference signal generation circuit, 5... sample hold circuit, 6.
... Frequency multiplier circuit, 7... Shaping delay circuit, 8...
・Analog-digital converter, 9...accumulator,
10... Control circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 階段波発生回路と微少交流電圧源とに接続されたプ
ローブ、このプローブに接続されプローブ電流の特定周
波数成分を選択増巾する回路、前記の微少交流電圧源に
接続され微少交流電圧から前記の特定周波数成分の参照
信号をつくり、この信号から前記の選択増巾回路の出力
信号の最大振巾と同期するサンプル信号をつくる回路、
この回路と前記の選択増巾回路に接続されているサンプ
ルホールド回路、このサンプルホールド回路に接続され
たアナログデジタル変換回路、この変換回路に接続され
、階段波の1ステツプにつき前記の選択増巾器から得ら
れる特定周波数成分の振巾を所定周波数について加算平
均するディジタルアキュムレータを備えたことを特徴と
する高速プラズマエネルギー分布測定装置。
1. A probe connected to a staircase wave generation circuit and a minute alternating current voltage source, a circuit connected to this probe to selectively amplify a specific frequency component of the probe current, and a circuit connected to the minute alternating voltage source to generate the minute alternating voltage from the minute alternating voltage. a circuit that creates a reference signal of a specific frequency component and creates a sample signal from this signal that is synchronized with the maximum amplitude of the output signal of the selective amplification circuit;
A sample and hold circuit connected to this circuit and the selective amplification circuit, an analog-to-digital conversion circuit connected to this sample and hold circuit, and a selective amplification circuit connected to this conversion circuit for each step of the staircase wave. 1. A high-speed plasma energy distribution measuring device characterized by comprising a digital accumulator that adds and averages amplitudes of specific frequency components obtained from a predetermined frequency.
JP51023661A 1976-03-04 1976-03-04 High-speed plasma energy distribution measuring device Expired JPS5811595B2 (en)

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JPS52106772A JPS52106772A (en) 1977-09-07
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6044994U (en) * 1983-09-03 1985-03-29 立川ブラインド工業株式会社 Electric blind lift stop device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6044994U (en) * 1983-09-03 1985-03-29 立川ブラインド工業株式会社 Electric blind lift stop device

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JPS52106772A (en) 1977-09-07

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