JPS5811595B2 - 高速プラズマエネルギ−分布測定装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

（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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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
。

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。

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。

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。

第３図に本発明の実施例を示す。

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。

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。

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。

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。

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。

（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）。

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）。

次に階段波が一段上がると上記の動作が繰返される。

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。

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。

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
。

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。

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
。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。