WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из Введения, 6 глав основного текста и Заключения.

Она содержит 197 страниц, в том числе 101 рисунков, 8 таблиц, библиографический список из 172 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели и задачи работы, кратко изложено содержание глав диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе описана установка “ГЕЛИС”, созданная в ЛЭВЭ ФИАН.

Установка “ГЕЛИС” представляет собой ускоритель ионов различных газов до энергии 50 кэВ и включает в себя:

• ионный источник (собственно ускоритель) c оборудованием, обеспечивающим его питание;

• систему фокусировки ионного пучка;

• вакуумную систему;

• диагностическую аппаратуру для измерения тока и энергии ионного пучка.

Общий вид установки представлен на рис. 1.

Рис. 1. Установка “ГЕЛИС”: 1 - ионный источник (дуоплазматрон); 2 электромагнитная линза; 3 - трехступенчатая камера дифференциальной откачки; 4 - измеритель тока пролетного типа; 5 - вспомогательный источник ионов; 6 - цилиндр Фарадея; 7 - камера экспонирования мишеней; 8 - устройство для калориметрического определения тока ионного пучка; 9 - электростатический анализатор; 10 - приемники анализируемых частиц; 11 - водоохлаждаемый держатель мишени; 12 - мишень; 13 - устройство подачи газа в вакуумную камеру; 14 - подложка; 15 - нагреватель подложек.

В установке “ГЕЛИС” в качестве ионного источника для получения непрерывного ионного пучка используется дуоплазматрон, который характеризуется малым разбросом энергий ионов, высокой газовой экономичностью (что очень важно при применении ценных газов) и относительно небольшой степенью модуляции ионного пучка.

Ускоренный до заданной энергии пучок ионов из ионного источника вводится в камеру экспонирования мишеней сквозь блок диафрагм камеры дифференциальной откачки вакуумной системы установки. Диаметр отверстий диафрагм и расстояние между ними выбираются из условий требуемого перепада давления рабочего газа между камерой экспонирования мишеней и ионопроводом. В качестве системы формирования ионного пучка используется фокусирующая короткая электромагнитная линза. Такая система формирования пучка препятствует уходу из пучка медленных электронов, которые образуются в ионопроводе в результате ионизации остаточного газа, что позволяет использовать механизм газовой компенсации объемного заряда ионного пучка для достижения большей плотности ионного тока на мишень. Наличие мощной трехступенчатой дифференциальной откачки вакуумной системы установки позволяет использовать для работы с пучком ионов как твердотельные, так и газообразные мишени.

Для анализа распределения ускоренных частиц по энергиям в установке используется электростатический анализатор в виде плоского конденсатора с углом ввода частиц 45°.Разрешение анализатора регулируется за счет изменения ширины щелей и может быть доведено до 510-5.

Для измерения тока пучка установка оснащена различными устройствами, и в зависимости от требований конкретного физического эксперимента может использоваться как бесконтактный магнитомодуляционный измеритель тока, так и комбинированный измеритель тока, способный измерять ток ионного пучка как электрическим, так и калориметрическим методом. Компоновка установки ГЕЛИС и ее параметры позволили провести на установке ряд экспериментальных работ по распылению, модификации поверхности и получению тонких пленок различных материалов.

Во второй главе описаны исследования, проведенные на установке c использованием метода ионно-лучевого распыления, результаты которых были использованы в различных областях науки и технике, в том числе и при создании новых детекторов ионизирующего излучения.

Развитие порошковой металлургии и появление композиционных материалов повлекло за собой активное изучение физических свойств этих материалов. Особый интерес вызывали исследования по изучению закономерностей ионного распыления и вторичной ионно-электронной эмиссии перспективных электродных материалов – композитов на основе меди с включениями эмиссионно-активной фазы (ЭАФ), в качестве которой использовался LaB6 или GdBB.

На установке ГЕЛИС при работе с пучком ионов азота были проведены исследования зависимостей коэффициентов распыления и кинетической ионно-электронной эмиссии композиционных материалов от содержания в них эмиссионно-активной фазы. Образцы из композиционных материалов на основе меди, содержащих включения LaB6 или GdB6, изготавливались методами порошковой металлургии в Институте проблем материаловедения Академии наук Украины. Для сравнения проводились измерения и с беспористыми образцами из меди марки М1 и LaB6, полученными методом горячего прессования. Измеренные значения коэффициентов распыления и кинетической ионно-электронной эмиссии для беспористых образцов меди и гексаборида лантана позволили оценить величины этих коэффициентов для композиционных материалов с различным содержанием LaB6 и сравнить их с экспериментальными данными.

Было показано, что наличие включений LaB6 или GdB6 в меди обеспечивает повышение коэффициента стойкости к ионной бомбардировке и ионно-электронной эмиссии композиционного материала. Сравнение данных оценок по формулам и полученных экспериментально, показало их удовлетворительное согласие. Исследования поверхности распыляемых мишеней показали, что при облучении литой меди выявляется ее блочная структура, что вызвано преимущественным распылением крупных зерен, менее стойких к ионной бомбардировке. При облучении образцов из горячепрессованного LaB6 распыление его поверхности было значительно более равномерным. Бомбардировка же композиционных материалов всегда сопровождалась образованием так называемых конусов. Причем если на медных образцах они сравнительно малы ( 10 мкм) и расположены фрагментарно (рис.2.а), то на образцах с включениями ЭАФ они наблюдаются на всей облученной поверхности и достигают 40 мкм в длину (рис.2. б, г). При этом торцы практически всех наблюдаемых конусов состоят из соответствующих боридов. Наличие в материалах включений ЭАФ, обладающих существенно меньшим коэффициентом распыления, чем медь, очевидно, стимулирует образование конусов за счет более интенсивного распыления окружающей их меди. В результате этого на вершинах конусов оказываются частицы боридов.

а б в г Рис. 2. Рабочие поверхности композиционных материалов на основе меди после ионного облучения; а – Cu (900); б, в – Cu – LaB6, г – Cu –GdB6 (500). Контраст сформирован вторичными электронами (а, б, г) и рентгеновским излучением La L (в). Стрелкой указан GdB6 (г).

Очень перспективным материалом для изготовления катодов является алмаз. Известно, что алмаз обладает отрицательным сродством к электрону, что делает его подходящим для использования в качестве катода полевой эмиссии. Материалы с низким порогом полевой эмиссии могут быть использованы в качестве эффективных катодов в различных электронных устройствах. Известны материалы на основе алмаза, у которых эмиссия происходит при низких напряженностях электрического поля, в частности, поликристаллические алмазные пленки, синтезированные методом осаждения из газовой фазы. Однако алмазные пленки высокого качества являются изолятором, в то время как эффективный алмазный эмиттер должен обладать достаточной электропроводностью.

На установке ГЕЛИС были проведены работы по созданию эмиттера из композиционного материала, представляющего собой зерна алмаза, связанные графитоподобным углеродом, полученным за счет термического разложения углеводородов. Обработка пучком ионов поверхности такого композиционного материала позволяет сформировать на ней острийную структуру из алмазов, поверхность которых под действием облучения ионным пучком аморфизируется на глубину пробега ионов, обеспечивая необходимую для эмиттера проводимость.

Исследования показали, что до обработки ионным пучком порог эмиссии электронов эмиттера при плотности тока эмиссии 10 мкА/см2 составляет В/мкм, а после бомбардировки ионами азота, формирующей острийную структуру на поверхности полевого эмиттера, эта величина уменьшается до В/мкм.

Результаты исследований эмиссионных свойств позволили заявить о создании композиционного материала с однородными эмиссионными свойствами по поверхности и возможности изготовления планарных полевых эмиттеров электронов большой площади.

Метод ионно-лучевого распыления может быть использован для получения пленок различных материалов, причем пленки, полученные методом ионно-лучевого распыления, чище пленок, получаемых другими методами напыления. Состав пленок, полученных при распылении многокомпонентных мишеней, не отличается (или незначительно отличается) от состава распыляемой мишени. В то же время возможен процесс селективного или преимущественного, распыления компонент.

На установке ГЕЛИС нанесение тонких пленок можно осуществлять при различных условиях конденсации вещества на подложке. Это позволило при осаждении пленок в атмосфере кислорода получить in situ высокотекстурированные пленки ВТСП состава YBCO. На метод и устройство получения пленок ВТСП был получен патент.

Пленки ВТСП, полученные этим методом, обладают повышенной плотностью (отсутствие микропор) и химической однородностью. На пленках, полученных этим способом, методом обычной фотолитографии были изготовлены элементы балометра (рис. 3) длиной свыше 1500 мкм и шириной 2 мкм, причем сверхпроводящие параметры пленки не изменились ни сразу после травления, ни спустя 8 месяцев.

Рис. 3. Фотография элемента балометра изготовленного на пленке YBCO.

В рамках программы по созданию Международного Экспериментального Термоядерного Реактора (ITER) на установке ГЭЛИС совместно с Институтом Физической Химии был проведен цикл исследований по захвату и накоплению изотопов водорода при переосаждении внешних по отношению к плазме материалов, которые будут использованы при создании вакуумной камеры термоядерного реактора.

Совместное осаждение изотопов водорода с внешними к плазме материалами представляет важную проблему безопасности для нового поколения термоядерных реакторов. От количества эрозионного материала и трития, удерживаемого в нем, будет зависеть суммарный запас трития в реакторе.

Графит и бериллий являются перспективными конструкционными материалами ITER. Поэтому изменения свойств совместно осаждаемых пленок этих материалов за время работы реактора, так же как и поведение удержания изотопов водорода в них, представляет огромный интерес.

Бериллий имеет очень сильное сродство к кислороду, поэтому определенное количество BeO будет всегда присутствовать в совместно осажденных пленках. На установке ГЕЛИС изучались процессы накопления дейтерия в графите и совместного осаждения дейтерия с оксидом бериллия при повышенных температурах. Образцы графита нагретые до температуры К подвергались бомбардировке ионами D2+ с энергией 16 кэВ, флюенс составил 8х1020 D/см2 (ионный поток на образец составлял 6х1016 D/см2сек, остаточное давление дейтерия в камере 0.004 Ра). Для определения содержания дейтерия в образцах использовался метод термодесорбционного спектроскопического анализа (ТДС).

Эксперименты по изучению накопления дейтерия в графите позволили оценить содержание трития в графитовых материалах будущего реактора ITER, которое может достигать 380 г на тону графита.

Для осаждения пленок ВеО на установке «ГЕЛИС» использовалась мишень из Ве, полученная горячим прессованием. Перепыляемый на нагреваемую подложку из вольфрама бериллий вступал в реакцию с остаточным кислородом, образуя пленку из окиси бериллия. Распыление мишени могло осуществляться как в вакууме, так и в атмосфере дейтерия. На подложку в процессе осаждения бериллия, подавался отрицательный по отношению к потенциалу мишени потенциал смещения. При этом поверхность растущей пленки подвергалась бомбардировке ионами дейтерия, которые образуются на пути пучка в камере в результате процессов ионизации. Максимальная энергия всех положительных ионов, бомбардирующих поверхность растущей пленки, определяется потенциалом подложки. Относительно высокое содержание дейтерия в полученных пленках BeO (около 0,2 для отношения D/BeO) было обнаружено даже при температуре подложки 800К.

Были проведены исследования пленок, полученных на установке ГЕЛИС при распылении смешанной мишени Be/C. Как показали исследования этих пленок, совместное осаждение атомов бериллия и углерода на подложку, находящуюся при температуре 600К в вакууме 10-4 Ра, ведет к росту кристаллитов оксида бериллия, встроенных в аморфную углеродную матрицу. Из этого следует, что в расчетах по накоплению трития в камере реактора необходимо учитывать захват трития в процессе осаждения смешанных Be-C-O пленок. Если для удаления трития из внутриреакторной поверхности будет выбрана процедура обработки поверхности нагревом на воздухе, то после того, как углерод из смеси осадка будет выветрен, на поверхности может образоваться BeO пыль, которая может содержать до ат. % водородных изотопов.

В третьей главе описаны принципы работы МСГК – первого представителя нового класса микроструктурных детекторов (МСД), способных работать при больших загрузках. Описаны проблемы, связанные с деградацией рабочих характеристик детектора, и методы их решений.

В 1988 г. А. Оэдом был создан позиционно-чувствительный детектор (рис. 4) с микростриповым (МС) анодом, который впоследствии (в 1993 г.) стал называться микростриповой газовой камерой (MСГК).

Рис. 4. Микростриповая газовая камера, 1988 г.

Использование МС-анода позволило реализовать газовый детектор с расстояниями между анодами, меньшими, чем в обычных МППК.

К МСГК как к прибору с высокой эффективностью при больших загрузках и высокой позиционной точностью был проявлен повышенный интерес, поскольку он соответствовал требованиям, которые предъявляли к позиционно-чувствительным детекторам будущие эксперименты на LHC (СERN).

В настоящий момент МСГК относят к новому классу микроструктурных детекторов (МСД). Этот класс газовых позиционно-чувствительных детекторов появился в результате использования для их создания микроэлектронных технологий. К таким приборам, кроме МСГК, относят газовые электронные умножители (ГЭУ), микрозазорные детекторы, микросеточные газовые детекторы и др. Основной их особенностью является разделение области дрейфа электронов первичной ионизации и области газового усиления при расстоянии между электродами в усилительной ячейке 10-100 мкм. Электроды усилительной ячейки изготавливаются методами литографии и располагаются обычно на диэлектрической подложке.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»