Методика исследования взаимодействия плазмы с поверхностью на основе спектроскопии ионного рассеяния и установка для ее реализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Мамедов, Никита Вадимович

• Мамедов, Никита Вадимович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Мамедов, Никита Вадимович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Исследования взаимодействия плазмы с материалами для обращенных к плазме элементов термоядерных установок

1.1 Установки по исследованию взаимодействия плазмы ТЯР с материалами первой стенки

1.2 Методики анализа поверхности, основные на спектроскопии ионного рассеяния

1.3 Спектроскопия рассеяния медленных ионов (Low-energy ion scattering -LEIS)

1.4 Анализ толщины поверхностного слоя с помощью спектроскопии рассеяния ионов водорода и гелия кэвных энергий

1.5 Выводы к главе 1

ГЛАВА 2 Описание модернизированной установки Большой Масс-монохроматор МИФИ

2.1 Оценка длины свободного пробега ионов кэвных энергий с частицами остаточного газа при повышенных давлениях

2.2 Описание ионно-оптической системы

2.3 Встраиваемый малогабаритный источник плазмы

2.4 Вакуумная система установки

2.5 Мишенные устройства

2.6 Система автоматизации установки и программное обеспечение

2.8 Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 Определение элементного состава и толщины поверхностной пленки твердого тела при внешнем воздействии на поверхность

3.1 Исследование динамики поведения углерода и кислорода на поверхности материалов ОПЭ

3.2 Метод и результаты одновременного определения элементного состава и толщины пленки на поверхности

3.3 Влияние давления рабочего газа в камере взаимодействия на результаты диагностики поверхности с помощью спектроскопии ионного рассеяния

ГЛАВА 4 Применение созданной экспериментальной установки

4.1 Определение толщины ультратонкой фольги с помощью спектроскопии ионов водорода кэвных энергий

4.2 Сравнительный анализ конвертеров нейтральных частиц при абсолютно одинаковых условиях облучения

Заключение

Приложение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика исследования взаимодействия плазмы с поверхностью на основе спектроскопии ионного рассеяния и установка для ее реализации»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при создании первого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР большое внимание уделяется явлениям, сопровождающим взаимодействие плазмы с поверхностью окружающих плазму элементов (ОПЭ) реактора. Это связано с тем, что под воздействием потоков частиц и излучений, происходит их эрозия и изменение физических свойств. Кроме того, в результате распыления материалов плазма загрязняется, а в стенках накапливается тритий, количество которого ограниченно требованиями безопасности.

При диагностике взаимодействия плазмы с поверхностью именно регистрация изменения самой поверхности в процессе такого воздействия является наиболее сложной задачей. Например, в больших современных термоядерных установках, на взаимодействие одновременно влияет множество процессов, включая обмен веществом, зарядами и энергией между плазмой и стенкой. Как следствие, невозможно выделить и изучить физику какого-то процесса в отдельности. Это становиться возможным с использованием лабораторных установок, позволяющих промоделировать определенный процесс с известными и фиксированными параметрами облучения и получить информацию об изменении свойств поверхности при взаимодействии. Для моделирования используется либо низкотемпературная плазма в так называемых плазменных симуляторах, либо ионные пучки, при этом род и энергия частиц могут быть точно заданы, а поток частиц на поверхность измерен с достаточной точностью. Однако в существующих плазменных симуляторах анализ поверхности проводится, как правило, после окончания облучения, что не позволяет проследить динамику поверхностно-плазменного взаимодействия.

В данной работе для анализа поверхности непосредственно в процессе плазменного воздействия предложено использовать спектроскопию ионного рассеяния.

Цель диссертационной работы:

Целью данной работы является разработка установки, аппаратуры и методик для исследования взаимодействия плазмы с поверхностью при одновременном контроле элементного состава и толщины пленки на поверхности с помощью спектроскопии ионного рассеяния.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать экспериментальную установку, позволяющую воздействовать на поверхность плазменным/ионным облучением и одновременно проводить ее анализ с помощью спектроскопии рассеяния ионов низких и средних энергий.

2. Создать встраиваемый источник плазмы и её компонент для исследования in situ взаимодействия плазмы с поверхностью и совместимый с методикой ионного рассеяния.

3. Разработать аппаратуру и методики измерения энергетических спектров отраженных и выбитых из мишени ионов для одновременного определения ее элементного состава и толщины пленки на поверхности и проверить работоспособность аппаратуры и методик на некоторых типичных задачах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Компьютерно-управляемая установка, позволяющая определять с помощью „спектроскопии ионного рассеяния^ ионов элементный—состав-и-толщину пленки на поверхности в процессе плазменного воздействия при контролируемых условиях облучения.

2. Встраиваемый плазменный источник, позволяющий in situ исследовать с помощью ионного рассеяния взаимодействие плазмы и ее компонент с поверхностью твердотельных мишеней.

3. Методика исследования динамики поведения примесей углерода и кислорода на поверхности материалов со средним и большим атомным номером по отрицательно заряженным ионам отдачи при облучении ионами инертных газов.

4. Методика определения элементного состава и толщины пленки на поверхности по одновременно и независимо измеренным энергетическим спектрам отраженных ионов водорода и инертного газа.

Научная новизна

1. Создана новая установка, позволяющая определять с помощью спектроскопии ионного рассеяния элементный состав и толщину пленки на поверхности непосредственно в процессе плазменного воздействия.

2. Разработан малогабаритный плазменный источник на основе пеннинговского разряда, совместимый с методикой ионного рассеяния.

3. Впервые проведено исследование динамики изменения на поверхности вольфрама и нержавеющей стали примесей углерода и кислорода по их отрицательно заряженным ионам отдачи.

4. разработана (подтвержденная положительным решением на заявку о патенте) методика определения элементного состава и толщины пленки на поверхности по одновременно и независимо измеренным энергетическим спектрам отраженных ионов водорода и инертного газа.

Научная и практическая значимость:

Разработанные приборы, оборудование и методики могут найти применение

- в исследованиях по взаимодействию плазмы и ионных пучков с поверхностью материалов в задачах УТС,

- при исследовании элементарных процессов, сопровождающих взаимодействие плазмы с поверхностью,

- при калибровке аппаратуры для диагностики плазмы,

а также нашли применение:

при определении конверсионной способности конвертеров анализатора заряженных частиц прибора АРИЕС-Л космического аппарата «Луна-Ресурс»,

- в исследовании аналитических свойств фольговых конвертеров для корпускулярной диагностики импульсной лазерной плазмы в РФЯЦ ВНИИЭФ.

Апробация работы:

По результатам работы опубликовано 15 печатных работ, 4 из которых в реферируемых журналах, получен 1 патент:

1. Мамедов Н.В., Курнаев В.А. Модернизированная установка для исследования взаимодействия с поверхностью ионов с энергиями до 40КэВ // Краткие сообщения по физике ФИАН - Москва, 2010. №5, с. 45-48.

2. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Иванов Д.В., Синельников Д.Н.. Применение спектроскопии рассеянных ионов для анализа взаимодействия плазмы с поверхностью // Известия РАН. Серия физическая - Москва, 2012, том 76, № 6, с. 781-784

3. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Синельников Д.Н.. Способ определения элементного состава и толщины поверхностной пленки _твердого_тела_при^внешнем_воздействии на.поверхность (решение_о_выдаче патента по заявке № 2012132557 от 30.07.2012).

4. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Визгалов И.В., Синельников Д.Н.. Встраиваемый малогабаритный источник плазмы для ее исследования in situ

ее взаимодействия с поверхностью // Ядерная физика и инжиниринг -Москва, 2013, том 4, № 5, с. 436-442

5. Sinelnikov, D.N. ; Kurnaev,V.A. ; Mamedov, N.V. ; Popov, A.P. Emission of Negative Ions From Surfaces With High Emissivity // IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2013 Vol.:41,Issue:8,Part:2 p. 2113 - 2116

6. Мамедов H.B., Иванов Д.В., Курнаев B.A., Синельников Д.Н. Разработка спектрометрических методов диагностики эмиссии заряженных частиц с поверхности, ее состава и структуры под воздействием потоков ионов и плазмы // Тезисы докладов седьмой Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды». - Москва, 2010, с. 186-189

7. Мамедов Н.В, Курнаев В.А., Синельников Д.Н. Методика прецизионной идентификации ионов с примерно одинаковым отношением массы к заряду // Тезисы докладов 5-ой Всероссийской молодежной конференции «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики». Москва ,2011, стр.48

8. Алхимова М.А., Мамедов Н.В., Колодко Д.В. Моделирование в среде Comsol MPh распределение электрического и магнитного поля в плазменном источнике низкого давления // Тезисы докладов научной сессии МИФИ 2012 - Москва, 2012, Том 1, с.81

9. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Визгалов И.В., Синельников Д.Н., Алхимова М.А, Колодко Д.В. Встраиваемый малогабаритный источник плазмы // Тезисы докладов 15-ой конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью - Москва, 2012, стр. 76-79.

10. V.Kurnaev, K.Gutorov,_ N.Mamedov, - A.Popov, -D. -Sinelnikov, I.Vizgalov. Emission properties of PFCs under plasma and its components impact // Abstract of the 20th International conference «Plasma Surface Interaction» -Aachen, 2012, p.233

11. Иванов Д.В., Курнаев В.А., Мамедов Н.В., Синельников Д.Н. Модернизированная установка для исследования взаимодействия плазмы с поверхностью // Тезисы докладов научной сессии МИФИ 2011 - Москва , 2011, Том 1, с.74

12. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Синельников Д.Н., Труфанов Д.А. О возможности одновременного определения элементного состава и толщины пленки на поверхности // Тезисы докладов 16-ой конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью - Москва, 2013, стр. 83-87

13. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Синельников Д.Н., Труфанов Д.А. Испытание макета конвертера нейтральных частиц прибора Ариес-JI // Тезисы докладов научной сессии МИФИ 2013, Москва, 2013, Том 1, с.77

14. Н.В. Мамедов,В.А. Курнаев,.Н. Синельников, Д.В Колодко, Д.А. Труфанов, Конверсионная способность материалов конвертера для прибора «Ариес-Л»// Тезисы докладов 21-Ой конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» - Ярославль, 2013, том 1, стр. 336-339

15. Гриднева Е.А., Курнаев В.А., Коборов H.H., Мамедов Н.В. Корпускулярная диагностика плазмы по нейтралам перезарядки // Лабораторный практикум «Методы генерации и диагностики плазмы» -Москва, 2008, с. 176-206

Основные результаты доложены на:

1. 7-ой Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 2011),

2 .____ 3-ей и___5лОЙ____Всероссийской- -молодежной- конференции

«Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва 2009, 2011),

3. 20-ой и 21-ой международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью-2011» (Звенигород, 2011; Ярославль, 2013),

4. 15-ой и 16-ой конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью» (Москва, НИЯУ МИФИ 2012,2013),

5. 13-ой, 14-ой и 15-ой научных сессиях НИЯУ МИФИ (Москва, 2011,2012, 2013),

6. 20-й международной конференции «Plasma surface interactions in controlled fusion devices» (Aachen, 2012)

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа содержит 140 страниц текста, включая 84 рисунка, 9 таблиц. Список литературы включает 91 наименование.

Личный вклад автора

Результаты, описанные в работе, получены соискателем самостоятельно, либо с соавторами. Радикальная модернизация экспериментальной установки, ее дооснащение, включая сборку, наладку всех узлов, написание программ по автоматизации управления осуществлены автором самостоятельно. Проведение экспериментов, обработка полученных данных, разработка метода интерпретации полученных спектров с помощью моделирования в коде SCATTER получены на паритетной основе с соавторами.

ГЛАВА 1 Исследования взаимодействия плазмы с материалами для обращенных к плазме элементов термоядерных установок

Исследования по осуществлению управляемого термоядерного синтеза ведутся с начала 50-х годов XX века. Для демонстрации возможности длительного (~500с) горения при температуре Т~10кэВ дейтерий- тритиевой смеси в Кадараше (Франция) строится первый международный экспериментальный реактор ИТЭР. Однако, остаются открытыми целый ряд вопросов о взаимодействии плазмы термоядерного реактора (ТЯР) с материалами первой стенки.

Основными кандидатными материалами первой стенки ИТЭР (см. рис. 1.1) являются: бериллий - как покрытие первой стенки, вольфрам как материал приемных пластин дивертора и СС-композит как часть дивертора, испытывающая наибольшие тепловые нагрузки при срывах. Однако исследования показали, что осталось большое число неясных вопросов. Это связано с образованием смешанных слоев из указанных выше материалов и отсутствием информации об их свойствах по отношению к захвату трития, распылению и тепловым нагрузкам. Поэтому существовали предложения о возможности перехода к одному материалу (например, вольфраму), либо, наоборот, к материалу с малым атомным номером.

Все это говорит о том, что изучение взаимодействия плазмы ТЯР со стенкой является самым важным моментом на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Как известно, процессы взаимодействия плазмы с поверхностью конденсированных сред самосогласованны, так как воздействие плазмы существенно модифицирует свойства_поверхности, а последние-влияют—на— - -параметры пристеночного, эмитирующего слоя плазмы. Кроме того, такая диагностика достаточно сложна для адекватного описания процессов, так как имеет дело с неравновесными приграничными слоями плазмы и поверхности

твердого (жидкого или иного конденсированного) тела. Например, в больших современных плазменных установках - линейных симуляторах, моделирующих процессы в термоядерном реакторе, на эффекты взаимодействия одновременно оказывают влияние множество процессов: захват и отражение частиц первой стенкой, обмен веществом между плазмой и стенкой, распыление обращенных к плазме материалов термоядерного реактора (ТЯР), эрозия и деградация обращенных к плазме элементов конструкции.

Рис. 1.1 Поперечный размер реактора ИТЭР (красный - углерод 55м ,

О "У

зеленый - вольфрам 140 м , синий - бериллий 690м )

1.1 Установки по исследованию взаимодействия плазмы ТЯР с материалами первой стенки

В лабораторных установках для исследования взаимодействия плазмы ТЯР с поверхностью анализ поверхности после плазменного воздействия осуществляется, как правило, post mortem путем перемещения образца в

специальную сверхвысоковакуумную камеру, оснащенную методиками анализа поверхности, включая Оже-электронную спектроскопию, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, вторично-ионной масс-спектроскопии, спектроскопия рассеяния медленных ионов и т.д., поскольку для изучения поверхности необходимы сверхвысоковакуумные условия, когда в процессе анализа на поверхности не происходит заметной сорбции остаточного газа и других примесей. Именно так производится анализ поверхности после плазменного воздействия на широко известной установке PISCES [1] в США или на сооружаемой в настоящее время крупнейшей европейской установке MAGNUM PSI [2].

На установке PISCES (см. рис. 1.1.1) проводятся исследования распыления и транспорта углерода в плазме [3], роста углеродных пленок [4],

Рис. 1.1.1 Вид сверху установки Р18СЕ8-В [1]: 1- главная камера; 2-системы диагностики (сканирующий зонд Ленгмюра, оконца для оптической диагностики и инфракрасный пирометр); 3- камера для анализа поверхности исследуемых материалов; 4- транспортная система и вакуумный шлюз; 5-источник плазмы; 6- система ввода С04.

турбулентных процессов [5], дуговых и тлеющих разрядов [6], явления «отрыва плазмы», разрабатываются новые методы диагностики плазмы [7]. Также осуществляются исследования по разработке методик удаления углеводородных пленок с поверхности материалов с помощью тлеющих и дуговых разрядов [8]. С помощью системы перемещения образцов внутри установки и вакуумного шлюза (4) исследуемые образцы передвигаются в специальную аналитическую камеру (3) без напуска атмосферы. Таким образом, анализ поверхности производится практически сразу после завершения облучения с помощью Оже-спектроскопии, рентгеновской спектроскопии или вторично-ионной (нейтральной) масс-спектроскопии.

В новом линейном плазменном симуляторе Magnum-PSI (см. рис. 1.2.1), который создан в Голландии [9], также как на симуляторе PISCES- В установлена отдельная сверхвысоковакуумная (UHV) аналитическая камера. Причем образец, установленный на 5-ти метровом манипуляторе (см. рис. 1.4), проходит через два вакуумных шибера, прежде чем попасть в эту камеру. Исследование поверхности образцов осуществляется с помощью термодесорбционной спектроскопии (TDS), инфракрасной спектроскопии, вторично-ионной масс-спектроскопии (SIMS), лазерной масс-спектрометрии нейтральных атомов (LSNMS), мониторинга эрозий и осаждений (EDM) и т.д. [10],[11]. Дальнейший анализ облученных мишеней происходит на других аналитических установках, при этом образцы транспортируют в специальных вакуумных боксах - эксикаторах. После чего поверхность мишени исследуется с помощью сканирующего туннельного микроскопа, вторично-электронного микроскопа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии [_11].„Помимо_этого в- данной—установке- существует— набор- — — диагностик, позволяющий изучать модификацию поверхности в реальном времени. Однако, из-за условий эксперимента, возможно применение только

оптических методов для фотографирования поверхностных изменений во время разряда [12].

Рис. 1.1.2 Схема установки Magnum-PSI [2]

В тоже время на установке PSI-2 проводится изучение химической эрозии, механизмов роста углеводородных пленок [13], процессов переноса и транспорта частиц в плазме вблизи поверхности [14]. Для анализа поверхностных пленок С-Н, образующихся при взаимодействии с плазмой, используются два различных метода [15] (см. рис 1.1.3):

• Ex-situ анализ спектрального распределения отраженного света в видимом диапазоне (спектрометр Lambda 900);

• In-situ анализ спектрального распределения отраженного света галогеновой лампы с использованием системы ОМА (спектрограф Spectra-Pro 750 и ПЗС матрица).

drift region

Рис. 1.1.3 Схема установки PSI- 2 [ 13]

В обоих случаях толщина С-Н слоя находится по сдвигу минимума в отражательной способности [16], для этого должны быть известны показатели преломления этих пленок. Поэтому сначала определяется толщина нескольких калибровочных образцов с помощью атомно-силового микроскопа, а затем указанными выше оптическими методиками, измеряются нанесенные на подложки С-Н слои. Однако такой метод in-situ анализа применим только для пленок определенного состава с заранее известными оптическими характеристиками.

Следует также отметить установку с интересным названием аббревиатурой DIONISOS (Dynamics of Ion Implantation and Sputtering of Surfaces) [17], [18]. Поскольку идея анализа поверхности непосредственно во время облучения плазмой, реализованная на установке DIONISOS, близка к методике, описанной в диссертации, остановимся на ней более детально.

Эта установка позволяет осуществить плазменное воздействие на различные материалы с одновременным и не разрушающим поверхность анализом по глубине с помощью метода ядерных реакций (NRA), спектроскопии упруго выбитых частиц (ERD), спектроскопии обратного

резерфордовского рассеяния (ЯВБ), анализа индуцированного частицами ренгеновкого излучения (Р1ХЕ).

На рис. 1.1.4 представлена схема данной установки, состоящей из 3 основных частей:

1) камеры взаимодействия, включающей в себя держатель образцов, систему охлаждения и т.д.;

2) геликонного источника плазмы;

3) ионного ускорителя, использующегося для диагностики мишени.

Держатель мишени имеет специальные крепления, позволяющие

устанавливать образцы разной формы и размеров. Мишени устанавливаются на охлаждаемой медной пластине, которая расположена около «вакуумной дверцы» на задней части камеры обеспечивающей легкий доступ внутрь камеры. Однако, в установке может быть смонтирована только одна мишень и не предусмотрена шлюзовая камера, поэтому при замене образца происходит полное ее развакуумирование. Мишень гальванически развязана с корпусом установки и на нее может быть подано напряжение смещения до 600 В. Образцы могут быть нагреты до 800 К. Плазма в установке БЮ№808 создается геликонным источником плазмы, при этом давление нейтрального газа для дейтериевой плазмы составляет от 0,3 до 1 Па. Плотность потока

дейтериевой плазмы и электронная температура, измеренная зондом

20 2 1

Ленгмюра на расстоянии 10 см от мишени, составляет 10 м" -с" и 6 эВ соответственно. Тандемный ускоритель ионов позволяет получать для анализа поверхности ионные пучки с энергиями до 10 МэВ с разбросом ~1кэВ и током до 100 мкА. С помощью электростатических пластин и магнитной шшзы ионный пучок перемещается вдоль и поперек мишени—На-установке отсутствуют диафрагмы перед входом диагностического пучка в камеру взаимодействия, поэтому вся поверхность образца может быть облучена диагностическим пучком. Регистрация продуктов реакции (в

методе ядерных реакций) и отраженных частиц (в методе обратного рассеяния) осуществляется с помощью твердотельного детектора заряженных частиц. Полученные спектры сравниваются со спектрами, полученными с помощью компьютерного моделирования в коде 81М№Ъ\ [19].

При одновременном воздействии аналитического пучка и плазмы на поверхность большая разница в энергиях ионного пучка и ионов плазмы позволяет детектировать их независимо друг от друга. При давлении 0,3-1 Па пучок ионов с энергией порядка 1МэВ практически не взаимодействует с нейтральным газом в камере взаимодействия, т.к. его тормозной путь при концентрации рабочего газа в камере взаимодействия Ю20 м"3 больше 1 км. В то время как атомы, распыленные с образца, пройдут несколько сантиметров свободного пути (т.к. их энергия порядка эВ), и будут ионизованы в плазме разряда и заново осаждены на поверхность. Для корректировки искажения траектории аналитического ионного пучка из-за наличия продольного

магнитного поля плазменного источника установлены электростатические пластинки.

Так, например, в работе [17] исследовался захват дейтерия в молибден

21 2

при потоке плазмы 1,8-10 част./(м с), напряжении смещения ~100 В и температуре плазмы 5 эВ. Эксперименты показали, что с помощью метода ядерных реакций возможно наблюдать динамику изменения концентрации дейтерия в глубине образца до 5 мкм в процессе плазменного воздействия.

Также интересна трехпучковая установка, представленная на рис. 1.1.4 ВОМВARDINO [20]. Её создатели занимаются исследованиями эффектов, происходящих при одновременной бомбардировке поверхности ионами, полученными из газообразной или твердой фазы. Изучаются синергетические эффекты, которые значительно влияют на динамику распыления и состояние поверхности. Имитируются процессы, происходящие с вольфрамовым дивертором термоядерной установки, а именно: поверхностной эрозии, внедрения и осаждения падающих ионов (С, О, Н). Используя данную установку можно получить информацию об изменениях состава образца в течение всего эксперимента, в то время как простое измерение изменения веса образца даст только интегрированную информацию. В экспериментах происходила одновременная бомбардировка двумя разными ионными пучками с энергиями от 0,5 до 10 кэВ. Дополнительно аналитический пучок, источником которого является тандемный ускоритель (с энергией ~1МэВ) в Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik (Гархинг, Германия), нацеливался на центральную часть облучаемого пятна для одновременного анализа (с помощью обратного резерфордовского рассеяния, рентгеновской спектроскопии- излучения,—индуцированного—протонами). Распыляющий - — ионный пучок инициализируется на цезиевом источнике, способный производить широкий сректр отрицательно заряженных ионов с энергиями от 0,5 до 15 кэЗ с разброс по энергиям не более 20 эВ. После ускорения

пучок проходит через 30° магнитный масс-сепаратор (массовое и энергетическое разрешение порядка 0,03) , что позволяет разделить тяжелые элементы от примесей (например, вольфрам с атомной массой 184 от карбида вольфрама \№С с атомной массой 192 или углерод С с атомной массой 12 от углеводорода СН с атомной массой 13). Распыляющая ионная система позволяет получить ионный поток достаточно высокой интенсивности для многочасового эксперимента.

Рис. 1.1.4 Схема двухпучковой установки ВотЬагсНпо для одновременного облучения поверхности ионами газообразных и твердых элементов {20].

Установка также позволяет независимо наблюдать динамику процессов

напыления и внедрения, профилироватьглубину разныхчастиц « материале ----

и определять их концентрацию. Возможность наблюдения за соосаждением частиц углерода и водорода - важная особенностью этой двухпучковой системы. Причем не только облучением поверхности радикалами метана СНЗ

(недостатком данного метода является то, что он ограничен соотношением С к Н как 1:3 и энергии обоих элементов зависят друг от друга), но и бомбардировкой образца ионами водорода и углерода одновременно и независимо друг от друга. Использование данной установки в анализе тонких пленок позволяет избежать низкой точности измерений и увеличить разрешающую способность, в отличие от метода измерения потери веса образца.

Однако спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния требует применения дорогостоящих ускорителей, а значит и возникновение всех проблем, связанных с их эксплуатацией. При этом разрешение по глубине, определяемое энергетическим разрешением детектора, может составлять величину в несколько десятков или сотен нанометров, что в некоторых случаях недостаточно. Как показали исследования на линейном симуляторе ПР-2 [70], тонкая (предположительно 4-10 нм) оксидная пленка на поверхности алюминиевого электрода значительно повышает его эмиссионную способность, поскольку не только повышается коэффициент вторичной эмиссии, но и создаются условия для возникновения эмиссии на поверхности метал-диэлектрик. Таким образом, увеличивается обмен частицами между плазмой и поверхностью при протекании тока через контакт, плазма-поверхность,, что способствует образованию л развитию токовых неустойчивостей. Такие неустойчивости нежелательны, поскольку усложняют контролирование параметров плазмы. Определение толщины пленки после плазменного воздействия осуществлялся «post mortem» в аналитической __камере электронно-зоддового рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). Однако на поверхности-алюминия при контакте с атмосферой образуется естественный слой оксида алюминия с толщиной в ^рколько нанометров. Поэтому необходимо исследовать элементный состав и толщину поверхностных пленок (в пределах нескольких нанометров) _во

время плазменного облучения или сразу после него без выноса образца на атмосферу.

1.2 Методики анализа поверхности, основные на спектроскопии ионного рассеяния

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мамедов, Никита Вадимович, 2013 год

Литература

1. D.M.Goeble, G.Campbell, R.W.Conn Plasma surface interaction experimental facility (PISCES) for material and edge physics studies// J. Nucl. Mater.- 1984 -№121- p. 277

2. J.Rapp // Design criteria and status of MAGNUM -PSI // Proc.International workshop on requirements for next generation PMI stands in fusion research, Oak Ridge, USA, August 31-September 2, (2010)

3. DG Whyte, GR Tynan, RP Doerner, JN Brooks // Investigation of carbon chemical erosion with increasing plasma flux and density Nuclear fusion v.41 (2001), p. 47- 54.

4. O.I. Buzhinskij, V.G. Ostroshchenko et al // Plasma deposition of boron films with high growth rate and efficiency using carborane //. J. Nucl. Mater. V.313-316, (2003), p.216-220.

5. G.Y. Antar, S.I. Krashennikov et al // Experimental evidence of Intermittent Convection in the Edge of Magnetic Confinement Devices.// Phys. Review Letters, v. 87, n. 6, ( 2001), p. 065001-1 065001-4

6. E.M. Hollman, A.Yu. Pigarov // Measurement and modeling of molecular ion concentrarions in a hydrogen reflex-arc discharge// Physics of Plasmas, V. 9, Issue 10, (2002), p4330

7.. A. Liebscher, S.C. Luckardt and G. Antar. // A fast phosphor imaging diagnostic for two-dimensional plasma fluctuation measurements// Review of Scientific Instruments, Rev. Sci. Instrum. V.72, (2001), p.953-956.

8. Kendall J. Hollis, Richard G. Castro and others // The removal of co-deposited carbon/deuterium films from stainless steel and tungsten by transferred-arc cleaningT// Fusion Engineering and Design, v.55 (200l-)rp;437-447;---

9. V. Veremiyenko, R. P. Dahiya , Zahoor Ahmad et al. High Flux of Magnetised Plasma in Magnum-psi // ECA Vol. 26B, P-2.025 (2002)

10. A.W. Kleyna et al. Plasma-surface interaction in ITER, Vacuum, Vol. 80, Issue 10, P. 1098-1106, (2006)

11. http://www.differ.nl/node/255

12. S. Roke, A.W. Kleyn, M. Bonn, Surf Sci, Vol. 593, p. 79-88, (2005)

13. W. Bohmeyer, G. Fussmann and others, Formation of Hydrocarbon Films in the Plasma Generator PSI-2 // 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., vol. 27A (2003), P-3.184

14. W. Bohmeyer, D. Naujoks and others, Transport and Deposition of Injected Hydrocarbons in the Plasma Generator PSI-2 // Journal of Nuclear Materials. 2005. T. 337-339. № 1-3 SPEC. ISS. P. 89-93.

15. G. Fussmann , W. Bohmeyer, H.-J. Mans, A. Markin D. Naujoks and H.-D. Reiner, Construction and Testing of Divertor Liner Components, Art. 5.1 Task Number T 436 (Hot Liner), 2002

16. Hecht, E.: Optik. Oldenburg Verlag 1998.

17. G.M. Wright, D.G. Whyte, B. Lipschultz, R.P. Doerner, J.G. Kulpin Dynamics of hydrogenic retention in molybdenum: First results from DIONISOS, J. Nucl. Mater., 363-365 (2007), p. 977-983

18. G.M. Wright, D.G. Whyte B. Lipschultz ; Measurement of hydrogenic retention and release in molybdenum with the DIONISOS experiment; Journal of Nuclear Materials Volumes 390-391, 15 June 2009, Pages 544-549

19. www.home.rzg.mpg.de/~mam/

20. I.Bizyukov, K.Krieger ; Review scientific instruments; Volume 77 ; 2006,p. 043501-1 "043501-10

21. Курнаев B.A., Машкова E.C., Молчанов В.А. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела, М. Энергоатомиздат, (1985), 192с

22. Курнаев В.А., Трифонов Н.Н., М.Н.Дроздов, Салашенко Н.Н. //Письма в ЖТФ, т.25 вып.11 ,1999

23. М.И. Рязанов, И.С. Тилинин, Исследования поверхности по обратному рассеянию частиц, М.:Энергоатомиздат,1985

24. Г.И. Жабрев, Электронные и ионные пучки в методах анализа сверхпроводящих соединений, М.:МИФИ, 1989

25. J.R. Bird and J.S. Williams, Ion Beams for Materials Analysis, (Academic Press Australia, 1989)

26. Brett W. Busch, Metal and alloy surface structure studies using Medium-Energy Ion Scattering, New Brunswick, New Jersey, (May, 2000)

27. D.O. Booerma; Nuclear instruments and methods in physics research; B183, 73-87; 2001

28. Brongersma H.H., Draxler M., de Ridder M., Bauer P. ; Surface Science Reports; volume 62; p. 63-109; 2007

29. Brongersma H.H, Buck T.M., Nuclear Instruments and Methods, volume 149,p.569-575, 1978

30. Armour D.G., Van den Berg J.A. , Vacuum , volume 31, number 6, p.259-270, 1981

31. M.P. Murrell; Vacuum; Volume45, 773-781; 1994

32. Tromp R.M. , Loeven E.J. , Jwami M., Smeenk R.G. , Saris F.W., Nava E., Ottaviani G. - Surface Sci., 1983, vol. 124, p. 1-25

33. V.A. Kurnaev, N.N. Trifonov, M.N. Drozdov, N.N. Salashchenko // On the possibility of the in situ growth control and nondestructive depth profiling of ultrathin multilayer structures using keV hydrogen ions, Vacuum 56, (2000), p. 253-255

34. Terzic, N.Bundaleski, Z.Rakocevic, N.Oklodzija, J. Elzar ; Review of scientific instruments; Volume7 Г,"Number 11У2000, p.4195-4200

35. M.Kolibal , S.Prusa, P. Babor, T.Sikola; Surface science; 566-568, 885-889; 2004.

36. A. Zhuravlev, H.Yamamoto, K.Shimura, K.Yamaguchi, S.Shamoto, K.Hojou, T.Terai ; The solid films; v. 515, (2007) , p.8149.

37. F. Shoji; Vacuum; v. 53, (1999), p.459-464.

38. M.Muroga, H.Suzuki, H. Udono, I.Kikuma, A. Zhuravlev, K.Yamaguchi, H.Yamamoto, T.Terai; Thin Solid Films, v.515 (2007), p. 8197

39. Курнаев B.A., Мамедов H.B. Модернизированная установка для исследования взаимодействия с поверхностью ионов с энергиями до 40 кэВ. «Краткие сообщения по физике» №4 (2010) с.45

40. Гриднева Е.А., Коборов В.Н., Коборов H.H. , Дуоплазматрон с системой контроля пучка для сверхвысоковакуумных ионно-лучевых установок// Тр. XI научно-технической конференции "Вауумная наука и техника ", Сентябрь 2004, Судак, Украина, с. 165-167

41. C.B. Смирнов. Разработка электростатического анализатора типа сферический дефлектор. Годовой отчет по НИР Кафедры физики плазмы за 2007 год, 2008.

42. C.B. Смирнов, В.А.Курнаев. Анализ ионно-оптических свойств электростатического анализатора типа четверть сферического дефлектора. Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-2008, 2008

43. Вайтонис В.В., Визгалов И.В., Курнаев В.А. // ПТЭ. 1999. С. 714.

44. Габович М.Д., Физика и техника плазменных источников ионов, Москва, Атомиздат, (1971) с. 74-76

45. Габович М.Д., Плазменные источники ионов, Киев, Наукова думка, (1964) 65с.

46. Форрестер А.Т., Интенсивные ионные пучки,Москва, Мир, 1992г.

~47т Метель А.С . Тлеющий"разряд с электростатическим удержанием

электронов для генерации плазмы и пучков ускоренных частиц, диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Москва, МГТУ «Станкин», 2005

48. http ://www. ipc2u.com/ catalog/0/07

49. ftp.ni.com/pub/branches/russia/daq/ni usb 6008 6009.pdf

50. http://www.msl.lviv.ua/ru/devices.php?id=2

51. http://www.matsusada.eom/high-voltage/r/

52. http://www.photonic-soiircing.com/product/series-psml0-2666

53. http://www.matsusada.com/pdf/RARB.pdf

54. http://russia.ni.com/labview

55. Schneider Peter J., Eckstein W., Verbeek H. // Nucl. Instrum. Methods

Phys. Res. V. 2. Issues 1-3. P. 525

56. Mashkova E.S., Eckstein W. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 1992. Section B. № 62. P. 440.

57. O.M.N.D. Teodoro, A.M.C. Mountinho, Nucl. Instr. and Meth. В 609-618(2001)222.

58. Torrens I.M. Interatomic Potentials. N.Y.: Academic Press, 1972, 247p.

59. Готт Ю.В. Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях. М.: Атомиздат, 1978, 270с

60. Райзер Ю.П. / Физика газового разряда. Москва, Наука, 1987, стр592

61. Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. Под редакцией Е.С.Машковой. М.:Мир, 1995

62. Трифонов Н.Н., Взаимодействие ионов водорода термоядерных энергий с тонкими слоями вещества, диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук^Мбсква МИФИ 2002

63. R. С. Elphic, Н. О. Funsten et al. "Lunar surface composition and solar wind induced secondary ion mass spectrometry", Geophysical research letters, vol.18, NO 11, pages 2165-2168, 1991.

64. Ю.В. Готт, В.А. Курнаев, O.JI. Вайсберг "Корпускулярная диагностика лабораторной и космической плазмы", М., МИФИ, 2008

65. P. Wurz "Detection of Energetic Neutral Atoms", The outer helioshere: Beyondd the Planets, Katlenburg-Lindau, Germany, 200, pages 251288

66. P. Wurz et al "Particle scattering off surfaces: application in space science", e-J. Surf. Sci. Nanotech. vol.4, pages 394-400, 2006

67. P. Wurz et al. "Concept for the Щ-LITE neutral atom imaging instrument." Opt. Eng. 34, 2365-2376 (1995).

68. A. G. Ghielmetti et al "Neutral Atom Imaging Mass Spectrograph", Opt. Eng. 33, 362-370 (1994).

69. P. Wurz et al., " Formation of negative Ions by scattering from a diamond surface", Czech Republic, Charles University, pages 257-263, 1998

70. К. M. Гуторов, И. В. Визгалов, Е. А. Маркина, В. А. Курнаев // ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 2, с. 208-211

71. И. В. Цветков Применение численных методов для моделирования процессов в плазме, (Курс лекций), Москва, МИФИ, 2003.

72. Панин Б. В. Расчет фокусирующих свойств секторных магнитных и электрических полей аксиально-симметричного типа с криволинейными границами. М.: 1968. 100с.

73. А.А.Сысоев, Г.А.Самсонов, «Теория и расчет статистических масс-анализаторов», часть 1,МИФИ

74. А.А.Сысоев, Г.А.Самсонов, «Теория и расчет статистических масс-анализаторов», часть 2,МИФИ

___75.___G. Bracco, B. Holst, «Surface Science Techniques»7 Springer,2010,

663р.

76. R. D. Kolasinski, J.A. Whaley, R. Bastasz/ Phys. Rev. В v.79(2009), 075416

77. J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark, The Stopping and Range of Ions in Solids, vol. 1, Pergamon, New York, 1985

78. D. Primetzhofe, S. N. Markin, P. Zeppenfeld, P. Bauer, S. Prusa, M. Kolibal, and T. Sikola Appl. Phys. Lett. 92, 011929 (2008)

79. J.P. Biersack , E. Steinbauer and P. Bauer, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 861 (1991) 77-82

80. R. D. Kolasinski, J.A. Whaley, R.A. Karnesky, C. San Marchi, R. Bastaz / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 269 (2011) 12-29

81. S.V. Mirnov et al. // Journal of Nuclear Materials/ Volume 438, 2013, p. S224-S228

82. Курнаев В .A. // Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 580

83. Курнаев В. А. «Отражение легких ионов от поверхности материалов применительно к проблеме УТС, диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Москва МИФИ 1992

84. D.L. Smith // Journal of Nuclear Materials, 75, (1978), 20-31

85. N V Novikov and Ya A Teplova. Database on charge — changing cross sections in ion - atom collisions J. Phys.: Conf. Ser. 194 Volume 194 (2009)

86. B.A. Курнаев, Ю.С. Протасов, И.В. Цветков "Введение в пучковую электронику", М., МИФИ, 2008

87. Jaemo Im et al. / Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. В 118 (1996), p. 772-781

88. Yuping Lin et al. / Thin Solid Films, 253 (1994), p. 247 - 253

89. A.R. Krauss et al. / J. Vac. Sci. Technol. A,12 (1994), p 1943.

90. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б., Теория искры. - Москва, Атомиздат, 1975__- ----- ---------------------

91. Н.В. Плешивцев, А.И. Бажин, Физика Воздействия ионных пучков на материалы - Москва, Вузовская книга, 1998