Послойный анализ водорода в конструкционных материалах на основе спектроскопии отраженных электронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Батраков, Александр Алексеевич

• Батраков, Александр Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Батраков, Александр Алексеевич

Заключение

Проведенный анализ экспериментальных данных показал принципиальную возможность детектирования изотопов водорода в приповерхностных слоях конструкционных материалах на основе спектроскопии отраженных электронов на глубине до 1 мкм.

Создана программа статистического моделирования спектра электронов, упругоотраженных от неоднородных сред. Показано, что с помощью спектроскопии упругоотраженных электронов возможно детектирование изотопов водорода. Данная программа позволила определить оптимальную геометрию эксперимента. Проанализировано влияние многократного упругого рассеяния на форму пиков электронов, упругоотраженных от золота и углерода.

Разработана методика получения набора экспериментальных энергетических спектров отраженных электронов необходимых для реализации метода спектроскопии отраженных электронов. Разработанная методика позволяет получать энергетические спектры на «Электронном стенде» кафедры «Общей физики и ядерного синтеза» Московского энергетического института (технического университета). Методика адаптирована под уникальное аналитическое оборудование — модуль электронно-ионной спектроскопии на базе платформы Нанофаб 25 в НОЦ «Нанотехнологии» МЭИ (ТУ).

Проведена модернизация «Электронного стенда» кафедры ОФиЯС для получения экспериментальных данных. Проделаны эксперименты по определению спектров отраженных электронов, с начальной энергией 1, 3, 5 и 8 кэВ, от углеводородных образцов, полученных на установке PSI-2 (MaxPlank Institute of Plasma Physics, Germany). Эксперименты выполнены на аналитическом оборудовании модуле электронно-ионной спектроскопии на базе платформы Нанофаб 25 в НОЦ «Нанотехнологии».

Разработана методика интерпретации экспериментальных спектров отраженных электронов для послойного анализа концентрации водорода. Создана программа получения расчетного спектра отраженных электронов от исследуемых образцов позволяющая проводить интерпретацию экспериментальных данных.

Впервые получен послойный профиль концентрации водорода в слое углеводорода методом спектроскопии отраженных электронов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Батраков, Александр Алексеевич, 2011 год

1. Cosslett V.E., Thomas R.N. Multiple scattering of 5-30 keV electrons in evaporated metal films I. Total transmission and angular distribution // Brit. J. Appl. Phys., Vol. 15, 1964, p. 883-907.

2. Cosslett V.E., Thomas R.N. Multiple scattering of 5-30 keV electrons in evaporated metal films II: Range-energy relations // Brit. J. Appl. Phys., Vol. 15, 1964, p. 1283-1300.

3. Cosslett V.E., Thomas R.N. Multiple scattering of 5-30 keV electrons in evaporated metal films III: Backscattering and absorption // Brit. J. Appl. Phys., Vol. 16, 1965, p. 779-796.

4. Pay Э.И., Сеннов P.A. Определение средней энергии электронов, отраженных от однородных, от слоистых и от диэлектрических мишеней // Известия РАН. Серия физич., т.68, № 9, 2004, с. 1342-1347.

5. Бронштейн И. М., Васильев А. А., Пронин В. П., Хинич И. И. Упругое отражение электронов средних энергий от неупорядоченных металлических поверхностей // Изв. АН СССР. Сер. физическая. 1985. Т. 49, №9. с. 1755—1759.

6. Пронин В.П., Хинич И.И., Чистотин И.А. Спектроскопия упругого отражения электронов для количественного анализа поверхности твердого тела // Письма в ЖТФ, том 34, вып. 19, 2008, с. 21-26.

7. Vos M. Detection of hydrogen by electro Rutherford backscattering // Ultramicroscopy 92, 2002, P. 143-149.

8. Vos M. at all / Electron and neutron scattering from polymer films at high momentum transfer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, Vol. 227, 2005, P. 233-250.

9. Vos M. at all / Elastic electron scattering from methane at high momentum transfer // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol 41, 2008, p. 1-9.

10. Михайлов Г.А. Некоторые вопросы теории методов Монте-Карло. Новосибирск: Наука, 1974.

11. Михайлов Г.А. Оптимизация весовых методов Монте-Карло. М.: Наука, 1987.

12. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.

13. Werner W.S.M., Tilinin I.S. Transport of medium energy electrons in solids: application to electron spectroscopy of non-crystaline solids // Progress in Surface Science Vol. 46, Isssues 2-3, 1994, p. 241-248.

14. Tougaard S., Sigmund P. Influence of Elastic and Inelastic Scattering on Energy Spectra of Electrons Emitted from Solids // Phys. Rev. B, V.25., 1984, P.4452.

15. Аккерман А.Ф. Моделирование траекторий заряженных частиц в веществе. М.:Энергоатомиздат, 1991, 200 с.

16. Хлупин С.И., Аккерман А.Ф. Средние пробеги электронов до неупругого рассеяния в веществе. Алма-Ата 1985.

17. Jablonski A., F. Salvat and С J. Powell NIST Electron Elastic-Scattering Cross-Sections Database Version 3.0, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 2002.

18. Tanuma S., Powell C.J., Penn D.R. Calculations of Electron Inelastic Mean Free Paths // Surf. Interf. Anal.,Vol. 21, 1993, p.165.

19. Чандрасекар С. Перенос лучистой энергии. / Пер. с англ. М: Изд-во иностр. лит., 1956, 431 с.

20. Амбарцумян В. А. О рассеянии света атмосферами планет // Астр, журн., Том 19, 1942, с. 30-41.

21. Амбарцумян В.А. К вопросу о диффузном отражении света мутной средой // Докл. АН СССР, Том. 38, 1943, с. 257-261.

22. Афанасьев В.П. Взаимодействие потоков электронов и легких ионов со слоисто-неоднородными мишенями : диссертация. . доктора физико-математических наук : 01.04.04 / Москва 2003.

23. Лубенченко A.B. Теория отражения излучения средами с анизотропным законом рассеяния на основе принципов инвариантности : диссертация . доктора технических наук : 05.11.07, 01.04.08/Москва2006.

24. Мирнов C.B. Энергия из воды. М.: МИФИ. 2007. 128 с.

25. Жданов С.К., Курнаев В.А., Романовский М.К., Цветков И.В. Основы физических процессов в плазмы и плазменных установках. М.: МИФИ, 2007 356 с.27. http://www.iter.org/

26. Борисов A.M. Ионно-индуцированные процессы и методы исследования поверхностного слоя при высокодозном облучении металлов и углеграфитовых материалов: диссертация. . доктора физико-математических наук : 01.04.08, 01.04.01 / Москва 2005.

27. Спицын A.B. Проникновение водорода из плазмы через поликристаллические материалы и графит: диссертация. . кандидата физико-математических наук : 01.04.08 / Москва 2007.

28. Комов А.Т. Вакуумные и криогенные системы термоядерных установок и реакторов. М.: МЭИ, 2003.

29. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. — М.: Высшая школа, 1990.

30. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.

31. ФелдманЛ., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.

32. Briggs D., Seah M. P., eds., Practical Surface Analysis by Auger and X-ray

33. Photoelectron Spectroscopy, New York: Wiley, 1983.101

34. Еловиков С.С. Электронная спектроскопия поверхности и тонких пленок / Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова (МГУ), Физический факультет . М. : Изд-во МГУ, 1992 . - 93 с.

35. Нефедов В.И., Черепин В.Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 1983. 296 с.

36. Begrambekov L., Buzhinsky О., Gordeev A., Miljaeva Е., Leikin P., Shigin P. TDS investigation of hydrogen retention in graphites and carbon based materials // Physica scriptaVol. 108, 2004, p. 72.

37. Беграмбеков Л.Б., Гордеев A.A., Миляева E.A., Лейкин П. Л., Шигин П.А., Бужинский О.И., Танабе Т. Сорбция водорода в графитах и углеродных материалах при имплантации низкоэнергетическими ионами // Материаловедение. № 7, 2006, с. 48.

38. Pisarev A.A., Vaitonene A.M. Sorption of a thermal hydrogen atoms // Vacuum, Volume 56, Issue 4, 2000, p. 275-278.

39. Гаспарян Ю.М., Степанов С.О., Русинов А.А., Трифонов Н.Н., Писарев А.А., Термодесорбция ионно-имплантированного дейтерия из вольфрама // «Вопросы атомной науки и техники». Серия «Теоретическая и прикладная физика», №1, 2009, с. 26-30.

40. Alimov V.Kh., Roth J. Hydrogen isotope retention in plasma-facing materials: review of recent experimental results // Physica Scripta, Vol. 128, 2007, P. 6-13.

41. Машкова E.C., Молчанов B.A. Применение рассеяния ионов для анализа твердых тел. -М.: Энергоатомиздат, 1995.

42. Черных П.Н., Куликаускас B.C., Хоменко Е.В., Узбяков А.С., Чеченин Н.Г., Исследование магнитомягких пленок Co-Fe-Ni методом POP и ERD, Поверхность, №2, 2006, с.70-73.

43. Khodja H., Brosset C., Bernier N. Deuterium inventory in plasma facing materials by means of NRA: A microbeam probe approach // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В Vol. 266, 2008, p. 1425-1429.

44. Reinholz U., Bremser W., Brzezinka K.-W., Strub E., Weise H.-P., Merchel S. A thin-layer reference material for hydrogen analysis Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В Vol. 266, 2008, p. 2418-2423.

45. Takagi I., Kobayashi Т., Ueyama Y., Moriyama H., Nakamichi M., Nakamura H., Hayashi K. Deuterium diffusion in a chemical densified coating observed by NRA // Journal of Nuclear Materials Vol. 386-388,2009, p. 682-684.

46. Noll К., Döbeli M., Krähenbühl U. Fluorine profiles in Antarctic meteorites by nuclear reaction analysis (NRA) // Fresenius J Anal Chem Vol. 361, 1998, p. 713-715.

47. Афанасьев В.П. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. -М.: МЭИ, 2005.

48. Афанасьев В.П., Лубенченко A.B., Федорович С.Д. Отражение электронов киловольтных энергий от многослойных поверхностей // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, №12, 2002, с. 82-89.

49. Афанасьев В.П., Лубенченко A.B., Паволоцкий А.Б., Федорович С.Д. Отражение электронов киловольтных энергий от многослойных мишеней // ЖТФ т.72, 2002, с. 100-108.

50. Афанасьев В.П., Лубенченко A.B., Паволоцкий А.Б. Исследование границы Al/Nb на основе анализа энергетических спектров отраженных электронов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 10, 2008, с . 27-32.

51. Orosz G.T., Gergerly G. at all // Hydrogen and surface excitation in electron spectra of polyethylene // Surface Science, Vol. 566-568, 2004, P. 544-548.

52. Афанасьев В.П., Афанасьев M.B., Лисов A.A., Лубенченко A.B. Измерение изотопного состава водорода в углеродных материалах на основе спектроскопии пиков упругорассеянных электронов // Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 11.

53. Афанасьев В.П. Определение послойных профилей изотопов водорода и гелия методами электронной спектроскопии // Поверхность. №3, 2005, С. 19-23.

54. Went M.R., Vos M. Investigation of binary compounds using electron Rutherford backscattering // Applied Physics Letters Vol. 90, 2007.

55. Hitchcock A.P., Cooper G., Bonham R.A., Chatzidimitriou-Dreismann C.A. Quasi-elastic electron scattering from atoms and molecules // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena Vol 181, 2010, p. 135-139.

56. Bohmeyer W., Markin A., Naujoks D., Koch В., Krenz G., Baudach M., Fussmann G. Decomposition and sticking of hydrocarbons in the plasma generator PSI-2 // Journal of Nuclear Materials, Vol. 363-365, 2007, p. 127-130.

57. Koch В., Bohmeyer W., Fussmann G. Angular dependence of energy and particle fluxes in a magnetized plasma // Journal of Nuclear Materials Vol. 337-339, 2005, p. 211-215.

58. Koch В., Bohmeyer W., Fussmann G. Angular dependence of the floating potential in a magnetized plasma // Journal of Nuclear Materials Vol. 313-316, 2003, p. 1114-1118.

59. Grote H., Bohmeyer W., Kornejew P., Reiner H.-D., Fussmann G., Schlogl R., Weinberg G., Wu C.H. Chemical sputtering yields of carbon based materials at high ion flux densities // Journal of Nuclear Materials Vol. 266-269, 1999, p. 1059-1064.

60. Grote H., Bohmeyer W., Reiner H.-D., Fuchs T., Kornejew P. and Steinbrink J. Comparison of chemical sputtering yields for different graphites at high ion flux densities // Journal of Nuclear Materials Vol. 241-243, 1997, p. 1152-1155.

61. Koch В., Bohmeyer W., Fussmann G., Kornejew P. and Reiner H.-D. Energy flux measurements in a steady-state discharge at PSI-2 // Journal of Nuclear Materials Vol. 290-293, 2001, p. 653-657.

62. Lunt T., Ezumi N., Bohmeyer W., Fussmann G. Experimental investigations with respect to the applicability of the Bohm criterion // Journal of Nuclear Materials Vol. 337-339, 2005, p. 201-205.

63. Ezumi N., Kissovski Zh., Bohmeyer W., Fussmann G. Ion sensitive probe measurement in the linear plasma device PSI-2 // Journal of Nuclear Materials Vol. 337-339, 2005, p. 1106-1110.

64. Bohmeyer W., Tabares F.L., Baudach M., Cwiklinski A., Markin A., Schwarz-Selinger T., Ferreira J.A., Fussmann G., Loarte A. The scavenger effect Does it work? // Journal of Nuclear Materials Vol. 390-391, 2009, p. 560-563.

65. Bohmeyer W., Naujoks D., Markin A., Arkhipov I., Koch B., Schroder D., Fussmann G. Transport and deposition of injected hydrocarbons in plasma generator PSI-2 // Journal of Nuclear Materials Vol. 337-339, 2005, p. 89-93.72. http://www.nt-mdt.ru/

66. Afanas'ev V., Lubenchenko A. Energy spectra of reflected electrons at small energy losses // Surface Investigation, Vol. 13, 1998, P. 1087-1103.74. http://www.specs.com/

67. Seah M.P., Gilman I.S. and Beamson G. XPS: Binding Energy Calibration of Electron Spectrometers 5 Re-evaluation of the Reference Energies. // Surface and Interface Analysis Vol. 26, 1998, p. 642-649.

68. Seah M.P. AES: Energy Calibration of Electron Spectrometers 4 Reevaluation of the Reference Energies. // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena Vol. 97, 1998, p. 235-241.

69. Электронная оптика / В. М. Кельман, С. Я. Явор, Акад. наук СССР. Физико-технический ин-т им. А.Ф. Иоффе . 3-е изд., перераб. и доп . -Л. : Наука, 1968 .-488 с.

70. Эмиссионная электроника / Л. Н. Добрецов, М. В. Гомоюнова . М. : Наука, 1966 - 564 с.

71. Электронная оптика и электронно-лучевые приборы : Учебник для вузов по специальности "Электронные приборы" / А. А. Жигарев . -М. : Высшая школа, 1972 . 540 с.80. http://www.kimballphysics.com/

72. Ермаков С.М. // Статистическое моделирование М.: Наука, 1982.

73. Сабельфельд К.К. // Методы Монте-Карло в краевых задачах -М.: Наука, 1989.

74. Экштайн В. // Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М.: Мир, 1995.

75. Войтишек A.B. // Основы метода Монте-Карло в алгоритмах и задачах: в 6 ч. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1997-2004.

76. Михайлов Г.А., Войтишек A.B. // Численное статистическое моделирование. Методы Монте-Карло. М.: Изд. центр «Академия», 2006.

77. Tan Z. Electron stopping power and mean free part in organic compounds over the energy range of 20 10000 eV // Beam Interaction with Materials & Atoms, 2004, P. 27-43.

78. Курнаев B.A., Машкова E.C., Молчанов B.C. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. М.: Энергоатомиздат, 1985.

79. Тилинин И.С., Мамонов М.Н. Отражение быстрых электронов от мишеней сложного состава // Сб. научн. трудов №153. М.: МЭИ. 1988, с. 70-74.

80. Список публикаций по теме диссертации

81. Афанасьев В.П., Батраков А. А., Бомаер В., Науекс Д., Лубенченко А.В., Маркин А. Анализ углеводородных покрытий на основе спектроскопии отраженных электронов // Вестник МЭИ. — Москва, 2009, с. 25-32.

82. Батраков А.А., Лубенченко А.В. Статистическое моделирование спектров упругоотраженных электронов // Математическое моделирование 2011, Том 23, №3, с. 22-26.

83. Afanas'ev V.P., Batrakov A.A., Lubenchenko A.V. Depth profile analysis of hydrocarbon on the base of reflected electron spectroscopy // Rusnanotech. Second Nanotechnology International Forum Abstract. — Moscow, 2009, p. 238-239.

84. Афанасьев В.П., Батраков A.A., Лубенченко A.B. Определение послойного профиля водорода в углеводородных покрытиях на основе спектроскопии отраженных электронов // 7-я курчатовская молодежная научная школа. Тезисы аннотаций. Москва, 2009, с. 259.