Пространственно-временные и масс-спектральные характеристики ионных потоков в источниках с поверхностным током тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Мишин, Максим Валерьевич

• Мишин, Максим Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мишин, Максим Валерьевич

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И АППАРАТУРА.

2.1 Экспериментальные приборы.

2.1.1 Экспериментальный прибор (ЭП1) для исследования процессов формирования потоков ионов при разряде по поверхности нераспыляемого диэлектрика.

2.1.2 Экспериментальный прибор (ЭП2) для исследования процессов формирования потоков ионов при разряде по поверхности распыляемого диэлектрика.

2.1.3 Экспериментальный прибор (ЭПЗ) для исследования процессов формирования потоков ионов при возбуждении поверхности металла импульсами тока.

2.2 Экспериментальная установка.

2.3 Методики измерений.

2.3.1 Методика измерений в приборе ЭП1.

2.3.2 Методика измерений в приборе ЭП2.

2.3.2.1 Методика измерения угловой расходимости ионного пучка.

2.3.2.2 Методика изиерения масс-спектрального состава ионного пучка.

2.3.2.3 Методика определения характеристик формируемого ионного пучка при различной технологии обработки поверхности полиэтиленовых разрядников.

2.3.3 Методика измерений в приборе ЭПЗ.

2.3.3.1 Анализ токов и полей в источнике ионов.

2.3.3.2 Методика изиерения масс-спектрального состава ионного пучка.

2.3.3.3 Методика анализа динамики ионного пучка.

2.4 Методика обработки осциллограмм и расшифровки масс-спектров.

2.5 Контрольные измерения.

2.5.1 Контрольные измерения в приборе ЭП1.

2.5.2 Контрольные измерения в приборе ЭП2.

2.5.3 Контрольные измерения в приборе ЭПЗ.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.

3.1 Результаты измерений в приборе ЭП1-ЭП2.

3.1.1 Изменение характеристик ионного потока в различные моменты разряда.

3.1.2 Динамика свойств поверхности в процессе эксплуатации полиэтилена.

3.1.3 Обработка поверхностей полиэтиленовых деталей разрядников.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственно-временные и масс-спектральные характеристики ионных потоков в источниках с поверхностным током»

Фундаментальные физические процессы, протекающие в адсорбированном на поверхности твердого тела ансамбле частиц, а также в импульсном десорбированном потоке, представляют собой актуальный объект исследования для формирования новых научных представлений и развития технологий. Обширные научные исследования связаны преимущественно с выявлением пространственно-временных, энергетических и других характеристик адсорбции и десорбции, состава адсорбированного ансамбля частиц и десорбированного потока, механизмов нейтрализации и ионизации и т.п. (например, 1-15] и другие). Механизмы десорбции разнообразны как по существу, так и по используемой технике. Десорбция может происходить при нагреве поверхности, в том числе за счет бомбардировки фотонами и частицами, а также в результате возбуждения электронной подсистемы подложки в виде десорбции, стимулированной электронными возбуждениями (ДСЭВ). Хотя эти факторы и различны по своей природе, часто их бывает трудно разделить в условиях эксперимента. Значительная часть исследований и технологий десорбционных источников связана с масс-спектрометрией (например, [15]). Масс-спектрометрия занимает ведущее место в аналитических структурных исследованиях, выполняемых в самых различных областях науки, техники, производства, в том числе по приоритетной международной программе "Количество вещества" (Турин, Евромет, 1993). Развитие масс-спектрометрических методов и аппаратуры принципиально определяется совершенствованием специализированных ионных источников, из которых существенными достоинствами выделяются импульсные устройства десорбционного типа. Искровая и вторично-ионная масс-спектрометрия, лазерная импульсная десорбция и бомбардировка быстрыми заряженными частицами, термическая десорбция, в том числе лазерная и классический "метод вспышки", - могут быть отнесены к ставшим уже стандартными аналитическим методам и технологиям. Однако, развитие методов и техники масс-спектрометрии требует создания новых технологий получения ионных пакетов. Основной задачей является создание короткоимпульсных ионных источников, которые характеризуются мягкой ионизацией, незначительными ионизационной и ускорительной фрагментацией, малым значением начальных позиционного и энергетического разбросов в ансамблях частиц, эффективными и контролируемыми процессами адсорбции и десорбции, возможностью управления структурным составом потока частиц.

Постановка целей и задач данной работы была основана на предположении об актуальности и перспективности использования ионных источников с поверхностными токами, какими являются скользящий разряд по поверхности диэлектрика [16-39] и безинерционная десорбция с поверхности металла, возбуждаемой импульсом тока [4050]. Несмотря на значительные различия характеристик физических процессов, возникающих при воздействии поверхностных токов на диэлектрик и на металл, между этими методами и используемой аппаратурой имеется и значительная общность. Схема воздействия на поверхность, формирование, сопровождение и регистрация ионных пакетов, интерпретация спектров и использование получаемых данных близки между собой в этих двух подходах, и поэтому целесообразно их объединение в рамках одной работы. Сходство состояло также и в том, что в период времени начала данной работы оба подхода находились в ранней, предварительной стадии их подготовки к использованию в качестве объектов исследования и использования в массспектрометрии.

Рассмотрим кратко выборку основных данных по разрядам на поверхности диэлектрика, представленных в научно-технической литературе[16-39]. Исследованию пробоя по поверхности диэлектрика в вакууме посвящено много работ, что объясняется широким использованием керамики, стекла и других диэлектриков в качестве изоляторов в высоковольтных вакуумных установках, однако результаты, относящиеся непосредственно к масс-спектрометрии, весьма скудны [16]. Тем не менее, представлялось возможным использовать результаты других работ как для подготовки и проведения исследований, так и для анализа полученных результатов. Интерес представляют, в первую очередь, процессы в фазе развития разряда, взаимодействие плазмы с поверхностью, вызывающее ее деструкцию и поступление вещества подложки в разряд, а также образование зарядовых пятен и возникновение неоднородных и неконтролируемых электрических полей у поверхности.

Обычно различают шесть основных стадий развития разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в вакууме. Темновой разряд наблюдается в начальной стадии тренировки поверхности диэлектрика и продолжается в течение всего времени пребывании образца в электрическом поле. В работах [17-19] показано, что ток, возникающий в предпробойной фазе, содержит две компоненты. Одна из них медленно меняется во времени, и ее амплитуда не превышает 10 11 — 10 7 А, другая представляет собой кратковременные броски тока с амплитудой Ю-3 -10"' А. Можно считать установленным, что медленная компонента тока обусловлена процессом зарядки поверхности диэлектрика [20-21]. С подачей напряжения на промежуток электроны частично попадают на диэлектрик. Если коэффициент вторичной эмиссии диэлектрика больше единицы, то место бомбардировки заряжается положительно. При этом увеличивается компонента поля притягивающая электроны к поверхности изолятора. Таким образом, положительный заряд может распространяться до анода. После этого условия на диэлектрике становятся стабильными. Авторы работы [19] считают, что стабильность разрядного механизма в этой стадии поддерживается автоматически. Появление положительного заряда на поверхности диэлектрика приводит к перераспределению потенциала по его длине. В результате напряженность поля у катода возрастает, т.е вместо линейного имеем распределение с подъемом потенциала у катода. Явление зарядки диэлектрика наблюдалось и в процессе обезгаживания диэлектрика в сверхвысоком вакууме при воздействии микросекундными импульсами напряжения [22]. Обнаружено, что при каждом подьеме напряжения интегральный ток зарядки и величина заряда на диэлектрике имеют тенденцию к насыщению. Динамика этого процесса при подаче импульсного напряжения на диэлектрик изучалась оптическими методами в [21]. При напряжениях ниже, чем пробивное, авторы обнаружили свечение поверхности диэлектрика в предпробойной фазе, самопроизвольно прекращающиеся еще до окончания импульса у напряжения. Свечение распространялось с катода со скоростью около 4-10' см/с и могло исчезать через 600 не после возникновения.

Однако, остаются до конца не выясненными механизмы появления микроразрядов, - самогасящихся бросков тока, не приводящих к разряду. Авторами [23] выдвигалось предположение, что причиной образования микроразрядов служит резкое увеличение электронного тока с катода в результате его взрывообразного разрушения под действием разогрева автоэмиссионным током.

Хотя эффект зарядки обнаружен как при статическом [18], так и при импульсном воздействии [17], существенная зависимость электрической прочности от угла наклона изолятора к линиям поля наблюдается лишь при импульсном напряжении [23-24]. По-видимому, это связано со значительным увеличением плотности заряда на поверхности в импульсном режиме, поэтому рабочее напряженности поля значительно ниже статических.

Искровой разряд инициируется преимущественно в предпробойной стадии и сопровождается проскакиванием светящейся искры от одного электрода к другому; происходит снижение напряжения на электродах образца, выделение газов и паров с поверхности диэлектрика, возрастание импульса тока до 1 А и более. Это процесс самовосстанавливающийся, т.е. после проскакивания искры напряжение возвращается к исходной величине.

Перекрытие вдоль поверхности диэлектрика происходит, когда искровой разряд переходит в канальный разряд с падающей ВАХ и сопровождается броском тока, величина которого определяется, в основном, токоограничивающим сопротивлением в цепи стенд - источник высокого напряжения, или внутренним сопротивлением этого источника. При этом резко повышается давление, по крайней мере, в приповерхностной области диэлектрика, до уровня, при котором каналовый разряд вдоль поверхности диэлектрика превращается в газовый разряд в приповерхностной области вне диэлектрика.

Дуговой разряд является завершающей стадией развития непрекращающихся искровых разрядов и перекрытия поверхности диэлектрика, при этом между электродами диэлектрика зажигается дуга с падением напряжения на ней меньше 100 В.

Разряд на диэлектрике обычно возникает с ростом напряжения при превышении некоторого порогового значения Шор. Значение Штор растет с уменьшением диэлектрической проницаемости, увеличением толщины диэлектрика и уменьшении длительности импульса. При амплитуде импульсов, близкой к пороговой, наблюдается запаздывание разряда. В спектре свечения разряда при напряжениях, близких к пороговым, регистрировались линии материала электродов, а также линии нейтральных и однократно ионизованных молекул диэлектрика (титанат бария). С увеличением напряжения разряда интенсивность этих линий росла и появлялись новые линиии соответствующие метериалу диэлектрика. При значении локальной напряженности поля ~ (1 — 9) • 108 В/см время запаздывания взрыва микроострий на катоде составляло приблизительно с. Взрыв и появление плазмы на катоде через такое время наблюдались при плотности тока автоэмиссии с острия

У ~ 10 АI СМ [25]. Взрыв эмитирующего острия и разрушения диэлектрика происходит практически одновременно, что и подтверждается экспериментальными данными о времени запаздывания разряда, динамике появления свечения на диэлектрике и его спектральном составе.

В [26] исследован спектр скользящего разряда в вакууме в дуговой стадии. Установлено, что спектр разряда по диэлектрику из стекла, фторопласта, органического стекла содержит линии материалов электродов и диэлектрика. При перекрытии прочных диэлектриков (алунд) спектр состоит в основном из линий материала электродов. Для стекла наблюдались линии кремния, бора и кислорода, что авторы связывают с его меньшей механической прочностью. В спектрах, полученных при перекрытии органических диэлектриков, очень много линий углерода, а линии материалов электродов менее интенсивны.

В [27] показано, что, зная предразрядный ток, скорость движения границ свечения и его геометрические размеры, можно решить вопрос о соотношении между числом электронов, обеспечивающих предразрядный ток, и числом молекул, адсорбированных на поверхности диэлектрика, которые могут участвовать в разряде. Скорость увеличения числа электронов с1п1 Ж = /(О I а скорость увеличения числа молекул в области, охваченной свечением,

Ш / Ж = Ы0у1т, где Nо - число молекул в мономолекулярном слое на 1 СМ поверхности

-диэлектрика; V - скорость распространения свечения; / - его ширина; т-число мономолекулярных слоев. Показано, что на каждый образованный в единицу времени электрон приходится 3 • 103 молекул даже при мономолекулярном слое газа.

Гипотеза развития разряда в слое адсорбированного газа была впервые предложена в [28], затем получила развитие в[29- 30]. Показано, что перекрытие поверхности диэлектрика не может развиваться непосредственно в слое адсорбированного газа, и для формирования разряда необходима стадия электростимулированной десорбции и расширения газа, а при перекрытии происходит газодинамический разлет газа со сверхзвуковой скоростью. Количество десорбированного газа, необходимое для перекрытия поверхности диэлектрика,

16 -2 составляет примерно 10 молекул • СМ . Такое количество газа содержится в 0,5-1 мономолекулярном слое, учитывая, что коэффициент шероховатости поверхности при адсорбции равен 5-10 [28]. В большинстве экспериментов не обнаруживается связи между характеристиками разряда и физическими свойствами диэлектрика, т.к. необходимое количество газа удерживается на поверхности любого диэлектрика вне зависимости от вакуумных условий [10].

Авторы [31] предложили модификацию десорбционной модели пробоя, основанную на возникновении лавины вторичной эмиссии электронов. Появившись у катода, электроны лавины дрейфуют по поверхности диэлектрика, постоянно сталкиваясь с ней и вызывая выход новых вторичных электронов. Предпробойный ток носит диффузионный характер. Электроны уходят на анод с той же скоростью, что и поступают с катода. Вследствие электронно-стимулированной десорбции, появляются нейтральные атомы и молекулы. Те из них, которые претерпевают ионизацию, двигаются к катоду, приводя к дальнейшему увеличению неоднородности поля. Однако в [32] показано, что лавина вторичных электронов не может создать ток, приводящий к полному спаду импеданса разрядного промежутка. Следовательно, после прохождения электронной лавины необходимо подключение других механизмов, приводящих к размножению носителей на диэлектрике. Возможный механизм показан в работе [33], где доказано наличие большого тока электронов и сильного рентгеновского излучения из контакта металл - диэлектрик при разряде в вакууме.

Т.о. можно сделать заключение, что физика скользящего разряда по поверхности диэлектрика детально изучена. Однако состав разрядной плазмы в большинстве экспериментов определялся методами оптической спектрометрии. Это оправдано в случае высокого уровня ионизации, но в различных стадиях разряда возможно образование многоатомных ионов (особенно при разряде по поверхности распыляемого диэлектрика), в частности углеводородов СпНт. Определение состава плазмы, когда образующиеся ионы содержат более 2-3 атомов, методами оптической спектрометрии затруднено [34- 36].

Вернемся к работе [16], где впервые экспериментально показана принципиальная возможность применения скользящего разряда в вакууме для ионизации неэлектропроводных проб при масс-спектрометрическом анализе. Описан масс-спектрометрический источник ионов со скользящим разрядом по диэлектрику, в качестве которого использовались текстолит, стекло, титанат бария. Энергия в импульсе не превышала 0.01 Дж. Расчетная амплитуда тока в разряде составляла

А, длительность разряда порядка 100 не. Оказалось, что вклад адсорбированных газов в ионной ток существенно меньше вклада ионов материала диэлектрика, и при давлении порядка

10

Па не превышает

1(Г %. Десорбционный механизм в вакуумном пробое на поверхности играет существенную роль только на стадии инициировании разряда. Затем, когда плазма разряда сформирована, определяющим механизмом поддержания разряда становится испарение и ионизация материала поверхности диэлектрика.

Использование этой стадии для получения пучка протонов из полиэтиленовой подложки было рассмотрено в работах [37 - 39], однако масс-спектральный анализ не применялся, и поэтому вопрос о составе получаемого пучка остался не выясненным. В результате проведенного анализа были обоснованы два актуальных направления работы с ионными источниками на основе диэлектрика:

Состав адсорбированной пробы целесообразно изучать в условиях скользящего разряда по поверхности устойчивого, нераспыляемого и неиспаряемого диэлектрика, например, кварца;

Получение интенсивных потоков, имеющих заданный и регулируемый состав ионизованных частиц, может быть осуществлено, в принципе, в условиях импульсного разряда по поверхности испаряемого диэлектрика, например, полиэтилена. Кроме того, использование ионных источников с разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме представляется перспективным не только для развития методов и техники масс-спектрометрии, но также и для получения информации о составе разрядной плазмы, необходимой для уточнения физических механизмов процесса.

Рассмотрим далее представленные в научно-технической литературе сведения о процесс безинерционной десорбции с поверхности металла, возбуждаемого импульсом скин тока [40 - 50]. Ко времени начала данной работы эти исследования находились в начальной стадии накопления экспериментальных данных. Косвенным свидетельством, указывающим на специфику импульсной десорбции, явились результаты работы [40]. В высоковольтном вакуумном зазоре была установлена тонкая проволочка. При быстром ее нагреве коротким импульсом тока в зазоре возникал пробой, а при медленном нагреве этого не наблюдалось.

В [40 - 41 ] на проволочку диаметром 5. 100 мкм в течение нескольких наносекунд подавалось напряжение 0,5.3,0 кВ. Значение амплитуды тока для вольфрамовой проволочки диаметром 10 мкм было порядка 150 А. Таким образом, на проволочке выделялась энергия ~ 200 мкДж. Скачок температуры составлял не более

300 градусов, при этом была зарегистрирована десорбция примерно ~ 106 ионов, происходившая в течение нескольких наносекунд. С запаздыванием в несколько миллисекунд наблюдалась относительно слабая тепловая десорбция. Анализируя результаты, авторы отмечают, что причиной быстрой десорбции является выделение 2 большой мощности в узком скин-слое 2кДж / СМ ).

В работе [43] с помощью времяпролетных методов впервые зарегистрированы нейтральные частицы, десорбированные с поверхности вольфрамовой фольги при протекании по ней импульса тока. Импульс длительностью 10 не и амлитудой

А протекал в скин-слое толщиной порядка 1 мкм. При этом наблюдалась эмиссия частиц, происходившая во время действия импульса тока, и задержанная относительно нее на 1. 10 мс тепловая десорбция.

Результаты измерений указывают на явную зависимость характеристик потоков десорбируемых частиц от амплитуды тока в скин-слое. В области относительно малых значений тока наблюдалась преимущественно задержанная тепловая десорбция паров воды и глицерина, которые наносились на поверхность фольги перед началом измерений. При токе более

А наблюдались также и безинерционная эмиссия натрия и фрагментов вакуумного масла. Начальные скорости частиц в последнем случае составляли 50.500 м/с. Полученные данные представлялись авторам полезными при разработке модели физических процессов десорбции, обусловленной быстрой диссипацией энергии на поверхности металла в рассматриваемых условиях.

В работе [44] исследовались вакуумные условия в объемных резонаторах ускоряющей системы при различных значениях подаваемой СВЧ мощности. После тщательной очистки и тренировки электродов в систему подавался СВЧ сигнал мощностью 125 кВт, при этом напряженность ускоряющего поля в системе достигала

3,2-106 В/м. При таких значениях напряженности электрического поля все посторонние электроны уходили на стенку прибора, что приводило к генерации рентгеновского излучения, которое, в свою очередь, вызывало фотоэмиссию. Электроны, появившиеся в результате фотоэмиссии, также могут быть ускорены электрическим полем. Эти ускоренные электроны могут десорбировать сильносвязанный газ с внутренних стенок (электронно-стимулированная десорбция) и результирующий рост давления уменьшает время жизни пучка, создает фон тормозного излучения в момент соударения электронов и протонов с остаточным газом в области взаимодействия.

После дополнительного отжига и тренировки в течение 24 часов на систему подавали максимальную мощность 140 кВт и поддерживали различные уровни подаваемой мощности в течение двух недель. В результате исследований было получено:

-после 17 часов отжига давление в системе было порядка 10 10 торр;

-было зарегистрировано изменение парциальных давлений в различные моменты времени в течение цикла варьирования входной мощности. Основными десорбированными газами были Н2 , СО, СН, С02, Н2 О;

-после 10.20 часов прикладывалась полная мощность. Давление всех газов имело тенденцию к уменьшению со временем. Газы Н2, Н2 О имели отличную, от большинства других, картину поведения. Причины этого до конца не выявлены, но авторы предполагают, что это связано с изменением температуры резонатора; -кроме указанных основных газов наблюдались пики, соответствующие более высоким массам. До введения СВЧ мощности самый "тяжелый" разрешенный пик соответствовал отношению m/z= 44. При введении СВЧ мощности (35 кВт) были зарегистрированы пики с отношением m/z от 55 до 75, их доля примерно в 100 раз меньше, чем доля основных газов. Так же наблюдались группы пиков между 38 и 44; -давление в системе измерялось так же, для вычисления уровня фона. При указанном выше давлении остаточных газов уровень тормозного излучения был прямо пропорционален молекулярной массе вещества и обратно пропорционален радиационной длине;

Хотя авторы и не приводят в данной статье анализ полученных данных, можно предположить, что наблюдалась молекулярная десорбция частиц с поверхности электродов. Важным, с точки зрения рассматриваемых процессов, представляются следующие факты: - измерения проводились после тщательной очистки и тренировки поверхности электродов; - с изменением подаваемой СВЧ мощности изменялся сорт ионов, регистрируемых системой.

В работах [45 - 50] применен времяпролетный анализ для изучения эмиссии ионов с поверхности вакуумизированного отрезка волновода, в котором возбуждалась мощная импульсная стоячая волна (100.400 кВт, 0,4.0,2 мкс, 3 гГц). Источником частиц служил эмиттер, выполнений в виде отрезка медной проволоки диаметром 150 мкм, расположенной поперек оси волновода в отверстии в широкой стенке. Плотность 2 потока мощности на поверхность эмиттера достигала 20 кВт/ СМ . Настройкой СВЧ тракта устанавливали в области эмиттера максимум напряженности электрического поля или амплитуды скин-тока. Сигналы вторично-эмиссионного умножителя ВЭУ-2, установленного на выходе масс-анализатора, состоял из набора отдельных задержанных пиков. Амплитуда пиков зависела от структуры и величины СВЧ поля вблизи эмиттера.

Интерпретация экспериментальных результатов затруднялась одновременной реализацией различных процессов, например вторично-эмиссионным размножением электронов в СВЧ поле. Часть сигналов можно было отнести к десорбированным с поверхности эмиттера положительным ионам остаточных газов. Одновременно наблюдались и более тяжелые компоненты, вплоть до значений m/z=300. Ряд кратных значений m/z можно было объяснить наличием в потоке десорбированных частиц кластеров меди. Авторы считают, что наблюдаемые процессы обусловлены быстрой диссипацией энергии на поверхности металла в вакууме. Авторы рассмотренных работ высказывают предположения относительно возможных механизмов, лежащих в основе процесса безинерционной десорбции, однако приемлемой модели явления не было выработано. Одним из возможных механизмов, в принципе, мог бы явиться эффект возбуждения поверхностных акустоэлектронных волн [51-56]. В работе [51] осуществляли быстрый нагрев поверхности медного образца путем инжекции интенсивного электронного пучка. Предполагалось, что при этом возбуждается акустическая волна на поверхности. Бесконтактное возбуждение звука в металлах может быть осуществлено при индуцировании электромагнитной волны [52]. Рассмотрены закономерности электромагнитного возбуждения звука ЭМВ в локальном пределе HS« 1 (S - толщина скин-слоя, / - длина свободного пробега носителей) и в режиме аномального скин эффекта, а также особенности возбуждения ультразвука в СВЧ диапазоне.

В локальном пределе возбуждение звука электромагнитной волной, падающей на поверхность металла, возможно лишь при наличии постоянного магнитного поля. При наложении постоянного магнитного поля, параллельного поверхности металла и перпендикулярного направлению переменного тока, на электроны в скин-слое действует сила Лоренца, направленная вглубь металла. Этой силой создается пространственная модуляция плотности электрического заряда, при этом ионы решетки перестраиваются таким образом, чтобы в объеме металла выполнялось условие локальной электронейтральности. В результате этого у поверхности возбуждается волна сжатия, распространяющаяся вглубь металла.

В магнитном поле, направленном по нормали к поверхности, в металле возбуждается поперечный звук. Под воздействием электрического поля волны в скинслое электроны и ионы решетки приобретают противоположно направленные импульсы, и сила Лоренца отклоняет эти частицы в одну сторону. При этом электроны, сталкиваясь с решеткой, передают ей дополнительный импульс вдоль поверхности металла.

Оценки показывают, что эффективность трансформации электромагнитной энергии в звуковую в алюминии при комнатной температуре на частоте 10 МГц в поле

10 кЭ составляет около 10 4 .

С понижением температуры в чистых металлах могут реализоваться условия, соответствующие выполнению двух неравенств 1/5> 1,3 < Л. В режиме аномального скин-эффекта возбуждение поперечного звука в металле возможно в отсутствие постоянного магнитного поля. Механизм возбуждения ЭМВ в слабых полях или в отсутствие поля может быть представлен следующим образом. Электроны, находящиеся в скин-слое, ускоряется электрическим полем электромагнитной волны, и через столкновения передают избыточный импульс решетке. Кроме того, ионы решетки испытывают прямое воздействие электрического поля в скин-слое. Возбуждение звука у поверхности металла может происходить, если эти две силы локально не сбалансированы. В отсутствие постоянного магнитного поля это происходит, когда длина свободного пробега носителей превышает толщину скин-слоя. В этом случае «столкновительная» сила пространственно отделена от области прямого воздействия переменного электрического поля, и обе приводят к росту напряжения сдвига на решетке.

С повышением частоты электромагнитного излучения толщина скин-слоя

-172 г» уменьшается пропорционально СО . В то же время длина звуковой волны

Я ~ СО 1. На частотах СВЧ диапазона {/ > 1 ГГц) длина волны звука становится малой по сравнению с толщиной скин-слоя, и эффективность рассмотренных выше механизмов трансформации резко падает. В этих условиях существенное значение приобретает характер рассеяния электронов на границе металла. При диффузном рассеянии возникает т.н. «поверхностная» сила, которая становится определяющей в СВЧ диапазоне. Физическую картину возбуждения аккустических колебаний в металле в режиме Ид> 1 можно представить следующим образом. Если толщина пленки й < /, рассеянием в объеме металла можно пренебречь. В этом случае электроны приобретают в скин-слое поперечный импульс. При диффузном отражении от границы импульс передается решетке. Работа, совершаемая электрическим полем над электронами в скин-слое, преобразуется в энергию звуковых колебаний. По оценкам, эффективность преобразования пропорциональна четвертой степени толщины скин-слоя. Исследования процессов трансформации электромагнитных и звуковых волн в нормальных металлах в СВЧ диапазоне, проводимых с использованием пленок индия, золота и олова показали, что максимум интенсивности лежит в районе 15°К. При повышении температуры происходит быстрое уменьшение коэффициента трансформации. Теория возбуждения упругих волн в металлах [55-57] позволяет, в принципе, развить представления о поверхностных акустоэлектронных волнах в металлах применительно к задачам, связанным с ионными источниками, хотя ни в одной из перечисленных работ эта задача не ставится.

Представляется возможной связь механизмов импульсной десорбции с эффектами разогрева электронной подсистемы и появлением в нестационарном неравновесном режиме "горячих электронов" в металле. Действительно, при высокой скорости инжекции электромагнитной энергии в электронную подсистему может наблюдаться рост температуры электронов [58-60]. Нельзя исключить и эффектов прямого рассеяния электронов проводимости на ближайшем макроскопическом дефекте - поверхности металла [61-62]. Зарядовое состояние отлетающей от поверхности нейтральной частицы формируется при наличии электрического поля за счет обмена электроном [63].

Имеются, следовательно, некоторые достижения теории, которыми можно воспользоваться для анализа явления. Отсутствие приемлемой модели процесса скин-токовой десорбции связано, по-видимому, с недостатком экспериментальных сведений. В частности, в известных работах не были определены пороговые, пространственно-временные, масс-спектральные характеристики процесса безинерционной десорбции.

На основе анализа литературных данных сформулированы следующие актуальные цели и задачи данной работы.

ЦЕЛИ РАБОТЫ

-Экспериментальное определение условий получения потоков ионов, измерение комплекса их характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, при протекании импульсных поверхностных токов по диэлектрическим и металлическим образцам в вакууме.

-Определение на основе полученных результатов путей улучшения характеристик имеющихся ионных источников и создания принципиально новых.

ЗАДАЧИ

Должны быть разработаны и реализованы методы:

- получения ионных потоков, обусловленные протеканием импульса тока по поверхности диэлектрических и металлических образцов в вакууме; диагностики, позволяющие измерять масс-спектральные, пороговые, динамические, угловые и другие характеристики формируемых потоков ионов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Разработана новая методика, с помощью которой впервые проведен комплекс исследований характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, в потоке частиц, полученном при импульсной стимулированной скин-током десорбции с развитой гладкой поверхности металла, а также потока частиц, полученного в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика.

2. Экспериментально показана возможность безинерционной десорбции положительных и отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металлических образцов при воздействии коротких импульсов тока. Выявлены режимы работы, в которых может быть осуществлен этот процесс, определены его характеристики при использовании образцов из различных металлов.

3. Получены неизвестные ранее данные о процессе безинерционной десорбции с поверхности металла, в том числе масс-спектральные, пороговые, динамические характеристики формируемых потоков. Созданы базы экспериментальных данных, необходимые для развития физических представлений об изучаемом процессе.

4. Получены неизвестные ранее данные о масс-спектральных, динамических и угловых характеристиках ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме, определены зависимости этих характеристик от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации. Указанные результаты являются основой для развития физических представлений о процессах образования потока ионов, происходящих на поверхности диэлектрика.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Безинерционная десорбция положительных или отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металла реализуется при воздействии индуцированных импульсов скин-тока и выполнении определенных пороговых условий по мощности импульса и напряженности ускоряющего электрического поля при использовании образцов из фольг различных металлов.

2. Индуцированная скин-током десорбция характеризуется мягкой ионизацией десорбируемых частиц, в том числе тяжелых биоорганических молекул; малыми начальными значениями позиционного и энергетического разбросов.

3. Метод индуцированной скин-током десорбции позволяет изучать быструю динамику адсорбционно-десорбционных процессов на поверхности металла.

4. Масс-спектральные характеристики ионного потока, получаемого при импульсном разряде по поверхности диэлектрика, регулируются заданным образом путем определенной технологии подготовки материала поверхности, особенностей режима измерений, режима предыдущей эксплуатации и конструкции ионного источника.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что:

1. В процессе разработки и оптимизации ионного источника с разрядом по поверхности кварца найдены конструкционные решения, позволяющие использовать источник с высокой эффективностью ионизации во времяпролетном масс-анализаторе.

2. Полученные новые данные о зависимости состава ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика, от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации позволяют получать пучки с заданными свойствами. Использование диэлектриков полиэтилена и парафина позволяет формировать ионные пучки с заданным составом, в том числе с высоким содержанием протонной компоненты (например, до 80% и выше).

3. Экспериментально показана возможность использования импульсного ионного источника со скин-током по поверхности металла для измерения масс-спектра адсорбированной пробы, в том числе тяжелых биоорганических молекул.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Мишин, Максим Валерьевич

4. ВЫВОДЫ

1. Разработана методика, с помощью которой впервые проведен комплекс экспериментальных исследований характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, в потоке частиц, полученном при импульсной стимулированной скин-током десорбции с развитой гладкой поверхности металла, а также потока частиц, полученного в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика. Использованы твердотельные образцы, изготовленные из нераспыляемого диэлектрика - кварца; распыляемого дйэлектрика - полиэтилена; металлических фольг - золота, платины, никеля, меди.

2. Экспериментально подтверждена достоверность безинерционной десорбции положительных и отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металлических образцов при воздействии коротких импульсов тока. Выявлены режимы работы, в которых может быть осуществлен этот процесс, определены его характеристики при использовании образцов из различных металлов.

3. Получены неизвестные ранее данные о процессе безинерционной десорбции с поверхности металла, в том числе масс-спектральные, пороговые, динамические характеристики формируемых потоков. Результаты, полученные при исследовании образца из меди, представляются полезными при проектировании мощных электронных вакуумных устройств. Экспериментально показана возможность использования импульсного ионного источника со скин-током по поверхности металла для измерения масс-спектра адсорбированной пробы, в том числе тяжелых биоорганических молекул с массами до « 10 а.е .м. Созданы базы экспериментальных данных, представляющиеся полезными для развития соответствующих теоретических физических представлений.

4. Получены неизвестные ранее данные о масс-спектральных, динамических и угловых характеристиках ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме, определены зависимости этих характеристик от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации. Указанные результаты являются основой для развития физических представлений о процессах образования потока ионов, происходящих на поверхности диэлектрика.

5. Полученные новые данные о зависимости состава ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика, от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации позволяют получать пучки с заданными свойствами. Использование диэлектриков полиэтилена и парафина позволяет формировать ионные пучки с заданным составом, в том числе с высоким содержанием протонной компоненты (например, до 80% и выше).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мишин, Максим Валерьевич, 2000 год

1. Атомные столкновения в газах и на поверхности твердого тела. // Под. ред. Ю.А. Рыжева. Ташкент. «ФАН». 1988. С. 324.

2. Агеев В.Н. Адсорбционно-десорбционные процессы на поверхности твердого тела. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1984. №3. С. 5-26.

3. P.A. Бараджиола, Т.Е. Мейди. Взаимодействие заряженных частиц с твердым телом. М.: «Высшая школа». 1994. С. 752.

4. Агеев В.Н., Кузнецов Ю.А. Десорбция, стимулированная электронными взаимодействиями. // Проблемы физической электроники. Сборник научных трудов. Ленинград. 1987. С. 18-54.

5. Лазнев Э.Ф. Лазерная десорбция. Под. ред. проф. Копорова П.П. Л.: ЛГУ. 1990. С. 200.

6. Yehuda Z. Laser induced thermal desorption: A theoretical study. // J. Chem. Phys. 88 (6), March. 1988. C. 3981-3987.

7. Э.Г Назаров, У.Х. Расулев. Нестационарные процессы поверхностной ионизации. // Ташкент. «ФАН». 1991. С. 200.

8. Хамидов Н.В. Электрический разряд вдоль поверхности твердых диэлектриков в вакууме. Ташкент. «ФАН» 1985 г. С. 270.

9. Агеев В.Н. Электронно-стимулированная десорбция и ее применение для изучения адсорбции. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. №4. С. 1-17.

10. Арифов У.А. взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела. М.: Наука. 1968. С. 234.

11. Агеев В.Н., Бурмистрова О.Н., Кузнецов Ю.А. Энергетические распределения атомов щелочных металлов при электронно-стимулированной десорбции с окисленного вольфрама. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1988. №7. С. 28-34.

12. Х.Дункен, В.Лыгин. Квантовая химия адсорбции на поверхности твердых тел. М.: "Мир", 1980. С. 288.

13. Дж. Займан. Принципы теории твердого тела. М.: «Мир». 1974. С. 328.

14. Лопаткин A.A. Теоретические основы физической адсорбции. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. С. 344.

15. Еловиков С.С., Сушкова Ю.В., Шахурин Е.С., Максимов С.Е. Применение методов электронной спектрометрии и масс-спектрометрии для изучения электронно-стимулированной десорбции. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1992. №6. С. 99105.

16. Кузьмин А.Г. Масс-спектрометрический анализ диэлектриков с использованием ионизации в скользящем разряде. // Автореферат на соискание ученой степени к. ф.-м. н. СПб. 1992. С. 20.

17. Боровик Е.С., Батраков Б.П. Исследование пробоя в вакууме. // ЖТФ. 1958. Т.28, №9. С. 1621-1624.

18. Gleichauf Р.Н. Electrical Breakdown over Insulators in High Vacuum // J/ Appl. Phys. 1955. V. 22, №5, 6. P 394-398.

19. Boersch H., Hämisch Y., Ehrlich W. Oberflachene Hadungen über Isolatoren in Vacuum. // Zs. Ang. Phys. 1963. Bd. 15, №6. S. 518.

20. Tourreil С., Srivastava К. A study of the Electrical charding of the surfase of insulators in vacuum. // Proceeding V International Symposium on Dischargens and Electrical Insulation in Vacuum. 1972. P. 295-299.

21. Cross J., Srivastava K. High speed photography of surface flashover of solid insulators under impulse voltages in vacuum // Ibid. P. 307-313.

22. Broinorol J. В., Iensen D. Electron Avalanche and Surface Chargin on Alumina Insulators During Pulsed High-Voltage Stress // J. Appl. Phys. 1974. V.45, №8. P. 3260-3265.

23. Smith I. Insulation of high voltage across solid insulators in vacuum. // Proceeding I International Symposium on Insulation of High Voltages in Vacuum. 1964. P. 261.

24. Watson A. Pulsed Flashover in Vacuum. // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P. 2019.

25. Бугаев С,П., Кремнев В.В., Терентьав Ю.И., и др. Исследование незавершенного импульсного разряда по поверхности титаната бария. // ЖТФ. 1971. Т. 41, №9. С. 19581962.

26. Astian Н., Vodar L. Methode de Spectrphotometrie Photographie Dans I'Ultraviolet Lointain // J. Phys. Rad. 1953.V. 14. P. 494.

27. Месяц Г.А. Эктоны. Ч. 2. Екатеринбург: УИФ "Наука". 1994. С. 243.

28. Бугаев С.П., и др. Исследование мехенизма импульсного пробоя поверхности диэлектрика в вакууме. //ЖТФ. 1967. Т. 37, №10. С. 1861-1869.

29. Авдеенко А.А., Малов М.Д. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. //ЖТФ. 1977. Т. 47,№8. С. 1703-1711.

30. Anderson R.A. Mechanism of Fast Surface Flashover in Vacuum // Appl. Phys. Lett. 1974. V. 24, №2. P. 54-56.

31. Anderson R.A., Brainard J. P. Surface flashover model based on electron-stimulated desorption. // J. Appl. Phys. 1978. V. 18. P. 1019.

32. Ohki J. Surface flashover along a polycarbonate plate in vacuum under a non-uniform electric field. // Proceeding X International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Columbia, USA, 1982, P. 322-326.

33. Hegeler F., Masten G., Krompholz, Hatfitld L. Current, Luminosity, and x-Ray Emission in the Early Phase of Dielectric Surface Flashover in Vacuum. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1993. V. 21, №2. P. 223-227.

34. Немец B.M., Петров A.A., Соловьев A.A. Спектральный анализ неорганических газов. //Л.: Химия. 1988. С. 240.

35. Bellamy L.J. "Advancesin Infrared Group Frequencies". Chapman and Hall. London. 1975. C. 432.

36. Pouchert C.J. "The Aldrich Library of FT-Infrared Spectra." Lst ed. Aldrich Chemical. Milwaukee. 1986. C. 540.

37. Engelko V., Giese. H., Schalk S. Formation of an intense proton beam of microsecond duration. //11th International Conference on High Power Particle Beams, Beams 96, Praque, June 10-14,1996, p.95.

38. Engelko V., Giese. H., Schalk S. Measurement of extent of intense ion beam charge neutralization // 11th International Conference on High Power Particle Beams, Beams 96, Praque, June 10-14,1996, p.l 111-1114.

39. Lototsky M.V. and odher. An investigation of the hydrogen ion source with me-tal-hydrid emitter. // In. Hydrogen Energy Progress. XI Proc. 11th Word Hydrogen Energy Conf., Stuttgard, Germany, 23-28 June 1996. Vol. 2. P. 2039-2044

40. Тарасова Л.В. Десорбционный механизм электрического пробоя в высоком вакууме. // Доклады АН СССР. 1966. Т. 167, № 2. С. 330-333.

41. Krueger F.R. and other. Desorption Induced Electron Transit. // DIET II Proc. 2-nd Worksheep. Berlin. 1985. Р/ 271 -276.

42. Krueger F.R. A Simple Technique of Ion Generation from Organic Solid by Ultrashort Electric Pulses. // ORGANIC MASS SPECTROMETRY, VOL.18, N 10, 1983. P.442-443.

43. Козлов Б.Н. и др. Десорбция нейтральных частиц с поверхности металла индуцируемая импульсом тока в скин-слое. // XXI Всесоюзная конф. по эмисионной электронике. Тезисы докладов. Т. 1. Ленинград. 1990. С. 38.

44. Mathewson A.G. and other Vacuum Conditioning of the LEP Radiofreguency Cavity Units. // American Inst, of Phusics. Conf. Proc. 1988. №171, N.Y .P 186-192.

45. Цыбин О.Ю. Многоатомные агрегации в электронных вакуумных приборах. // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике. Саратов, СГУ, 1989, с.98-105.

46. Цыбин О.Ю. Способ получения мелкодисперсных частиц вещества в электронном вакуумном приборе. А.с.№1547596, приоритет от 1 июля 1987 года, per. 1.11.89г.

47. Tsybin О. Yu. Polyatomic Aggregation Dynamic Effects in Ionized Active Medium of Vacuum Tubes. International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Pisa, Italy, 1991, 899.

48. Ганичев Д.А., Толкачев В.Б., Цыбин О.Ю. Масс-спектрометрическая регистрация ионов, образующихся в сильном электрическом поле. // В сб.: Физика и диагностика компонентов и активных сред электроники. Труды СПбГТУ, № 436,1991г., с.37-39.

49. Высокотемпературная электроника твердого тела // Под. ред. Вайсбурд Д.И. Новосибирск. «Наука». 1982. С. 224.

50. Васильев А.Н., Гайдуков Ю.П. Электромагнитное возбуждение звука в металлах. // УФН 1983. Т. 141, №3. С. 431-467.

51. А.Р. Гачкевич, P.C. Мусий. Физические-механические поля в деформируемых средах. Киев. 1978. С. 320

52. Лурье М.А. Радиочастотный размерный эффект в металлах с реальной поверхностью. // Физика низких температур. 1994. Т. 20, № 6. С. 566-573.

53. В.З. Партон, Б.А. Кудрявцев. Электромагнитная упругость пьезоэлектрических и электропроводных тел. М.: «Наука». 1988. С.470.

54. Ю.М. Гальперин, В.Л. Гуревич. Акусто-электроника полупроводников и металлов. М.: «Знание». 1978. С. 62.

55. Поверхностные акустические волны устройства и применения // Под. ред. Ю.В. Гуляева. ТИИЭР. Т. 64, № 5. 1976. С.323.

56. Гинзбург В.Л., Шабанский В.П. Кинетическая температура электронов в металлах и аномальная электронная эмиссия. // Доклады АН СССР. Физика. 1955. Т. 100, № 3. С. 445448.

57. В.В. Головлев и др. Исследование релаксации электронной температуры медной пленки при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами. // ПЖТФ. 1992. Т. 55, № 8. С. 441-444.

58. Баренгольц С.А., Крейндель М.Ю., Литвинов Е.А. Индуцирование вакуумного пробоя при СВЧ-полях. // IX Симпозиум по сильноточной электроники. 1992. С. 56-57.

59. Крохин A.A. Макаров Н.М., Ямпольский В.А. Теория поверхностного рассеяния электронов в металлах с пологими неровностями границы. // ЖЭТФ. 1991. Т.99, в.2. С. 520-529.

60. В.Ф. Гантмахер, М.Б. Левинсон. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках. М.: «Наука». 1984. С. 270.

61. М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. Допуски и посадки. Справочник. Т. 1. JI.: «Политехника». 1991. С. 576.

62. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: «Энергоатомиздат», 1991,1232 с.

63. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VIII., Электродинамика сплошных сред. М.: "Наука". 1992. С. 661.

64. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. III. Электричество. Ч. 1.М.: «Наука. Физматлит». 1996. С. 320.

65. Дерендяев Ю.С. Иванов И.Н., Каминский А.К., и др. Исследование экранирования переменного магнитного поля проводящими экранами // Препринт ОИЯИ, № Р9-8486. Дубна, 1974. С. 24.

66. Полянин А.Д., Вязьмин А.В., журов А.И., Казенин Д.А. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса. М.: "Факториал". 1998. С. 367.

67. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. М.: Изд-во "Энергоатомиздат", 1992. С. 356.

68. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Изд-во иност. лит. 1954. С. 604.

69. Стрэттон Дж. А. Теория электромагнетизма, М.-Л., 1984. С. 534.

70. С.С. Духин, Б.В. Дерявин. Электрофорез. М.: «Мир». 1976. С. 256.

71. Химический энциклопедический словарь. Под. ред. Кнуяна И.Л. М.: «Советская энциклопедия». 1983. С. 792