Воздействие интенсивного излучения мягкого рентгеновского диапазона на полимер тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Сюй Цзэпин

• Сюй Цзэпин
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сюй Цзэпин

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Механизмы взаимодействия ультрафиолетового лазерного излучения с полимерами.

1.2. Взаимодействие полимеров с мягким рентгеновским излучением (МРИ).

1.3. Источники Интенсивного мягкого рентгеновского излучения.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ

ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Общее описание установки.

2.2. Характеристики МРИ на выходе концентратора.

2.3. Образцы полимера и металла.

2.4. Регистрация выхода ионов из образцов при помощи коллектора.

2.5. Регистрация выхода электронов.

2.6. Регистрация фотоакустического отклика в полимере при воздействии интенсивного МРИ.

2.7. Регистрация глубины кратера.

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРИ ДЕЙСТВИИ МРИ НА ПОЛИМЕР И МЕТАЛЛ.

3.1. Образование абляционного кратера при воздействии на полимер интенсивного МРИ.

3.2. Выход электронов с поверхности полимера под действием МРИ.

3.3. Выход ионов с поверхности полимера под действием МРИ.

3.4. Исследование фотоакустического отклика в полимере при воздействии интенсивного МРИ.

Глава 4. МЕХАНИЗМЫ АБЛЯЦИИ ПОЛИМЕРА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИНТЕНСИВНОГО МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ.

4.1. Тепловой механизм абляции.

4.2. Нетепловой механизм абляции(механизм "кулоновского взрыва").

4.3. Процессы "кулоновского взрыва".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Воздействие интенсивного излучения мягкого рентгеновского диапазона на полимер»

Излучение рентгеновского диапазона с длинами волн 1 - 200А относи к области мягкого рентгеновского излучения (МРИ), оно широко используется в научных исследованиях, технике и технологии. В последние годы интенсивно исследуется взаимодействие МРИ с полимерами. Это связано с различными практическими задачами: разработками в области рентгенолитографии для производства интегральных схем [1-3], изучением влияния солнечного излучения на материалы покрытий космических аппаратов [4] и т.д. Основным источником МРИ для таких исследований является синхротронное непрерывное излучение, позволяющее получать на поверхности образцов МРИ с плотностью потока -10 кВт/см2. Работы по лазерному термоядерному синтезу, где полимерная оболочка термоядерной мишени облучается интенсивным МРИ (так называемая "непрямая накачка"), разработки по созданию рентгеновских лазеров и создание высокотемпературных плазменных источников, обладающих высокой яркостью и мощностью МРИ, стимулировали интерес к рентгеновской фотофизике и фотохимии при высоких плотностях потока МРИ. Одним из высокотемпературных плазменных источников является лазерная плазма[5-7].

Полимеры представляют собой наиболее интересный объект для изучения фотохимии и фотофизики при высоких плотностях потока МРИ [812]. Наиболее близки (по длинам волн) к этим исследованиям проведенные сравнительно недавно работы, посвященные взаимодействию с полимерами излучения импульсных лазеров с длинами волн в ультрафиолетовой области спектра [13, 22-31]. Из этих работ известно, что воздействие излучения импульсных лазеров ультрафиолетового диапазона (эксимер, гармоники Nd-лазера) на полимер приводит (при интенсивностях ~ 1МВт/см) к существенному нагреву поверхности полимера и при интенсивностях ~ 5-7МВт/см к абляции (удалению материала с поверхности) по тепловому мехаяизму. При воздействии интенсивного МРИ ситуация может быть иной, т.к. энергия, вложенная в полимер может перераспределяться по другим каналам. Поглощение полимером импульсного МРИ высокой интенсивности приведет к одновременному образованию в полимере большого количества фотоэлектронов и ионов, причем энергия первичных электронов будет -1001000 эВ и они частично могут покинуть полимер. Таким образом, наличие ряда неравновесных процессов на поверхности полимера может привести, помимо тепловых эффектов, к появлению объемных зарядов. Результат этих процессов, очевидно, далеко не ясен.

Поэтому целью настоящей работы является изучение процессов на поверхности полимеров под действием интенсивного МРИ от лазерной плазмы в диапазоне спектра 20-130А с инггенсивностями МРИ от 0,1 до 1 МВт/см2. Для выяснения характера процессов на поверхности полимера под действием МРИ проводится сравнение с чисто тепловым воздействием на полимеры излучения ультрафиолетового лазера, а также с воздействием МРИ на металлы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты диссертации докладывались на Второй международной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (г. Саратов, 2000 г.), на Научных сессиях МИФИ-2000, МИФИ-2001 и МИФИ-2002. (г. Москва, 2000 г., 2001 г., 2002 г.).

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих печатных работах:

1. О.Б. Ананьин, В.К. Ляпидевский, В.Б. Ошурко, Д.В. Лаврухин,

А.Б. Карпюк, Сюй Цзэпин, "О возможности модификации структуры вещества интенсивным рентгеновским излучением", Труды научной сессия МИФИ-2000, Том 4, Москва, МИФИ, 2000, с.173.

2. Сюй Цзэпин, Ананьин О.Б., Карпюк А.Б., Лаврухин Д.В., Ошурко В.Б, "О механизме абляции полимеров под действием интенсивного мягкого рентгеновского излучения", Тез. докл. Второй международной конференции "Фундаментальные проблемы физики", г. Саратов, 2000, с. 180.

3. Лаврухин Д.В., Ананьин О.Б., Карпюк А.Б., Ошурко В.Б., Сюй Цзэпин, "Структурные изменения в полимерах под действием интенсивного мягкого рентгеновского излучения", Тез. докл. Второй международной конференции "Фундаментальные проблемы физики", г. Саратов, 2000, с. 122.

4. Ананьин О.Б., Карпюк А.Б., Лаврухин Д.В., Ошурко В.Б., Сюй Цзэпин, "Модификация вещества под действием интенсивного мягкого рентгеновского излучения", Труды научной сессия МИФИ-2001, Том 4, Москва, МИФИ, 2001.

5. Ананьин О.Б., Карпюк А.Б., Лаврухин Д.В., Ошурко В.Б., Сюй Цзэпин, "Механизмы абляции материалов под действием интенсивного мягкого рентгеновского излучения", Труда научной сессия МИФИ-2001, Том 4, Москва, МИФИ, 2001.

6. Ананьин О.Б., Карпюк А.Б., Лаврухин Д.В., Ошурко В.Б., Сюй Цзэпин, "Кулоновский механизм абляции полимера под действием интенсивного мягкого рентгеновского излучения", Труды научной сессия МИФИ-2002, Том 4, Москва, МИФИ, 2002.

7. Ананьин О.Б., Ошурко В.Б, Сюй Цзэпин, Лаврухин Д.В., Каргаок А.Б., Мелехов А.П., "Воздействие интенсивного излучения мягкого рентгеновского диапазона на полимер", Москва, Препринт МИФИ, № 008-2001. 27 с.

8. Ананьин О.Б., Ошурко В.Б, Сюй Цзэпин, Лаврухин Д.В., Карпюк А.Б., "Фотоакустичесий отклик в полимере при воздействии интенсивного мягкого рентгеновского излучения", Инженерная физика. (Принята.)

9. Ананьин О.Б., Ошурко В.Б, Сюй Цзэпин, Лаврухин Д.В., Карпюк А.Б., Мелехов А.П., Абляция полимера интенсивным мягким рентгеновским излучением, Инженерная физика, №3,2001.с.62-68.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Предложена и реализована экспериментальная зондовая методика, позволяющая изучать выход первичных электронов и ионов с поверхности образцов (полимера и металла) под действием МРИ в условиях высокой интенсивности излучения и наличия большого числа вторичных процессов фотоионизации.

2. Экспериментально получена зависимость выхода фотоэлектронов от интенсивности мягкого рентгеновского излучения (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см на образцы полимера CR-3 9 и показано, что выход фотоэлектронов (интегральный по всем направлениям к поверхности полимера) линейно растет в данном диапазоне интенсивностей, а количество фотоэлектронов составляет ~ 109 при воздействии на полимер 1013 фотонов МРИ.

3. Экспериментально обнаружено, что выход фотоионов с поверхности с 'Ч полимера CR-39 имеет порог по интенсивности МРИ (2ТО Вт/см ) и увеличивается с ростом интенсивности МРИ (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.2-1.0 МВт/см2.

4. Экспериментально обнаружено протекание процессов абляции полимера CR-39 при воздействии импульсного МРИ со спектром излучения 20 - 130 ангстрем при длительности импульса 20 - 30 не и интенсивностью 0.2

1.0МВт/см и показано, что глубина кратера составляет примерно ~ 0.05 мкм за импульс.

5. Путем сравнения результатов воздействия лазерного ультрафиолетового излучения и МРИ (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см на полимер CR-39, а также воздействия МРИ на поверхность меди показано, что процессы абляции полимера под действием МРИ протекают по нетепловому механизму.

6. Предложен нетепловой механизм абляции полимера интенсивным рентгеновским излучением, основанный на известном механизме "кулоновского взрыва", предполагающем образование высокой плотности заряда на поверхности полимера и разлет вследствие кулоновского расталкивания.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1. Предложена и реализована экспериментальная зондовая методика, позволяющая изучать выход первичных электронов и ионов с поверхности образцов под действием МРИ в условиях высокой интенсивности МРИ и большого числа вторичных процессов ионизации.

2. Впервые обнаружено протекание процессов абляции (удаление вещества с поверхности) полимера CR-39 при воздействии импульсного МРИ со спектром излучения 20-130 ангстрем при длительности импульса 20 - 30 не и интенсивностью 0.2-1.0 МВт/см . Выяснено, что глубина кратера составляет примерно ~ 0.05 мкм за импульс.

3. Впервые экспериментально получена зависимость выхода фотоэлектронов от интенсивности мягкого рентгеновского излучения (со л спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см при воздействии на образцы полимера CR-39. Показано, что выход фотоэлектронов (интегральный по всем направлениям к поверхности полимера) линейно растет в данном диапазоне интенсивностей МРИ и количество фотоэлектронов относительно

9 13 невелико (10 электронов при 10 фотонов МРИ).

4. Обнаружено, что выход фотоионов с поверхности полимера CR39 имеет порог по интенсивности МРИ и растет с ростом интенсивности МРИ (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см , причем энергии фотоионов могут достигать величин до 1 кэВ.

5. Путем сравнения результатов воздействия лазерного ультрафиолетового излучения и интенсивного МРИ на полимер CR-39 (при близких спектральных и термодинамических характеристиках воздействия) впервые показано, что процессы абляции полимера под действием МРИ протекают по нетепловому механизму.

6. Впервые экспериментально - получена зависимость амплитуды фотоакустического сигнала при воздействии МРИ (со спектром 20 - 130 л ангстрем) в диапазоне интенсивностей 0.1-1.0 МВт/см на полимер CR-39, показано, что как величина фотоакустического сигнала, так и характер зависимости (излом кривой в области порога абляции) свидетельствуют о нетепловом механизме возникновения давления в полимере при воздействии МРИ.

7. Впервые предложен нетепловой механизм абляции полимера интенсивным рентгеновским излучением, основанный на известном механизме "кулоновского взрыва".

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Предложенная и реализованная экспериментальная зондовая методика, позволяет изучать выход электронов и ионов с поверхности образцов под действием высокой интенсивности МРИ в условиях большого числа вторичных процессов, таких, как: фотоэлектронная эмиссия с зондов под действием отраженного рентгеновского излучения; наличие вторичных электронов; ионизация остаточного газа и др. .

2. Сравнения результатов воздействия лазерного ультрафиолетового

2, излучения и МРИ (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см на полимер CR-39, а также воздействия МРИ на поверхность меди позволяют сделать вывод, что процессы абляции полимера под действием МРИ протекают по нетепловому механизму.

3. Обнаруженное протекание процессов абляции полимера CR-39 при воздействии импульсного МРИ со спектром излучения 20 - 130 ангстрем л при длительности импульса 20 - 30 не и интенсивностью 0.2 - 1.0МВт/см (глубина кратера составляет примерно ~ 0.05 мкм за импульс) позволяет принципиально реализовать прямую рентгеновскую фотолитографию без химической обработки поверхности.

4. Предложенный нетепловой механизм абляции полимера интенсивным рентгеновским излучением, основанный на известном механизме "кулоновского взрыва", позволяет прогнозировать результаты воздействия мягкого рентгеновского излучения на полимер в широком диапазоне интенсивностей, например, в задачах JITC при "непрямой накачке" термоядерных мишеней.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации показана актуальность тематики исследований, сформулирована цель работы, дается краткое содержание глав диссертации.

Первая глава содержит обзор литературы и постановку задачи. Рассмотрены современные представления об основных процессах, протекающих под действием УФ и МРИ на вещество, и в основном под действием МРИ на полимерные материалы. Как оказалось, большинство исследований воздействия МРИ на полимерные материалы проведены в условиях относительно низкой интенсивности непрерывного излучения (например, синхротронного излучения). Показано, что воздействием МРИ на полимер вызывается целая совокупность физико-химических превращений, так называемые радиационно- и фотохимические реакции. В итоге, основные химические процессы, происходящие в полимерах под действием МРИ - это разрыв главных цепей и образование свободных радикалов, двойных связей, поперечных мостиков, концевых мостиков и т.п. В результате этих процессов может происходить изменение макросвойств полимеров. Физический механизм таких фотопроцессов обычно связывают с фотоионизацией и воздействием вторичных электронов на макромолекулы полимера.

С увеличением интенсивности синхротронного излучения до -0.1-10 кВт/см возникают явления, приводящие к т.н. «травлению» полимера, т.е. выходу вещества с поверхности. Как выяснилось, основной механизм такого эффекта оказывается практически тепловым. Так, под действием излучения и вторичных реакций (аналогичном воздействию, например, электронных пучков на полимер), происходит нетепловая диссоциация полимерных макромолекул и на поверхности возникает большое число низкомолекулярных продуктов реакций. Вследствие неизбежного нагрева, как показано во многих работах, эти низкомолекулярные продукты испаряются с поверхности. Такой механизм, очевидно, предполагает наличие порога по интенсивности излучения (вследствие необходимости нагрева выше температуры испарения продуктов) и по дозе облучения (необходимо существенное предварительное разрушение макромолекулярных цепей ).

Такой тепловой механизм предполагается и в работах" по изучению действия излучения солнечных вспышек на полимеры.

В целях сравнения, в этой главе рассмотрены различные механизмы абляции полимеров (удаление вещества с поверхности) под действием

Л Я О ультрафиолетового лазерного излучения с интенсивностью 10 ~ 10 Вт/см . показано, что в случае лазерной абляции полимера под действием ультрафиолетового излучения, тепловой (термодинамически равновесный) механизм образования продуктов является доминирующим.

Тем не менее, в литературе практически отсутствуют данные об изучении процессов воздействия на полимеры мощного импульсного мягкого рентгеновского излучения с плотностью потока 104~106Вт/см2 и длительностью порядка десятков наносекунд. Как следствие, в литературе также почти отсутствуют исследования характеристик фотоэлектронов и фотоионов, образующихся под действием интенсивного рентгеновского излучения на полимеры, а также нагрева поверхности; отмечено, что эти данные были бы важны в установлении физического механизма воздействия интенсивного МРИ с полимерами.

В отличие от действия на полимер ультрафиолетового лазерного излучения при воздействии импульсного МРИ наносекундной длительности можно ожидать существенную фотоионизацию и выход электронов с достаточно большой энергией за пределы полимера, что приведет к существенным нарушениям квазинейтральности в поверхностных слоях полимера. При этих условиях величина теплового нагрева может невелика. Исследованию этих процессов посвящена данная работа.

Вторая глава посвящена описанию комплекса физической аппаратуры и экспериментальных методик для исследования процессов происходящих на поверхности полимера под действием МРИ в широком диапазоне интенсивностей (0.1- 1.0 МВт/см ) излучения со спектром излучения 20 - 130 ангстрем при длительности импульса ~ 20-30 не.

Вся установка состоит из нескольких систем: вакуумной, лазерной, рентгенооптического концентратора и системы диагностики. Первые три системы образуют т.н. лазерно-плазменный источник мощного рентгеновского излучения. В источнике излучение мощного (~ 40 Дж) неодимового лазера с модуляцией добротности (импульс 20 не) фокусировалось на свинцовую мишень (в вакууме

Ю^Торр), где образовывался факел лазерной плазмы. Специально созданный рентгенооптический концентратор, состоящий из большого числа полых стеклянных волноводов, фокусировал МРИ лазерной плазмы на образце полимера, находящемся в другой вакуумной камере.

Приведены спектральные и энергетические характеристики МРИ на выходе лазерно-плазменного источника. Экспериментально проверено, что средняя энергия кванта МРИ на выходе концентратора практически не изменяется при изменении энергии лазерного импульса, создающего плазму на мишени источника, тогда как энергия рентгеновского импульса (т.е. число таких квантов) почти пропорциональна энергии лазерного импульса. Этот факт является следствием того, что рентгенооптический концентратор в диапазоне 20 - 130 ангстрем работает подобно оптическому фильтру. Это позволило варьировать интенсивность рентгеновского излучения на образце путем изменения энергии лазерного импульса.

Экспериментальная методика включает в себя: (1) зондовые измерения, позволившие оценить выход фотоионов в зависимости от интенсивности МРИ;

2) методику измерения выхода электронов с помощью "интегрирующей сферы", дающую возможность регистрировать практически все электроны, вне зависимости от угла вылета с поверхности; (3) фотоакустическую методику, которая позволяет изучать импульсы давления в полимере, образующиеся под действием тепловых (и других) процессов, происходящих при воздействии интенсивного МРИ. Кроме того, для измерения размеров абляционного кратера использовались оптические методы (интерферометр Маха-Цендера и др.).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процессов на поверхности полимера CR-39, в том числе выхода вещества с поверхности полимера и образование кратера под действием мягкого рентгеновского излучения импульсного (20-30 не) лазерно-плазменного источника с интенсивностью 0.1-1.0 МВт/см? в спектральном диапазоне 20-130 ангстрем.

Экспериментально показано, что выход фотоэлектронов по всем направлениям из поверхности полимера линейно растет в диапазоне интенсивностей МРИ 0.1-1.0 МВт/см, но количество фотоэлектронов относительно невелико (109 электронов при 1013 фотонов МРИ).

Обнаружено, что, выход фотоионов с поверхности полимера имеет порог по интенсивности МРИ и увеличивается с ростом интенсивности МРИ в данном диапазоне

0.1-1.0 МВт/см ), а энергии фотоионов могут достигать величин до 1 кэВ.

Обнаружено, что при облучении полимера импульсами с интенсивностью >200кВт/см на поверхности полимера образуется кратер (т.е. абляция материла полимера).Оптическими методами (интерферометрически и по отражению лазерного излучения) было выяснено, что глубина кратера составляет примерно ~ 0.05 мкм за импульс МРИ.

Обнаружено, что при этом порог абляции составляет всего 200 кВт/см при очень малой дозе облучения. Пороговый характер абляции по интенсивности МРИ был дополнительно подтвержден контрольным экспериментом, в котором полимер облучался с интенсивностью ~ 50 кВт/см о до дозы ~ 100 Дж/см; но при этом, в контрольном эксперименте, абляционный кратер еще не образуется.

Величина порога абляции по интенсивности МРИ, как видно, оказывается невысокой, тогда как оценки порога абляции по тепловому механизму предсказывают величину не менее 5,0 МВт/см2. Эта величина теплового порога была подтверждена в контрольном эксперименте, в котором в качестве модели теплового воздействия использовалось действие излучения четвертой гармоники неодимового лазера. Величина теплового порога абляции в этом У случае составила ~ 7,0 МВт/см .

Оценьси показали, что нагрев поверхности при пороговой интенсивности рентгеновского излучения (200 кВт/см) составляет всего ~ 30 К, что , очевидно, недостаточно для столь интенсивного испарения продуктов воздействия (~ 0.05 мкм за импульс) по тепловому механизму.

Проведен контрольный эксперимент - воздействие на поверхность металла, в котором из-за наличия свободных электронов поверхностный заряд не должен формироваться. Если образование поверхностного заряда действительно важно для протекания абляции вещества при воздействии МРИ, то , ясно, что при отсутствии такого заряда (как это должно быть в металле), кратер не должен формироваться.

Как показали эксперименты, действительно, на поверхности меди не образуется абляционный кратер при воздействии МРИ вплоть до интенсивности 1.0 МВт/см , а выход фотоионов невелик и линейно растет с ростом интенсивности МРИ.

Обнаружено, что при воздействии интенсивного рентгеновского излучения на CR-39 амплитуда фотоакустического сигнала линейно растет в диапазонах интенсивности 10 - 200 кВт/см и 200 - 1000 кВт/см , но испытывает перегиб около 200 кВт/см2. Эта величина

200 кВт/см ) приблизительно равна порогу абляции, определенному из наблюдений образования кратера на поверхности.

Показано, что амплитуда фотоакустического сигнала при рентгеновском воздействии во всем диапазоне интенсивностей более, чем на порядок превосходит сигнал ультрафиолетового (теплового) воздействия (при таких же тепловых условиях). Отсюда можно заключить, что генерация звука в полимере при действии импульсов МРИ, в основном, связана не с тепловым расширением, а с другими процессами.

Четвертая глава посвящена анализу процессов на поверхности полимера при действии МРИ и выяснению механизма абляции полимера (вынос массы вещества полимера). Рассмотрение роли только тепловых процессов показывает, что нагрев поверхности полимера МРИ составляет величину АТ-ЗОК, что явно не достаточно для тепловой абляции материала полимера. Это подтверждается и приведенными в главе 3 экспериментами по облучению полимера четвертой гармоникой Nd-лазера. Более убедительно представляется механизм абляции, основанный на кулоновском рассталкивании ионов полимера. Суть этого механизма состоит в том, что фотоэлектроны с энергией 100-1000 эВ, образованные в полимере под действием МРИ из слоя полимера, толщиной порядка длины свободного пробега (~0,04мкм) выходят за поверхность полимера. В приповерхностном слое полимера возникает нескомпенсированный положительный заряд, который в отсутствие свободных носителей не успевает быстро скомпенсироваться. При достаточно большом положительном заряде (т.е. высокой интенсивности МРИ) энергия кулоновского рассталкивания ионов превышает энергию связи макромолекул полимера и происходит выброс массы с поверхности полимера. Таким образом, порог по абляции в этом механизме определяется равенством энергии кулоновского отталкивания и энергии связи макромолекул полимера, и в конечном счете пороговой интенсивностью МРИ. При интенсивностях МРИ, меныпих пороговой, выброса массы не будет, однако некомпенсированный по заряду объем будет оказывать давление на более глубокие слои полимера. Все экспериментальные данные различных экспериментов, представленные в главе 3, хорошо объяснимы с позиции этого механизма абляции. Во-первых ясно, что в металлах, где много свободных носителей, при сравнимых плотностях МРИ кратера не будет. Во-вторых, общее число электронов ( ~109), вылетающих из полимера, сравнимо с количеством квантов МРИ, поглощенных в слое ~0,04мкм.

Наконец, объяснима зависимость фотоакустического сигнала от Л интенсивности МРИ. До порога абляции (~0,2МВт/см) сигнал связан с давлением поверхностного слоя полимера на глубинные слои. При пороговой интенсивности происходит излом кривой, т.к. выброс материала приводит к возникновению импульса отдачи. Наконец, следствием существования такого механизма абляции будет увеличение энергии ионов при почти линейной зависимости их количества от интенсивности МРИ.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Сюй Цзэпин

Основные результаты работы;

1. Разработана комплексная экспериментальная методика для исследования процессов абляции полимера под действием МРИ в широком диапазоне интенсивностей (0.1- 1.0 МВт/см ) излучения со спектром излучения 20 - 130 ангстрем при длительности импульса ~ 20-30 не, которая включает в себя:

• модифицированную методику зондовых измерений, позволяющая изучать выход ионов с поверхности образцов под действием МРИ в условиях высокой интенсивности излучения и большого числа вторичных процессов фотоионизации.

• методику «интегрирующей сферы», позволяющую изучать выход первичных фотоэлектронов по всем направлениям к поверхности полимера в условиях высокой интенсивности излучения и большого числа вторичных процессов ионизации.

• фотоакустическую методику, которая позволяет изучать тепловые и нетепловые процессы формирования акустического импульса в полимере под действием МРИ.

2. Экспериментально обнаружено протекание процессов абляции полимера CR-39 при воздействии импульсного МРИ со спектром излучения 20 - 130 ангстрем при длительности импульса 20 - 30 не и интенсивностью 0.2 -1.0МВт/см и показано, что глубина кратера составляет примерно ~ 0.05 мкм за импульс.

3. Экспериментально получена зависимость выхода фотоэлектронов от интенсивности мягкого рентгеновского излучения (со спектром 20 - 130 у ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см на образцы полимера CR-39 и показано, что выход фотоэлектронов (интегральный по всем направлениям к поверхности полимера) линейно растет в данном диапазоне интенсивностей, а количество

- 124

9 13 фотоэлектронов составляет -10 при воздействии на полимер 10 фотонов МРИ.

4. Экспериментально обнаружено, что выход фотоионов с поверхности полимера CR-39 имеет порог по интенсивности МРИ и увеличивается с ростом интенсивности МРИ (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см2.

5. Путем сравнения результатов воздействия лазерного ультрафиолетового излучения и МРИ (со спектром 20 - 130 ангстрем) в диапазоне 0.1-1.0 МВт/см2 на полимер CR-39 (при близких спектральных и термодинамических характеристиках воздействия), а также воздействия МРИ на поверхность меди показано, что процессы абляции полимера под действием МРИ протекают по нетепловому механизму.

6. Предложен нетепловой механизм абляции полимера интенсивным рентгеновским излучением, основанный на механизме "кулоновского взрыва", предполагающем образование высокой плотности заряда на поверхности полимера и разлет вследствие кулоновского расталкивания.

- 125 -Заключение

Совокупность экспериментальных данных, изложенных в основных результатах работы и их анализ, свидетельствуют в пользу кулоновского механизма абляции полимеров при действии на него импульсного мягкого с ^ рентгеновского излучения с плотностью потока q > qKp = 2-10 Вт/см . Однако это предположение нуждается в дополнительной проверке, прежде всего экспериментальной. Кулоновский механизм абляции предполагает определенные зависимости количества ионов (нейтралей) и их энергии от величин^ плотности потока МРИ q, превышающей qKp. Такие измерения в данной работе корректно сделать не удалось. Эти измерения можно выполнить при использовании масс-спектрометрической методики, подобно тому, как это было сделано при действии ультрафиолетового лазерного излучения на полимеры. Представляет также интерес массовый состав как ионной, так и нейтральной компоненты продуктов разлета полимера под действием импульсного МРИ, что позволит более детально разобраться в существе процессов, происходящих в полимере при воздействии интенсивных потоков МРИ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сюй Цзэпин, 2002 год

1. Булгакова С.А., Лопатин А.Я., Лучин В.И., Мазанова Л.М. и др., Рентгенорезиеты на основе полиметилметакрилата для спектрального диапазона 13нм, Поверхность. 1 (1999) с. 133-139

2. ICE Turcu, Mann С.М., Moon C.W. et. al., Deep, three dimensional lithography with a laser-plasma X- Ray source at lnm wavelength, Microelectronic Engineering. 35 (1997) 541-544

3. Rangarajan L.M., Mahadevan S, Research activities of photolithography by synchrotron radiation from Indus-1 and indus-2. Nucl. Insrum. Methods Phys.Res., Sect. A, 405(1998)500-505

4. Milinchuk A., Van Eesbeck M.,Levadou M.,Harper Т., Influence of X-ray Solar Flare Radiation on degradation of teflon, Journal of Spacecrafts and rockets, vol.34, N4, pp.542-548

5. O.B. Anan'in, Yu. A. Bykovskii, V. Yu. Znamenskii et. al., Laser-Plasma source of Soft-X-Ray radiation, Laser Physics, vol.4, N3 (1994), pp.521-531.

6. Ананьин О.Б., Быковский Ю.А., Журавлев A.A., Знаменский В.Ю. и др., Фокусировка и транспортировка рентгеновского излучения от лазерной плазмы, Письма в ЖТФ, том 60 (1990) в.2, стр.55-57

7. Знаменский В.Ю., Лазерно-плазменный источник мягкого рентгеновского излучения, Дисс. к.ф.-м.н., М.:МИФИ, 1994

8. А. Чарльзби, Ядерные излучения и полимеры. -М.: ИЛИ.-1962.-522С.

9. Ф. Бовей. Действие ионизирующих излучений на природные и синтетические полимеры. -М.: ИЛ.-1959.-548С.

10. Радиационная химия макромолекул. Под ред. М. Доула. -М:Атомиздт.-1978.-328С.

11. У. Моро. Микролитография: В 2-х ч. 4.2.-М.: мир, 1990.-632С.

12. Физическая энциклопедия. ~М.: Советская энциклопедия, Т.П.-1990.-703С.

13. JI. В. Гурвич, Г. В. Карачевцев, В. Н. Кондратьев, Ю. А. Лебедев, В. А. Медведев, В. К. Потапов, Ю. С. Ходеев. Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. -М.: Наука.-1974.-351С.

14. JI. Фелдман, Д. Майер. Основы анализа поверхности и тонких пленок. -М.: Мир.-1989.-344С.

15. В. С. Корсаков, А. Д. Кривоспицкий, В. А. Кудряшов, В. П. Лаврищев,

16. С. Н. Мазуренко. Влияние фото- и оже-электронов подложки на процесс экспонирования в рентгенолитографии // электронная техника. Сер.З. Микроэлектроника.-1978-вып.5.-с.19-25.

17. М. Feldman, J. Sun. Resolution limits in x-ray lithography // J. Vac.Sci.Technol.-1992-Vol.BIO,N6-P.3173-3176.

18. J. R. Maldonado, G. A. Coquin, D. Maydan, S.Somekh. Spurious effects caused by the continuous radiation and ejected electrons in x-ray lithography // J.Vac.Sci.Technol.-Vol. 12,N.6-P. 1329-1331.

19. M. А. Блохин. Физика рентгеновских лучей. -М.: Гостехиздат. -1957. -518С.

20. R. Linsker, R. Srinivasan, J J .Wynne, D. Alonso, -"Excimer laser etching of biopolymers,"-Laser Surg.Med.,4,201,1984.

21. R. Srinivasan, -"Far UV-laser ablative photodecompositon of polymers".-J.Vac.Sci.Tech.,Bl,4,923,1983.

22. T. F. Deutch, M. Geis, "Self-developing ultraviolet photoresist using excimer laser exposure",-J. App 1 .Phys.,54,12,7201,1983.

23. S. G. Hansen, T. Robitalle, "Arrival time measurements of films formed by pulsed laser evaporation of polycarbonate",-J.Appl.Phys.,64,2122,1988.

24. G. Koren, J. Т. C. Yeh, "Emission spectra,surface quality and mechanism of laser etching of polyimide films."-Appl .Phis.Lett.,44,1112,1984.

25. B. J. Garrison, R. Srinivasan, "Microscopic model for the ablative photodecomposition of polymers by far ultraviolet radiation", App 1 .Phys.Lett.,44,9,849,1984.

26. R. Srinivasan, "Ultrafast imaging of ultraviolet laser ablation and etching of poly(metylmetaerylate)",-App 1 .Phys.Lett.,55,26,2790,1989.

27. B. J. Palmer, T. Keyes, R. Clarke, J. Isner, "Theoretical study of ablative photodecomposition in polymeric solids",-J.Phys.Chem.,93,21,7509,1989.

28. H. M. Битюрин, «Волна поглощения при фототравлении полиметилметакрилата», Препр. ИПФ Горький, 1988.

29. A. Danielzik, R. Fabricius, М Rowenkamp, D. von der Linde, "Velocity distribution of molecular fragments from poly(metylmetacrylate)irradiated with ultraviolet laser pulses,"-Appl.Phys.Lett.,48,212,1986.

30. N. Gorodetsky, R. Melcher, R. Srinivasan, "Calorimetric and acoustic study of ultraviolet laser ablation of polymers,"-Appl.Phys.Lett.,46,828,1985.

31. JI. Д. Ландау, E. M. Лифшиц, «Теоретическая физика», т. 6., «Гидродинамика», М., Наука,1988, С. 536-549.

32. Я. Б. Зельдович, Ю. П. Райзер, «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений», М., наука, 1966, С.536-539.

33. R. Srinivasan, W. J. Leigh, "Ablative photodecomposition:action of far ultraviolet (193 nm) laser radiation on poly(ethylene terephtalate) films, Polymer,23,1863,1982.

34. L. Kiss, P. Simon, "Statistical model for the ultraviolet laser ablation mechanism of polymer",-Solid State Communication,65,1253,1988.

35. G. Davis, M. Grower, "Time-resolved transmission studies of poly(metylmetacrylate) films during laser ablative photodecomposition",-J.Appl.Phys.,61,2090,1987.

36. P. Simon, V. Skalova, L. Valko, "Time-resolved ablation-site photography of XeCl-laser irradiated polyimide",-Appl .Phys.B,48,253,1989.

37. G. Koren, J. Т. C. Yeh, "Emission spectra and etching of polymers irradiated by excimer laser",-J. App 1 .Phys.B,48,253,1989.

38. E. Andrew, P. Dyer, D. Forster, P. Key, "Direct etching of polymeric material using a XeCl laser,"-Appl.Phys.Lett.,43,717,1983.

39. H. Brannon, J. Lankard, A. Baise, F. Burns, J. Kaufman, "Excimer laser etching of polyimide,"-J.Appl.Phys.,58,2036,1985.

40. R. Srinivasan, M. Smrtic, S. Babu, "Excimer laser etching of polymers",-J.Appl.Phys.,59,3861,1986.

41. D. Didjikamp, A. Gozdz, T.Venkatesan, X. Wu, "Evidence for the thermal nature of laser-induced polymer ablation".-Phys.Rev.Lett.,58,2142,1987.

42. M. T. Vala, R. Silbey, S. A. Rice, J. Jortner, "Excited electronic states of isotactic polystyrene and polyvinylnaphtalene",-J.Chem.Phs.,41,9,p.2846-2853,1964.

43. J. B. Birks, "Photophysics of Aromatic Molecules", Wiley-Interscience,London, 1970, p.43.

44. P. E. Dyer, R. Srinivasan, -"Pyroelectric detection of UV-laser ablation products", J.Appl .Phys.,68,6,2608,1989.

45. Быковский Ю.А., Ким E.H., Ошурко В.П., Потапов М.М., Чистяков А.А., Исследование ультрафиолетового лазерного воздействия на полистиролметодом время-пролетной динамической масс- спектрометрии., Химическая физика, 1991-Т.10.-№ 9.-С.1192-1195.

46. Бахиркин Ю.А., Быковский Ю.А., Украинцев В.А., Чистяков А.А., «Воздействие мощного ИК-лазерного излучения на химически активные полимеры», -Химия высок. Энергий, 1986, t.20,N1,c.87.

47. Бахиркин Ю.А., Быковский Ю.А., Свиридов А.Ф., Чистяков А.А., «Исследование кинетики диссоциации макромолекул, стимулированной импульсным ИК-лазерным излучением»,-Химическая физика, 1990, т. 9, N8, с. 1030.

48. Артюхович А.Н., «Фотодиссоциация молекул при резонансном УФ-лазерном воздействии на поверхность нитроароматических кристаллов»,-Дисс. на соиск.-уч.степ.кондидата физ.-мат. Наук, М., МИФИ, с.46.

49. Нагамов Н.А.,Сивохин B.C., Барак Г.В., Ефимов А.А., Минскер К.С., «К эффекту самостабилизации полистирола», Высокомолекулярные соединения. Кр.сообщ.,Б28,№1,с. 13-15.

50. Takashi Yabe, Shuji Kiyokawa, Takayasu Mochizuki, Shuji Sakabe and Chiyoe Yamanaka, "Soft X-Ray driven ablation and its positive use for a new efficient acceleration, Jap. Journal of Applied Physics, Vol.22, No.2, 1983. pp.L88-L90.

51. B. Yaakobi,T.Boehly,P.Bourke,Y.Conturie,R.S.Craxton,J.Delettrez,J.M.Forsyth, R .D .Frankel ,L .M. Goldman, R. L.Mccrory ,M. С. Richardson, W. Seka,D. Sh varts and J.M.Soures:Opt.Commun.39(1981)175.

52. M. Inayoshi, M. Ikeda, M. Hori, T. Goto, M. Hiramatsu, A. Hiraya. High rate film formation and micromashinig of polytrafluoroethelene using synchrotronradiation ablation process I I UVSOR Activity Report 1995.-UVSOR,Okazaki, Japan.-1996.-P.234-235.

53. H. А. Словохотова, Г. К. Садовская, В. А. Каркин, Действие быстрых электронов на структуру полиэтилентерефталата // Высокомолек. Соед. -1961,-т.З, N.4.-C.515-519.

54. Валиев K.A., Беликов JI.B., Махвиладзе T.M., Прохоров A.M., Травление полимеров в потоках квантов и частиц, В кн.: Проблемы физики твердого дела. Под ред. А.С. Прохорова, -М.: Мир. 1984.-С.291-322.

55. Валиев К.А., Беликов Л.В., Душенков С.Д., Фототравление полимерных пленок под действием мягкого рентгеновского излучения // Поверхность, Физика, химия, механика. -1985.-№5.-С.73-79.

56. Валиев К.А., Данилов В.А., Раков А.В., Щучкин А.Г., Физическая природа процесса травления пленок полиметилметакрилата ионами средних энергий // Микроэлектроника. -1984.-Т.13,вып.2.-С.73-79.

57. Валиев К.А., Данилов В.А., Пешехонов С.В., Раков А.В., Щучкин А.Г., Эффект травления позитивных электронных и рентгеновских резистов при облучении ионами средних энергий // Микроэлектроника. -1983.Т. 12,вып.3.-С. 195-199.

58. К.А. Валиев, Т.М. Махвиладзе, С.Б. ГТекарчук, Численное моделирование фотолиза кислорода вакуумным ультрафиолетом и механизма ВУФ травления полимерных пленок в кислородсодержащей атмосфере. Препр.ИОФАН СССР.-№ 360.-1986.-33C.

59. К.А. Валиев, Т.М. Махвиладзе, С.Б. Пекарчук, Численное исследование кинетики фотолиза кислорода вакуумным ультрафиолетовым излучением // Хим.физика.-1987,-Т.6,№12.-С. 1739-1746.

60. К.А. Валиев, JI.B. Беликов, Т.М. Махвиладзе, Роль атомов кислорода 0( Р) в процессах ВУФ травления полиметилметакрилата в кислородсодержащей атмосфере // Микроэлектроника. -1988.-Т.17,№1,-С.74-75.

61. К.А. Валиев, Т.М. Махвиладзе, Теория процесса фототравления полимеров под действием рентгеновского излучения // Поверхность, Физика, химия, механика. -1985.-№3.-С.57-67.

62. Х. Zhang, С. Jacobsen, S. Lindaas, S. Williams, Exposure strategies for polymethylmetacrylate from in situ x-ray absorption near edge structure spectroscopy// J. Vac.Sci.Technol.-1995.-Vol.B13,N.4.-P. 1447-1483.

63. A. Rogner, J. Eicher, D. Munchmeyer, R.P. Peters, J. Mohr, The LIGA-technique what are new opportunities // J.Micromech.Microeng.-1992.-Vol.2. -P.133-140.

64. E.G. Churin, V.P. Roronkevich, G.N. Kulipanov, O.A. Makarov, L.A. Mezentseva, V.P. Nazmov, V.F. Pindyurin, Preliminary experience of optical elements fabrication by X-ray lithography // Nucl.Instr.Meth.Phys.Res. -1995. -Vol.A359,Nl-2.-P.412-414.

65. JI. Фелдман, Д. Майер. Основы анализа поверхности и тонких пленок.-М. Мир. -1989.-344 С.

66. Н. Yamada, М. Hori, S. Morita, S. Hattori. Self development of polymethylmethacrylate by synchrotron radiation exposure. // J.Electrochem.Soc.-1988 Vol.135, N. 4,- P.966-970.

67. M. Henyk, R. Mitzner 1 , D. Wolfframm, J. Reif, Laser-induced ion emission from dielectrics, Applied Surface Science 154-155 2000 249-255

68. В.П. Крайнов, М.Б. Смирнов, Эволюция больших кластеров под действием ультракороткого сверхмощного лазерного импульса, УФН, том170, № 9, 2000.

69. Т. Ditmre, Simulation of exploding clusters ionized by high-intensity femtosecond laser pulses, Phys. Rev. A 57 4094 (1998).

70. Синхротронное излучение: свойства и применение, Пер. с англ. под ред. К. Кунца,М.: Мир, 1981.

71. P. A. Norreys, М. Zepf, S. Moustaizis. Efficient XUV harmonics generated from picosecond laser pulse interactions with solid targets. Phys. Rev. Lett.76, p.1832-1835, (1996)

72. B.A. Веретенников, A.H. Долгов, и др., Рентгенолитография с источником мягкого рентгеновского излучения на основе разряда с "плазменной точкой". Письма в ЖТФ, т.8, в. 1.7, 1982, с.1041-1045.

73. Олынвангер Б.А., Канцырев B.JI., Рентгенолитография на слоя a-As. Поверхность, 1, 1989, с.77-81.

74. Канцырев В.JI., Сравнение источников мягкого рентгеновского излучения для рентгенолитографии и особенности применения плазменных источников в рентгенолитографии. Поверхность, 1983, №11, с.50-55.

75. А.В. Виноградов, С.И. Сагитов, Новые типы зеркал для мягкого рентгеновского диапазона. Квантовая электроника, 10, № 11,1983, с. 2152-2165.

76. А.В. Виноградов, И.В. Кожевников, Многослойные рентгеновские зеркала. Труты ФИАН, т. 196, 1989, с. 143-167.

77. А.В. Виноградов, И.В. Кожевников, и др. Исследование структуры и отражательной способности многослойных рентгеновских зеркал. Труты ФИАН, т. 196,1989, с.103-122.

78. Barbee T.W., Mrowka S., Hettrick M.C., Molybdenium-silicon multilayer mirrors for the extreme ultraviolet. Appl. Opt., 1985, vjl.26, N6, p.883-886.

79. Ю.Я. Платонов, H.H. Салащенко, Л.А. Шмаенок, Исследование спектра излучения и изображение лазерной плазмы с помощью многослойной рентгеновской оптики, Известия АН СССР, Серия Физическая, т.55, №7, 1991, с.1322-1333.

80. В.А. Арцимович, С.В. Гапонов, и др., Формирование направленного интенсивного ВУФ излучения из лазерной плазмы. Письма в ЖТФ, т.66 в.8, 1987, с.311-318.

81. Виноградов А.В., Ковалев В.Ф., и др., ЖТФ, 1985, т.55, с.244.

82. Губарев М.В., Кованцев В.Е., и др., Эксперименты по отражению рентгеновского излучения от поверхностей с различной степенью шероховатости. Поверхность, 1989, №12, с. 164.

83. И.В. Кожевников, Системы скользящего падения с большим числом отражений. Труты ФИАН,т.196, 1989, с.143-167.

84. И.А. Артюков, А.В Виноградов., И.В. Кожевников, О предельной эффективности рентгеновской оптики скользящего падения Спиральный коллиматор. Препринт ФИАН, Москва, 1990.

85. D. Ashkenasi, A. Rosenfeld, H. Varel, M. Wahmer, E.E.B. Campbell, Appl. Surf. Sci. 120 1997 65.

86. H.-P. Cheng, J.D. Gillaspy, Nanoscale modification of silicon surfaces via Coulomb explosion. Phys. Rev. В 55. 1997. 2628.

87. R. Stoian, H. Varel, A. Rosenfeld, D. Ashkenasi, E.E.B. Campbell, R. Kelly, to be published.

88. С. Ф. Ситников, В. И. Соколов, Мощный телескопический усилитель моноимпульсного излучения на фосфатном стекле, Квантовая электроника, 10, №6, (1983), стр.1171-1178.

89. Н.Г. Бесов, Ю.А. Захаренков, Н.Н. Зорев и др., Нагрев и сжатие термоядерных мишеней, облучаемых лазером, Итоги науки и техники, Радиотехника, т.26 чI. М.:ВИНИТИ, 1982, с.108.

90. Ileana Apostol, R. Stoian, R. Dabu, A. Stratan, Photoacoustic evidence of target ablation for LPVD of YBCO thin films, Applied Surface Science, 136 1998. 166-171.

91. J.C. Miller (Ed.), Laser ablation-Principles and Applications, Springer, 1994.

92. A.C.Tam, Ultrasensitive laser spectroscopy, Academic Press, London, 1983.

93. Синхротронное излучение: свойства и применение, Пер. с англ. под ред. К. Кунца,М.: Мир, 1981.

94. Ананьин О.Б., Ошурко В.Б, Сюй Цзэпин, Лаврухин Д.В., Карток А.Б., Мелехов А.П., Абляция полимера интенсивным мягким рентгеновским излучением, Инженерная физика, №3,2001.с.62-68.

95. М. Lezius, S. Dobosz, D. Normand, and M. Schmidt, Explosion Dynamics of Rare Gas Clusters in Strong Laser Fields, Phys.Rew.Lett.80 261(1998).

96. Sullivan A et al. Opt. Lett. 21 603 (1996).

97. Boehly T R et al. Opt. Commun. 133 495 (1997)

98. Lezius Met al. Phys. Rev. Lett. 80 261 (1998).

99. Tisch JWG et al. Phys. Rev. A 60 3076 (1999).

100. Ditmire T et al. Phys. Rev. A 53 3379 (1996).- 137107. Ditmire T et al. Phys. Rev. A 57 369 (1998).

101. Нога H J. Opt. Soc. Am. 65 882 (1975).

102. Delone N B, Krainov V P Multiphoton Processes in Atoms 2nd ed.(Berlin: Springer, 2000).

103. Ditmire T et al. Appl. Phys. Lett. 71 166 (1997).

104. Ditmire T Phys. Rev. A 57 R4094 (1998).

105. Там Э., Бердж P., Фанг X., Суоффорд P. и др. Сверхчувствительная лазерная спектроскопия: пер. с англ./Под ред. Д. Клайджера. М.: Мир, 1986

106. Дж. Гиллет, Фотофизика и фотохимия полимеров, пер. с англ ./Под ред. М.В. Алфимова. М.: Мир, 1988.

107. Методы исследования плазмы. Под ред. В. лохте-Хольтгревена. Москва, Мир, 1971.