Динамика и излучение плазмы струй диафрагменного разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Калашников Евгений Валентинович

• Калашников Евгений Валентинович
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Калашников Евгений Валентинович

Введение

Глава 1. Эффективные методы генерации высокоскоростных плазменных эрозионных образований (краткий обзор)

1.1. Сравнительная оценка возможностей различных источников плазмы

1.2. Современные эффективные методы получения импульсных потоков эрозионной плазмы

1.3. Физика и диагностика диафрагменного разряда на струях эрозионной плазмы

Выводы

Глава 2. Экспериментальные методы исследования эрозионной плазмы диафрагменного разряда

2.1. Источники плазмы и света на основе плазменных эрозионных струй диафрагменного разряда

2.2. Многоканальный диагностический комплекс

Выводы

Глава 3. Свойства импульсного диафрагменного разряда на струях эрозионной плазмы и возможность управления его характеристиками

3.1. Газодинамические свойства струй эрозионной плазмы диафрагменного разряда

3.2. Излучательные свойства струй эрозионной плазмы диафрагменного разряда

3.3. Пространственное распределение излучательной способности катодной струи плазмы диафрагменного разряда в вакууме

3.4. Электромагнитные свойства струй плазмы диафрагменного разряда. Физическая модель разряда на квазистационарной фазе развития

3.5. Влияние размеров отверстия плазмообразующей диафрагмы на термодинамические свойства диафрагменного разряда на струях в вакууме

3.6. Влияние характера истечения продуктов эрозии плазмообразующего материала на излучательные свойства диафрагменного разряда в вакууме

3.7. Диафрагменный разряд на струях плазмы с профилированным отверстием в плазмообразующей диафрагме

3.8. Влияние проводимости токового канала на излучательные свойства струи диафрагменного разряда в вакууме

3.9. Спектрально-энергетические характеристики излучения диафрагменного разряда в вакууме

на стадии послесвечения

Выводы

Глава 4. Диафрагменный разряд на струях эрозионной плазмы в практических применениях

4.1. Диафрагменный разряд на струях эрозионной плазмы для испытаний материалов

4.2. Предварительные исследования возможности получения тонких слоев материалов на подложках с использованием диафрагменного разряда на струях в вакууме

4.2.1. Плазмодинамические системы для получения тонких пленок (по литературным источникам)

4.2.2. Разработка способа получения тонких слоев материала на основе плазмы струй диафрагменного разряда

4.3. Разработка метода ионной имплантации в условиях струйного диафрагменного разряда в вакууме

4.4. Исследование гетерофазной среды на основе релаксирующей плазмы диафрагменного разряда в вакууме

4.4.1. Параметры и состав среды на ранней стадии послесвечения струйного диафрагменного разряда (СДР)

4.4.2. Экспериментальные результаты и оценка параметров продуктов релаксации эрозионной

плазмы на стадии их конденсации

Выводы

Глава 5. Моделирование воздействия основных повреждающих факторов космического пространства (ФКП) на оптические материалы с применением источников плазмы на

основе струйного диафрагменного разряда (СДР)

5.1. Основные повреждающие факторы околоземного космического пространства (ОКП)

5.2. Моделирование собственной внешней атмосферы (СВА) космического аппарата (КА). Оборудование и испытательная термовакуумная камера для моделирования воздействия ФКП на материалы КА

5.2.1. Расчетный способ оценки загрязнения

5.2.2. Экспериментальный метод оценки загрязнения

5.3. Моделирование воздействия ВУФ излучения Солнца на материалы КА. Источник коротковолнового излучения ПОТОК-ВУФ/СДР

5.4. Экспериментальное моделирование воздействия потока ионосферной плазмы вблизи КА на

оптические материалы. Источник многокомпонентной плазмы ПОТОК-ЭП/СДР

5.4.1. Получение потока частиц для экспериментального моделирования набегающего потока ионосферной плазмы. Источник ПОТОК-ЭП/СДР

5.4.2. Обоснование возможности имитации взаимодействия плазмы и поверхности элементов КА в околоземной ионосфере на высотах 50-1000 км

5.5. Моделирование потоков микрометеороидов и мелкодисперсного мусора. Источник потоков микрочастиц ПОТОК-МЧ/СДР)

5.5.1. Расчетный метод определения скорости микрочастиц

5.5.2. Метод определения скорости частиц по параметрам теории высокоскоростного удара

5.6. Моделирование комплексного воздействия основных повреждающих факторов

космического пространства (ФКП) на оптические материалы

Выводы

Заключение

Основные условные обозначения

Термины и определения

Список использованной литературы

Список использованной литературы ( в единой нумерации)

Приложение

Приложение

Приложение

Прнложение

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика и излучение плазмы струй диафрагменного разряда»

Актуальность темы исследования

Одной из тенденций современной физики и техники является стремление использовать в исследованиях все более высокие температуры, давления и скорости вещества. Для оптики эта тенденция проявляется, в частности, в создании и использовании высокоинтенсивных коротковолновых источников света с излучением в ультрафиолетовой (УФ) и вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра. Создание таких источников света во многом связано с достижениями физики плазмы и определяется возможностями получения значительных объемов плотной (К~1017 - 1019 см-3) плазмы с температурой Т~2-10 эВ [1-3].

Сложная взаимосвязь целой гаммы физических процессов и явлений, сопутствующих получению и развитию плазменных образований, является причиной постоянного интереса для исследований и обширной библиографии, см., например, [4-9]. В то же время разнообразные практические применения плазменных образований требуют знания различных способов получения и методов расчета плазмы нужных параметров, понимания и учета природы их взаимодействия с различными материалами [10-12], что также является актуальной задачей.

Степень разработанности темы

Широко распространенным и интересным типом плазменных образований являются движущиеся потоки и струи плазмы, получаемые в самых разнообразных источниках плазмы [3,13]. Исследования плазменных потоков развивались на стыке двух больших разделов физики - газовой динамики и физики плазмы.

Систематизация и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований потоков излучающей плазмы привели в 80-х - 90-х годах к формированию нового и важного раздела физической газовой динамики - радиационной плазмодинамики [1-3, 13-23]. Достижения теории и практики в этой области определяют современный уровень понимания многих плазмодинамических явлений при электрическом разряде [13, 24-43].

Отличительными особенностями этого раздела физики и техники являются высокие параметры излучающей плазмы в рабочей зоне (большие скорости и удельные энергии), которые трудно или невозможно получить другими способами [29-44].

Одним из перспективных направлений построения таких излучателей является использование импульсных плазменных струй, находящихся в электрическом поле между

электродами, разнесенными от генератора этих струй. Роль генератора плазменных струй здесь играет разряд через отверстие в тонкой диафрагме. Тонкая диафрагма - это пластина из плазмообразующего материала, для которой отношение диаметра отверстия в ней 2г0 к ее толщине 10 близко или больше единицы, т.е. 2г0 / 10 >1 [45-48]. Это позволяет получать в отверстии диафрагмы эрозионную плазму из практически любого материала с высокими удельными параметрами: температурой Т0 до 60000К при давлениях Р0 до 100 МПа и плотности тока ^ до 1000 кА/см2 [45,46].

Однако для разработки мощных источников плазмы и света на основе импульсных плазменных струй диафрагменного разряда необходимы данные о излучательных, газодинамических, электромагнитных свойствах струй разряда. Необходима также информация о структуре струй, их развитии в различных газовых средах и условиях истечения из отверстия плазмообразующей диафрагмы как комбинации расходного и геометрического сверхзвукового сопла, влиянии теплофизических параметров плазмообразующих материалов самого источника эрозионной плазмы и другие особенности данного типа разряда как динамического 2-пинча.

Следует также отметить, что для реализации практических возможностей использования генераторов плазменных струй указанного типа электрического разряда для создания мощных источников плазмы и излучения с высокими излучательными, удельными массо- габаритными и энергетическим параметрами необходимо учитывать сложную взаимосвязь физических процессов и явлений, сопутствующих их получению и развитию. Это явилось причиной постановки ряда исследований и разработки различных способов получения плазменных потоков и методов расчета параметров диафрагменного разряда, важных для понимания и учета природы взаимодействия плазменных потоков с различными материалами, что определило направление и содержание диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является развитие и исследование плазмодинамического подхода для создания источников потоков эрозионной плазмы и мощных источников УФ излучения на основе использования в качестве тела свечения продуктов высокотемпературной эрозии материалов при импульсном струйном диафрагменном разряде (СДР).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Создание экспериментальной установки с набором источников плазмы и света на основе струй плазмы диафрагменного разряда в различных газовых средах. Разработка программы

расчета электрических характеристик сильноточного разрядного контура и параметров плазмы в отверстии плазмообразующей диафрагмы для различных вариантов электропитания СДР. Создание многоканального диагностического комплекса с использованием как традиционных методов диагностики плазмы, так и, учитывая особенности и импульсный характер объекта исследования, с реализацией новых подходов к его диагностике.

2. Исследование структуры струй плазмы диафрагменного разряда при изменении величины тока разряда, отношения Г0/Я (величины диаметра отверстия в диафрагме 2г0 и в кольцевом электроде 2Я) и давления в разрядной камере (рнач). Выбор опорного режима разряда для получения струй с интенсивным осевым продувом плазмой с высокой температурой и плотностью электронов.

3. Исследование газодинамических свойств эрозионной плазмы струй диафрагменного разряда.

4. Исследование излучательных свойств струй эрозионной плазмы диафрагменного разряда в различных газовых средах и исследование пространственного распределения излучательной способности струй плазмы диафрагменного разряда в вакууме.

5. Исследование электромагнитных свойств струй плазмы диафрагменного разряда. Разработка физической модели струйного диафрагменного разряда на квазистационарной фазе развития.

6. Исследование влияния параметров (размеров и формы) отверстия плазмообразующей диафрагмы и характера истечения продуктов эрозии плазмообразующего материала на термодинамические и излучательные свойства диафрагменного разряда на струях в вакууме.

7. Исследование влияния проводимости токового канала на излучательные свойства струи диафрагменного разряда в вакууме.

8. Исследование спектрально-энергетических характеристик излучения диафрагменного разряда в вакууме на стадии послесвечения.

9. Исследование возможности использования струй эрозионной плазмы диафрагменного разряда при комплексных световых испытаниях композиционных материалов, а также для получения тонких слоев материалов на подложках из металлов, диэлектриков и полупроводников методом ионного осаждения.

10. Экспериментальные исследования возможности физического моделирования воздействия на оптические материалы основных повреждающих факторов космического пространства на низких околоземных орбитах (высокоскоростных потоков твердых микрочастиц, ионосферной плазмы и коротковолнового излучения) с использованием струй диафрагменного разряда.

Степень достоверности результатов

Оригинальные результаты, представленные в диссертации, были получены с использованием адекватных для такого рода исследований методов, апробированы публикациями в рекомендованных ВАК научных журналах и патентами РФ, их достоверность имеет подтверждение в ряде работ других исследователей по данному направлению.

Разработанные в ходе работы методы и решения плазмодинамических задач были апробированы и широко использованы в исследованиях эрозионных плазменных потоков при импульсном электрическом разряде. Представленные в данной работе результаты экспериментальных исследований свойств импульсного струйного диафрагменного разряда были подтверждены при создании различных вариантов источников плазмы и света, а также в практических применениях при комплексных испытаниях оптических материалов.

Все экспериментальные и расчетные результаты, приведенные в диссертации, получены автором либо непосредственно, либо в сотрудничестве с коллегами под непосредственным руководством автора. Результаты, приведенные в работе, которые получены другими авторами, использованы в работе только для иллюстрации предложенных методов и решений.

Апробация результатов

Результаты работы были представлены в 20 докладах на конференциях и симпозиумах:

- V Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике (2000, МГТУ), 4 доклада;

- "Fullerenes and atomic clusters "IWFAC' (2001, St.Peterburg, Rus );

- VI Международная конференция «Прикладная оптика-2004» (2004, Санкт-Петербург), 2 доклада;

- VII Международный ммпозиум по радиационной плазмодинамике (2006, МГТУ, Москва);

- 2 Межрегиональная научная конференция «Экология и космос» (2007, Санкт-Петербург);

- VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» (2006, Санкт-Петербург);

- VIII Международная конференция «Прикладная оптика-2008» (2008, Санкт-Петербург);

- Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech-08 (2008, Москва);

- VIII Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике (2009, МГТУ, Москва);

- 8 Международная конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности-2009» (2009, Санкт-Петербург);

- X Международная конференция «Прикладная оптика-2012» (2012, Санкт-Петербург);

- Beam Dynamics and Optimization-2014 (2014, Saint-Petersburg, Rus);

- Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика, МСАРД-2015» (2015, СПб ГУ, Санкт-Петербург);

- V Международная конференции по фотонике и информационной оптике (2016, НИЯУ МИФИ, Москва);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Расплетинские чтения-2020» (2020, ПАО «Алмаз», Москва);

- VI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» (2020, ВКА, Санкт-Петербург).

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 6 патентов РФ на изобретения, 17 статей в журналах из перечня ВАК и 2 монографии.

Патенты по теме диссертации

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Способ получения фрактальных структур и устройство для его осуществления / Патент РФ на изобретение №2180160, приор. от 05.07.2000.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Способ получения потока микрочастиц и устройство для его осуществления / Патент РФ на изобретение №2220518, приор. от 29.05.2002.

Калашников Е.В., Михайлова А.Г., Рачкулик С.Н. Поляризационный интерферометр/ Патент РФ на изобретение №2275592, приор. от 30.07.2004

Калашников Е.В. Способ получения покрытия и устройство для его осуществления / Патент РФ на изобретение №2395620 с приор. от 29.12.08.

Калашников Е.В. Способ получения легированных слоев ионной имплантацией / Патент РФ на изобретение №2395619 с приор.от 08.12.08.

Калашников Е.В. Способ получения ударно сжатого слоя плазмы и устройство для его осуществления / Патент на изобретение РФ №2590893 с приор. от 18.12.14.

Публикации по теме диссертации

Калашников Е.В. Радиальное распределение давления в струе плазмы сильноточного диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ.1996.Т.34.№4. С.501-505.

Калашников Е.В. Излучение и проводимость струи плазмы диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ.1995.Т.33.№3. С.339-345.

Калашников Е.В., Костицына Т.Г. Термодинамические свойства эрозионной плазмы диафрагменного разряда на струях в вакууме // ТВТ.2000.Т.38.№2. С.194-199.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н., Бедрин А.Г., Жилин А.Н., Эльц В.К. ВУФ спектры излучения эрозионной плазмы струи сильноточного диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ.2005.Т.43.№1. С.32-38.

Калашников Е.В., Костицына Т.Г. Экспериментальное исследование кинетики состояния В2Е+ радикалов цианов CN в струе диафрагменного разряда на стадии послесвечения // Опт. и спектр.1995.Т.78.№1.С.60-64.

Калашников Е.В., Данилов М.Ф. Компонентный состав оболочки плазменной струи диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ.1996.Т.33.№5. С.663-668.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Получение высокодисперсных структур при истечении и релаксации плазмы струй диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ.2002.Т.40.№4. С.675-677.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н., Михайлов Е.Ф. Излучение высокодисперсных структур при релаксации плазмы струй диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ.2004.Т.42.№2. С.192-197.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Исследование спектрально-энергетических характеристик плазменной струи диафрагменного разряда в вакууме // Оптический журнал.2004.Т.71.№1.С.3-5.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Исследование радиационных повреждений в ионных кристаллах фторида кальция в условиях мощного воздействия вакуумного ультрафиолетового и ультрафиолетового излучения // ЖТФ. 2007.Т.77. вып.5. С.69-74.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Получение высокоскоростных потоков мелкодисперсных частиц на основе импульсного струйного диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ. 2009. Т.47.№2. С.299-306.

Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. Исследование совместного воздействия высокоскоростных потоков мелкодисперсных частиц, плазмы и коротковолнового излучения на оптические материалы при термоциклировании в вакуумных условиях // Оптический журнал.2008. Т.75. №12. С.73-80.

Калашников Е.В., Калашникова С.Н. Исследование ионной имплантации в условиях струйного диафрагменного разряда в вакууме // Оптический журнал.2009.Т.76. №9.С.76-81.

Калашников Е.В., Калашникова С.Н. Способы оценки толщины осадков на поверхности охлаждаемых оптических элементов в вакуумных условиях с источниками загрязнения // ЖТФ. 2012. Т.82, вып.11. С.111-115.

Калашников Е.В., Калашникова С.Н., Томеев К.А. Исследование свойств поверхности при ее загрязнении продуктами газовыделения полимерных композиционных материалов в вакуумных условиях // ЖТФ. 2014. Т.84, вып.2. С.83-91.

Калашников Е.В. Исследование гетерофазной среды на основе релаксирующей плазмы диафрагменного разряда в вакууме // ТВТ, 2022. Т.60,№1. С.11-18.

Калашников Е.В., Павлов Н.И., Бородин В.Г., и др. Свечение ударно сжатого слоя при обтекании тела потоком плазмы струйного диафрагменного разряда // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей», 2023. № 2. С. 53-65.

Калашников Е.В. Плазмодинамические методы моделирования околоземного космоса // Монография. Germany. Изд. «Lambert Academic Publishing». Germany. 2014.-190с. (ISBN 978-3659-18001-9).

Калашников Е.В. Динамика и излучение плазмы струй диафрагменного разряда // Монография. Москва: Русайнс, 2024.-278с (ISBN 978-5-466-07757-5)

Практическая значимость работы

Результаты проведенных исследований свойств струй эрозионной плазмы диафрагменного разряда могут быть использованы при комплексных световых испытаниях композиционных и оптических материалов, при получении тонких слоев материалов на подложках из металлов, диэлектриков и полупроводников методами ионного осаждения и ионной имплантации. Использование новых экспериментальных плазмодинамических методов для физического моделирования факторов космического пространства показало возможность в наземных испытаниях проводить оценку устойчивости оптических материалов и покрытий наружных элементов оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) при совместном воздействии основных повреждающих факторов околоземного пространства на низких орбитах.

А также разработаны:

- способ получения фрактальных структур и устройство для его осуществления с использованием результатов экспериментальных исследований СДР (Патент РФ на изобретение №2180160, приор. от 05.07.2000);

- способ получения потока микрочастиц и устройство для его осуществления с использованием результатов экспериментальных исследований СДР (Патент РФ на изобретение №2220518, приор. от 29.05.2002);

- способ получения покрытия и устройство для его осуществления с использованием результатов экспериментальных исследований СДР (Патент РФ на изобретение №2395620 с приор. от 29.12.2008);

- способ получения легированных слоев ионной имплантацией с использованием результатов экспериментальных исследований СДР (Патент РФ на изобретение №2395619 с приор.от 08.12.2008);

- способ получения ударно сжатого слоя плазмы и устройство для его осуществления с использованием результатов экспериментальных исследований СДР (Патент на изобретение РФ №2590893 с приор. от 18.12.2014).

Методология и методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались экспериментальные методы генерации и исследования высокоскоростных плазменных эрозионных образований, применяемые широко в магнитной радиационной плазмодинамике, а также разработанные в ряде научных групп с участием автора или лично автором. Методы включали: широкий набор физических механизмов формирования плазменных струй при электрическом разряде, в том числе термический способ генерации плазмы с последующими газодинамическим и магнитогазодинамическим способами ускорения потоков плазмы; экспериментальные методы исследования эрозионной плазмы разряда в условиях одиночного опыта, реализованные в созданном многоканальном диагностическом комплексе. Основу комплекса для диагностики излучающей плазмы диафрагменного разряда составляла оптическая и спектральная аппаратура на основе стандартных приборов и методов, реализованных автором для диагностики импульсной плазмы, дополненная новыми каналами - светосильным поляризационным интерферометром, пьезодатчиками с отводным акустическим каналом, миниатюрными магнитными зондами для регистрации распределения импульсных магнитных полей.

Научная новизна

Работа содержит новые экспериментальные, теоретические и методические результаты:

1. Получены спектрально-энергетические характеристики излучения СДР для ряда углеродсодержащих, азотсодержащих и других композиционных материалов плазмообразущей диафрагмы.

2. Обнаружено уменьшение экранировки коротковолнового (УФ/ВУФ) излучения струй при использовании эффекта эжекции относительно холодной оболочки в кольцевой электрод -

магнитогазодинамического эффекта, сопутствующего разряду, которое использовано при создании мощного импульсного УФ источника света на основе СДР.

3. Предложена новая физическая (полуэмпирическая) модель СДР на квазистационарной фазе его развития.

4. Установлено существование и найдено объяснение резкой границы для рекомбинационного континуума в излучении струи между осевой и приосевой зонами.

5. На основе полученных экспериментальных данных и анализа уравнения движения, уравнений Максвелла сформулированы условия устойчивости СДР.

6. Обнаружен характер монотонного спада значений термодинамических параметров плазмы на оси струй при увеличении диаметра отверстия в диапазоне 2г0=2-12 мм при постоянной толщине диафрагмы 10 для СДР в вакууме.

7. Обнаружен эффект насыщения роста значений термодинамических параметров на оси струй с выходом на плато кривой соответствующей зависимости при увеличении толщины 10=2-20 мм и постоянном значении диаметра отверстия диафрагмы 2г0 для СДР в вакууме.

8. Разработан метод экспериментального определения проводимости плазмы СДР на различных участках разрядного промежутка с использованием формулы Спитцера и получены зависимости яркостной температуры Тя от проводимости а плазмы струй для углеродсодержащих материалов диафрагмы.

9. Разработан способ увеличения размеров однородно излучающей в УФ области спектра осевой зоны струи СДР с выполнением отверстия в диафрагме в виде комбинации расходного и геометрического сопла.

10. Проведен анализ кинетики процессов и плазмохимических реакций на ранней стадии послесвечения струи плазмы и на стадии окончания процесса конденсации продуктов разряда с оценкой структурных и излучательных параметров разнообразных высокодисперсных структур.

Структура диссертации

Диссертация включает в себя Введение, 5 глав, Заключение, 4 приложения, Список литературы по разделам диссертации, содержащий 423 наименования.

В Главе 1 описаны эффективные методы генерации высокоскоростных плазменных эрозионных образований. В кратком обзоре проанализированы данные по различным источникам эрозионной плазмы, отмечены их преимущества и недостатки, сделана сравнительная оценка возможностей различных источников плазмы. Рассмотрены современные эффективные методы получения импульсных потоков эрозионной плазмы.

В Главе 2 продемонстрировано, что источники эрозионной плазмы на основе импульсного электрического разряда через диафрагму со сверхзвуковым истечением струи обладают высокой интенсивностью оптического излучения в ультрафиолетовой области спектра и в области вакуумного ультрафиолета и имеют наиболее высокие характеристики -температуру до 60000 К, давление до 100 МПа, плотность тока до 1000 кА/см2. Описан разработанный и созданный автором многоканальный диагностический комплекс для исследования характеристик источника эрозионной плазмы, который позволяет получать всю необходимую информацию о параметрах разряда за один импульс и включает канал контроля электрических параметров разряда, канал контроля параметров плазмы, канал скоростной фоторегистрации, канал спектрального контроля излучения с временным разрешением и канал регистрации интегрального излучения.

В Главе 3 рассмотрены основные свойства импульсного диафрагменного разряда на струях эрозионной плазмы и возможность управления его характеристиками. Приведены результаты исследования газодинамических и излучательных свойств эрозионной плазмы струй диафрагменного разряда, где показана сложная газодинамическая структура плазменной струи диафрагменного разряда (СДР) на межэлектродном промежутке и её основные элементы (приустьевая зона, осевая зона продува токового канала плазмой, приосевая зона - зона влияния радиально обжимающих струю магнитных сил, зона расширяющейся оболочки и ее эжекции в кольцевой электрод). Описаны закономерности изменения структуры струи, которые определяются величиной тока разряда, геометрией разрядного промежутка (отношением величины диаметра отверстия в диафрагме и в кольцевом электроде, а также межэлектродным расстоянием) и давлением окружающей среды. Продемонстрировано существование двух режимов течения продуктов эрозии материала в струе: газодинамический (ГД) и магнитогазодинамический (МГД). Приведены критерии перехода течения плазмы струи от ГД к МГД режиму. Приведены результаты исследования спектральных свойств излучения струй с регистрацией интенсивного сплошного спектра и сильно уширенных спектральных линий ионов элементов, входящих в состав плазмообразующего материала, которые характеризуют излучение продуктов эрозии осевой зоны струи разряда. Показаны, что такой состав излучения характерен как для открытого, так и для разряда в кварцевой облочке независимо от величины давления в окружающей среде в диапазоне рнач=10-105 Па. Приведены результаты пространственного распределения излучательной способности катодной струи плазмы диафрагменного разряда в вакууме. Описаны результаты исследования электромагнитных свойств струй плазмы диафрагменного разряда. Приведена, предложенная автором, физическая модель разряда на квазистационарной фазе его развития. Описано влияние размеров отверстия плазмообразующей диафрагмы на термодинамические и излучательные свойства

диафрагменного разряда на струях в вакууме, а также влияние характера истечения продуктов эрозии плазмообразующего материала на излучательные свойства диафрагменного разряда в вакууме. Рассмотрен вариант диафрагменного разряда на струях плазмы с профилированным отверстием в плазмообразующей диафрагме. Представлены результаты исследования влияния проводимости токового канала на излучательные свойства струи диафрагменного разряда в вакууме. В конце Главы 3 приведены результаты спектрально-энергетического исследования излучения диафрагменного разряда в вакууме на стадии послесвечения.

В Главе 4 продемонстрированы практические применения диафрагменного разряда на струях эрозионной плазмы для испытаний материалов. Представлены предварительные исследования возможности получения тонких слоев материалов на подложках с использованием диафрагменного разряда на струях в вакууме и результаты разработки нового метода ионной имплантации в условиях струйного диафрагменного разряда в вакууме. Описаны результаты исследования гетерофазной среды на основе релаксирующей плазмы диафрагменного разряда в вакууме. Приведены параметры и состав среды на ранней стадии послесвечения струйного диафрагменного разряда, а также экспериментальные результаты и оценка параметров продуктов релаксации эрозионной плазмы на стадии их конденсации.

В Главе 5 приведены результаты физического моделирования воздействия основных повреждающих факторов космического пространства (ФКП) на оптические материалы с применением источников плазмы на основе струйного диафрагменного разряда. Описаны основные повреждающие факторы околоземного космического пространства. Показаны подходы моделирования собственной внешней атмосферы космического аппарата (КА) и оборудование для моделирования воздействия факторов космического пространства на материалы КА, включая расчетный способ оценки загрязнения и экспериментальный метод оценки загрязнения.

Описан метод моделирования воздействия ВУФ излучения Солнца на материалы КА с использованием источника коротковолнового излучения ПОТОК-ВУФ/СДР на основе струйного диафрагменного разряда. Приведены результаты экспериментального моделирования воздействия потока ионосферной плазмы вблизи КА на оптические материалы с использованием источника многокомпонентной плазмы ПОТОК-ЭП/СДР на основе струйного диафрагменного разряда. Продемонстрирован способ получения частиц для экспериментального моделирования набегающего потока ионосферной плазмы, с использованием источника ПОТОК-ЭП/СДР на основе струйного диафрагменного разряда. Приведено обоснование возможности имитации взаимодействия плазмы и поверхности элементов КА в околоземной ионосфере на высотах 50-1000 км. Продемонстрирован, разработанный автором, способ моделирования потоков микрометеороидов и

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Калашников Евгений Валентинович, 2026 год

источникам)

Одним из актуальных применений плазмодинамических процессов является осаждение пленок из низкотемпературной плазмы [1-2] и ионных пучков. Применение струй плазмы на протяжении всей истории развития плазмодинамических систем определялось возможностями источников плазмы. Эффективные генераторы эрозионной плазмы находят применения в науке, технике, медицине [3-17]. Пока не существует универсального метода нанесения тонких слоев вещества на различные материалы. В связи с этим технологи вынуждены комбинировать все известные способы. Сравнительно новыми и еще слабо разработанными методами являются методы импульсного нанесения пленок [18]. Процесс нанесения пленок методом термического испарения в вакууме состоит в испарении образца конденсированного вещества, транспортировки пара до поверхности конденсации (подложки), зарождения конденсированной фазы на подложке и роста пленки при обмене энергией с подложкой. Импульсное нанесение пленок, снимая температурные ограничения при испарении, используя плотные потоки пара, ионизацию и ускорение плазмы, на несколько порядков повышает мгновенную скорость осаждения (до 0,1 м/с и более) и характеризуется нестационарностью процесса нанесения пленки.

Из способов импульсного нанесения пленок известны следующие:

- электрический взрыв проводников и полупроводников;

- импульсное испарение под действием электронной бомбардировки;

- импульсное лазерное испарение в режимах свободной генерации и модулированной добротности;

- импульсная генерация эрозионной плазмы с помощью плазмотронов и плазменных ускорителей.

Рассматривая процесс нанесения пленок с помощью импульсных генераторов эрозионной плазмы как разновидности импульсных испарителей на основе литературных сообщений [18], отметим, что из импульсных генераторов эрозионной плазмы в качестве основного физического процесса используют сильноточный вакуумный разряд [19,20]. Это разряд, горящий в парах материалов - элементов разрядной камеры (электродов и изоляторов).

Разрушение электродов и изоляторов в сильноточном вакуумном разряде, обусловлено тепловыми потоками к элементам разрядной камеры, достигающими 105-108 Вт/см2. Природа тепловых потоков для различных элементов различна. В катодных пятнах - это ионная бомбардировка поверхности катода ионами, ускоряемыми прикатодным падением напряжения. В анодных пятнах - это электронная бомбардировка. Тепловые потоки к поверхности изоляторов обусловлены соседством плазмы и представляют в основном потоки излучения плазмы. Импульсные генераторы эрозионной плазмы, рисунок 4.2-1 , способны в течение 10-5 -10-3 с обеспечить плазменный поток (поток продуктов эрозии материалов) со скоростью до 100 км/с с температурой до 50-100 кК и плотностью до 5х1018 см-3. Этого нельзя достичь с помощью любого из известных испарителей. Однако явления эрозии электродов в эрозионных пушках сложны - это результат целой гаммы физических процессов (рождение, передвижение и гибель катодных и анодных пятен, нагревание электродов, их испарение, ионизация пара, действие на плазму электродинамических сил и др.). Управление физическими процессами при формировании потока плазмы может осуществляться выбором геометрии, материала электродов, режима разряда и т.д. Это требует проведения целого комплекса исследований свойств разряда, используемого в процессе получения пленок. Разрушение диэлектрика при разряде в узком и длинном электрическом канале (трубке), представляет более управляемый процесс. Однако и в этом случае, получение пленок широкого класса материалов существенно ограничены из-за большого количества факторов, влияющих на стабильность свойств получаемых пленок. Это обусловлено целым рядом принципиальных недостатков данного метода генерации эрозионной плазмы.

Конструкция генератора плазмы с центральным электродом не позволяет получать чистую плазму, состоящую только из продуктов эрозии плазмообразующего вещества трубки из-за эрозии как центрального, так и наружного электродов; расположение наружного электрода вплотную с диэлектрической трубкой приводит к тому, что топография токовых и магнитных полей такова, что за срезом трубки формируется неоднородное по плотности потока образование за счет взаимодействия осевых холловских токов с азимутальным магнитным полем тока, текущим по центральному электроду. Это создает неоднородное во времени и пространстве течение продуктов эрозии за срезом наружного электрода. Расположение подложки за срезом наружного электрода также приводит в значительной мере к неуправляемости процесса получения пленок, так как релаксационные процессы в потоке продуктов эрозии сложны и приводят к быстрому изменению компонентного и ионизационного состава, профилей плотности, давления, температуры и т.д. Таким образом, разработка эффективного метода получения пленок связана с детальными исследованиями свойств как самого импульсного разряда, лежащего в основе метода получения эрозионных потоков

вещества, так и возможностей управления процессом нанесения пленок методом термического испарения в вакууме. Кроме того, эффективный метод получения пленок должен содержать этапы подготовки поверхности подложки, к которым можно отнести [20], например, методы очистки под воздействием ионов криптона с энергией до 1,5 кэВ непосредственно в процессе роста пленки в плазме тлеющего разряда. При этом использование ионов невысоких энергий (до 1,5 кэВ) позволяет уменьшить концентрацию радиационных дефектов, а бомбардировка растущей поверхности пленок ионами криптона препятствует накапливанию свободного водорода, что улучшает свойства получаемых пленок. Однако, проведенные исследования в дальнейшем показали нежелательное последствие ионной очистки поверхности - десорбцию инертного газа, интенсивно захватываемого приповерхностным дефектным слоем. Этот эффект наиболее сильно проявляется для аморфных, беспористых и механически прочных пленок, препятствующих выходу газа. Десорбируемый газ накапливается на границе раздела пленка-подложка, что приводит к снижению адгезии при хранении. Таким образом, при подготовке поверхности подложки требуется искать оптимальные методы и режимы ее очистки. При синтезе метастабильных кристаллических форм вещества и получении их в виде покрытий используют способы осаждения ионов и нейтральных частиц с оптимальной энергией [21]. Т.е., с энергией большей энергии связи атомов в решетке кристалла и меньше порога дефектообразования (для алмаза, например, это 14,6 эВ < Е < 60 эВ). Однако, наибольшая сила сцепления слоя с подложкой достигается лишь в случае образования промежуточного химического соединения или раствора (хемосорбция). Если они не образуются, то слой удерживается на поверхности молекулярными силами (физическая адсорбция), на которые оказывают сильное влияние чужеродные атомы, присутствующие на поверхности. При создании метода получения пленок со стабильными результатами требуется создать такую технологию нанесения пленок, чтобы на адгезию покрытия и его оптимальную толщину не оказывали отрицательное влияние морфология и элементный состав поверхности подложки.

В заключение краткого обзора по применению потоков продуктов высокотемпературной эрозии материалов для получения тонких слоев материала подложки отметим принципиальные преимущества, которые открываются при использовании диафрагменного разряда на струях продуктов высокотемпературной световой эрозии. Диафрагменный разряд на струях плазмы позволяет сформировать излучающую высокоэнтальпийную плазму заданного химического состава. Высокая яркость СДР в УФ диапазоне спектра достигается в условиях умеренного электропитания разряда при токах 104 - 105 Дж и позволяет осуществлять эффективную очистку поверхности подложки. Большие преимущества создает гибкая управляемость конденсаторного электропитания, позволяющая регулировать длительность, энергию и момент включения разряда.

Рисунок 4.2-1. Генератор плазмы для импульсного нанесения пленок на подложках: 1-плазмообразующее вещество; 2-подложка; 3-поток эрозионной плазмы; 4-центральный электрод; 5-наружный электрод; 6-изолятор; 7-индуцирующий электрод; 8-конденсаторная батарея; 9-разрядный ток; (из [20]).

4.2.2. Разработка способа получения тонких слоев материала на основе плазмы струй

диафрагменного разряда

Рассматриваемый ниже способ получения тонких слоев материала относится к технологии получения покрытий, и может быть использован при синтезе тонких пленок широкого класса материалов на подложках из металлов, диэлектриков и полупроводников.

В современном материаловедении для изменения свойств поверхности используются покрытия, нанесение которых осуществляется, в частности, при конденсации плазменного потока в вакуумных условиях при электрическом разряде.

Современная техника нанесения качественных покрытий развивается по пути создания методов, которые обеспечивают высокую скорость потока наносимого материала благодаря использованию детонационных устройств, различного типа камер сгорания и электромагнитных ускорителей. Исследования показывают, что для формирования плотного, хорошо прилегающего к поверхности изделия покрытия необходимо иметь скорость частиц порядка 1 -10 км/с.

Известен способ получения покрытий [22], где скоростная струя продуктов сгорания формируется в ракетных камерах сгорания. При этом максимальная скорость частиц диаметром 45 мкм достигает 600-650 м/с. Для формирования скоростного потока продуктов сгорания в камерах сгорания сжигают 30-150 м3/час горючей смеси, расходуется не менее 10 м3 газа для нанесения 1 кг покрытий на основе карбидов вольфрама.

Недостатком данного способа является то, что производительность нанесения покрытия и его качество не пропорциональны увеличению тепловой мощности, а большой объем компонентов горючей газовой смеси необходим только для создания скоростной струи продуктов сгорания. Кроме того, проблема равномерного распределения порошкового материала по сечению струи не решена, и вследствие этого не решена проблема полезного использования энергии.

Известно устройство для импульсного нанесения покрытий [23], содержащее плазмообразующую трубку, центральный и наружный электроды, емкостной источник импульного электропитания, подложку, где поток эрозионной плазмы (пары разрушенных материалов), направленный на изделие, называемое в дальнейшем подложкой, воздействует на ее поверхность и образует тонкий слой вещества из продуктов эрозии трубки. Данное устройство позволяет, снимая температурные ограничения при испарении образца конденсированного тела (плазмообразующего вещества), используя ионизацию и ускорение плазмы, на несколько порядков величины повысить мгновенную скорость осаждения.

Недостатком использования такого устройства для получения слоев широкого класса материалов является большое количество физических факторов ухудшающих стабильность свойств получаемых слоев.

Предлагаемый нами новый способ позволяет стабильно получать высококачественные покрытия из широкого класса материалов с высокой адгезией к подложкам из металлов, диэлектриков, полупроводников.

Такой технический результат получен нами [24], когда в способе получения покрытий путем ионного осаждения на предварительно очищенную подложку продуктов высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала из высокоскоростного потока релаксирующей плазмы струйного диафрагменного разряда (СДР) в газодинамическом режиме течения плазмы на разрядном промежутке с газодинамическим и электромагнитным способами его ускорения, осаждение производят с энергией Е, найденной из условия Есв < Е < Ерасп , где Есв - энергия связи атомов синтезируемого вещества слоя; Ерасп - энергия распыления вещества в синтезируемом слое. При этом длительность т процесса осаждения находят из условия т = h/V, где h - заданная толщина слоя покрытия; V - скорость роста слоя.

Осаждение ионов на подложку осуществляют из осевой зоны потока струйного диафрагменного разряда, а затем осуществляют отжиг полученного слоя при условиях, обеспечивающих рекомбинацию междоузельных атомов и вакансий, насыщение незаполненных химических связей в слое и образование устойчивых химических соединений после окончания процесса хемосорбции на поверхности покрытия.

В устройстве получения покрытия, включающем герметичную вакуумную разрядную камеру с высоковольтным импульсным источником электропитания, регулируемой амплитуды и формы, газовакуумной системой, кольцевыми электродами, внутренние отверстия которых выполнены в виде усеченных конусов вершинами навстречу друг другу, с размещенными между ними поджигающим электродом и выполненной из диэлектрического материала и установленной соосно с электродами диафрагмой с отверстием, внутренняя поверхность которого выполнена из плазмообразующего материала, с соотношением радиуса ro и длины lo отверстия 0,5 < 2 r0/l0 < 2,0 .

Подложка расположена ортогонально оси отверстия в плазмообразующей диафрагме и кольцевых электродах. Новым является то, что к разрядной камере дополнительно герметично присоединены сепарирующая камера и камера осаждения, подложка выполнена на терморегулируемом основании и размещена в камере осаждения на расстоянии А от кольцевого катода, найденном из условия

50R < A < 100R , (4.2-1)

где R - радиус внутреннего отверстия электродов.

Сепарирующая камера размещена перед камерой осаждения, выполнена с окнами: входным окном - в виде экрана с отверстием, размер и форма которого обеспечивает отсечение продуктов эрозии оболочки от осевой зоны плазменной струи, выходным окном - в виде геометрического сопла, размеры и форма которого обеспечивает сверхзвуковое ускорение потока.

Источник электропитания выполнен импульсным с амплитудой 10 тока разряда, выбранной из условия

2,5х104 10,4/го1,4 (1 + г0/10) < 10 < 7,1х104 10'4/го1,4(1 + г0/10), (4.2-2)

где г0 -радиус отверстия в плазмообразующей диафрагме; 10- длина отверстия в плазмообразующей диафрагме.

Следует отметить, что при реализации предагаемого способа использовались известные методы очистки поверхности подложки и способы получения струйного диафрагменного разряда в газодинамическом режиме течения плазмы на разрядном промежутке. Также использовались описанные выше методы электромагнитного и газодинамического ускорения потока заряженных частиц и плазменных потоков и новые подходы к решению задачи селекции ионов по энергии и элементному составу. Кроме того, применялись известные подходы к решению задачи отжига покрытий, обеспечивающего рекомбинацию междоузельных атомов и вакансий, насыщение незаполненных химических связей в слое и образование устойчивых химических соединений после окончания процесса хемосорбции на поверхности покрытия известны.

На рисунке 4.2-2 представлена схема устройства, реализующего способ получения покрытий, где разрядная вакуумная камера 1, источник 2 электропитания, газовакуумная система 3, кольцевые электроды 4, плазмообразующая диафрагма 5, подложка 6, сепарирующая камера 7, камера 8 осаждения;

А- расстояние от кольцевого катода 4 до подложки 6;

Д - расстояние от кольцевого катода 4 до входного окна Э сепарирующей камеры 7; Я - радиус внутреннего отверстия кольцевых электродов 4; Я - радиус входного окна Э; Ь - межэлектродное расстояние;

г0 -радиус отверстия в плазмообразующей диафрагме; 10 - длина отверстия в плазмообразующей диафрагме; Э - входное окно сепарирующей камеры 7; С - сопло сепарирующей камеры 7;

Ф - квадрупольный масс-фильтр сепарирующей камеры 7.

На рисунке 4.2-3 приведен обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава поверхностного слоя на подложке из монокристаллического германия ГЭС 0,3/02, нанесенного с помощью способа с плазмообразующей диафрагмой из политетрафторэтилена (фторопласта марки Ф4), где вдоль оси абсцисс отложена энергия связи атомов, а вдоль оси ординат количество атомов в относительных единицах.

На рисунке 4.2-4 показан обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава на глубине 0,64 мкм того же слоя, полученого с помощью описанного выше способа.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

В вакуумной камере между кольцевыми электродами 4 через плазмообразующую диафрагму 5 формируют струйный диафрагменный разряд. Для этого на устройство поджига с помощью схемы синхронизации подают сигнал запуска, открывающий коммутатор (например, игнитрон) источника электропитания, представляющего собой сильноточный разрядный контур с высковольтным емкостным накопителем энергии С0. Затем высокое напряжение подают на поджигающий электрод, кольцевые электроды 4 и разряжают батарею конденсаторов С0 на нагрузке - межэлектродном промежутке (анод-катод). Импульс тока струйного диафрагменного разряда заданной формы, длительности и амплитуды получают выбором параметров разрядного контура на основании электротехнического расчета - выбором межэлектродного промежутка Ь, толщины диафрагмы 10 диаметра отверстия 2г0 в ней, величины зарядного напряжения и0 батарей, индуктивности контура Lк, сопротивления контура Rк и состава плазмообразующего материала. При этом получают определенную пространственно-временную структуру течения струи продуктов эрозии плазмообразующего материала диафрагмы с зоной получения продуктов эрозии в отверстии диафрагмы; с осевой зоной продува разрядного промежутка продуктами эрозии; с приосевой зоной течения продуктов эрозии, слабо обжатой магнитным полем собственного тока разряда; зоной оболочки и зоной истечения в вакуум за кольцевыми электродами.

В отверстии диафрагмы в зависимости от величины скорости уноса массы плазмообразующего материала получают эрозионную плазму с высокими удельными параметрами (температурой от 2000К до 70000К при давлениях от 0,1 до 100 МПа) выбором величины плотности тока от 1 кА/см2 до 1 МА/см2.

Таким образом, при создании СДР выполнили существенное условие, необходимое для последующего ионного осаждения на подложке: получили ионы заданного состава из продуктов высокотемпературной эрозии для любого выбранного материала.

Электромагнитное ускорение продуктов эрозии осуществляют в зоне диафрагма-кольцевой электрод за счет перепада магнитного давления токопроводящей жидкости (плазменного потока) в сечении на срезе отверстия в диафрагме и в плоскости отверстия

кольцевого электрода, а дополнительное газодинамическое ускорение за счет эффекта истечения в вакуум в режиме истечения сверхзвуковой осесимметричной недорасширенной струи на участке кольцевой электрод-входное окно Э сепарирующей камеры 7.

При формировании покрытия протекает два процесса на поверхности подложки:

- ионная стимуляция подложки, достаточная для образования оптимальной стационарной концентрации точечных дефектов Птд (здесь точечный дефект - это дефект размером порядка атомного) на поверхности подложки для создания активных центров конденсации осаждаемых частиц;

- ионное осаждение.

Эти процессы могут быть выполнены благодаря получению ионов с требуемой энергией после ускорения плазменного потока из продуктов эрозии материала диафрагмы.

При расширении струи плазмы за кольцевым электродом происходит отсечение приосевой зоны и зоны оболочки струи на входном окне Э сепарирующей камеры. за счет выбора диаметра отвертстия входного окна равным диаметру осевой зоны струи разряда и его формы для устранения эжекторного эффекта на входе в сепарирующую камеру. Для этого входное окно Э выполняют в виде усеченного конуса направленного усеченной вершиной навстречу потоку (к кольцевому электроду). Высокоскоростная осевая зона плазменного потока диаметром 2Rl проходит через отверстие во входном окне Э и попадает в сепарирующую камеру 7, где затем происходит ее ускорение в геометрическом сверхзвуковом сопле С, которое является выходным окном сепарирующей камеры 7.

Если необходимо получить монокинетичекий поток ионов, что дает, в свою очередь, высокую степень однородности покрытия по химическому составу, в сепарирующей камере 7 можно использовать масс-фильтр Ф соосно с входным окном Э. Масс-фильтр Ф для сепарации ионов определенной массы представляет собой, например, квадрупольный фильтр масс Пауля [25], состоящий, в частности, из четырех стержней к которым попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного напряжений. Ионы, влетающие параллельно оси этих стержней попадают в гиперболическое поле и они, в зависимости от соотношения их массы и частоты, пропускаются этим полем или не пропускаются дальше.

После сепарирующей камеры 7 истекающий поток продуктов эрозии в виде ионов попадает в камеру осаждения 8 с подложкой 6. Подложку размещают в камере осаждения на расстоянии А от кольцевого катода, найденном из условия

50R < А < 100R , (4.2-3)

где R - радиус внутреннего отверстия электродов, выбранный из условия

1п^/г) < 1,6л Lw/^0 , (4.2-4) где Ь- межэлектродное расстояние;

ю- средняя скорость уноса массы плазмообразующего вещества с внутренней стенки отверстия диафрагмы;

ц- магнитная проницаемость плазмы струи разряда;

цс = 1,257х10-6 Гн/м;

10 - амплитуда тока разряда, А;

^ = (0,2-1,1)х10-6 с - характерное время развития магнитогазодинамических неустойчивостей на разрядном промежутке струйного диафрагменного разряда.

Такой выбор расстояния А обеспечивает необходимую величину энергии ионов и плотность их потока при формировании высококачественного покрытия с высокой адгезией, однородностью по площади и толщине слоя. В зоне торможения высокоскоростного потока продуктов эрозии на поверхности подложки 6 происходит непосредственно процесс формирования покрытия.

Аппроксимирующие выражения для расчета величин удельных параметров плазмы (термодинамических, газодинамических характеристик потока, его компонентного и ионизационного состава) получены ранее [24, 27] в ходе решения системы уравнений радиационной магнитной газодинамики, дополненной уравнением переноса излучения, играющего определяющую роль в энергетическом балансе струйного диафрагменного разряда. Это позволяет определить значения энергии частиц Е, падающих на поверхность подложки с учетом геометрии размещения подложки и газодинамических (эжекторных) эффектов в потоке при транспортировке частиц через систему окон сепарирующей камеры между срезом кольцевого электрода СДР и подложкой.

Величины энергии связи атомов синтезируемого вещества слоя Есв, коэффициенты распыления и энергии рапыления Ерасп веществ находят в соответствующих литературных источниках. Скорость процесса роста слоя покрытия V при осаждении с одновременной ионной стимуляцией с плотностью тока ионов j определена из условия достижения оптимальной стационарной концентрации точечных дефектов и-'тд на поверхности подложки [26]. Точечные дефекты образуются парами (пары Френкеля) - междоузельный атом (атом, выбитый из своего узла в междоузлие) и оставшаяся на его месте вакансия. Образование таких дефектов пропорционально плотности потока падающих ионов на поверхность подложки j.

Ранее [26] было показано, что при этом на поверхности с дефектами снижается энергетический барьер зародышеобразования. Комплекс атом-вакансия оказывается столь устойчивым, что может быть рассмотрен как закритический зародыш новой фазы. Вакансии становятся непосредственно центрами конденсации (на идеальной поверхности центрами

конденсации были критические зародыши). Получение оптимального значения стационарной концентрации точечных дефектов Птд на поверхности в условиях ионного облучения приводит к тому, что слой одновременно растет большим числом островков, уменьшается зернистость слоя, увеличивается однородность и сплошность на малой толщине слоя, совершенствуется структура покрытия [26].

С другой стороны при увеличении плотности ионного тока в условиях стимуляции поверхности медленными ионами выше определенного значения (j > ]пред ) наблюдается снижение роли точечных дефектов на поверхности подложки на скорость конденсации продуктов эрозии на поверхности подложки и скорости роста слоя покрытия V. Это может быть объяснено тем, что большая часть энергии иона в этих условиях ионного облучения идет на возбуждение фононов. Таким образом управлять процессом зарождения конденсата на подложке, а тем самым структурой и свойствами покрытия можно в одинаковой мере изменяя либо плотность тока ионного облучения j, либо энергию ионов Е [26].

Для уточнения этой зависимости были получены экспериментальные характеристики V(j,E) при реализации осаждения на подложку продуктов высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала в условиях ионного облучения с использованием струйного диафрагменного разряда в вакууме [24].

После формирования покрытия на подложке осуществляют отжиг полученного слоя -для отжига точечных дефектов, когда междоузельный атом занимает вакансию и происходит восстановление поверхности. Отжиг осуществляют в контролируемых условиях внешней среды в течение промежутка времени Тотж, достаточного для рекомбинации междоузельных атомов и вакансий, насыщения незаполненных химических связей в слое и образования устойчивых химических соединений после окончания процесса хемосорбции на поверхности покрытия. Для достижения этой цели сначала осуществляют нагрев подложки до температуры Тотж и выдержкой полученного слоя в течение времени Тотж последующим охлаждением до комнатной температуры [24] .

Пример конкретного исполнения при использовании предлагаемого способа получения тонких слоев на подложках из эрозионной плазмы разряда можно проиллюстрировать на примере получения слоя на подложке диаметром 50 мм из монокристаллического германия марки ГЭС 0,3/02 из эрозионной плазмы диафрагменного разряда в вакууме (рнач =10-2 Па), где в качестве материала плазмообразующей диафрагмы использовался политетрафторэтилен (фторопласт марки Ф4).

Для осаждения на поверхности подложки продуктов высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала с одновременной ионной стимуляцией поверхности подложки медленными ионами с энергией (Еион < 1 кэВ) из высокоскоростного потока релаксирующей

плазмы струйного диафрагменного разряда (СДР) выбран газодинамический режим течения плазмы на межэлектродном промежутке регулируемой длительности т.

При опорном режиме электропитания от емкостного накопителя С=2,8 мФ, L=5,6 мкГ, Як=1,9 мОм при зарядном напряжении и0 =4,5 кВ, разряд через цилиндрическое отверстие в диафрагме толщиной 5 мм и диаметром 4,0 мм имел сильноточную стадию с амплитудой тока 65 кА на 90 мкс от начала разряда с длительностью 350 мкс. Это позволяло осуществить световую очистку поверхности подложки с облученностью 0,1 Дж/см2 в ВУФ области спектра (ДХ=0,1.. .0,2 мкм). Слаботочная стадия разряда с током 500 А на 600 мкс от начала разряда с длительностью 5 мс позволила проводить ионную стимуляцию подложки и одновременно процесс осаждения ионов и атомов углерода и фтора на подложку, расположенную на расстоянии 2000 мм от среза диафрагмы. Поверхность подложки была перпендикулярна плоскости, проходящей через ось разрядного промежутка. Длительность слаботочной стадии разряда достаточна для получения слоя толщиной около 840 нм. После окончания разряда в вакуумной камере подложка с осажденным на ней слоем выдерживалась в вакууме при температуре Т=400оС и давлении в камере равном 10-2 Па в течение 50 мин.

Покрытие имело темно-синий цвет при дневном освещении, равномерный по всей площади. Внешний вид покрытия - без видимых повреждений, ровный, без шелушений, вздутий, трещин и отслаиваний.

С помощью оптического и электронного микроскопов было исследовано качество покрытия, полученного на подложке из монокристаллического германия марки ГЭС 0,3/02. При этом было установлено, что покрытие полученное данным способом отличается плотностью структуры и пониженной пористостью.

Испытание покрытия осуществлялось в ЦНИИ Материалов (г.Санкт-Петербург) на устойчивость к внешним воздействиям, проведенным с использованием методов, отраженных в документах на проверку на износостойкость (п.4.5.10 МГЬ-С675С и п.6.4 АРСМ 01071/00001), на проверку адгезии (сцепление с поверхностью подложки) (п.4.5.12 МГЬ-С675С и п.6.3 АРСМ 01071/00001), и проверку на устойчивость к выпадаемым атмосферным осадкам (МГЬ-БТБ -810, метод 506/4 и п.6.8 АРСМ 01071.00001). Полученные результаты позволили сделать вывод о высокой адгезии и когезии нанесенного слоя и его однородности.

Аналогичные результаты были получены и при нанесении покрытий на подложки из монокристаллического кремния, кварцевого стекла марки К8, фтористого магния, титана, ПММА.

Таким образом, использование предлагаемой технологии получения тонких слоев на различных материалах из эрозионной плазмы разряда обеспечивает получение покрытий обладающих следующими достоинствами [24,29]:

-покрытия обладают высокими физико-химическими свойствами;

-возможность нанесения слоев из трудноиспаряемых плазмообразующих веществ;

-покрытия отличаются плотностью структуры и пониженной пористостью и, как следствие,

повышенной коррозийной стойкостью;

-покрытия имеют мелкодисперсную структуру;

-ионные покрытия имеют высокую адгезию к подложке и когезию.

Преимущества предлагаемого способа: -позволяет обрабатывать детали самой различной формы с высокой равномерностью покрытий; -высокая скорость нанесения покрытий (до 2 мм/с); -высокая контролируемость и воспроизводимость; -простота методов защиты необрабатываемых поверхностей.

Рисунок 4.2-2. Схема устройства для ионного осаждения на подложку продуктов высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала из высокоскоростного потока релаксирующей плазмы струйного диафрагменного разряда (СДР): разрядная вакуумная камера 1, источник 2 электропитания, газовакуумная система 3, кольцевые электроды 4, плазмообразующая диафрагма 5, подложка 6, сепарирующая камера 7, камера 8 осаждения.

1100 990 880 770 660 550 440 330 220 110 О

Энергия СВЯЗИ ЯТОМОЕ.эБ

Рисунок 4.2-3. Обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава поверхностного слоя на поверхности подложки из монокристаллического германия ГЭС 0,3/02; плазмообразующая диафрагма из политетрафторэтилена (фторопласта марки Ф4).

Атомная Концентрация,-^

1

11вв 99й 88» 770 660 550 440 530 220 110 О

Энергия связи атомов, эВ

Рисунок 4.2-4. Обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава на глубине 0,64 мкм подложки из монокристаллического германия ГЭС 0,3/02; плазмообразующая диафрагма из политетрафторэтилена (фторопласта марки Ф4).

4.3. Разработка метода ионной имплантации в условиях струйного диафрагменного

разряда в вакууме

В современном оптическом материаловедении для изменения свойств поверхности материала используют различные методы, в частности, ионную имплантацию в вакуумных условиях. Метод ионной имплантации основан на использовании специальных источников ионов. В источнике создается полностью ионизированная плазма, затем с помощью ионно-оптических систем ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются до энергии в диапазоне 1-500 кэВ. Ускоренные ионы внедряются в поверхность подложки на глубину порядка I мкм.

Например, известны способы получения тонких слоев материала путем ионного легирования [1], где для формирования легированного слоя в изделии в рабочую среду (высокоскоростной поток плазмы) вводят газообразные легирующие добавки (азот, углеводородные газы, цианиды). С целью формирования мощных плазменных струй используют импульсный плазмотрон. При длине межэлектродного зазора 200 мм и напряженности электрического поля 400 кВ/м плазменная струя имеет температуру 15000К-30000К и скорость около 5 км/с. Управление временем воздействия плазменного импульса и его энергетическими характеристиками осуществляется изменением емкости конденсаторов, напряжения на обкладках конденсаторной батареи, индуктивности в цепи разряда, расстояния до поверхности изделия и изменением размера активного пятна взаимодействия плазменной струи с поверхностью изделия. В частности, в результате такой импульсно-плазменной обработки с повышенным содержанием кислорода в качестве легирующей добавки для изделий из сплава на основе железа формировался упрочненный легированный слой с включением оксидов.

К недостаткам данного способа получения легированного слоя относится ограничение максимального значения скорости плазменного потока до 7 км/с, а, следовательно, и энергии ионов легирующих добавок при имплантации. Это уменьшает максимальную глубину внедрения в твердотельную подложку ионизированных атомов при легировании. Выбор легирующих добавок ограничен газообразными соединениями. Проблема равномерного распределения легирующего материала по сечению струи не решена, вследствие этого не решена проблема однородности химического состава легированного слоя по площади. Затруднена точная дозировка легирующего (имплантируемого) элемента.

При исследованиях процессов плазменной имплантации нами было впервые показано, что в специально найденных условиях струйного диафрагменного разряда (СДР) [2-5] в вакууме в магнитогазодинамическом (МГД) режиме возможно получать сверхвысокие (до 50

км/с и выше) скорости вещества при одновременном обеспечении его пространственной однородности по сечению плазменной струи и строго определенного компонентного и ионизационного состава. Найденные условия обеспечивают эффективное внедрение в подложку ускоренных ионов из практически любых веществ с точной дозировкой имплантанта в поверхностном слое подложки [2-5].

Для формирования струйного диафрагменного разряда в магнитогазодинамическом режиме течения струй плазмы на межэлектродном промежутке была использована экспериментальная установка, аналогичная описанной в [6]. Параметры разрядного контура, где в качестве электрической нагрузки использовали СДР, определяли на основе электротехнического расчета и проверяли в режиме короткого замыкания. Основные параметры плазменного потока СДР, истекающего из отверстия диафрагмы, находили расчетным методом. Исходная система уравнений магнитной газодинамики для одножидкостной модели [7] при расчете параметров плазмы СДР была дополнена уравнением переноса излучения и включала уравнения непрерывности, движения, энергии, состояния, переноса излучения, уравнения Максвелла, закон Ома с учетом движения плазмы.

Плазменный поток, истекающий из отверстия диафрагмы как расходного сопла ускорялся до сверхзвуковой скорости за счет воздействия осевой газодинамической силы в результате сильного сжатия осевой зоны азимутальным магнитным полем тока разряда, и одновременно на промежутке диафрагма-кольцевой электрод - до требуемых значений скорости электромагнитным способом.

В частности, требуемую скорость потока плазмы СДР за счет электромагнитного механизма ускорения достигали выбором величины тока разряда с учетом перепада магнитного давления плазмы у кольцевого электрода по сравнению с давлением вблизи отверстия в диафрагме, используя эффект магнитного насоса для токопроводящей жидкости. Практически это осуществляли подбором амплитуды 10 тока разряда и величины Я/г0 - отношения радиуса отверстия в кольцевых электродах Я к радиусу отверстия в диафрагме Г0.

При этом результирующую скорость Уструи плазменного потока вдоль оси определяли из соотношения

^Труи = Vгд + ДVэм , (4.3-1)

1/2

где Vгд = С([2/(у — 1)][1 — (Рвак/Р0)у-1/у]| - составляющая скорости потока плазмы за счет действия осевой газодинамической силы, где С = (у Р0/р0)1/2- скорость звука;

у = Ср/Су = 1,2 — 1,3- постоянная адиабаты с учетом энергии ионизации плазмы; Рвак - давление в вакуумной камере;

P0 = (1 + у)РКр - проталкивающее давление в центре отверстия диафрагмы;

AV3M = ^0i2(4nw)-1ln(R/r0) - скорость потока плазмы за счет действия осевой

электромагнитной силы,

где ц.ц0 = 1,257x10-6 Гн/м

i - тока разряда;

ш - средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы;

R - радиус отверстия в кольцевом электроде;

ro -радиус отверстия в плазмообразующей диафрагме;

Ро - плотность плазмы на оси потока;

АЬо - удельная энтальпия плазмы на оси потока;

Ркр = [0,14i1,34(2l0)0,93]/[r2'95(1 + r0/2l0)0,67] - давление в критическом сечении; lo - длина отверстия в плазмообразующей диафрагме.

Плотность потока плазмы ро СДР на оси определяли из соотношения

Р0 = Y ¿Магн/ЛЫг - 1) ' (4'3"2)

где у = Ср/cv = 1,2 — 1,3 - постоянная адиабаты с учетом энергии ионизации плазмы; Рмагн = (80n)-1(0,2i/r0)2 - давление, обусловленное магнитным полем тока разряда; Ah0 = 2100 i0,44/(0,9r0)0,66 - удельная энтальпия плазмы на оси потока.

Для осуществления процесса ионизации и ускорения амплитуду тока Io разряда на стадии МГД режима выбрали из условия:

I0 > 7,1х104 l0'4/r5'4 (1 + r0/lc) ,A (4.3-3)

где ro -радиус отверстия в плазмообразующей диафрагме,

lo - длина отверстия в плазмообразующей диафрагме. Это обеспечивает получение ионов из выбранного плазмоообразующего материала с энергией выше энергии распыления подложки и достаточной для реализации процесса имплантации в подложку.

Среднюю скорость уноса массы ш для МГД режима определяли экспериментально или рассчитывали по формуле

Ш хстен^стенСстен , (4.3-4)

где хстен = 8,9x10-10 i2,11/l0'45 rQ21^^ - скорость разгорания диаметра отверстия диафрагмы, см/с,

Бстен - площадь внутренней стенки отверстия в диафрагме, см2 , сстен - плотность материала стенки (плазмообразующего материала).

Величину длительности ^мп импульса тока разряда измеряли осциллографированием с помощью поясов Роговского.

Данные по глубине распределения концентрации ионов, внедренных в подложку, от энергии ионов е1 предварительно для оценки использовали из литературных источников, например, [8], или находили экспериментально с помощью метода электронной спектроскопии химического анализа [9].

Полная энергия ионов е1, падающих на подложку, определялась на основе рассчитанных значений плотности ро плазмы на оси потока, удельной энтальпии Ьо плазмы на оси потока, концентрации N1 ионов в осевой зоне потока, а также среднего заряда ъ плазмы (кратности ионизации ионов) и измеренного емкостными делителями падения напряжения ёИ на разрядном промежутке:

ei = (рХ/^) + z е dU , (4.3-5)

где е - заряд электрона.

Для получения потока ионов требуемого химического состава выбирали соответствующий состав плазмообразующего материала внутренней стенки отверстия диафрагмы СДР. Например, для получения углеродного слоя в поверхностном слое полированной медной подложки использовали графит в качестве внутренней стенки диафрагмы СДР.

Для определения ионизационного состава (кратности ионизации) использовали известные зависимости кратности ионизации химических элементов от температуры плазмы, см., например, [10].

Собственно процесс внедрения ионов в подложку осуществляли после выделения ионов из осевой зоны требуемого химического и ионизационного состава предварительно ускоренных продуктов струйного диафрагменного разряда в вакууме, например, пространственно. В противном случае помимо требуемого имплантанта в поверхностном объеме подложки, а также на ее поверхности могут оказаться загрязнения (ионы, атомы и другие частицы с низкими скоростями, энергиями и др.).

Выбранное нами пространственное выделение ионов из осевой зоны потока основано на полученной экспериментально зонной структуре плазменных струй диафрагменного разряда в вакууме в МГД режиме и зависимости пространственного распределения концентрации заряженных частиц от параметров разряда. Выделение ионов осуществляли пропуская только осевую зону струи с рассчитанным компонентным и ионизационным составом, экранируя область приосевой зоны и зоны оболочки струи известными методами с помощью отсекающих экранов специальной формы или диафрагмами, размещенными между кольцевым электродом и подложкой.

После проведения процесса ионной имплантации для получения тонкого легированного слоя на подложке проводили отжиг легированных структур для устранения радиационных дефектов в материале.

Параметры плазменного потока, истекающего из отверстия диафрагмы, выполненной из политетрафторэтилен (фторопласт марки Ф4), рассчитанные на основе аппроксимирующих выражений в результате решения исходной системы уравнений радиационной магнитной плазмодинамики, в частности, составили:

- скорость струи Уструи = 52,5 км/с,

- плотность плазмы на оси потока ро = 4x10-4 г/см3 ,

- удельная энтальпия плазмы на оси потока АЬо = 1270 кДж/г,

- давление в критическом сечении Ркр = 40,5 МПа,

- давление, обусловленное магнитным полем тока разряда, Рмагн =101,9 МПа,

- средняя скорость уноса массы ш =227 г/с,

- концентрация ионов в осевой зоне потока Ni =1,2x1017 см-3 ,

- средний заряд плазмы z=2,7.

Длительность 1^мп импульса тока разряда, определенная осциллографированием с помощью поясов Роговского, составила 0,05 мс на уровне 0,1 от максимального значения. Давление в разрядной вакуумной камере, измеренное вакуумметрами, поддерживалось в диапазоне Рвак = 1-10 Па .

В качестве подложки была выбрана пластина из монокристаллического кремния марки КЭФ 4,5 толщиной 0,5 мм и размером 30мм х 30мм с полированной поверхностью. Средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала (политетрафторэтилен) была найдена экспериментально взвешиванием диафрагмы до и после разряда и составила ш= 220,9 г/с. Диафрагма с плазмообразующим веществом была установлена соосно между кольцевыми электродами с диаметром отверстия 40 мм на расстоянии 50 мм от каждого электрода. Подложка была расположена на расстоянии 500 мм от среза диафрагмы, поверхность ее была перпендикулярна плоскости, проходящей через ось разрядного промежутка. Между подложкой и кольцевым электродом (заземленным катодом) на расстоянии 100 мм от кольцевого катода размещался пространственный фильтр в виде заземленного экрана из молибдена с отверстием диаметром 35 мм. При опорном режиме электропитания от емкостного накопителя Со =208 мкФ, Lr =0,8 мкГн, Rr=12 мОм при зарядном напряжении Uo =15 кВ, разряд через цилиндрическое отверстие в диафрагме толщиной 5 мм и диаметром 4,0 мм имел сильноточную стадию с амплитудой тока 160 кА на 22 мкс от начала разряда с общей длительностью 45 мкс. Излучение плазмы разряда позволяло осуществить предварительную световую очистку

подложки облученностью 0,1 Дж/см2 в ВУФ области спектра (ДХ=0,1...0,2 мкм). Имплантация проводилась кратно заряженными ионами углерода и фтора (средний заряд плазмы 2=2,7) в течение 0,05 мс в поверхностный слой подложки. Полная энергия ионов е1 составляла величину порядка 37,4 кэВ. После окончания разряда в вакуумной камере подложка с полученным тонким легированным слоем подвергалась изотермическому отжигу: выдерживалась при температуре Т=700оС и давлении в камере равном 10-2 Па в течение 50 мин.

Качество полученных легированных слоев анализировалось на рентгеновском фотоэлектронном спектрометре ESCA 5400 НР1 (США) с травлением поверхности образца при анализе встроенной в спектрометр растровой ионной пушкой с дифференциальной откачкой ионами аргона с энергиями от 500 эВ до 5 кэВ.

На рисунке 4.3-1 приведен обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава поверхностного слоя на глубине 264±5 нм для подложки из монокристаллического кремния, полученного с помощью описанного способа с плазмообразующей диафрагмой из политетрафторэтилена, где вдоль оси абсцисс отложена энергия связи электронов в атомах, а вдоль оси ординат количество атомов в относительных единицах.

На рисунке 4.3-2 показан обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава слоя из того же имплантанта на глубине 504±5 нм, полученного с помощью описанного способа ионного легирования.

Высокое качество легирования слоя подтверждают рентгеноэлектронные спектры. Спектры показали, что химический состав слоя по всей толщине до 600 нм определяется:

- составом материала подложки (кремний Si 2р энергией связи 99,5 эВ);

- имплантантом из плазмообразующего материала диафрагмы (углерод С с энергией связи 285 эВ и фтор Б с энергией связи 686 эВ) с плавным уменьшением его атомной концентрации при увеличении расстояния от поверхности. В частности, для углерода с 72,1% на глубине 264±3 нм до 55,3% на глубине 504±3 нм.

Преимущество предложенного способа ионной имплантации с помощью струйного диафрагменного разряда в МГД режиме перед другими методами введения примеси в твердые тела состоит в универсальности процесса, позволяющего ввести любой элемент в любой материал в строго контролируемом количестве, а также задавать его распределение по глубине. Однородность имплантации по площади подложки обеспечивается высокой пространственной однородностью параметров осевой зоны плазменной струи СДР в радиальном направлении в плоскости размещения подложки. При наличии возможности поперечного перемещения подложки площадь имплантации ограничивается только размерами вакуумной камеры.

Ионы с одинаковой энергией, имплантируемые в подложку, останавливаются в некотором интервале глубин, что обусловлено статистическим разбросом энергетических

потерь. При использовании ионов с разными значениями энергии в диапазоне 1,0...50 кэВ, за счёт перекрывания областей возможно получение плоского профиля концентрации по глубине.

Таким образом, следует отметить, что разработан и описан способ получения тонких слоев материала путем ионного легирования предварительно очищенной подложки в условиях струйного диафрагменного разряда в вакууме в магнитогазодинамическом режиме с электромагнитным способом ускорения полученных продуктов разряда [2]. В качестве примера рассмотрена имплантация ионами углерода и фтора (средний заряд плазмы z=2,7) в течение

0.05.мс в поверхностный слой подложки из монокристаллического кремния марки КЭФ 4,5 толщиной 0,5 мм, расположенной ортогонально оси отверстия в плазмообразующей диафрагме. Полная энергия ионов еi составляла величину порядка 37,4 кэВ. Легированный слой на основании анализа рентгеноэлектронных спектров содержит помимо химических элементов из состава материала подложки (кремний Si 2p энергией связи 99,5 эВ) химические элементы из плазмообразующего материала диафрагмы (углерод С 1s с энергией связи 285 эВ и фтор F 1s c энергией связи 686 эВ) с плавным уменьшением их атомной концентрации при увеличении расстояния от поверхности. В частности, для углерода с 72,1% на глубине 264±3 нм до 55,3% на глубине 504±3 нм.

Использование предлагаемого способа получения тонких легированных слоев в различных оптических материалах (подложках) из эрозионной плазмы струйного диафрагменного разряда может обеспечить по сравнению с существующими технологиями следующие преимущества [2,11]:

1. Высокие скорости процесса легирования при высокой однородности распределения имплантированного вещества по поверхности.

2. Введение вещества с практически неограниченной растворимостью в твердом состоянии.

3. Возможность нанесения слоев из трудноиспаряемых плазмообразующих веществ.

4. Отсутствие проблемы адгезии, так как нет поверхности раздела.

5 Удешевление процесса легирования из-за необходимости использования очень малого количества вещества имплантанта.

6. Простота методов защиты оптических поверхностей (в виде масок), не требующих обработки ионной бомбардировкой.

Атомная

концентра ция, о тн. ед.

\

1

1100 686 100 0

Энергия связи ] . эВ

Рисунок 4.3-1. Обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава поверхностного слоя на глубине 264±5 нм для подложки из монокристаллического кремния марки КЭФ4,5.

Лто мн ая к он ц ентрация, отн.ед.

■

1100 686 285 100 0

Энергия связи Е. эВ

Рисунок

поверхностного марки КЭФ4,5.

4.3-2. Обзорный рентгеноэлектронный спектр химического состава слоя на глубине 504±5 нм для подложки из монокристаллического кремния

4.4. Исследование гетерофазной среды на основе релаксирующей плазмы диафрагменного

разряда в вакууме

В этой части главы приведены результаты исследования неравновесного свечения молекулы С2 в струе продуктов высокотемпературной эрозии диафрагменного разряда в вакууме (рнач =10 Па) на ранней стадии послесвечения (0,8 - 1,2 мс) по эмиссионным спектрам системы полос Свана С2 - а3Пи) сравнением интенсивностей излучения в полосах,

образующих секвенции с Ду = +1 и 0. Получены экспериментальные результаты на стадии окончания процесса конденсации продуктов разряда и рассмотрены процессы получения разнообразных высокодисперсных структур с оценкой их параметров.

По мере остывания струи релаксирующей плазмы диафрагменного разряда в вакууме с большим содержанием углерода [1, 2] излучателями в видимой области спектра являются ионы и атомы (С1, Call, MgI), радикалы (CN, CO), а также молекулы двухатомного, трёхатомного углерода (С2, С3) и т.д. В то же время описание оптических свойств и кинетики процессов и плазмохимических реакций с участием молекул в возбужденных состояниях типа С2, С3, С4 представляет большой интерес для изучения свойств зарождающихся углеродных частиц, условий и механизма образования сажи, кластерных образований и возможных фрактальных агрегатов в процессе эволюции эрозионной плазмы диафрагменного разряда.

Данная часть работы посвящена экспериментальному исследованию кинетики процессов, протекающих в распадающейся плазме струи диафрагменного разряда в опорном режиме электропитания и геометрии отверстия диафрагмы с использованием углеродсодержащего плазмообразующего материала [3] :

- кинетики процессов и плазмохимических реакций с участием молекулы С2 в электронном состоянии в остывающих продуктах высокотемпературной эрозии сложного плазмообразующего материала известного стехиометрического состава (C7oO12H12N1oCb)n при начальном давлении остаточной атмосферы в разрядной камере Рнач=10 Па;

- изучению процессов конденсации в плазме послесвечения с образованием кластеров и оценкой их параметров.

4.4.1. Параметры и состав среды на ранней стадии послесвечения струйного

диафрагменного разряда (СДР)

Для определения параметров и состава гетерофазной среды на основе релаксирующей плазмы струйного диафрагменного разряда в вакууме фотографировались интегральные спектры и временные развёртки спектров излучения струи разряда на дифракционном спектрографе ДФС-452 в области дин волн ДА= 220-580 нм с обратной линейной дисперсией 1,6 нм/мм. Данные, полученные после первичной обработки спектров, использовались для определения температуры Те энергетического распределения электронов на ранней стадии послесвечения струи (0,5 -1,5 мс после начала разряда) по отношению интенсивностей спектральных линий ионов Call (А=396,8 нм и А=317,9 нм), а также вращательной температуры Твр радикала CN по крутизне спада интенсивности в оттенении полосы CN 388.3 нм на промежутке времени t=0,5-1,2 мс, таблица 4.4-1. Также проводилась фотоэлектрическая регистрация излучения на оси катодной части разрядного промежутка с помощью двойного монохроматора и фотоумножителя с записью на запоминающем осциллографе в полосах фиолетовой системы циана CN при спектральной ширине щели ДА=0,2 нм. Для определения колебательной температуры Ткол использовалось свечение полос фиолетовой системы циана CN (0-0) при t=0,8-1,2 мс. Измеренные значения Ткол по отношению интегральных и максимальных интенсивностей спектральных полос 388,3 нм (0-0) /387,2 нм (1-1), используя графики из обзора [4], представлены также в Таблице 4.4-1.

Значения электронной Те, колебательной Ткол, вращательной Твр и газовой Тг температур определены по соотношению интенсивностей линий иона атома кальция Са11 и интенсивностей полос фиолетовой системы молекулы циана CN на для t=0.8 -1.2 мс (диафрагма из органопластика).

Таблица 4.4-1.

Время t, мс 0,8 1,0 1,2

Те, К 5600±800 4800±700 4000±850

Ткол, К 6000±450 4600±450 3800±350

Твр, К 5200±750 4300±750 3700±750

Тг, К 5600 4570 3820

Сравнение результатов измерений температуры электронов Те , колебательной Ткол. и вращательной Твр температур показало близость их значений в пределах погрешности

измерений для этих экспериментов. Совпадение значений вращательной и колебательной температуры, определенных по спектрам молекулы циана, согласуется с результатом, полученным в работе [5]. В работе [5] установлено, что в продольном разряде в сверхзвуковом потоке воздуха при инжекции пропана, этилена и кислорода в зону разряда, значение вращательной температуры, определенной по полосам испускания фиолетовой системы СК (Б2Е+ ^ Х2Е+ ) молекулы циана СК оказывается близкой к колебательной температуре, определяющей распределение заселенностей по нижним электронно-колебательным уровням электронного состояния Б2Е+ . Значения температур лежат в диапазоне 7000 - 9000 К и заметно выше, чем характерное значение поступательной температуры (~ 2000 - 4000 К), определенное по полосам системы Свана С2 - а3Пи) молекулы углерода С2 , в исследуемых условиях [5]. Кроме того, результаты определения значений вращательной (Твр=1700 К- 2200 К) и колебательной (Ткол=4600 К- 7300 К) температур по полосам системы Свана С2 (¿3Щ - а3Пи) молекулы углерода С2 в СВЧ разряде в жидких углеводородах [5-9] , свидетельствуют о том, что значение поступательной температуры в струе релаксирующей плазмы меньше, чем значения Те , Ткол. и Твр в Таблице 4.4-1.

Таким образом, значения Те , Т кол. и Твр , приведенные в Таблице 4.4-1, можно рассматривать как верхний предел для величины поступательной температуры в струе релаксирующей плазмы для промежутка времени 1 = 0.5 -1.2 мс.

Это даёт возможность, по газовой температуре Тг (1) и по измеренному давлению Р(1) в струе с помощью пьезодатчика [10], рассчитать значения концентраций компонент на оси струи распадающейся плазмы в приближении термодинамического равновесия в многокомпонентной газовой фазе по известному начальному составу плазмообразующей диафрагмы [11], в том числе значения концентраций углеродсодержащих соединений С2, СК, Сз, С4, С5. На рисунке 4.4-1 представлены расчётные значения концентрации некоторых компонент [щ] газовой фазы (см-з) в струе продуктов эрозии для диафрагменного разряда в вакууме по экспериментально измеренным значениям давления Р(1) и температуры Тг(1;) для материала плазмообразующей диафрагмы - органопластика (С70012И12КюС1з)п ..

Рисунок 4.4-1. Расчётные значения концентрации некоторых компонент [щ] газовой фазы (см-з) в струе продуктов эрозии для диафрагменного разряда в вакууме: а - концентрация атомов (1-кислорода О, 2-водорода Н, 3-азота К, 4-хлора С1); б- концентрация молекул (1-циана СК, 2-СО, 3- К2 , 4- N0); в - концентрация атомов углерода С (1) и С2 (2), Сз (3), С4 (4), С5 (5) .

б

Для экспериментального исследования заселённости уровней молекулы С2 (¿3Щ) регистрировалось излучение на оси катодной части разрядного промежутка с помощью монохроматора и фотоумножителя с записью на запоминающем осциллографе в полосах молекулы С2 системы Свана - а3Пи при спектральной ширине щели ДХ=0,2 нм и

фотографировались интегральные спектры и временные развёртки спектров излучения струи разряда на дифракционном спектрографе ДФС-452 в области длин волн ДХ= 220-580 нм с обратной линейной дисперсией 1,6 нм/мм. На рисунке 4.4-2 представлены результаты измерения интенсивности в относительных единицах для послетокового отрезка времени от 0,7 до 1,5 мс, где стадия протекания тока разряда составляла временной промежуток 1=0-0,5мс с максимумом тока 1тах =50 кА.

Рисунок 4.4-2. Временная зависимость интенсивности излучения осевой зоны катодной струи в полосах системы Свана молекулы С2 : а - для (0-0), (1-1), (2-2); б- для (1-0), (2-1), (3-2), (4-3), (5-4) и (6-5) при диафрагменном разряде в вакууме (рнач= 10 Па).

Из системы полос молекулы С2, используемых для определения заселения состояния d3Пg, рассматривались полосы, образующие секвенции с ЛV = 0 и +1: кант полосы (0-0) с А=516.5 нм; кант (1-1) с А=512.9 нм; кант (2-2) с А=509.7 нм; а также канты: (1-0) А=473.7 нм; (21) А=471.5 нм; (3-2) А=469.7 нм; (4-3) А=468.4 нм [12]. Относительная заселённость колебательных уровней определялась, как и в [13]. В ходе обработки результатов регистрации спектров излучения системы Свана обнаружено наличие неравновесного заселения колебательных уровней электронного состояния dзПg, для секвенции ЛV = 0 для всех уровней (V' =0, 1, 2) и, начиная с третьего, для секвенции ЛV = +1 (V' =3, 4, 5, 6). Для уровней У=1,2 колебательная температура, определяемая по наклону отрезка прямой на графике ln(Nv/Nl)=const - Eу /И и для t=0.8 мс, составила Ткол=3800±350 ^ рисунок 4.4-3. Это значительно ниже равновесной газовой Тг = 5600 К, полученной для расчета на основе спектральных оценок по свечению молекулы циана С^

Рисунок 4.4-3. Относительная заселенность колебательных уровней состояния ё3П молекулы С2 в послесвечении для момента времени ^ = 0.8 мс после начала разряда: а - для АУ=0; б- для АУ=+1.

Для дальнейшего анализа можно предположить, что в послесвечении, кинетика процессов и плазмохимических реакций с участием молекулы углерода С2* в электронно-возбужденном состоянии , описывается следующей схемой:

С2 + А ^ С2 + А (4.4-1)

2С2 + е^С2 + С2 (4.4-1' )

С2 + X ^ Y + Z (4.4-2)

С|+А^С + С+ А (4.4-3)

С2 ^ С2 + hv (4.4-4),

где А, X, У, Ъ - молекулы и атомы.

В послесвечении, концентрация и температура электронов уменьшаются (данные из Таблицы 4.4-1). Поэтому реакция (4.4-1'), предложенная в [14], и столкновения первого и второго рода электронов с возбужденными молекулами С2* (¿3Щ) не играют заметной роли в формировании распределения по колебательным уровням молекулы углерода в возбужденном состоянии в послесвечении. Реакция (4.4-1) и столкновения первого рода электронов с

молекулами С2 определяют механизм заселения колебательных уровней только на стадии протекания тока (для t < 0.5 мс).

Из обменных реакций (4.4-2), обуславливающих заселение колебательных уровней ^>6 состояния dзПg молекулы углерода, наиболее вероятной является реакция [15, 16]

С2О + С ^ С2^3П^, V' = 6 + СО (4.4-2').

Окись дикарбона C2O является неустойчивой молекулой. Её концентрация слишком мала в исследуемом диапазоне газовой температуры и давления (Таблица 4.4-1). Образование молекулы С2* ^зЩ) в послесвечении в результате реакции (2') является маловероятным.

Таким образом, отклонение функции распределения по колебательным уровням V' молекулы углерода в состоянии dзПg от больцмановского распределения может быть обусловлено процессом дезактивацией (4.4-1), реакциями диссоциации молекулы С2* ^Щ) и рекомбинации атомами углерода С (4.4-3) и процессом (4.4-4) радиационного распада. Для выяснения роли этих процессов и реакций в механизме формирования распределения по колебательным уровням молекулы углерода в возбужденном состоянии dзПg выполнена оценка их констант скоростей.

Реакции диссоциации и рекомбинации (4.4-3) могут играть ведущую роль в балансе концентрации С2*. В этих реакциях, в качестве третьей частицы (А) являются атомы С, О, N Н, молекулы СО и N2 , которые образуются в большом количестве в струе релаксирующей плазмы (рисунок 4.4-1). Константа скорости рекомбинации атомов С с образованием молекулы углерода в основном электронном состоянии составляет 1,8х10-21 Т1,6 см6 моль-2 с-1 [17]. Константа скорости диссоциации молекулы С2* равняется 1,2х10-15 см3с-1 при температуре 6000К.

При одних и тех же условиях, значение константы скорости ^ столкновительной дезактивации С2* ^П) в процессе (4.4-1), приблизительно, равняется соответствующей константе скорости для молекулы циана в возбужденном состоянии B2E+. Её величина лежит в диапазоне 10-11 - 10-10 см3 с-1 в молекулярных N2 и CO газах.

Расчеты и сопоставление скоростей процесса (4.4-1) и реакций (4.4-3), с учетом выше найденных значений их констант скоростей, показывают, что формирование функции распределения по колебательным уровням V' молекулы углерода в состоянии dзПg , на ранней стадии релаксации плазменной струи, обусловлено процессами столкновительной дезактивацией (4.4-1) и радиационного распада (4.4-4).

Степень важности процессов столкновительной дезактивации (4.4-1) и радиационного распада (4.4-4) в балансе концентрации молекулы С2* определяется посредством сравнения величин 1/т и &г[щ]. Здесь, т - время жизни возбужденной молекулы углерода С2* ^П), равное 170 нс [18], а [щ] — концентрация бесструктурной частицы (А) (рисунок 4.4-1) для реакции

(4.4-1). Константа скорости тушения люминесценции возбужденной молекулы С2* (¿3Щ) составляет 2х10-10 см3с-1. Оценка значения выполненная с учетом рассчитанного

концентраций атомов М§, Са, Аг, Ке, молекул К2 , СО и атомов С,О, К, С1 в струе релаксирующей плазмы показывает, что процесс столкновительной дезактивации (4.4-1) даёт соизмеримый вклад, наряду с радиационным распадом (4.4-4), в баланс концентрации С2* №).

Таким образом, на ранней стадии остывания струи плазмы (1 = 0,8-1,2 мс) , в релаксации функции распределения по колебательным уровням У' молекулы углерода в состоянии доминирует процесс (4.4-1) с участием атомов С, К, Н и молекул К2 и СО. Он обуславливает отклонение функции распределения по колебательным уровням У' молекулы углерода в состоянии от больцмановского распределения (рисунок 4.4-3).

4.4.2. Экспериментальные результаты и оценка параметров продуктов релаксации

эрозионной плазмы на стадии их конденсации

Экспериментальные результаты исследования релаксации эрозионной плазмы на стадии окончания процесса конденсации продуктов разряда с получением фрактальных агрегатов и разнообразных структур согласно способа [3] показаны на рисунке 4.4.-4 и рисунке 4.4-5.

Для визуализации структуры агрегатов, получаемых в результате релаксации эрозионной плазмы диафрагменного разряда использовался метод электронной микроскопии (ТЕМ), разработанный в НИИ Физики им. В.А. Фока СПб ГУ [19]. Для этого проводился отбор проб продуктов разряда на подложки - формваровые пленки, прозрачные для электронного пучка. Сама пленка наносилась на металлическую сетку с размером ячейки 30 мкм, которая обеспечивала механическую прочность подложки и возможность перемещения образцов от места отбора к месту анализа.

Осаждение частиц на подложку проводилось в вакуумных условиях, в которых происходил эрозионный разряд, за счет гравитационной седиментации на подложку, помещенную непосредственно в разрядной камере объемом 50 л.

Электронномикроскопические снимки, рисунок 4.4-4, показывают, что структура кластеров достаточно разнообразна. Встречаются как типичные развитые фракталоподобные агрегаты (а), так и линейные вытянутые структуры (б). В ряде случаев наблюдаются компактные глобулярные скопления первичных частиц (б, в).

На рисунке 4.4-5 приведены распределения кластеров по размерам для продуктов разряда в трех разных режимах электропитания: 1(1мах =90 мкс) =75 кА (1); 50 кА (2); 30 кА (3).

а

б

4

4

Рисунок 4.4-4. Микрофотографии кластеров (У=40000х), образованных при коагуляции продуктов эрозии материала плазмообразующей диафрагмы - органопластика (С70012Н12КюС1з)п для СДР с электропитанием от конденсаторной батареи с параметрами контура И0=5 кВ; С0=2,8 мФ, Ьк=5,6 мкГ, Як=1,9 мОм.

0 2 4 6 8 10 12 14

Я. мкм

Рисунок 4.4-5. Распределение кластеров по размерам для продуктов разряда в режимах электропитания: ЦЬмах =90 мкс) =75 кА (1); 50 кА (2); 30 кА (3). Материал плазмообразующей диафрагмы СДР - органопластик (С7о012Н12КюС1з)п .

Рассмотрим основные механизмы образования и роста углеродсодержащих кластеров на основе подходов и моделей, изложенных работах [20,21] для кластеров металлов. При использовании модели жидкой капли для роста углеродсодержащих кластеров можно выделить следующие стадии превращения атомного пара углерода, находящегося в буферном газе из продуктов распадающейся плазмы, в газ кластеров. На первой стадии процесса нуклеации в результате трехчастичного процесса происходит образование двухатомных молекул углерода. Образуемые молекулы становятся центрами конденсации с последующим ростом кластеров. При этом эти кластеры оказываются большими. Вторая стадия нуклеации - это процесс коагуляции. Рост кластеров из углерода происходит через их атомный пар, который находится в равновесии с кластерами. Взаимодействие атомного пара углерода и кластеров ведет к испарению малых кластеров и росту больших. В результате число кластеров уменьшается, а их средний размер увеличивается.

А. В режиме образования и роста углеродных кластеров, когда этот процесс начинается с атомного пара, на первой стадии превращения атомного пара в газ кластеров важную роль играет трехчастичный процесс, который протекает по схеме

2С + А ^ С2 + А (4.4-3')

где С-атом углерода, А-атом (О, Н, N) или молекула (СО, CN, NO, N2) буферного газа, Кд~1х10"33 см6с-1 - константа скорости трехчастичного процесса.

Начиная с образования двухатомных молекул, процесс нуклеации происходит так, что двухатомные молекулы С2 являются ядрами конденсации для кластеров, рисунок 4.4-1 .

Используя модель жидкой капли [20], когда каждая молекула С2 является центром конденсации на котором растет кластер в зоне с падением температуры до Т=2000 К, константа скорости прилипания атомов к поверхности кластера может быть выражена

kn = nckon3/2 (4.4-6),

где Пс — плотность атомов углерода, fco =

«4x10 11, см3 с-1 - константа

скорости прилипания атомов к кластеру при Т=2000 К ; rw - радиус Вигнера-Зейтса;

п— количество атомов в кластере через время 1нукл .

Чтобы определить характерное время нуклеации 1нукл атомного пара углерода в буферном газе с концентрацией частиц [ni] = па ~ 1017 -1018 см-3 , когда все свободные атомы углерода будут связаны, в рамках модели жидкой капли [21] необходимо учесть состав буферного газа и константы скорости трехчастичного процесса для его составляющих:

V™ = (1/konc)(ko/KAnA)1/4 «1-10 мкс (4.4-7)

Типичное количество атомов кластера n к этому времени,

n « (k0/KAnA)3/4 « 3x103 - 2x104 (4.4-8)

Таким образом, при рассматриваемых условиях в разрядной камере образуются большие кластеры.

Б. Если образование кластеров реализуется в области, где температура ниже 2000К, например, когда атомы углерода образуются в оболочке струи (на периферии струи), на послетоковой стадии разряда, то процесс роста кластеров определяется характерным временем образования свободных

атомов tpacn в результате распада сложных молекул в продуктах испарения органопластика в отверстии плазмообразующей диафрагмы и может быть велико по сравнению со временем их прилипания к кластерам ( tpacn > ^укл).

После первой стадии процесса конденсации образуются двухатомные молекулы при трехчастичных столкновениях атомов углерода и атомов буферного газа, и которые становятся центрами конденсации для роста кластеров. Если не учитывать электризацию кластеров и прекращение их контактов как заряженных тел на этом этапе, в конце процесса конденсации характерное количество атомов кластера оценивается в этом случае по приведенной в [20] формуле и может достигать величины

n « (Metren) «8x105 (4.4-9)

где 1расп ~ 10-5 - 10-4 с - характерное время распада молекул продуктов испарения органопластика, содержащих атомы углерода [2].

Таким образом, рост кластеров определяется процессами

при условии п » п* , где п - плотность свободных атомов углерода, п* - полная плотность связанных атомов в кластере, когда процесс конденсации заканчивается.

В другом режиме, когда выполняется условие п << п* , рост кластеров происходит по

схеме

В первом случае рост кластеров не зависит от их заряда, во втором рост прекращается, когда кластеры приобретают заряд одного знака.

Впоследствии коагуляция жидких кластеров при их контакте может быть описана как превращение двух жидких капель в одну большую каплю. В результате остывания потока распадающейся плазмы или ухода частиц из зоны высокой температуры получается система твердых частиц, которые сохраняют свою форму. В твердых кластерах в ходе контакта между частицами образуется химическая связь. При дальнейшем росте твердых кластеров могут образовываться фрактальные агрегаты. Такой характер роста частиц описан в работе [21] как механизм кластер-кластерной агрегации. В результате этот способ объединения твердых частиц дает фрактальные агрегаты, которые представляют собой рыхлую структуру с падающей плотностью при увеличении ее размеров. Фрактальные свойства таких структур из твердых частиц описывают обычно [22] фрактальной размерностью системы D. При этом являясь параметром плотности такой системы, через фрактальную размерность D можно оценить число частиц n в составе фрактального агрегата как (R/r)D , где R - средний радиус фрактального агрегата; r - размер частицы.

Полученные экспериментальные результаты при диафрагменном разряде в вакууме показали, что, как правило, образуются мелкие агрегаты с достаточно сильно выраженной цепочечной структурой. При этом, чем больше амплитуда тока разряда, тем больше концентрация первичных частиц, формирующихся на начальной стадии релаксации эрозионной плазмы, и тем больше дисперсных агрегатов на конечной стадии процесса. На рисунке 4.4-5 показано распределение кластеров по размерам для продуктов разряда в трех разных режимах электропитания, где видно, что распределение размеров характеризуется наличием ярко выраженной мелкодисперсной моды в диапазоне 0,6-2 мкм для всех режимов. При этом с уменьшением амплитуды тока разряда происходит перераспределение частиц - доля более крупных агрегатов перемещается в сторону увеличения их размеров в диапазоне 5-10 мкм.

(4.4-10а) (4.4-106)

Cn-i + Ci ^ C

n

(4.4-11).

Следует также отметить, что цепочечные агрегаты микронных размеров могут привести к формированию разнообразных структур в зависимости от наличия внешних температурных, электрических и магнитных полей. Однако, они существенно отличаются от кластеров, как системы связанных атомов и молекул нанометрового размера. Во-первых, для кластеров характерно наличие магических чисел. Во-вторых, невозможность сохранения свойств кластеров длительное время, так как они объединяются между собой и теряют свои исходные свойства, то есть их, например, невозможно хранить в виде порошков. В-третьих, кластеры в отличие от фрактальных агрегатов существуют только в виде кластерных пучков, либо в буферном газе. Фрактальные агрегаты можно, получив в результате релаксации плазмы разряда и остывания продуктов конденсации, накапливать и хранить в виде порошков для дальнейшего использования, например, для создания источников излучения.

Предварительные сравнительные оценки и исследования показали, что излучательные свойства фрактальных кластеров и фрактальных агрегатов нанометрового и микронного размера чрезвычайно высоки и эффективны, и они могут стать основой для новых источников излучения [23]. Можно ожидать, что предлагаемый метод генерации высокодисперсных агрегатов позволит расширить представления о возможности создания энергосберегающих источников излучения на основе гетерофазной среды с фракталоподобными частицами. Следует отметить [24,25], что:

1. Исследовано неравновесное свечение молекулы С2 в струе продуктов высокотемпературной эрозии диафрагменного разряда в вакууме (рнач =10 Па) на ранней стадии послесвечения (0,8 - 1,2 мс) по эмиссионным спектрам системы полос Свана С2 (¿3П - а3Пи ) при сравнении интенсивностей излучения в полосах, образующих секвенции с Ду = +1 и 0.

2. Используя предложенную кинетическую схему возбуждения молекулы С2 в струе разряда, получена оценка константы скорости тушения электронного состояния С2 (¿3Щ) атомами С, Н, К и молекулами СО, К2 , равная к < 2х10-10 см+3с-1 .

3. Получены экспериментальные результаты исследования стадии окончания процесса конденсации продуктов разряда и рассмотрены процессы получения разнообразных высокодисперсных структур с оценкой их параметров, где характерное число атомов в кластерах составляет 103-105 и их распределение по линейным размерам зависит от режима питания разряда на токовой фазе.

Автор выражает благодарность сотрудникам НИИ Физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского Государственного Университета Е.Ф.Михайлову, С.С.Власенко и А.А. Киселеву за снимки, полученные на электронном микроскопе.

Выводы

1. В разделе Главы 4.1 показано, что при оценке радиационных повреждений оптических материалов под воздействием излучения в УФ- и ВУФ-диапазонах необходимо учитывать существование пространственной неоднородности возбуждения облучаемого материала.

2. Разработанная методика исследования радиационного окрашивания ионных кристаллов позволяет рассчитать параметры облучающего источника и схемы эксперимента для создания требуемой величины поглощенной дозы в области хвоста поглощения Урбаха-Мартиенсена для каждого типа кристалла. В данной методике использованы разнообразные методы регистрации параметров радиационных повреждений кристаллов в условиях одиночного опыта: изменения спектральных коэффициентов пропускания, оптической плотности, длительности люминесценции, температуры образцов материалов и морфологии поверхности.

3. Установлено, что предыстория кристалла во многом определяет его оптические свойства при транспортировке мощных потоков излучения в УФ и ВУФ областях спектра: обнаруженная после облучения полоса поглощения в области 380 нм может быть отнесена к предрадиационным дефектам кристалла CaF2 типа анионной вакансии или включающего ее комплекса. Величина поглощения в этой полосе определяется не только количеством примесей в объеме кристалла, но и наличием трещиноватого поверхностного слоя кристалла после его механической обработки.

4. Интенсивные полосы поглощения в области 130-145 нм и 170-230 нм обусловлены природой адсорбированных слоев на поверхности кристаллов, которые можно отнести к содержащим гидроокись пленкам, образующимся при хранении кристаллов в контакте с влажной воздушной атмосферой.

5. Обнаружен эффект влияния мощности падающего излучения на кристалл для полосы поглощения, отнесенной к водной пленке, в диапазоне 170-230 нм, который проявляется в росте коэффициента поглощения при увеличении плотности потока падающего излучения на кристалл при одинаковом значении поглощенной дозы в области хвоста поглощения Урбаха-Мартиенсена.

6. В разделе Главы 4.2 предложен способ получения тонких слоев на различных материалах из эрозионной плазмы СДР, который обеспечивает возможность нанесения слоев из трудноиспаряемых плазмообразующих веществ с высокой адгезией к подложке и высокой скорость нанесения покрытий (до 2 мм/с).

7. В разделе Главы 4.3 разработан и описан способ получения тонких слоев материала путем ионного легирования предварительно очищенной подложки в условиях струйного

диафрагменного разряда в вакууме в магнитогазодинамическом режиме с электромагнитным способом ускорения полученных продуктов разряда, который может обеспечить высокие скорости процесса легирования при высокой однородности распределения имплантированного вещества по поверхности, введение вещества с практически неограниченной растворимостью в твердом состоянии, возможность нанесения слоев из трудноиспаряемых плазмообразующих веществ.

8. В разделе Главы 4.4 экспериментально исследовано неравновесное свечение молекулы С2 в струе продуктов высокотемпературной эрозии диафрагменного разряда в вакууме (рнач =10 Па) на ранней стадии послесвечения (0,8 - 1,2 мс) по эмиссионным спектрам системы полос Свана С2 - a3Пu ) при сравнении интенсивностей излучения в полосах, образующих секвенции с ^ = +1 и 0.

9. Рассмотрена предложенная кинетическая схема возбуждения молекулы С2 в струе разряда, получена оценка константы скорости тушения электронного состояния С2 атомами С, Н, N и молекулами СО, N2 , равная к < 2х10-10 см+3с-1 .

10. Получены экспериментальные результаты исследования стадии окончания процесса конденсации продуктов разряда и рассмотрены процессы получения разнообразных высокодисперсных структур с оценкой их параметров, где характерное число атомов в кластерах составляет 103-105 и их распределение по линейным размерам зависит от режима питания разряда на токовой фазе.

Глава 5. Моделирование воздействия основных повреждающих факторов космического пространства (ФКП) на оптические материалы с применением источников плазмы на основе струйного диафрагменного разряда (СДР)

5.1.Основные повреждающие факторы околоземного космического пространства

(ОКП)

В оптической аппаратуре различного назначения (наблюдательной, астронавигационной, фотографической и др.), работающей в космическом пространстве, как внутри летательного аппарата, так и в открытом космосе, широко используются различные оптические материалы и покрытия, а также клеи для склейки оптических деталей. Первостепенное значение для обеспечения работоспособности оптической аппаратуры, особенно при длительном нахождении в космосе и в зонах с повышенной радиацией, имеет знание стойкости этой группы материалов к воздействию различных факторов окружающей среды.

С 80-х годов систематические исследования стойкости оптических покрытий и клеев проводились в ГОИ им. С.И.Вавилова совместно с Институтом атомной энергии им. С.В.Курчатова АН СССР, Институтом ядерной физики МГУ и рядом других организаций с использованием различных источников ионизирующей радиации. Исследовались оптические покрытия различного назначения: просветляющие, отражающие, светоделительные, узкополосные фильтры, токопроводящие, защитные, светопоглощающие, а также оптические клеи.

В этих исследованиях, в отличие от натурных испытаний на возвращаемых объектах искусственных спутников Земли, не всегда учитывалось совместное воздействие основных повреждающих факторов космического пространства (ФКП) на орбите космического аппарата (КА) с оптико-электронной аппаратурой (ОЭА), хотя результат воздействия такого характера может быть очень значительным. В частности, солнечное излучение, рассеиваемое на частицах собственной атмосферы КА, попадая в поле зрения ОЭА, приводит к существенным фоновым помехам. Циклическое действие фотонного излучения со спектральным составом излучения заатмосферного Солнца в совокупности с циклическим действием температуры (от -190 оС до +125 оС) на открытую поверхность КА, содержащую, как правило, теплозащитные материалы обшивки, приводит к значительной эрозии материалов [1,2] и, вследствие этого, к воздействию продуктов эрозии на оптику иллюминаторов и входных окон аппаратуры. При этом солнечное излучение, содержащее ВУФ и УФ составляющие излучения, поражает сравнительно тонкий

слой материала (до 20 мкм), и поверхность после экспозиции имеет морфологическую структуру близкую к структуре после травления в плазменных условиях высокочастотного разряда. Одним из следствий такого воздействия является возникновение электронной и ионной эмиссии с облучаемых поверхностей, приводящей к формированию плазменной оболочки, окружающей аппарат, и к электризации поверхностей КА. Все эти факторы создают фоновые засветки ОЭА, воздействуют на внешние покрытия оптических элементов продуктов плазменной оболочки, а это, в свою очередь, приводит к осаждению на оптику пылевидных структур, разрушению просветляющих и защитных покрытий и другим физическим эффектам.

В научно-технической литературе [2-17] результаты исследований, полученных как в ходе наземных испытаний, так и во время полетов космических аппаратов, показывают, что основными повреждающими факторами околоземного космического пространства (ОКП), влияющими на физико-механические свойства оптических материалов, являются вакуум, вакуумный ультрафиолет (ВУФ), ультрафиолетовое (УФ) и корпускулярное излучения, термоциклирование, атомарный кислород, потоки микрометеороидов и космический мусор, характер воздействия которых представлен в Таблице 5.1-1.

Отдельную группу составляют оптические материалы для ИК-областей спектра, используемые в ОЭА. Это бескислородные стекла, германий, кремний, сапфир, соединения индия, теллура и некоторые другие материалы. Оптические фильтры и входные окна из данных материалов не пропускают свет вплоть до 1,5 - 3 мкм, поэтому при воздействии широкополосного излучения Солнца и искусственных взрывных источников света они сильно разогреваются. При этом свет практически не попадает на фотоприемные устройства и концентрируется на входной оптике.

Ранее [18] для окон из ряда материалов были определены пороги стойкости, выше которых начиналось их повреждение. В частности, для окон из непросветленного германия порог стойкости, выше которого начинается растрескивание образца, составляет 315 Дж/см2, для покрытий SiO2, ZnS - около 420 Дж/см2.

Таблица 5.1-1. Характер воздействия основных повреждающих факторов космического пространства на оптические материалы

ФКП Номинальные пределы изменения параметров фактора Характер основного воздействия на материалы

Вакуум Давление 10-3 .. 10-12 Па Дегазация, удаление влаги и растворителей, приводящее к изменению размеров и механических свойств элементов конструкций

ВУФ/УФ излучение Солнца Длина волны 100 .. 400 нм Яркость 3 10-4 .. 0,14 Вт/см2ср Деградация защитных покрытий, помутнение клеев, уменьшение предела прочности на разрыв

Микрометеороид-ные потоки и мелкодисперсный мусор Размеры частиц < 1 мм Плотность потока 10-5 .. 10° м-2с-1 Скорости частиц 0,1 .. 72 км/с Эрозия материала корпуса, теплозащиты, металлизация участков полупроводниковых и диэлектрических материалов, пробой защитных покрытий

Потоки электронов Энергия частиц 10 кэВ .. 4 МэВ Плотность потока 108 м-2с-1 Повреждение поверхности и глубинных слоев материалов, электризация поверхностей КА

Потоки протонов Энергия частиц 10 кэВ .. 4 МэВ Плотность потока 108 м2с-1 Деградация покрытий и поверхности композиционных материалов

Атомарный кислород Энергия частиц 5 эВ Плотность потока до 1016 м-2с-1 Скорость 0,1 .. 10 км/с Разрушение и вытравливание тонких полимерных пленок, эрозия полимерных композиционных материалов

Термоциклирова-ние Изменение температуры материала -1900С .. +1250С Образование микротрещин, коробление, повреждение критичных поверхностей

При импульсном воздействии широкополосного излучения на данные материалы обнаружена зависимость коэффициента пропускания образцов от плотности энергии падающего светового потока. Например, после облучения импульсом 150 Дж/см2 коэффициенты пропускания в области длин волн от 3 до 25 мкм просветляющих покрытий типа SiзN4 на подложке из германия и ZrO2 на подложке из кремния уменьшаются на 8.. .20%, хотя характер спектральной зависимости коэффициента пропускания при этом не изменяется. Следует отметить для сравнения, что измерения уровня лучевой лазерной прочности просветляющих серийных покрытий ZrO2 по данным [19] еще ниже и дают величину 50 Дж/см2 на длине волны 1,06 мкм.

В данной главе приведены результаты экспериментальных исследований характера изменений морфологии поверхности и спектрального пропускания оптического просветляющего покрытия из фторида свинца на подложке из халькогенидного стекла ИКС-25 в ходе комплексных испытаний в лабораторных условиях. Проведена оценка возможности использования разработанных экспериментальных методов для моделирования совместного воздействия на оптические материалы основных повреждающих факторов космического пространства на низких околоземных орбитах, к которым относят, в первую очередь, коротковолновое излучение Солнца, потоки микрометеороидов и мелкодисперсный мусор, а также атомарный кислород в набегающем потоке ионосферной плазмы.

При создании экспериментальной установки для моделирования условий на орбите в наземных условиях упор был сделан на комплексный характер воздействия ФКП на материалы. На рисунке 5.1-1 показана схема лабораторно-стендового комплекса для имитации воздействия основных повреждающих факторов космического пространства (ФКП) на элементы оптико-электронной аппаратурой (ОЭА). Экспериментальная установка построена на основе представлений о воздействии каждого фактора в отдельности и в комплексе с другими, об оптических свойствах околоземного космического пространства (ОКП), а также о технологических требованиях к материалам.

В состав лабораторно-стендового комплекса входят вакуумные камеры объемом 0,05 м3 и 1,0 м3 с откачкой до 10-7...10-5 мм рт.ст. (1,3х10-5 -1,3х10-3 Па) и опытные образцы имитаторов факторов космического пространства для проведения ускоренных испытаний и исследований, в том числе:

-источники коротковолнового излучения с плотностью яркости 2х10- 3 ... 2 Вт/см2ср нм для ВУФ диапазона (90...180 нм) и с плотностью яркости 2 ... 20 Вт/см2срнм для УФ диапазона (180...400 нм) на основе импульсного струйного диафрагменного разряда в вакууме (источник ПОТОК-ВУФ/СДР) [20], и тлеющего разряда в водороде, возбуждаемого в водоохлаждаемом

кварцевом капилляре (источник ПВИ-02), с плотностью мощности около 3х10- 3 Вт/см2 для ВУФ диапазона (115...130 нм);

-источник многокомпонентной плазмы с концентрацией атомов и ионов кислорода, углерода,

1/1 11 1 О 1

водорода, азота и их соединений около 10 ...10 см , плотностью потока до 10 см с и скоростью потока до 10 км/с на основе релаксирующей эрозионной плазмы импульсного струйного диафрагменного разряда в вакууме (источник ПОТОК-ЭП/СДР) [21]; -источник потоков углеродсодержащих микрочастиц (размером 2г=0,1-200 мкм со скоростью У=0,1- 30 км/с и плотностью потока до 104 см-2с-1) на основе импульсного струйного диафрагменного разряда в вакууме в магнитогазодинамическом режиме (источник ПОТОК-МЧ/СДР) [22,23].

Системы криогенного обеспечения позволяли осуществлять термоциклирование образцов материалов в температурном диапазоне 300 К... 20 К; а система подогрева в вакуумных условиях - в температурном диапазоне 300 К.. .480 К.

Рисунок 5.1-1. Лабораторно-стендовый комплекс для имитации воздействия основных повреждающих факторов космического пространства (ФКП) на элементы оптико-электронной аппаратурой (ОЭА)

5.2.Моделирование собственной внешней атмосферы (СВА) космического аппарата (КА). Оборудование и испытательная термовакуумная камера для моделирования воздействия ФКП на материалы КА

Испытательная вакуумная камера должна быть изготовлена из материалов, пригодных для работы в высоком вакууме. В этих целях могут использоваться нержавеющая сталь, неорганические стекла и керамика; температура стенок камеры должна быть ниже температуры образца (или подложки). Для этого в камере должны быть криогенные экраны, либо двойная стенка с зазором для охлаждения; необходимо постоянно контролировать состав газовой атмосферы в камере по содержанию органических примесей; во избежание влияния этих примесей на результаты испытаний рекомендуется периодически проводить обезгаживание внутренних поверхностей камеры при температуре не ниже 420 К и обеспечить совместимость образцов по газовыделению. Следует отметить, что образец материала должен экранироваться от фотоэлектронов, образующихся при взаимодействии ВУФ с элементами конструкции камеры. Температура образца материала должна поддерживаться в диапазоне 170-420 К и в этом диапазоне она определяется их физико-химическими свойствами. Таким образом, на предварительном этапе моделирования воздействия ВУФ излучения Солнца на материалы КА необходимо провести экспериментальное моделирование воздействия продуктов собственной внешней атмосферы (СВА) на оптические материалы КА.

На орбите из-за наличия собственной внешней атмосферы (СВА) космического аппарата (КА) часто наблюдается появление на элементах оптических систем осадков в виде тонких пленок. Это естественное, но в данном случае нежелательное для оптики, явление уменьшает коэффициенты отражения и пропускания оптических систем. Кроме того, это явление вызывает низкочастотную модуляцию полезного сигнала вследствие интерференции светового пучка на слоях криогенных осадков. Последние ведут к искажению во времени уровня сигнала при его неизменной, в действительности, величине, что негативно сказывается на функционировании оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) в целом.

При наземных испытаниях оптических приборов и систем в вакуумных камерах, имитирующих космическое пространство, присутствуют два вида загрязнений оптики: самозагрязнение и загрязнение оборудованием термовакуумной камеры [1, 2]. Самые мощные источники загрязнения - это натекание паров масла из механических и диффузионных насосов, испарение и сублимация веществ с теплых поверхностей камеры, десорбция и обезгаживание веществ из красок, изоляционных материалов, пластмасс, термическое разложение материалов высокого молекулярного веса.

Как правило, все загрязнения содержат водяной пар и органические вещества средних и высоких молекулярных весов, которые имеют низкое давление паров. Низкомолекулярные органические соединения большей частью имеют высокое давление паров, а так как элементы оптических систем космического аппарата (КА) редко имеют температуру ниже -600С (только некоторые детекторы охлаждаются до -1750С и ниже), эти вещества почти не задерживаются на поверхностях.

5.2.1. Расчетный способ оценки загрязнения

Для оценки толщины осадка на оптической поверхности (иллюминаторы, внешние линзы и зеркала телескопов, бленды, терморегулирующие покрытия и др.), можно воспользоваться известными соотношениями молекулярной физики предполагая, что основным компонентом осадков являются газообразные продукты собственной внешней атмосферы (СВА) при их осаждении на охлажденной поверхности.

При термоциклировании поверхности КА, т.е. при периодическом изменении температуры элементов КА, связанном с переходом КА с освещенного на теневой участок орбиты и обратно, а также связанном с взаимным затенением элементов его конструкции, температура материалов наружных элементов конструкции может изменяться в диапазоне от -1900С до +1200С .

Если химическое взаимодействие на охлажденной поверхности КА отсутствует, то процесс осаждения осуществляется благодаря ван-дер-ваальсовым силам в свободномолекулярном режиме течения газов СВА путем их адсорбции и конденсации. При коэффициенте прилипания молекул /-ого газа из состава СВА близком к единице будут справедливы следующие соотношения:

1) удельная скорость «откачки» /-ого газа Si с температурой Т; в объеме вблизи охлажденной поверхности в качестве которой, например, выступает внешняя полированная поверхность зеркала на теневой стороне КА с температурой Тс^ , будет равна

Si = 3,64х10-3(ТУМ01/2(1 - р/рО , м3 /сек см2 (5.2-1),

где М/ - молекулярный вес /-ого газа; р/р; - отношение равновесного предельного давления к давлению /-ого газа на орбитальной высоте Н, которое определяет сублимационный поток /-ого газа, Торр; рг-парциальное давление /-ого газа, Торр [3].

В общем случае Т/ является переменной величиной, зависящей от скорости термоциклирования поверхности КА и параметров процесса переноса компонент СВА. В то же время сублимационный поток /-ого газа, уменьшающий скорость роста осадка, определяется температурой конденсирующей поверхности Тopt и давлением насыщенных паров р^ при температуре конденсирующей поверхности Тopt . Поэтому (5.2-1) можно записать в виде

^ = 3,64х10-3(^М)1/2 [1 - рПав^1/2М(Тор01/2] , м3 /сек см2 (5.2-2).

Из (5.2-2) следует, что для появления осадка на холодной поверхности и его роста давление насыщенных паров р^ при температуре поверхности с осадком Тopt должно быть меньше

величины Рг^орс/Т*) / . По этой причине процесс осаждения определяется природой газов СВА и возможен только в том случае, когда температура поверхности с осадком будет достаточно низкой. Например, для паров воды СВА при их парциальном давлении рг=1х10-5 Торр поверхность с осадком должна быть охлаждена до Тopt =153К (-1200С), при этом рnas составит величину порядка 1х10-7 Торр .

2) = SiS0ptt , м3 - объем газообразных осадков для /-ого газа, осевших на оптической поверхности с площадью Sopt за время 1 ;

3) Q0sad = , м3Торр - количество / -ого осадка, осевшего на оптической поверхности, где парциальное давление /-ого газа р; = , Торр; а1 - доля /-ого газа от общего давления в СВА. Здесь и далее при расчете толщины осадка предполагаем возможным использование простейшего уравнения для изотермы адсорбции газов- уравнения Генри, которое означает пропорциональность количества адсорбата на единице поверхности адсорбента давлению адсорбата в газовой фазе;

4) Qg-m0l = pV = рП0гтЧП0гт ТуТП0гт , м3Торр - количество газа в одной грамм-молекуле

при Т/ ~ Тsva ;

5) = (Q0sadNA)/Qg-m0l - количество молекул /-ого газа, осевших на оптической поверхности за время ^

6) Ут01 « п ^03^)3/6 , м3 - объем молекулы /-ого осадка при ее эффективном размере dosad ; при этом размер молекулы осадка для расчета можно взять из справочной литературы, например [4,5] , или определить по формуле

d0sad « (6М;/6,02х1026пр,)1/3, м (5.2-3),

где р/ - плотность / -ого осадка, кг/м3 ;

7) = , м3 - общий объем молекул /-ого осадка, осевшего на оптической поверхности за время ^

8) Di = , м - толщина осадка для /-того газообразного продукта СВА на оптической поверхности за время t.

Таким образом, значение толщины осадка для /-того газообразного продукта СВА, осевшего на оптической поверхности для момента времени t составит:

Di = C[(dosad)3Рi/(MiTi)1/2] [1 - рПаз(Т01/2М (М1/2] t , м (5.2-4),

где С = [ЗбДпЫдТ^^/брп^^^^] = 18,2х1025, К1/2/ сек Торр м3 ; NА - число Авогадро; Тпогт = 273,15 К; рпогт =760 Торр; Упогш =22,4 л ; dosad- эффективный размер молекулы осадка, м; р1 - парциальное давление /-ого газа, Торр; М/ - молекулярный вес /-ого газа; Т/ ~ Тsva-температура /-ого газа вблизи поверхности, К; рnas - давление насыщенных паров /-ого газа при температуре конденсирующей поверхности Тор1 , Торр; 1 - длительность процесса осаждения, сек.

Заметим, что если только для /-ого газа СВА величина Si > 0 , то есть температура поверхности с осадком достаточно низка, тогда для этого газообразного компонента СВА слой осадка будет состоять только из /-ого газа СВА.

Наряду с нарастанием загрязнений, из-за осаждения на внешних поверхностях КА продуктов собственной атмосферы, одновременно происходит очищение поверхностей за счет десорбции и распыления от ударов частиц верхней атмосферы Земли. Увеличение температуры внешних поверхностей КА ускоряет десорбцию загрязнений, а одновременное воздействие УФ излучения Солнца приводит к крекингу углеводородных загрязнений, образуя плотную пленку загрязнений, скорость десорбции которой резко падает. Здесь нами процессы самоочищения не рассматриваются, значения толщины осадка, полученные по формуле (5.2-4) дают верхние значения оценки толщины осадков на критических поверхностях ОЭА без учета химических реакций в слое осадков.

На рисунке 5.2-1 в качестве примера приведены результаты расчета по полученному уравнению (5.2-4) значений толщины слоя конденсата из паров воды с температурой Т;=291К на полированной поверхности холодного (Тopt=153К) зеркала для различных значений давления р; СВА (р;=5х10-7 Торр; 5х10-6 Торр; 5х10-5 Торр ) [8].

Рисунок 5.2-1. Результаты расчета значений толщины слоя конденсата из паров воды (Т;=291К) на зеркале (Тс^153К) для значений давления р; СВА (р;=5х10-7 Торр; 5х10-6 Торр; 5х10-5 Торр )

Отметим, что толщина слоя конденсата из паров воды для р;=5х 10-7 Торр на поверхности зеркала за время t=10 час, рассчитанная по (5.2-4), составляет величину Б;~0,72мкм .

Результаты расчетных оценок средней скорости роста толщины конденсата для двуокиси углерода (СО2), воды (Н2О) и некоторых характерных представителей высокомолекулярных веществ - продуктов сгорания топлива и газовыделения из герметизирующих прокладок, герметиков, клеев, эмалей и других полимерных материалов приведены в Таблице 5.2.-1. Расчеты выполнены для области Генри изотермы адсорбции газов без учета процессов естественного очищения поверхности в условиях средней скорости роста слоя осадка на полированной поверхности для Тopt=80К (-1930С), р; ^уа~5х10-7 Торр, и Ъ«Т™=291К .

5.2.2. Экспериментальный метод оценки загрязнения

Другой метод оценки загрязнения толщины D; и скорости fii роста слоя осадков на поверхности элементов оптической системы заключается в физическом моделировании условий загрязнения бортовой оптики КА. Для этой цели при термовакуумных испытаниях (ТВИ) создаются условия собственной внешней атмосферы КА на орбите из остаточных газов воздуха и летучих конденсирующихся веществ, присущих конструкции данного КА. Контроль состава атмосферы обеспечивается методами масс-спектрометрии, а наличие осадков и контроль роста слоя осадков осуществляется оптическими методами, например, интерференционными или спектральными.

На рисунке 5.2-2 приведена развертка масс-спектра остаточных газов в вакуумной камере стенда при термовакуумных испытаниях (ТВИ) образца алюминированного зеркала из ситалла с защитным покрытием SiO2 на стадии его охлаждения (при Т=-1250С). С помощью квадрупольного масс-спектрометра Extorr XT200M зарегистрированы практически все пики номинальных ионов остаточной атмосферы воздуха в вакуумной камере при р=4х10-5 Торр.

Получено, что состав масс-спектров остаточного газа на всех этапах ТВИ изделия определяется в основном ионами атомарного водорода Н+, молекулярного водорода Ш+ и гелия Не+. Вслед за водородом и гелием наиболее интенсивными пиками масс-спектра являются пики воды Н2О+, азота N2+, угарного газа СО+ и углекислого газа СО2+. Другие линии масс-спектров остаточного газа образованы главным образом линиями фрагментов азота N+, кислорода О+, аргона Ar+ и различных соединений С, Н, N, О, Si.

Обращает внимание в масс-спектрах остаточного газа на всех этапах ТВИ наличие пика иона m/z 149, являющегося ключевым пиком, который присутствует в масс-спектрах всех эфиров фталевой кислоты, рисунок 5.2-3. Молекулярный родительский пик m/z391 не зарегистрирован, так как выходит за диапазон измерений масс m/z 1-200 a.m.u. при использовании масс-спектрометра Extorr XT200M. Однако другие пики с m/z 43,57,113 и 149 удалось идентифицировать как фрагменты диоктилфталата (следы эфира фталевой кислоты). Идентифицируемое по этим пикам вещество диоктилфталат (C24H38O4) может входить в пластификатор синтетического материала, например, в состав вакуумной смазки или кабельных пластикатов.

Таблица 5.2-1. Результаты расчетов средней скорости роста толщины конденсата при рi=Psva=5х10-7 ^рр; Ъ=29Ж, Тopt=80K

Состав СВА, химическая формула Давление насыщенных паров, Торр Молекулярная масса Размер молекулы, нм Средняя скорость роста слоя осадка Ог мкм/час

1 2 3 4 5

Пары воды, (Н2О) 10-13 18 0,28 0,10

Двуокись углерода, (СО2) 10-7 44 0,33 0,06

Диоктилфталат, (С24 Н38 O4 ) <10-2 391 0,98 0,97

Гептан, СН3 (СН2 )5 СН3 <10-2 100 0,51 0,16

Додекан, СН3 (СН2 )10 СН3 <10-2 170 0,61 0,21

Ксилол, этилбензон С8Н10 <10-2 106 0,49 0,14

Метан, СН4 10 16 0,33 нет осадка

Н:"

Не+

н

( Н !<У

У № -Л ■1е+ Г 02~ сю г < ММ С;С КГ

О 2 4 6 В 10 12 14 16 16 20 22 24 26 26 30 32 34 36 36 40 42 44 46 46 50 52 54 Е6 ЕЕ 60

Рисунок 5.2-2. Развертка масс-спектра остаточных газов в вакуумной камере с помоью квадрупольного масс-спектрометра Бх1огг ХТ200М в диапазоне ш/2=1-60 и.

[

СзНзОз+

\f\l\l 'Щщы V 'фШ)!1^

130 135 140 145 150 155 160 165 170

гп азз (т/г), ат и

Рисунок 5.2-3. Развертка масс-спектра остаточных газов в вакуумной камере с помощью квадрупольного масс-спектрометра Extorr XT200M в диапазоне пика иона m/z149.

Интенсивность этих пиков значительно (на 1-2 порядка величины) меньше интенсивности пиков основных компонентов остаточной атмосферы - паров воды и углекислого газа. По этой причине слой осадков в данном примере на охлажденной поверхности состоит в основном из воды (льда) [6].