Исследование эмиссионных процессов и структуры поверхностного слоя материалов при высоких флюенсах облучения пучками атомарных и молекулярных ионов

• Автор: Андрианова, Наталья Николаевна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Ионно-индуцированная морфология поверхности и ее влияние на распыление и кинетическую ионно-электронную эмиссию
1.1.1. Угловые зависимости коэффициентов физического распыленияи ионно-электронной эмиссии при высоких флюенсах ионного облучения
1.1.2. Закономерности формирования морфологии поверхности при физическом распылении
1.2. Накопление и отжиг радиационных нарушений структуры в материалах
при ионном облучении
1.2.1. Интенсивность и уровень первичных радиационных нарушений
1.2.2. Методы и результаты исследований влияния радиационных нарушений на эмиссионные процессы, структуру и морфологию поверхностного слоя материалов
1.3. Молекулярный эффект в кинетической ионно-электронной эмиссии
1.3.1. Экспериментальные результаты
1.3.2. Эффект выметания (sweeping-out) электронов в ионно-электронной эмиссии неупорядоченных твердых тел
1.3.3. Теории и модели кинетической ионно-электронной эмиссии кристаллов
Выводы по главе, цель и задачи исследования
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методы исследования
2.1. Оборудование и методика высокодозного ионного облучения материалов
2.1.1. Масс-монохроматор ускоренных ионов и экспериментальная камера ионного облучения мишеней
2.1.2. Мониторинг высокодозного облучения и измерение коэффициента ионно-электронной эмиссии
2.1.3. Измерение коэффициента распыления
2.2. Оборудование и методы исследования морфологии и структуры поверхностного слоя материалов
2.2.1. Морфология поверхности
2.2.2. Кристаллическая структура поверхностного слоя
2.2.3. Элементный состав поверхностного слоя

2.3. Аналитические и компьютерные методы исследования
2.3.1. Компьютерное моделирование взаимодействия ускоренных ионов
с материалами
2.3.2. Расчеты интенсивности и уровня первичных радиационных нарушений в поверхностном слое твердых тел с учетом распыления поверхности
Выводы по главе
Глава 3. Исследование ионно-индуцированных процессов в изотропных материалах
3.1. Объекты исследования
3.2. Угловая зависимость изменения морфологии поверхности поликристаллической меди при высоких флюенсах облучения ионами
аргона энергии 30 кэВ
3.3. Ионно-индуцированные процессы при высокодозном распылении стеклоуглеродов
3.3.1. Влияние температуры термообработки стеклоуглерода на его обезгаживание
3.3.2. Угловая зависимость коэффициента распыления стеклоуглерода ионами аргона энергии 30 кэВ
3.3.3. Особенности ионно-индуцированного модифицирования структуры стеклоуглерода
3.4. Влияние и учет ионно-индуцированной морфологии поверхности на ионно-электронную эмиссию и распыление
Выводы по главе
Глава 4. Влияние анизотропии свойств материалов на ионно-индуцированные процессы
4.1. Структурно-морфологические изменения в поверхностном слое высокоориентированпого пиролитического графита
4.2. Структурно-морфологические изменения в поверхностном слое однонаправленного углерод-углеродного композита
4.3. Влияние кристаллической структуры на молекулярный эффект в ионноэлектронной эмиссии
Выводы по главе
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Явления, происходящие при взаимодействии частиц плазмы с поверхностью материалов, были и остаются предметом интенсивных фундаментальных и прикладных исследований [1-3]. Быстрые частицы, бомбардирующие ионы и смещенные атомы твердого тела, испытывая торможение в упругих и неупругих взаимодействиях, приводят к целому ряду радиационно-индуцированных явлений, среди которых генерация радиационных дефектов, эмиссия атомов, электронов и фотонов, радиационно-стимулированная диффузия, возникновение механических напряжений. При передаче энергии в упругих соударениях атомы, получившие достаточно энергии для преодоления сил связи, могут выйти в вакуум и стать распыленными, обуславливая эрозию поверхности со специфической морфологией. В результате модифицирования структуры и морфологии поверхностного слоя материала изменяются его электрофизические, физико-механические, физико-химические и магнитные свойства [4-7]. Из современных тенденций исследований, обусловленных развитием ионно-плазменных технологий модифицирования поверхностного слоя материалов и синтеза новых материалов, необходимостью решения проблем радиационной стойкости материалов, применяемых в космических аппаратах и термоядерных установках, широким применением ионных пучков для анализа поверхностного слоя материалов, включая in situ анализ и контроль ионно-лучевых и ионно-плазменных технологических процессов, можно выделить следующие.
Все большее внимание уделяется вопросам взаимосвязи эмиссионных процессов, изменения структуры и морфологии поверхностного слоя материалов. В частности, в связи с исследованиями волнообразного наноразмерного ионно-индуцированного рельефа анализируют зависимости его параметров от температуры мишени, плотности потока и флюенса ионного облучения [8]. Для относительно небольших флюенсов облучения соответствующие диаграммы получены и теоретически обоснованы. Недостаточно изученной остается область больших флюенсов, где состояние поверхностного слоя часто проявляет себя как динамически равновесное. Исследования ионно-индуцированных процессов для углеродных материалов при высоких флюенсах ионного облучения [9] свидетельствуют о необходимости продолжения таких исследований с расширением сортамента ионов, систематическими исследованиями влияния специфической слоистой структуры и анизотропии этих материалов, применением перспективных в космической технике и термоядерных устройствах композиционных углерод-углеродных материалов [10-12]. В связи с расширением практического применения потоков атомных кластеров

9,6-1021 нейтронов/см2, что соответствует уровню радиационных повреждений около 0,9 dpa. Отметим, что при пересчете флюенса нейтронного облучения в дозу облучения в dpa в ядерном реакторе принимают, что 1 dpa = 1.12 1021 нейтр./см2 [83], в токамаках -1 dpa » 1021 нейтр./см2 [82].
Исследование облучения ионами D+ и Не+ энергии 25 кэВ в работе [81] показало, что уровень радиационных повреждений, вызывающих аморфизацию, dpam, зависит от температуры облучаемого графита и изменяется от 0,5 до 10 при увеличении температуры от 20 до 400°С. Эти данные близки к данным по нейтронному облучению [80]. Авторы работы [81] привели систематизацию данных по исследованиям изменения кристаллической структуры высокоориентированного пиролитического графита в зависимости от сорта имплантируемых ионов (применяли ионы D+ и Не4 энергии 25 кэВ), температуры и дозы облучения. Структуры дефектов на поверхности материалов они разделили на три типа - двойники и два вида блистеров. Причем двойники наблюдаются после достижения некоторого критического значения dpa для обоих видов ионов. Значение критического dpa возрастает с повышением температуры облучения, хотя остается меньшим, чем значение dpa необходимое для аморфизации.
В работе [82] облучение ионами С+ и Ne4 рассматривали как метод моделирования дефектообразования при нейтронном облучении. Анализ кристаллической структуры поверхностного слоя материала методом дифракции быстрых электронов на отражение продемонстрировал, что доза облучения 1.3 dpa при Т = 77°С приводит к сильному размытию трех, исходно четких, колец на дифрактограммах, т.е. к сильному разупорядочению структуры поверхностного соя, в то время как при Т = 400°С такого сильного разупорядочения не наблюдается.
Известно, что если в поверхностном слое материала не происходят какие-либо структурные изменения, то не только температура мишени, то и плотность ионного тока j не должна влиять на ионно-электронную эмиссию [56]. Известно также, что для кристаллов полупроводников оба указанных параметра ионного облучения взаимосвязано определяют процессы накопления и отжига радиационных повреждений при непрерывной ионной бомбардировке, см. рис. 1.10 [93]. При этом влияние плотности j может проявляться двояко. С одной стороны, повышение плотности ионного тока может приводить к локальному разогреву мишени, в результате чего вносимые в процессе облучения радиационные дефекты отжигаются и аморфизация затруднена. С другой стороны, с повышением плотности J или при облучении молекулярными ионами эффект динамического отжига при данной температуре мишени может подавляться из-за перекрытия каскадов атомных столкновений, в результате чего накопление дефектов и