Исследование модифицированных приповерхностных областей материалов и тонких пленок ядерно-физическими методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА РАН

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЛАСТЕЙ МАТЕРИАЛОВ И ТОНКИХ ПЛЕНОК ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

УДК 539.1.07:620.18

0046076ЫЭ на правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ Виктор Михайлович

АВТОРЕФЕРЛТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2010

- 2 СЕН 2010

004607660

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Константинова

РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Краснов Леонид Васильевич; доктор физико-математических наук, профессор Нестеров Михаил Мефодиевич; доктор физико-математических наук Мездрогина Маргарита Михайловна, Ведущая организация:

ГНЦ РФ Физико-Энергетический институт им. А.И. Лейпунского,

Защита состоится ^ ,2010 г. в [ ( часов на

заседании диссертационного совета №Д 002.115.01 при Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Константинова РАН по адресу: 188300, Ленинградская область, г. Гатчина, Орлова роща.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН. Автореферат диссертации разослан " " 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.А.Митр'опольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение физических явлений в приповерхностных слоях твердых тел и разных самоподдерживающихся и поверхностных пленках особенно актуально в связи с бурным развитием интегральной схемотехники и оптоэлектроники, возрастающим использованием наноматериалов и нанотехнологий, с применением в науке, технике и производстве новых приборов и материалов, способных работать при высоких температурных, плазменных и радиационных нагрузках в течение длительного времени, веществ с особыми свойствами.

При проведении исследований необходимо иметь количественные характеристики слоев атомов, как прилегающих к поверхности образца, так и находящихся на глубине до нескольких микрон. При этом важно исследовать интегральное содержание химических элементов и глубинные профили в поверхностных слоях и пленках именно тех элементов, которые кардинально влияют на свойства этих материалов и на их изменение при взаимодействии с внешней средой (температура, облучение, плазма, химическое воздействие, подложка и т.п.).

Для исследования этих процессов применяются различные физические методы исследований, способные различать даже отдельные атомы и молекулы на поверхности и управлять их перемещением [1]. Среди них свою нишу имеют неразрушающие ядерно-физические методы элементного анализа, основанные на использовании пучков ионов с энергиями от 0,5 до нескольких МэВ: спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионный рентгеноспектральный анализ.

Эти методы являются важным и необходимым средством решения задач как аналитики, так и создания материалов и приборов с необходимыми свойствами и качествами. Они имеют высокую точность количественного анализа (лучше 5%), локальность по глубине до 10 нм и являются неразрушающими. Необходимо отметить, что не существует универсального метода, который мог быть применен для всех комбинаций исследуемых материалов и давал бы при этом необходимую точность измерений. Набор применяемых методов исследований всегда конкретен и определяется той задачей, которую необходимо выполнить.

Газонаполненные проволочные детекторы широко используются в различных фундаментальных физических и прикладных исследованиях, поскольку обладают хорошим пространственным и временным разрешением. Они способны работать при высокой счетной загрузке 1Г) являются одними из основных детекторов в координатных системах -

экспериментальных установок в физике высоких энергий и элементарных частиц: CERN, DESY, FNAL. Новое поколение газонаполненных проволочных детекторов, создаваемое для экспериментов на большом адронном коллайдере (LHC), должно сохранить работоспособность в течение 10 лет работы ускорителя при накоплении очень большого заряда на единицу длины анодных проволочек 10-ИЗ Кл/см [2, 3]. Проблема ограниченности длительности функционирования {aging) газонаполненных детекторов в реальных экспериментах стала чрезвычайно актуальной из-за наблюдаемой модификации структуры поверхности электродов при больших дозах облучения.

Одна из важнейших проблем термоядерной энергетики - удержание высокотемпературной плазмы в течение времени, необходимого для осуществления реакций управляемого термоядерного синтеза. С этой целью проектируются и строятся специальные установки - токамаки. В ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в 1999 году был запущен сферический токамак «Глобус-М» [4]. Кроме изучения фундаментальных свойств дейтериевой плазмы на нем проводятся крайне важные исследования по изучению свойств материалов для первой стенки реактора и наносимых на нее защитных покрытий. Для защиты первой стенки реактора обычно применяются различные углеродные материалы. Кроме этого, на них наносятся защитные боро-углеродные пленки, которые модифицируются при взаимодействии с плазмой. Необходимы исследования свойств этих материалов.

Для создания фотонных систем передачи информации актуальна, в частности, задача разработки усилителей и генераторов оптических импульсов, способных работать в окнах прозрачности оптического волокна. По потребляемой мощности, размерам и способности работать совместно с другими устройствами волоконно-оптической связи преимущество за пленочными структурами. Для успешной практической реализации таких приборов критическим является выбор хорошо адаптированного для поставленных целей основного полупроводникового материала (матрицы), легирующего редкоземельного элемента и его концентрации. Оптический переход с А=1,54 мкм во внутренней 4{"--оболочке эрбия совпадает с длиной волны, соответствующей минимуму потерь в кварцевом волокне. Поэтому в полупроводниковые пленки различными способами вводятся атомы эрбия. В . качестве полупроводниковых матриц перспективны пленки аморфного гидрогенизированного кремния [5] и халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) [6, 7].

В представленной работе методы ядерного микроанализа применены для исследований:

• процессов деградации (старения) газонаполненных детекторов;

• легированных редкоземельными элементами пленок аморфных и стеклообразных полупроводников;

• взаимодействующих с плазмой внутренних поверхностей вакуумной камеры сферического токамака «Глобус-М», работающего с дейтериевой плазмой.

Цель работы:

Разработка и применение для решения различных аналитических проблем количественных неразрушающих ядерно-физических методов исследования состава приповерхностных слоев образцов и самоподдерживающихся пленок, включая спектрометрию обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионного рентгеноспектрального анализа.

Разработка и создание измерительно-аналитического комплекса для исследования материалов неразрушающими ядерно-физическими методами элементного анализа на ускорительном комплексе ЭСУ-2 в ПИЯФ РАН.

Создание работающего на пучке ускорителя кристалл-дифракционного спектрометра для расширения аналитических возможностей комплекса.

Разработка методов количественного определения концентрационных профилей элементов с малым атомным номером (г < 10) для исследования тонких проволок.,

Исследование ядерно-физическими методами элементного анализа: ■ '" • новых материалов, в том числе полупроводниковых пленок, легированных редкоземельными элементами;

• явлений и процессов, протекающих при высоких температурных (до нескольких миллионов градусов) и радиационных нагрузках в приповерхностных слоях материалов.

Новизна, научная ценность работы заключается в следующем:

Для анализа элементного состава вещества методом ионного рентгеноспектрального анализа впервые спроектирован и установлен на пучке кристалл-дифракционный спектрометр.

Для регистрации заряженных частиц впервые широко применены модернизированные прецизионные детекторы с тонким входным окном ~ 200 А, изготовленные методом фронтальной диффузии бора в кремний.

Методы спектрометрии ядерных реакций и обратного резерфор-довского рассеяния впервые предложены и широко применены для исследований модифицированных высокими дозами облучения приповерхностных слоев проволочных анодов газонаполненных детекторов.

При высоких дозах облучения обнаружен новый эффект деградации (старения) анодов газонаполненных детекторов, проявляющийся при аккумулированных дозах до 10 Кл/см.

Исследованы оптимальные условия получения,, состав и фотолюминесценция (ФЛ) пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием и кислородом; внешний квантовый выход ФЛ ионов эрбия Ег3+ на длине волны 1,54 мкм при 300К достигает 0,5 %, что на сегодняшний день является наибольшим для ФЛ эрбия в полупроводниковых матрицах.

Методами ядерного микроанализа проведены исследования новых тонкопленочных люминесцирующих структур на основе халькогенидного стеклообразного полупроводника А528е3, модифицированного летучим комплексным соединением дипивалоилметаната РЗЭ Ьп(Шс1)з (Ьп = Ег, Ей, ТЬ) и определены оптимальные условия их получения.

Практическая значимость работы

Создан современный измерительно-аналитический комплекс для исследования приповерхностных слоев материалов и тонких пленок ядерно-физическими методами элементного анализа.

На аналитическом комплексе выполнен комплекс физических и технологических исследований для определения оптимальных условий облучения образцов (стабилизация энергии, положения пучка ионов в пространстве, измерение количества частиц, взаимодействующих с образцом) и измерения вторичных излучений, возникающих при взаимодействии протонов и дейтронов с мишенью.

Разработан комбинированный способ изучения состава вещества, объединяющий ионный реттеноспектральный анализ, спектроскопию ядерных реакций и обратного резерфордовского рассеяния.

Применение для исследований пленок, содержащих атомы с большими и малыми атомными номерами, пучков дейтронов в , методах спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций позволило существенно повысить точность определения состава.

Созданные экспериментальные установки и разработанные методики применялись для решения многих научных и прикладных задач.

Проведенные исследования по изучению модифицированных большими дозами облучения анодных проволочек дрейфовых

газонаполненных детекторов способствовали улучшению конструкции последних и выбору материалов для их изготовления.

Исследования свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния и халькогенидных полупроводников, легированных редкоземельными элементами, показали, что они являются перспективными материалами для телекоммуникационных технологий и устройств оптоэлектроники ближнего и среднего ИК-диапазона, а также в видимой области.

Исследование модифицированных при взаимодействии с дейтериевой плазмой защитных покрытий вакуумной камеры (боро-углеродных пленок и углеродных тайлов) сферического токамака «Глобус-М» показало, что на их поверхности образуются «смешанные» слои толщиной до нескольких микрон, в состав которых входят дейтерий и элементы, используемые в конструкции прибора. Результаты исследований внутренних стенок токамака, взаимодействующих с дейтериевой плазмой, необходимы при создании новых установок.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

Разработка ядерно-физических методов для исследования элементного состава и структуры модифицированных приповерхностных слоев материалов и тонких пленок на пучках изотопов водорода и их аналитические характеристики.

Проектирование, создание и аналитические возможности аналитического комплекса для исследования материалов методами ядерного микроанализа на пучках протонов и дейтронов ЭСУ ПИЯФ.

Создание кристалл-дифракционного спектрометра с ионным возбуждением рентгеновской флуоресценции для исследования материалов и его аналитические характеристики и возможности.

Объединение в одном аналитическом комплексе неразрушающих ядерно-физических методов исследования элементного анализа на пучках протонов и дейтронов: спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионного рентгеноспектрального анализа.

Методика определения элементов с атомным номером ъ < 10 для исследования структуры приповерхностных слоев тонких проволочек.

' Выбор типов ускоряемых частиц и применяемых ядерно-физических методов для конкретных исследований различных материалов.

Результаты исследований легированных редкоземельными элементами тонких ' полупроводниковых пленок и модифицированных приповерхностных областей объемных материалов, работающих при высоких температурных (плазма) и радиационных нагрузках (трековые детекторы для ЬНС).

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на:

Всесоюзном совещании «Ядерно-физические методы анализа на заряженных частицах» (Ташкент, 1978 г.);,XIII Всесоюзном совещании по рентгеновской и электронной спектроскопии (Львов, 1981 , г.); II Всесоюзном совещании «Ядерно-физические методы , в контроле окружающей среды» (Рига, 1982 г.); III Всесоюзной конференции «Микроанализ на ионных пучках» (Сумы, 1990 г.); на XI, XII, XIII Совещаниях по электростатическим ускорителям (г. Обнинск Калужской обл., 1995, 1997, 1999 гг.); 9th и 11th Vienna Conference on Instrumentation "УCI" (Vienna, Austria, 2001 и 2007 гг.), International. Workshop on Aging Phenomena in Gaseous Detectors (DESY, Hamburg, 2001 г.); Международном симпозиуме «Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках» (Санкт-Петербург, 2001 г.); XII Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Харьков, Украина, 2001 г.), 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Montreux, Switzerland, 2002 г.); III, IV, V и VI Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), VII Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Санкт-Петербург, 2002 г.), LI и LVI (г. Саров, Россия, 2001 и 2006 г.) и L1X (Чебоксары, Россия, 2009.г.) Международных конференциях по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 13th International Conference on Fusion Reactor Materials (Nice, France, 2007 г.); 22nd IAEA Fusion Energy Conference (Geneva, Switzerland, 2008 г.).

Научные результаты, вошедшие в настоящую диссертацию, опубликованы в 51 печатной работе в ведущих научных журналах как в России, так и за рубежом, в материалах Всесоюзных и Международных конференций и в различных научно-технических сборниках.

Личный вклад автора

В основу работы положены результаты экспериментальных, методических и теоретических разработок, выполненные под научным руководством или при непосредственном участии автора в период с ¡1976 по 2009 годы. Личный вклад автора заключался в проектировании и создании измерительно-аналитического комплекса и , кристалл-дифракщюнного спектрометра, непосредственной разработке и модернизации оригинальных методов ядерного микроанализа на пучках протонов и дейгронов, выборе объектов исследований, постановке и проведении экспериментов, обработке, обсуждении результатов, их интерпретации, обобщении и опубликовании результатов, а также в

планирован™ и проведении работ совместно с другими организациями. Автор последние 17 лет является ответственным за разработку и осуществление программ научных исследований на измерительно-аналитическом комплексе ядерно-физическими методами исследования материалов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, разбитых на параграфы, двух приложений, заключения со списком работ, опубликованных по теме диссертации, списка цитируемой литературы. В конце каждой главы даны краткие выводы к ней. Общий объем составляет 246 страниц, включая 91 рисунок и 25 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 217 наименований. Список работ, опубликованных по теме диссертации, содержит 51 наименование. Они включены в общий список цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы направление, цели и задачи работы, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Измерительно-аналитический комплекс для исследования материалов методами ядерного микроанализа» приведено описание измерительно-аналитического комплекса для исследования материалов ядерно-физическими методами элементного анализа, созданного на пучке ускорительного : комплекса ЭСУ-2. Электростатический ускоритель протонов и дейтронов работает в энергетическом диапазоне от 0,3 до 1,61 МэВ и является неотъемлемой частью измерительно-аналитического комплекса, представленного на рис. 1.

' Для регистрации заряженных ионов впервые применяются уникальные неохлаждаемые кремниевые детекторы с тонким входным окном 200 А) и высоким энергетическим разрешением (¿1£=8 эВ для £а=5,5 МэВ), изготовленные методом фронтальной диффузии бора в кремний. ,

; Полное .число ионов, попавших на мишень, определяется интегратором тока с точностью до 1-2 %. Диапазон измеряемых токов от 0,1 нА до 30 мкА. .

Для измерения спектров ХРИ используются спектрометры с энергетической (полупроводниковые и БО и с волновой дисперсией (кристалл-дифракционный). ■

На пучке ускорителя спроектирован и установлен кристалл-дифракционный спектрометр с возбуждением рентгеновской флуоресценции протонами, имеющий разрешение от 20 до 50 эВ для £д-=5,9 кэВ (рис. 2).

Рис. 1. Схема аналитического копплекса: 1 - электростатический ускоритель, 2 - анализирующий магнит, 3 - ионопровод, 4, 5 - вакуумные затворы, 6 - камера для образцов, 7, 8 - снльфопные развязки для юстировки установки, 9 - система сменных коллиматоров, 10 - цилиндр Фарадея для измерения тока пучка, 11 - мишенное устройство, 12 - кольцевой детектор с поглощающим фильтром для регистрации заряженных продуктов ядерных реакций, 13 - кремниевый детектор для регистрации рассеянных частиц в методах ядерных реакций и обратного резерфордовского рассеяния, 14 - йе(Ы)-детектор 7-лучей, 15 - 81(Ы)-детектор Х-лучей, 16 - считывающая электроника с детекторов, 17 - система высоковакуумной откачки мишенной камеры

Спектрометр работает в области энергий от 4,5 до 15 кэВ, т.е. он позволяет определять элементы от титана до молибдена по Л'-серии и от йода до урана по ¿-серии. Для разложения излучения в спектр методом дифракции применен фокусирующий кристалл 1лР (60><30 мм2, отражающая плоскость [200], 2(1=4,028 А), изготовленный по методу Иоганссона. Основные преимущества этого спектрометра реализуются при анализе материалов сложного состава, когда требуется высокое разрешение детектора, а также в случае, если основные компоненты исследуемого образца излучают рентгеновские кванты с энергией, лежащей в рабочей области спектра.

8 5 12 3

Рис. 2. Схема кристалл-дифракционного спектрометра с возбуждением рентгеновской флуоресценции протонами: I - пучок протонов от ускорителя, 2 - вакуумная камера, 3 - фокальная окружность спектрометра

(0=300 мм), 4 - пропорциональный счетчик для регистрации Х-лучей, 5 и 9 -коллиматоры, 6 - кристалл-анализатор 1лР (200) длиной Х=60 мм и высотой #=30 мм, 7 - бериллиевое окно, 8 -охлаждаемое мишенное устройство для установки образца

Информация с детекторов собирается электронной системой и обрабатывается с помощью ЭВМ. В таблице 1 представлены основные характеристики измерительно-аналитического комплекса.

Таблица I. Основные характеристики измерительно-аналитического комплекса для исследования материалов_

Характеристика Значение

Ускоряемые ионы Протоны, дейтроны

Энергетический диапазон ЭСУ-2 (0,3 — 1,6) МэВ

Разброс энергии в пучке - 100эВ

Ток пучка на образце (0,1 -3-Ю4) нА

Точность измерения тока пучка ~ 2,5 %

Точность измерения заряда ~ 0,5 %

Рабочий вакуум в установке 10"6 Тор

Число спектрометрических трактов 4

Энергетическое разрешение спектромет рических трактов

81(Ы)-детектор 190 эВ для Ех = 5,9 кэВ

Кристалл-дифракционный спектрометр (20 - 50) эВ для Ех = 5,9 кэВ

Детектор для регистрации ионов 8 кэВ для Еа = 5,5 МэВ

Детектор для регистрации у-квантов 2,1 кэВ для Еу = 1,33 МэВ

В главе 2 «Ядерно-физические методы элементного анализа на пучках протонов и дейтронов» содержится описание основных характеристик и возможностей ядерно-физических методов элементного анализа. В анализе с помощью этих методов используются все основные процессы, имеющие место при взаимодействии ускоренных до нескольких МэВ ионов с атомами и ядрами, имеющимися в образце:

• испускание характеристического рентгеновского излучения, возникающего в результате ионизации и возбуждения атомов мишени заряженными частицами — Ионный Рентгено-Спектральный Анализ (ИРСА) - Particle Induced X-Ray Emission (PIXE); , ,

• упругое рассеяние, вызываемое при низких энергиях кулоновским взаимодействием между налетающей частицей и ядром атомов мишени - спектрометрия Обратного Резерфордовского Рассеяния (ОРР) - Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS);

• ядерные реакции, обусловленные собственно ядерным взаимодействием - спектрометрия Ядерных Реакций (ЯР) - Nuclear Reaction Analysis (NRA).

Разработка этих методов опирается на обширный экспериментальный и теоретический материал, накопленный при исследовании свойств - и структуры ядер и атомов, изучении механизмов ядерных реакций, измерении ядерных констант. Также используется научно-технический потенциал и оборудование ядерной физики: ускорители частиц, электроника, детекторы частиц, компьютеры. Их быстрому развитию способствовало наличие доступных и сравнительно простых в эксплуатации электростатических ускорителей ; ионов,

высокочувствительных твердотельных детекторов заряженных частиц, гамма и рентгеновского излучения, современной электроники и вычислительных систем. .'....,.■■'-

Каждый из описанных методов имеет свои преимущёства и недостатки. Метод ИРСА успешно применяется для одновременного определения нескольких элементов, начиная с натрия. Однако этот метод не позволяет исследовать глубинные концентрационные профили. ' . ,

Абсолютный метод ОРР имеет высокую чувствительность при определении элементов с большим атомным номером. Зависимость энергии рассеянных ионов от массы рассеивающих ядер и глубины их залегания позволяет исследовать глубинные концентрационные профили без разрушения образца. Однако недостаточное массовое разрешение для средних и тяжелых ядер затрудняет анализ в сложных по составу образцах. Метод спектроскопии ОРР имеет малую чувствительность к элементам с малым атомным номером (z< 10).

Метод спектрометрии ядерных реакций успешно применяется для количественного анализа легких элементов и изотопов, где он имеет высокую чувствительность и избирательность. С помощью экзотермических ядерных реакций определяются изотопы элементов с малым атомным номером в образцах, состоящих из элементов с большим атомным номером: дейтерия - реакция 0(с1,р)3Н, лития - 61л((1,а)4Не и 71л(р,сс)4Не, бора - |0В(с1,а0)8Ве, пВ(р,а0 )8Ве и иВ(р,а, )8Ве, углерода -12С(с1,р)13С и 13С(с1,р)'4С, азота - 14>^(с1,р)15М, 14Ы(с1,ао )12С и 14Ы((1,а, )12С, кислорода - |60(с1,ро)170, 160((1,р, )пО, 1бО(с1,а)14Ы и 180(р,а)15Ы, фтора 19Р(р,ау)'бО.

С целью компенсации недостатков каждого из методов они были объединены в одном измерительно-аналитическом комплексе для исследования материалов, чтобы в одном измерении получить полную информацию об изучаемом объекте с необходимой Точностью и за приемлемое с учетом времени обработки спектров время. . Основные характеристики методов приведены в таблице 2. Методы спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций активно применяются в ПИЯФ для определения массовой толщины сложных по составу поверхностных пленок с точностью до 10 %.

В главе кратко представлены результаты исследований различных материалов и структур, проведенные этими методами:

• диффузия изотопов лития в пористом углероде;

• количественное определение концентрации изотопов бора, лития, углерода и кислорода в различных материалах и пленках;

• . состав и структура эндоэдрических металлофуллеренов;

• состав и структура нанокластеров меди й кобальта в аморфных углеродных пленках;

• пленки высокотемпературных сверхпроводников.

Глава 3 «Исследование приповерхностных слоев модифицированных высокими дозами облучения анодов газонаполненных детекторов» содержит результаты исследования золоченых вольфрамовых проволочек, применяемых в газонаполненных координатных детекторах.

Для исследования состава и структуры облученных приповерхностных слоев применялись методы спектрометрии ядерных реакций и обратного резерфордовского рассеяния дейтронов.

Таблица 2. Сопоставление пучковых ядерно-физических методов элементного анализа для исследования приповерхностных слоев материалов и тонких пленок

Характеристика Методы анализа на пучках протонов и

дейтронов

ОРР ЯР ИРСА

Определяемые элементы Li-U D, Li, В, C„N, 0,F,A1, Si Na-U' •

Разрешение при ДМ=1 для AZ=1. AZ' 1

определении соседних элементов с Изотопный

элементов AZ и масс ДМ М<30 состав

Пространственное 1 мм 1 мм 1 мм

разрешение

Чувствительность > 10" ат/см2 Ядерные До : Ю-12 Г вещест-

для ядер со средними и большими атомными (для пленки золота) реакции запрещены

номерами . . > ва

Чувствительность > МО20 ат/см2 > НО16 ат/см2 Не

для кислорода в золотой опреде-

матрице ляются

Точность определения <5 % . <5%. . <5 %

концентрации элемента

Толщина исследуемого До 6 мкм ... До 6 мкм До 6

слоя мкм

Разрешение по глубине в До 0,1 мкм До 0,1 мкм ,Нет

золотой матрице

Определение массовой <10% < 10%

толщины пленок

Анализ по глубине Неразруша-ющий Неразруша-ющий .Нет

С помощью ядерных реакций 12С(с1,р), |60(с1,р),70 и |9Р(р,а)|60 изучалось распределение углерода, кислорода и фтора по длине и по глубине облученной золоченой.вольфрамовой проволочки. Для изучения морфологии поверхности также использовались методы электронного микроанализа.

Анализ необлученных вольфрамовых проволочек диаметром от 15 до 50 мкм, покрытых золотой пленкой толщиной 1-1,5 мкм, показал наличие поверхностных пленок, состоящих из углерода, азота и кислорода, толщиной до 2-1016 ат/см2.

При. исследовании прототипов многопроволочных детекторов для СМБ, работавших с газовой смесью, не содержавшей фтористый углерод (30%Аг+70%С02); уже при накопленной дозе 0,25 Кл/см на поверхности анодных проволочек образовывалась полимерная пленка толщиной до 5 мкм. В ее состав входили углерод, кислород, водород и входивший в состав силиконового герметика кремний. При добавке в газовую смесь СР4 образования полимерной пленки даже при более значительных дозах не наблюдалось.

В главе приводятся результаты исследований модифицированных высокими дозами облучения приповерхностных областей анодных электродов дрейфовых камер (газовая смесь Аг(Хе)+С02+СР4(С2Н2Р4)):

• распределение углерода, кислорода и фтора по ее длине;

• глубинные концентрационные профили этих элементов в золотом

покрытии.

На рис. 3 приведены экспериментальные спектры продуктов ядерных реакций, полученные при облучении дейтронами анодной проволочки дрейфовой камеры (диаметр 35 мкм, газовая смесь 60%Аг+30%С02+10%СР4) при аккумулированной дозе 1,6 Кл/см.

Рис. 3. Экспериментальные спектры протонов, продуктов ядерных реакций (с1,р) с кислородом и углеродом, находящимися на поверхности и в приповерхностном слое облученной анодной проволоки. Энергия дейтронов 0,9 МэВ. Толщина алюминиевого фильтра га

детекторе 3 мг/см2. Доза 1,6 Кл/см

проволочки по сравнению с необлученными местами значительно увеличилось содержание кислорода и фтора, причем эти элементы проникли на значительную глубину вплоть до 2,5 мг/см2, т.е. до границы золотого покрытия с вольфрамовой основой проволоки (рис. 4). Эти результаты коррелируют с увеличением диаметра

а> 400 О

место входа газа зона облучения -»- место выхода газа

12Сйр)13С

о.о 0.5

16адРо)170

...../Л

1.0 1.5 2,0 2,5 Энергия протонов, МэВ

В облученной части анодной

облученной части проволоки на Swelling (Табл. 3).

~2 ' %, т.е. мы наблюдаем ее распухание -

Рис. 4. Глубинные профили распределения

кислорода (а) и фтора (Ь) в облученной дозой 1,6 Кл/см анодной проволоке диаметром 35 мкм. Расстояние 0 см соответствует центру

облученной зоны. По оси ординат отложена концентрация элемента в ; ат/см3. Глубина в мг/см2 вычислена для плотности золота

Таблица 3 Изменение диаметра проволочки и количества фтора, кислорода и углерода вдоль ее длины. Газовая смесь 60%Аг+30%С02+10%СР4. Доза облучения 1,6 Кл/см

Расстояние вдоль проволоки, X Количество примеси в монослоях (1 монослой соответствует =1015 ат/см2) Диаметр проволоки, мкм

Фтор Кислород Углерод

- 13 см ~ 1 - 2 -3-4 -3-4 35

0 см -17 -85 -60 35,9

+ 14 см -1-2 -4-5 -3-4 35

Всего было исследовано около 50 анодных проволочек дрейфовых детекторов, испытанных при различных условиях: состав смеси, диаметр анода (от 15 до 50 мкм), аккумулированная доза облучения (от 1 до 10 кл/см).

Кислород и фтор присутствуют во всех облученных анодных проволочках дрейфовых камер, причем количество этих элементов в зоне облучения возрастает от нескольких десятков до сотен раз по сравнению с необлученной частью электрода. Эти элементы проникают в золотое покрытие проволочки вплоть до границы пленки золота с вольфрамовой основой и могут активно участвовать в химических процессах.

s^xtf

-t-X = -tt CM

-»-x= 0см

4

-.x

4,

Глубину мг/см2

Глубина мг/см2

На основе полученных количественных данных о составе и структуре приповерхностной области облученных образцов предложен с точки зрения физики плазмы качественно-количественный механизм модифицирования анодной проволочки при больших дозах облучения, содержащий несколько этапов (рис. 5).

1. Образование активных радикалов кислорода и фтора в газовой лавине. Регистрируемая детектором частица создает в нем электроны, которые, дрейфуя к аноду, из-за быстрого нарастания напряженности электрического поля набирают энергию от 1 до 10 эВ, которой достаточно для ударной ионизации молекул газа. При этом в газовой смеси образуются химически активные ионы и атомы: О0, О", 02", 03", И", Iго, Р2. Основная часть ионов нейтрализуется и удаляется из камеры газовым потоком. Однако часть их может поглотиться дефектами золотого покрытия,

Облучение

Рис. 5. Взаимодействие плазмы с приповерхностными областями анодной золоченой вольфрамовой проволочки. Газовая смесь Аг(Хе)+С02+СР4

2. Проникновение активных радикалов кислорода и фтора в слой золота анодной проволоки. Это могут быть несовершенства золотого покрытия, возникшие при его нанесении на вольфрамовую основу проволоки. Другой тип повреждений золотого покрытия анодной проволочки связан с дефектами, возникшими при облучении (рис. 5).

При интенсивном корпускулярном облучении в золотом покрытии образуются дополнительные дефекты, которые могут приводить к увеличению объема (разбуханию) золотого покрытия. В процессе травления размеры дефектов увеличиваются, открывая прямой путь окислителей к вольфрамовой основе проволоки.- Молекулярный фтор, образовавшийся в плазме, может медленно реагировать с золотой поверхностью; 2Au + 3F2—>2AuF3..

При использовании в газовой смеси ксенона в области газового разряда могут легко образоваться сильные окислители ксенон-фтора XeF„ («=2, 4, 6), которые, вступая в реакцию с золотом (Au + XeF2 —> AuF3 + Хе), могут образовать дополнительные дефекты. Золотое покрытие вольфрамовой проволоки становится рыхлым и не защищает глубинные, состоящие из вольфрама, области проволочки.

3. Разбухание анодной проволоки. Практически все отложения, наблюдаемые в экспериментах на поверхности облученной проволочки, содержали вольфрам, которого на поверхности раньше не было, золото, кислород, углерод и фтор. При проникновении ионов кислорода и фтора к вольфрамовой основе они могут с ним взаимодействовать^ образуя как газообразные W + 3F2 —► WF6f, так и твердые вещества с меньшей плотностью W + F2 + 02 — WOF4 и 2W03 + 6F2 -> 2WF6t + 302.

Силы, действующие на золотое покрытие изнутри, настолько сильны, что золотая защитная пленка разрушается. Выход из глубины облученной вольфрамовой проволочки газа WF6f может вызвать дополнительное разрушение золотого покрытия проволоки в зоне облучения.-Т.е. сначала наблюдается разбухание облученной части анодной проволочки, а затем и разрушение целостности золотого покрытия.

Наблюдаемый вид модификации поверхности - ,. распухание проволочки (swelling) - коренным способом отличается от ранее наблюдавшегося эффекта образования полимерной пленки на облученном электроде, поскольку силы, разрушающие электрод, действуют изнутри.

Глава 4 «Пленки аморфного гидрогенизированного кремния, модифицированного эрбием и кислородом a-Si0x:H<Er,0>>> содержит результаты исследований структуры, состава и фотолюминесцентных свойств пленок в зависимости от условий их изготовления: содержания

кислорода в газовой смеси СС)> и площадей эрбиевой SEr и кремниевой Ss, мишеней.

Для определения оптимальных состава и интенсивности фотолюминесценции пленок варьировались условия их изготовления:

• содержание кислорода в диапазоне от 0,15 мол.% до 12 мол.% в газовой смеси (20% SiH4+80% Ar)+02.;

• площади эрбиевой пластины SEr в пределах от 0 мм2 до 18 мм2;

• . площади кремниевой пластины SSi от 787 мм2 до 805 мм2;

• при этом общая площадь кремниевой и эрбиевой пластин сохранялась постоянной Ss¡ + SEr =805 мм2.

Пленки были изготовлены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН методом магнетронного распыления на постоянном токе (с/с-метод). Всего было исследовано ядерно-физическими методами более 200 пленок толщиной от 0,5 до 0,8 мкм.

Элементный состав пленок a-Si0x:H<Er,0> определялся на пучке дейтронов методами. спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций в одном измерении. Характерный спектр регистрируемых частиц при облучении образцов дейтронами с энергией 0,9 МэВ представлен на рис. 6.

Содержание кислорода и водорода, связанных в пленках с атомами кремния, определялось методом ИК-спектроскопии. Концентрация водорода в пленках составляла от2ТО21 до 5ТО2 ат/см3.

Рис. 6. Спектр протопоп и a-частиц, образовавшихся в результате ядерных реакций 160(d,p)170, '60(d,a)HN и 12C(d,p)nC на ядрах кислорода и углерода, и рассеянных дейтронов, полученный при облучении дейтронами пленки аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием и кислородом (a-Si0x:H<Er,0>), толщиной 0,7 мкм на подложке из кристаллического кремния c-Si

На рис. 7 представлены зависимости содержания в пленках полного количества кислорода Ы'о (светлые точки, а), кислорода, входящего в

состав кремниевых кластеров, Л'^ ° (темные точки, а), эрбия ЫЕг (Ь) и

0,5 1,0 1,5 го Z5 3,0 Энергия частиц МэВ

интенсивности фотолюминесценции ионов эрбия (с) от площади эрбиевой мишени Зд. при напылении и содержания кислорода в газовой смеси С0 ;

No, at. %

а)

Интенсивность фотолюминесценции

с)

1.0 j=

0.5

Se„ мм2 Зависимости

полного

Nq (светлые

Рис. • 7.

содержания кислорода i » 0

точки, а), кислорода, связанного с кремнием (темные точки, а), эрбия N& (Ь) и интенсивности фотолюминесценции (с) от площади эрбиевой мишени 5/г, и содержания кислорода в газовой смеси: кривые 1 и 6 - 0.15 мол. %; 2 и 7 - 3,6 мол. %; 3 - 6,5 мол. %; 4 и 8-8 мол. %; 5-12 мол. %

Выводы

1. Содержание кислорода, связанного с кремнием

матрицы а-8Юх:Н (Ыд )

практически остается посто- : янным при фиксированном " значении С0^ и изменений '

площади эрбиевой мишени от 0 до 18 мм2 (кривые 6-8 на рис. 7а

2. При постоянной концентрации кислорода в газовой

смеси кривые =/(&ег)

всегда располагаются ниже кривых полного содержания 1 кисло-рода в пленке

к' =/(5ег) по оси ординат .

Ы0. Это означает, что вводимый в газовую стадию кислород связывается не только с. атомами кремния аморфной матрицы а-8Юх:Н, но и с атомами эрбия, водорода и др (рис. 7а).

3. Из сравнения Л^ и А^

для разных концентраций

Сс>1 как при 5&= 0, так и при

5,:> > 0 (рис. 7а), определяется содержание в пленках кислорода, входящего , в кластер эрбия при 8Ег > 0:

' N.

Ег

4. Из сопоставления зависимостей состава пленок и интенсивности фотолюминесценции от и SEr при С0 = const следует, что количество

кислорода, связанного с другими атомами, кроме кремния матрицы и эрбия, в сумме таково, что не подавляет фотолюминесценцию ионов Ег3+. Атомы неконтролируемой примеси незначительно уменьшают интенсивность фотолюминесценции эрбия (рис. 7с).

5. Характер зависимостей полного количества кислорода в пленке, кислорода, связанного с кремнием и эрбием, и интенсивности фотолюминесценции ионов Ег3+ для концентрации кислорода в газовой смеси > 5 мол. % во всем диапазоне изменения площадей эрбиевой мишени указывает на тесную связь этих характеристик пленок и состава излучающих кластеров эрбия.

6. Изменение содержания кластеров эрбия в пленках с увеличением площади эрбиевой мишени при увеличении концентрации кислорода в газовой смеси свидетельствует о конкурирующих процессах окисления и распыления Er-мишени при изготовлении пленок (рис. 7Ь).

7. Исследования позволили оптимизировать процесс получения пленок a-Si0x:H<Er,0> с/с-магнетронным методом со значительно увеличенным квантовым выходом фотолюминесценции ионов Ег3+.

8) В настоящее время квантовый выход фотолюминесценции эрбия на длине волны 1,54 мкм при 300К в полученных пленках достигает 0,5 %, что на сегодняшний день является наибольшим для ФЛ эрбия в полупроводниковых матрицах. Это значение получено для пленок, изготовленных при концентрации кислорода в газовой смеси 12 мол. % и площади эрбиевой мишени SEr — 13,5 мм :

a-Slo,47 оо,42 ± о,(йегодюб ±0,000lq),020 ± 0,004^0.09 ± 0,01 •

Элементный состав пленки с излучающими кластерами Ег3+: a-Sio,47 Оо, 11 ± о,о 1 -Н^оэ * щ "Ф^оооб±o.oooi Oo.j4±o.oj >-

9) В излучающем кластере иона ErJ+ отношение (0/Ег)ат = 230 ± 20.

В главе 5 «Исследование растворимости комплексных соединений редкоземельных элементов Ln(thd)3 в пленках селенида мышьяка» приводятся результаты исследований образцов, полученных методом термического со-осаждения ХСП и летучих комплексных соединений редкоземельных элементов. ХСП имеют уникальные свойства: низкие фононные энергии, высокий коэффициент преломления и прозрачность в ближней и средней инфракрасных областях спектра [6, 7].

Размер структурной единицы комплексного соединения составляет величину порядка 1 нм, однако при термическом испарении часть лигандов, находящихся на периферии координационной сферы, может

отвалиться, что приведет к уменьшению размера мономерного звена. В то же время размер пустот в аморфной матрице стеклообразного халькогенидного полупроводника может составлять порядка 0,4 - 0,5 нм, что вполне коррелирует с размерами первой координационной сферы комплексного соединения. При изготовлении пленок может происходить внедрение комплексного соединения в пустоты халькогенидных стекол, а возможно и замещение части атомов.

Тонкие пленки триселенида мышьяка As2Se3, модифицированные летучим комплексным соединением (КС) д и п и в ал о ил м етанато в РЗЭ Ln(thd)3 {(thd)3= (СпН1902)з} и их аддуктов, в том числе и с ортб-фенатролином (Phen) , где Ln(thd)3 (Ln = Eu, Tb, Er), были изготовлены в Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова на подложках из кремния КДБ-10 методом со-осаждения из двух независимых источников, находящихся в одной вакуумной камере.

Основными критериями выбора комплексного соединения РЗЭ в качестве модифицирующих добавок являются летучесть и термическая стабильность этих соединений в условиях, соответствующих режимам напыления селенидов мышьяка: температура испарения - 180°С, температура подложки - 50 С, остаточное давление в камере - 10'4 Па, скорость осаждения 2-3 нм/с, размер пленки 5x5 мм2.

Для количественного определения элементного состава пленок были использованы методы спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния дейтронов и ядерных реакций 12C(d,p)13C и "50(d,p1)170. Характерные спектры ОРР дейтронов и продуктов ядерных реакций с дейтронами, полученные для матрицы As2Se3, легированной Er(thd)3 представлены на рис. 8. Для анализа полученных пленок в качестве исходного технологического параметра была выбрана относительная концентрация (по массе) комплексного соединения КС, взятого для напыления ю=КС (КС+ХСП)-100%. Толщина пленок от 0,15 до 2,3 мкм.

= 0.2 % масс. = 1,0 % масс. = 13,0 % масс. = 23,1 % масс.

5 юоо ' 5

■ 0,2 % масс. Е 1,0 % масс. = 13,0 % масс. 1 23,1 % масс.

. "si«l.p10l"si ,!ом.р,>"

"ОЦ.Ро^'О

Энергия дейтронов, МэВ Энергия протонов, МэВ

Рис. 8. Экспериментальные спектры: а) рассеянных дейтронов и Ь) продуктов ядерных реакций от пленок АБ^е^Ег^Ьс!)} на кремниевой подложке. Энергия дейтронов 1 МэВ. Угол рассеяния 135°

Изменение концентрации РЗЭ в тонкой пленке А528е3:1л1([Ьс1)з (Ьп = Ей,ТЬ,Ег) при увеличении относительной концентрации исходного комплексного соединения со от 0,2 до 23 масс. % происходит нелинейным образом, причем перелом наблюдается при о> ~ 8-10 масс. %. Рост содержания РЗЭ в пленке сопровождается одновременным увеличением содержания кислорода и углерода (рис. 9). Источником этих элементов является комплексное соединение, т.е. при этом способе модифицирования локальное окружение РЗЭ при вхождении в аморфные матрицы А525е3 в основном сохраняется.

В пленках А52Без, легированных КС эрбия, наблюдалась фотолюминесценция эрбия при комнатной температуре. Необходимо отметить, что в исходных пленках Аэ^ез полоса фотолюминесценции в области 1,54 мкм отсутствует.

I «1

г<№

1Еа

С $0

• Ей

5 10 15 20 25

щ масс %

ш 401

■ЕЭ

С

А

'О -.ТЪ

5 1) 15 20 Ъ

щ масс %

1ЕЭ

с «о

.0 Ег

5 10 15 я 25

щ м а с с %

Рис. 9. Содержание атомов Ей, ТЬ и Ег (кружки), кислорода (треугольники вершиной вниз) и углерода (треугольники вершиной вверх) в пленках А528ез:Еп(Й1с1)} в зависимости, от относительной концентрации комплексного соединения ш в исходной смеси, применяемой для напыления

Глава 6 «Исследование взаимодействия дейтериевой плазмы с первой стенкой в сферическом токамаке "Глобус-М"» содержит результаты исследования структуры и состава приповерхностных пленок, образовавшихся на стенках вакуумной камеры токамака.

«Глобус-М» - это первый в мире токамак, 90 % внутренней поверхности вакуумной камеры, непосредственно обращенной к дейтериевой плазме, защищено графитовыми тайлами толщиной от 5 до 10 мм, изготовленными из углерода 1ЮТ1-91 с различными присадками СП, В) [4].

При подготовке экспериментов внутренняя поверхность токамака дополнительно защищается регулярно наносимыми боро-углеродными пленками. Боронизация осуществляется путем осаждения на стенку продуктов разложения 1,12-дикарбакловододекарборана СзВ^Н^ в плазме тлеющего разряда в смеси гелия и 10-30 % карборана. Внутри токамака предварительно были помещены пластины кремния, на которые .также наносилась пленка-свидетель (Рис. 10). Для определения состава пленок использовались, ядерные реакции 12С(с1,р)13С и ,0В(с1,а)8Ве. Состав и толщины пленок, полученные после 80 разрядов плазмы, приведены в, таблице 4. За время работы токамака процесс боронизации повторялся -30 раз.

Рис. 10. Вертикальное сечение камеры токамака с указанием местоположения кремниевых пластин для исследования пленок и вид экспериментального спектра продуктов ядерных реакций для определения состава борЬ-углеродных пленок

Таблица 4. Элементный состав и толщина аморфных боро-углеродных пленок на кремниевых пластинах для различных позиций

Позиция Состав пленки Толщина пленки

а • В 0.32 ±0,02 С 0.52 Ре 0,16 0,03 мкм

Ь в <0,01 С 0.52 Ре 0,43 0,65 мкм

с В 0.27 ±0,02 с 0.55 Ре 0,18 0,1 мкм

й в 0,43 ± 0,02 С 0,47 Ре 0.10 0,3 мкм

■ ■ > • Образовавшиеся пленки имеют сложную микроструктуру, содержащую икосаэдры как карбида бора, так и бора. Водород в значительных количествах присутствует в пленках в виде СНП и ВН2-групп. Наличие железа в составе пленок связано с распылением материала сосуда во время процессов боронизации поверхности и работы токамака.

В диверторных конфигурациях токамака, когда плазма ограничена магнитным полем, наблюдается эффект «фокусировки» мощности вдоль выхода сепаратрисы на диверторные пластины (Рис. 11) [8].

Рис. И. Сечение нижней части вакуумной камеры токамака с вписанной в нее магнитной конфигурацией. Стрелками показаны потоки частиц и тепла на диверторные пластины. Цифрами указаны номера исследованных образцов и их положение в камере. №№ 1-8 — графитовые тайлы. № 12, № 14 и № 15 — образцы из нержавейки. Образец № 15 находится в откачном патрубке

Исследование графитовых тайлов №№ 1-8 из диверторной области после проведения -10000 разрядов плазмы показали:

• на поверхности тайлов образуются осажденные слои, состоящие из элементов, применяемых в конструкции камеры и при подготовке экспериментов: титан, железо, никель, медь, вольфрам, бор;

• эти элементы, за исключением входящего в состав графита титана, содержатся только в модифицированном приповерхностном слое толщиной от долей микрометра до нескольких микрон и не проникают в более глубокие слои тайлов (рис. 12).

Стальные образцы-свидетели № 12, № 14 и № ]5 были расположены в «теневых» зонах тайлов и были удалены из зоны непосредственного воздействия дейтериевой плазмы (Рис. 11). Они экспонировались в течение 2800 разрядов плазмы. По радиальной координате образцы № 12 и № 14 аналогичны образцам графитовых тайлов № 3 и № 1. Исследование их методами ядерного микроанализа (ОРР и ЯР) показало наличие в них вольфрама ((\У/Ре)„ < 0,05), углерода (№ 12 - 9-Ю17 ат/см2,

№ 14-7,8-Ю17 ат/см2, № 15-2,8-Ю17 ат/см2) и бора((№ 12 -5,4-Ю17 ат/см2, №14 - 1,51017 ат/см2, № 15 - 1,6-1017 ат/см2). Концентрации бора в приповерхностных слоях этих образцов коррелируют с данными, полученными у расположенных на той же радиальной координате /? углеродных тайлов (Рис. 11). Эти элементы проникают в стальной'образец на глубину до 1019 ат/см2 (рис. 13). ,

. -а

—•—\А/ (х10) - ж-сг+Ре

_ \

Л.

0,0 0,5 1.0 1,5 2,0

Глубина в углероде, мкм

Рис. 12. Концентрационные профили вольфрама (кружки^ концентрации для наглядности умножены на 10) и элементов железной группы (треугольники вершиной вверх) в зависимости от' глубины в приповерхностной области графитового тайла № 6 после взаимодействия с дейтериевой плазмой.

Концентрация, ат/см 3

10

5-10

2-10'

Глубина в железе, ат/см2

Рис. 13. Распределение элементов, по глубине в смешанном слое железного образца № 12 после взаимодействия с дейтериевой плазмой

При работе токамака с дейтериевой плазмой дейтерий может проникать в приповерхностную область тайлов и стальные стенки вакуумной камеры и там накапливаться. Содержание дейтерия в углеродных образцах определялось с помощью ядерной реакции Э (3Не,р)4Не, в стальных образцах - 0(<1,р)3Н (Табл. 5).

Распределение поглощенного дейтерия между различными поверхностями следующее: «затененные» области < 4 %; внутренние поверхности различных патрубков < 1 %; поверхность диверторных пластин 5 %; поверхности, удаленные от плазменных потоков, < 0,01 %. Наибольшее количество дейтерия удерживается в «затененных» зонах.

Таблица 5. Толщина дейтериевых пленок на образцах из вакуумной камеры токамака Глобус-М

Образец Матрица Контакт с Толщина пленки

образца плазмой дейтерия, 1017 ат/см2

1 ШЗТь91 прямой 36

2 1ШТь91 прямой 56

3 1ЮТь91 прямой 79

4 1ЮТь91 прямой 82

5 1ШТь91 прямой 100

6 1ЮТь91 прямой 120

7 1ШТ1-91 прямой -0,001

8 1ЮТи91 прямой -0,001

12 Ре В тени 32

14 Ре В тени 31

15 Ре В тени 18

Во время каждого впуска дейтерия в камеру примерно 10% его захватывается внутренней поверхностью. При этом дейтерий не проникает в объем материала поверхности, а остается в смешанном приповерхностном слое. Таким образом, изотопы водорода не накапливаются в теле углеродных тайлов. Возможно, это связано с высокой стойкостью легированных титаном графитов к эрозии и низкой способностью сорбировать изотопы водорода (а значит и тритий), чем и обусловлен проявляемый интерес к таким материалам.

В Приложении 1 приведены результаты расчетов для исследования глубинных концентрационных профилей углерода, азота, кислорода и

фтора в приповерхностных областях (до 1 мкм) золоченой вольфрамовой проволоки. ■

В Приложении 2 приведены результаты расчетов выхода мягкого рентгеновского излучения из глубинных (до 1 мкм) слоев золоченой вольфрамовой проволоки.

В Заключении подводятся итоги работы, кратко излагаются основные результаты и выводы.

Основные результаты:

I. Для исследования приповерхностных слоев материалов и тонких пленок материалов разработаны и- применяются экспрессные неразрушающие ядерно-физические методы количественного определения элементного состава и глубинных концентрационных профилей элементов: :

• спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния;

• спектроскопии ядерных реакций;

• ионного рентгеноспектрального анализа.

И. Для реализации этих методов в ПИЯФ им.Б.П.Константинова на пучках протонов и дейтронов ускорительного комплекса ЭСУ-2 разработан, создан и эффективно эксплуатируется уникальный измерительно-аналитический комплекс.

III. Объединение методов ядерного микроанализа в одном измерительно-аналитическом комплексе позволило существенно повысить экспрессность, чувствительность и точность анализа, разрешение при определении соседних элементов, разрешение по глубине с Щагом лучше 10 нм.

IV. Впервые на пучке ионов для исследования состава вещества создан спектрометр характеристического рентгеновского излучения с дисперсией по длине волны - кристалл-дифракционный.

V. Применение для исследования материалов пучков дейтронов позволило существенно повысить чувствительность и точность исследования состава и толщины пленок, в состав которых входят атомы с большими и малыми атомными номерами.'

VI. Предложен, модернизирован и впервые широко применен' для исследования модифицированных большими дозами облучения анодов газонаполненных детекторов метод спектроскопии ядерных реакций.

VII. С применением методов элементного анализа на пучках протонов и дейтронов исследованы и получены уникальные результаты при исследовании различных структур: ' ' ■ '

а) При исследовании модифицированных большими дозами облучения (до 10 Кл/см) электродов дрейфовых камер, работающих с газовой смесью Ar(Xe)+C02+CF4, обнаружен новый тип деградации (старения) анодов, изготовленных из золоченой вольфрамовой проволоки диаметром от 20 до 50 мкм. Он заключается в распухании анодной проволочки (swelling) и разрушении защитного золотого покрытия вольфрамовой проволоки, вызванного силами, действующими изнутри.

Причиной изменения структуры и размеров внешнего слоя электрода является проникновение образовавшихся в плазме ионов кислорода, фтора и других химически активных радикалов внутрь золотого покрытия, взаимодействие их с вольфрамовой основой проволоки с образованием химических соединений с меньшей плотностью, выход образовавшихся соединений (в том числе газообразных) к поверхности, разрушение золотого покрытия.

б) Определены оптимальные условия изготовления с/омагнетронным методом легированных эрбием пленок аморфного гидрогенизированного кремния, имеющих при комнатной температуре (Т = 300 К) наибольшую интенсивность фотолюминесценции ионов эрбия Ег3+ (до 0,5 %).

в) Определены оптимальные условия растворимости летучих комплексных соединений редкоземельных элементов Ln(thd)3 (Ln = Eu, Tb, Er) в тонких пленках халькогенидного стеклообразного полупроводника триселенида мышьяка, полученных методом со-испарения из двух источников, для которых наблюдается фотолюминесценция ионов эрбия.

; г) При исследовании свойств внутренних покрытий (защитных боро-углеродных пленок, углеродных тайлов) и незакрытых железных поверхностей вакуумной камеры сферического токамака Глобус-М установлено, что при взаимодействии с дейтериевой плазмой в них образуются смешанные слои толщиной от долей мкм до нескольких микрон. Слои состоят в основном из атомов углерода и бора и обогащены дейтерием и распыляемыми от деталей токамака элементами. Захват дейтерия происходит неравномерно по внутренней поверхности токамака и Изменяется от <0,01 ат.% до 5 ат.%. При этом дейтерий не проникает в объем тайлов, а остается в поверхностном смешанном слое.

Список цитируемой литературы

1. ' Фелдман Л., Майер Д.Э., Основы анализа поверхностей и тонких пленок. 1989.

М; Мир. 344 с.

2. Price M.J., LHC-project // Nucí. Instr. and Meth., 2002. A478. № 1-2.

P. 46-61.

3. . Proceedings of the International Workshop on Aging Phenomena in Gaseous

Detectors, DESY, Hamburg, Germany, October 2-5, 2001// Nucl. Instr. and Meth.

. 2003. A515.385 p. .

4. Гусев В.К., ГолантВ.Е., Гусаков Е.З. et al. Сферический токамак Глобус-М • //Журнал технической физики. 1999. Т. 69. № 9. С. 58-62.

5. Bresler М.С., Gusev О.В., Kudoyarova V.Kh. et al., Room-temperature photoluminescence of erbium-doped amorphous hydrogenated silicon.// Proc. SPÍE. 1996. V. 2706. C. 260-264.

6. Ovshinsky S.R., Chemical modification of amorphous chalcogenide // In Amorphous and Liquid Semiconductors. 1977. Edinburg. P. 517-523.

7. Козюхин С.А., Маркова H.A., Файрушин A.P. et al., Модифицирование аморфных пленок халькогенидов мышьяка комплексными соединениями РЗЭ // Неорганические материалы. 2004. Т. 40. № 8. С. 908-914.

8. Сайке А. Физика сферических токамаков // Журнал технической физики. 1999. Т. 69. № 9. С. 50-58.

Список публикаций с основными результатами диссертации

1. Андриенко В.Б., Анисович К.В., Лебедев В.М. и др., Кристалл-дифрак-циоиный спектрометр с протонным возбуждением рентгеновской флуоресценции//Приборы и техника эксперимента, 1983, № 3, С. 191-193.

2. Андриенко В.Б., Анисович К.В.", Лебедев В.М. и др., Рентгенофлуоресцеитный анализ с кристалл-дифракционным спектрометром при протонном возбуждении. // Сборник "Прикладная ядерная спектроскопия". 1984. Вып. 13. Энергоатомиздат. С. 178-180.

3. Дюмин А.Н., Лебедев В.М. Элементный анализ на электростатическом ускорителе. // Материалы III Всесоюзной конференции «Микроанализ на ионных пучках", г. Сумы. 17-19 сентября 1990. Редакционно-издательский отдел обл. управления по печати. 1991. С. 3-16.

4. Дюмин А.Н., Лебедев В.М., Смолин В.А. Точное определение содержания кислорода в материалах с помощью ядерных реакций. // Материалы III Всесоюзной конференции "Микроанализ на ионных пучках", г. Сумы. 17-19 сентября 1990. Редакционно-издательский отдел обл. управления по печати. 1991. С. 57-62.

5. Дюмин А.Н., Кудрявцев И.В., Лебедев В.М. и др., Особенности формирования приповерхностного слоя фторсодержащих стекол // Физика - и химия стекла.1991. Т.17. № 2. С. 307-315.

6. Вербицкая Е.М., Еремин В.К., Лебедев В.М., К вопросу о радиационной стойкости планарных детекторов на основе высокоомного кремния // Письма в Журнал технической физики. 1992. Т. 18. Вып. 24. С. 69-73.

7. Вербицкая Е.М., Грехов И.В., Лебедев В.М. Исследование распределения кислорода в пленочных структурах ВТСП - изолятор на пучке легких ионов II Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1992. Т. 5. № 9. С. 1673-1679.

8. Дюмин А.Н., Еремин В.К., Лебедев В.М. и др., Количественный анализ глубинного распределения кислорода с помощью ядерной реакции на дейтронах. // Журнал технической физики. 1993. Т. 63. Вып. 9. С. 166-172.

9. Гаврилов Г.Е., Крившич А.Г., Лебедев В.М. и др., Анализ состава и структуры поверхностных пленок на анодных проволоках пропорциональных камер методами ядерного микроанализа. // Труды XII Международной конференции по электростатическим ускорителям, г. Обнинск. 25-28 ноября 1997 г. 1999. С. 60-65.

10. Лебедев В.М., Лукьянов 10.Г., Смолин В.А. Аналитический комплекс для исследования материалов методами ядерного микроанализа. // Труды XIII Международной конференции но электростатическим ускорителям, г. Обнинск Калужской обл., 25-28 мая 1999 г. 2000. С. 60 - 66.

11. Евмененко Г.А., Лебедев В.М., Лебедев В.Т. и др., Исследование сверхпроводящих кристаллов методами рассеяния нейтронов и ядерного микроанализа. // Письма в Журнал технической физики. 1998. Т. 24. Вып. 4. С. 47-51.

12. Алексеев Е.Г., Грушко Ю.С., Лебедев В.М. Количественный анализ эидоэдрических металлофуллеренов с помощью обратного резерфордовского рассеяния // Письма в Журнал технической физики. 1999. Т. 25. Вып. 10. С. 24-30.

13. Бирюлин Ю.Ф., Лебедев В.М., Миков С.Н. и др., Некоторые физические свойства и элементный состав пленок звездообразных фуллерен содержащих полистролов. // Физика твердого тела. 2000. Т.42. Вып. 10. С. 1904-1910.

14. Звонарева Т.К., Лебедев В.М., Полянская Т.А. и др., Элементный состав и электрические свойства пленок а-С:Н<Си>. полученных магнетронным распылением // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34, Вып. 9. С. 1135-1141.

15. Луцев Л.В., Звонарева Т.К., Лебедев В.М., Электронный транспорт в гранулированных пленках аморфного углерода с наночастицами кобальта. // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. № 15. С. 84-89.

16. Коньков О.И., Теруков Е.И., Лебедев В.М. Получение и свойства аморфных : гидрированных пленок карбида бора. // Труды 12 Международного

симпозиума «Тонкие пленки в электронике. "ISTEE-12"». Харьков. Украина. 23-27 апреля 2001 г. Изд-во ХФТИ. С. 214-216.

17. Звонарева Т.К., Иванова Е.И., Лебедев В.М. и др., Колебательная спектроскопия а-С:Н<Со> II Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36. Вып. 6. С. 734-740.

18. Алексеев И.А., Воронина Т.В., Лебедев В.М. и др., Использование ядерной реакции lsO(p,a)'5N для экспрессного определения концентрации кислорода-18 в воде // Научно-технический сборник «Вопросы Атомной Науки и Техники». Серия «Физика ядерных реакторов». 2002. Вып. 1/2. Москва-Саров. С. 151-155.

19. Kotina I.M., Lebedev V.M., Jives A.G. et al., Study of the lithium diffusion in nanoporous carbon materials produced from carbides. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2002. V. 299-302. Part 2, P. 815-819.

20. Kotina I.M., Lebedev V.M., lives A.G. et al., On phase composition of the lithiated samples of nanoporous carbon produced from carbides // Journal of Non-Crystalline Solids, 2002. V. 299-302. Part 2. P. 820-823.

21. Sakharov N.V., Ananiev A.S., Lebedev V.M. et al., Study of Vacuum Vessel Boronization in Globus-M Tokamak. // Pros, of 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. Montreux. Switzerland. 17-21 June 2002. P. 5.078-081.

22. Ундалов Ю.К., Теруков Е.И., Лебедев B.M., Изучение влияния кислорода на интенсивность фотолюминесценции эрбия в пленках u-SiOx:H<Er>, полученных dc-магнетронным способом. // Сборник трудов III Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". С.-Петербург. 2-4 июля 2002 г. Изд-во СПбГПУ. С. 40-41.

23. Ferguson Т., Gavrilov G.E., Lebedev V.M. et al., The effect of oxygen on anode wire swelling under high-accumulated dose. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2002. A478. N 1/2. P. 254-258.

24. Gavrilov G.E., Krivchitch A.G., Lebedev V.M. et al., Aging investigation of the straw drift-tubes using nuclear reaction analysis. // Nuclear Instruments and Methods

- in Physics Research. Section 2. 2002. A478. N 1/2. P. 259-262.

25. Ferguson Т., Gavrilov G.E., Lebedev V.M. et al., Anode wire swelling — a possible . new phenomenon for anode wire aging under high-accumulated dose. // Nuclear

Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2002. A483. N 3. P. 698-712.

26. Ананьев A.C., Коньков О.И., Лебедев B.M. и др., Получение и свойства пленок аморфного гидрогенизированного карбида бора. // Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36. Вып. 8. С. 1006-1009.

27. Ferguson Т., Gavrilov G.E., Lebedev V.M. et al., Swelling phenomena in an anode wire aging under a high accamulated dose. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2003. A515. N 1/2. P.266-277.

28. Gavrilov G.E., Krivchitch A.G., Lebedev V.M., Application of Nuclear Reaction Analysis for aging investigations of detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2003. A515.N 1/2. P.108-117.

29. Ундалов Ю.К., Теруков Е.И., Лебедев B.M. и др., Влияние площади эрбиевой мишени и кислорода на состав пленок a-SiOx:H<Er>, полученных dc' магнетронным способом, и интенсивность фотолюминесценции эрбия. //

Сборник трудов IV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", С.-Петербург. 5-7 июня 2004 г. С. 71-72.

30. Лебедев В.М., Определение стехиометрии пленок ядерно-физическими методами // Сборник трудов IV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". С.-Петербург. 5-7 июня 2004 г. С. 329-330.

31. Гамарц А.Е., Лебедев В.М., Мошников В.А. и др., Определение профиля диффузии кислорода в поликристаллических слоях селенида свинца методами ядерного микроанализа. // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. Вып. 10. С. 1195-1198.

32. Латухина Н.В., Лебедев В.М. Распределение компонентов в структурах "кремний-оксид кремния" и "кремний-оксид редкоземельного элемента". // Письма в Журнал технической физики. 2005. Т. 31. Вып. 13. С. 58-64.

33. Алиев Р.А., Андреев В.Н., Лебедев В.М. и др., Влияние вакуумной термообработки тонких пленок диоксида ванадия на фазовый переход металл-полупроводник // Журнал технической физики. 2005. Т. 75. Вып. 6. С. 81-84.

34. Лебедев В.М., Васильев А.А., Взнуздаев М.Е. и др., Изготовление, определение состава и толщины самоподдерживающихся тонких углеродных пленок. //

' Сборник трудов V Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". С.-Петербург, 19-21 июня 2006 г. Издательство Политехнического университета. С. 114-115.

35. Лебедев. В.М., Крившич А.Г., Смолин В.А., Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций. // Научно-технический сборник «Вопросы атомной науки и техники». Серия: «Физика

, ядерных реакторов». 2006. Выпуск 2. Москва. С.48-55.

36. Кудоярова В.Х., Козюхин С.А., Лебедев В.М. и др., Состав аморфных пленок As2Se3, модифицированных комплексным соединением Ln(thd)3, (Ln=Eu, Tb), по данным ядерного микроанализа. // Неорганические материалы. 2006. Т. 42. № 8. С. 939-944.

37. Гурьянов A.M., Пашин А.В., Лебедев В.М. и др. Распределение компонентов в кремниевых МДМ-структурах с диэлектрическими пленками из оксидов редкоземельных элементов. // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2006. № 2. С. 147-154.

38. Brazhkin V.V., Ekimov Е.А., Lebedev V.M. et al., Lattice parameters and thermal expansion of superconducting boron-doped diamonds // Physical Review. 2006. B74. № 14. P. 140502-1-140502-4.

39. Данишсвский A.M., Лебедев B.M., Рогачев А.Ю. и др., Фотолюминесценция слоев Si02, приготовленных на пленках (З-SiC, и анализ их элементного

■ состава.//Физика твердого тела. 2007. Т. 49. № 5. С. 791-797.

40. Kozyukhin S.A., Kudoyarova V.Kh., Lebedev V.M. et al., Rutherford backscattering spectroscopy and surface morphology of amorphous As2Se3 films modified with complex compounds Ln(thd)3 (Ln=Eu, Tb, Er, Yb). // Physics and Chemistry of Solids, 2007, V. 68. Issues 5-6. P. 1117-1120.

41. Лебедев B.M., Крившич А.Г., Смолин В.А. Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций. // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. № 3. С. 461-467.

42. Кудоярова В.Х., Козюхин С.А., Лебедев В.М., Исследование фотолюминесценции и состава аморфных пленок As2Se3, модифицированных комплексным соединением Er(thd)3 // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41. Вып. 8: С. 934-940.

43. Krivchitch A.G., Lebedev V.M., Application of nuclear analysis for the fluorine content measurements under the aging investigations of gas-filled particle detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2007. A381. N 1. P. 167-170.

44. Ундапов Ю.К., Теруков Е.И., Лебедев В.М. и др., Связь состава пленок a-Si0x:H<Er,0> и интенсивности фотолюминесценции ионов эрбия с изменениями электрического поля в dc-магнетроне // Сборник трудов VI Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". С.-Петербург. 7-9 июля 2008 г. Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета. 2008. С. 34-35.

45. Кудоярова В.Х., Козюхин С.А/, Лебедев В.М. и др., Исследование фотолюминесценции и состав аморфных пленок As2S3, модифицированных комплексным соединением Eu(thd)3.// Сборник трудов VI Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". С.-Петербург. 7-9 июля 2008 г. Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета. 2008. С. 190-191.

46. Ундалов Ю.К., Теруков Е.И., Лебедев В.М. и др., Влияние электрического поля при получении пленок a-SiOx :Н<Ег,0> методом магнетронного распыления на постоянном токе на их состав и интенсивность фотолюминесценции ионов эрбия, // Физика и техника полупроводников, 2008, № И, с. 1357-1362.

47. Gusev V.K., Alimov V.Kh., Lebedev V.M. et al., Plasma-Wall Interaction in the Open Divertor of Globus-M Spherical Tokamak. // Proc. of 22nd IAEA Fusion Energy Conference (13-18 October 2008, Geneva, Switzerland), EX/P4-10.

48. Gusev V.K., Alimov V.Kh., Lebedev V.M. et al., Recrystallized Graphite Utilization as the First Wall Material in Globus-M Spherical Tokamak // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 386-388. P. 708-711.

49. Gusev V.K., Alimov V.Kh., Lebedev V.M. et al., In-vessel surface layer evolution during plasma-wall interaction in the Globus-M spherical tokamak // Nuclear Fusion, 2009, V. 49. № 9. P. 095022 (6 pp).

50. Gusev V.K., Aleksandrov S.E., Lebedev V.M. et al., Overview of results obtained at the Globus-M Spherical Tokamak II Nucl. Fusion, 2009. V. 49. № 10. P. 104021 (11 pp).

51. Латухина H.B., Лебедев B.M., Журавель Л.В. и др., Легирование кремния методом диффузии // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2009, № 2. С. 13-16. •

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 220, тир. 100, уч.-изд. л. 2; 18.06.2010 г.