Комплексная система для использования в экспериментах в области пучковых технологий на базе импульсного сильноточного источника электронов и ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Обзор импульсных сильноточных электронных и ионных источников (ИСИЭИ)

1.1. Плазменные газоразрядные источники

1.2. Источники с разрядным катодом

1.3. Источники с автоэмиссионными эмиттерами

1.4. Импульсные сильноточные источники с взрывной электронной и ионной эмиссией

1.5.Краткое заключение по главе

Глава 2 . Экспериментальная установка для получения электронных и ионных пучков

2.1. Описание ИСИЭИ

2.2. Автоматизированная система управления и контроля ИСИЭИ

2.3. Диагностическая аппаратура для контроля параметров ИСИЭИ

2.4. Краткие выводы по главе

Глава 3. Автоматическая система экспресс анализа облучаемых образцов

3.1. Снятие вольт-амперных характеристик

3.2. Измерение удельного сопротивления

3.3. Измерение ёмкостных характеристик

3.4. Программное обеспечение системы экспресс-анализа облучаемых образцов

3.5. Краткое заключение по главе

Глава 4. Применение комплексной системы пучковых технологий

КСПТ) в экспериментах по напылению, . синтезу и модификации новых материалов

4.1. Модифицированные методом пучковых технологий графитовые взрывоэмиссионные электроды

4.2. Структурные изменения никелевой фольги, полученные в результате облучения импульсным сильноточным электронным пучком

4.3. Напыление, модификация и синтез р- фазы углеродно-азотистых C3N пленок

4.3.1. Экспериментальная аппаратура и режимы напыления

4.3.2. Результаты измерений CN плёнок 4.4. Краткие выводы по главе 4 Заключение

Импульсный сильноточный источник электронов и ионов (ИСИЭИ), в основе которого лежит явление " взрывной электронной эмиссии" /10/ и "взрывной ионной эмиссии" /ш, был создан в Лаборатории физики частиц ОИЯИ в 1981 г. Эксплуатация установки ИСИЭИ в течение продолжительного времени показала её высокую надёжность. В течение всего этого времени она подвергалась изменениям в связи с различными применениями, но в целом её структурная схема оставалась одна и та же. Все эти годы установка эффективно использовалась для ведения исследований в области сильноточных пучков, в прикладных экспериментах по напылению, синтезу и модификации новых материалов. В последнее время акцент исследовательских работ на установке ИСИЭИ всё более смещается к решению прикладных задач. Работы в области поверхностной модификации материалов ставят задачи по исследованию новых методов синтеза материалов, таких как CN, SiC и др., которые находят широкое применение в промышленности. (Как пример: графит в электротехнике; карбид кремния SiC- как полупроводник для высокотемпературного применения и др.) Это привело к необходимости создания комплексной системы для проведения экспериментов в области пучковых технологий (КСПТ). В комплекс КСПТ входят:

- импульсный сильноточный источник электронов и ионов ИСИЭИ, на котором создаются пучки электронов и ионов;

- автоматическая система экспресс-анализа облучаемых образцов (СЭА),. предназначенная для оперативной коррекции режимов облучения.'

На рис. 1 представлена структурная схема комплекса КСПТ.

Целью диссертационной работы является: 1. Создание комплексной системы КСПТ для использования в экспериментах в области пучковых технологий:

- создание автоматизированной системы управления и контроля ИСИЭИ;

- создание автоматической системы экспресс- анализа (автоматическое измерение электрических параметров облучаемых образцов).

2. Использование КСПТ для экспериментов в бласти пучковых технологий:

- модификация материалов при их облучении сильноточными электронными пучками;

- разработка новых технологий по напылению и модификации материалов.

ИСИЭИ

СЭА ibm/at

Рис. 1. Структурная схема комплексной системы КСПТ

В данной работе представлена разработанные автором диссертации автоматизированная система управления и контроля действующей сильноточной установки ИСИЭИ, и автоматическая система экспресс- анализа облучаемых образцов, объединённые в единый технологический комплекс КСПТ, предназначенный для исследовательской работы в области пучковых технологий. Приводится описание созданного пакета программ, поддерживающего работу комплекса КСПТ. Основной вклад в разработку программного обеспечения был осуществлён автором диссертации.

Приведены результаты модификации поверхности графита и никеля сильноточным импульсным электронным пучком. Предложен новый метод напыления, модификации и синтеза материалов сильноточными электронными и ионными пучками. Таким методом на установке ИСИЭИ были получены углеродно- азотистые плёнки C3N4 с синтезированной р- фазой, обладающие уникальными физическими свойствами. Эти плёнки по твёрдости относятся к разряду алмазноподобных.

Данная работа является частью исследований по тематике Лаборатории физики частиц Объединённого института ядерных исследований. Диссертация состоит из четырёх глав, введения и заключения.

Первая глава посвящена обзору импульсных сильноточных источников электронов и ионов и применению их в современной технике.

Во второй главе содержится описание установки ИСИЭИ, на которой проводились все эксперименты, представленные в данной диссертационной работе. Приводится описание системы автоматического управления установки, диагностическая аппаратура для контроля параметров установки, параметров пучка.

В третьей главе представлено описание автоматической системы экспресс-анализа (СЭА) облучаемых образцов. Эта система позволяет снимать вольт-амперную характеристику образца; измеряет "зондовым" методом удельное сопротивление; измеряет ёмкостные параметры. Приводится описание пакета программ, поддерживающих работу системы СЭА.

В четвёртой главе представляются результаты экспериментов по модификации и синтезу материалов.

На защиту выносятся следующие тезисы: 1. Разработана и создана комплексная система для проведения экспериментов в области пучковых технологий:

- разработана и создана автоматизированная система управления сильноточного источника ИСИЭИ;

- разработана и создана автоматическая система экспресс-анализа облучаемых образцов;

- разработано и создано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс измерения, а также осуществлять диагностику и тестовый контроль электронной аппаратуры, проводить обработку полученных данных в результате измерений. электронной аппаратуры, проводить обработку полученных данных в результате измерений.

2. На комплексе КСПТ была разработана методика модификации графитовых электродов сильноточным электронным пучком, что дало возможность создать электроды для высоковольтной техники, обладающие зазором с повышенной электрической прочностью.

3. Обнаружен эффект изменения кристаллического параметра решётки а в зависимости от длительности облучения никелевой пластины сильноточным пучком электронов.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах /32,33,50,51,52,66/, обсуждались на научно-методических семинарах Лаборатории физике частиц ОИЯИ, докладывались на XI международной конференции по импульсной технике (Балтимор,США,1997г), на ежегодных симпозиумах Лаборатории физики поверхностей, (университет Rutgers, NJ, USA), 1998,1999, Международной конференции по металлургическим плёнкам и покрытиям (Сан-Диего, апрель, 97, США).

Заключение

1. Разработана и создана комплексная система (КСПТ) на базе импульсного сильноточного источника электронов и ионов (ИСИЭИ) для проведения экспериментов в области пучковых технологий. При этом были решены следующие задачи:

- разработана и создана автоматизированная система управления и контроля установки ИСИЭИ;

- разработана и создана автоматическая система экспресс-анализа облучаемых образцов. (Автоматическое измерение электрических параметров облучаемых образцов).

- разработан и создан пакет программ, поддерживающий автоматическую работу комплексной системы КСПТ.

2. На КСПТ при проведении экспериментов по напылению , модификации и синтезу материалов были получены следующие новые результаты:

- разработана пучковая технология создания "взрывных" электродов с улучшенными механическими и электрическими свойствами путём облучения графитовых поверхностей сильноточным импульсным электронным пучком;

- получен эффект изменения параметра решётки а никелевой фольги в зависимости от длительности облучения сильноточным импульсным электронным пучком.

В заключении считаю своим приятным долгом выразить благодарность своим научным руководителям д.т.н. Кореневу С.А., к.т.н. Сиколенко В.В. за помощь в работе над материалами, вошедшими в диссертацию, на всём протяжении работы, к.ф.м.н. Иванову И.Н., к.т.н. Минашкину В.Ф., к.т.н. Стрекаловскому О.В , д.т.н. Тютюнникову С.И., Пиляру Н.В., Малахову Н.А., Попову С.А. за полезные обсуждения и сотрудничество.

1.Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. М. Атомиздат. 1977г.

2. Н.В. Гаврилов, В.М. Ковальчук, Ю.Е. Крейндель и др. Высоковольтный электронный источник с плазменным эмиттером для формирования пучков большого сечения. ПТЭ, 1981 г, №3.

3. С.С.Денисов ,Успенский Н.А.,Федяков В.П. Применение самостоятельного тлеющего разряда для генерации электронного пучка большого сечения. Препринт НИИЭФА, N-II-K-0566, Ленинград 1988г.

4. Бугаев С.П.,Ельчанинов Е.А.,Загугов Ф.Я. и др: Сильноточный импульсный ускоритель электронов. ПТЭ, 1970г.

5. Месяц Г.А. Импульсные сильноточные электронно-лучевые устройства и их применение в технологии. В кн. Труды Международной конференции по элеутронно-лучевым технологиям. Изд. БАК, София, 1985г, с144.

6. Габович М. Д., Плешивцев Н. В., Семашко Н. Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М., Энергоатомиздат, 1986.

7. Молоковский С. И., Сушков А. Д. Интенсивные электронные и . ионные пучки: М., Энергоатомиздат, 1991.

8. С.П.Бугаев,Ю.Е.Крейндель,П.М.Щанин. Электронные пучки большого сечения. Энергоатомиздат 1984г

9. Г.А.Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. Советское радио, 1974г.

10. Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А.,Проскуровский Д.И.

11. Взрывная эмиссия электронов, УФН, 1975, т. 115, в.1,стр. 101.

12. Коренев С.А. Взрывная эмиссия многозарядных ионов. Труды 2 семинара молодых учёных ОИЯИ в области экспериментальной физики. ОИЯИ № Р15-85-862,1985 с. 4.

13. Коренев С. А. Сообщение ОИЯИР-13-89-390, 1989, Дубна, ОИЯИ

14. А.Ф. Александров, С.Ю. Галузо. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков. МГУ, 1991г.

15. Абрамян Е.А., Альтеркоп Б.А., Кулешов Е.Д. Интенсивные электронные пучки. Физика, техника, применение. М. Энергоиздат, 1984 г.

16. Коренев С.А. Формирование электронных пучков в сильноточном диоде. Сообщение ОИЯИ, № 9-81-573, Дубна, 1981.

17. Коренев С. А .Импульсный взрывоэмиссионный диод. Труды III Всесоюзного семинара по плазменной электрники. Харьков, 1988, с.93.

18. Коренев С.А. Взрывная эмиссия многозарядных ионов. Труды II семинара молодых учёных ОИЯИ в области экспериментальной физики. ОИЯИ,No Р15-85-862, 1985, с.4.

19. В.Н.Аносов, Ю.Н.Денисов, А.В.Калмыков, А.Н.Любенко,Д.Л.Новиков, М.Чигак. Автоматическое управление фазой пролёта пучка в изохронном циклотроне. ОИЯИ, Р9-9144,Дубна, 1975.

20. V.N.Anosov, M.Chihak, Yu.N.Denisov, A.V.Kalmykov, A.N.Lubenko. The System of Automatic Beam Phase Measuring and Control for the Isochronous Cyclotron. Seventh International Conference on Cyclotrons and their Application, Zurich,1975,p.62.

21. Глазов A.A.,Калмыков A.B.,Новиков Д.Л., Труды Десятого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ, Д9-87-105,Дубна,т.1, с 103.

22. А.В.Калмыков, М.Н.Борисова. Математическое обеспечение системы стабилизации источников питания электронной модели циклотрона. ОИЯИ,9-90-164,Дубна,1990.

23. А.В. Калмыков, М.Н.Борисова. Программные средства для определения параметров системы стабилизации источников питания электронной модели изохронного циклотрона. ОИЯИ, 9-90-165, Дубна, 1990.

24. А.В.Калмыков, Р.Д.Кудряшова, А.С.Устинов. Управляемые от ЭВМ источники питания электронной модели изохронного циклотрона. ОИЯИ, 9-90-166, Дубна,1990.

25. В.В.Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М. Энергоатомиздат, 1990.

26. Б.Г.Фёдорков, В.А.Телец. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.,Энергоатомиздат, 1990.

27. П.Гапет. Аналоговые устройства для микро-процессоров и мини-ЭВМ. М.,Мир, 1981.

28. Коренев С.А.,Баранов А.М.ДСостюченко С.В.,Черненко Н.М Катод со взрывной эмиссией на основе волокнистого пластика. Препринт ОИЯИ,№13-88-92,Дубна, 1988.

29. Коренев С.А. Увеличение токоотбора с графитвого катода. ПТЭ, 1983,Мб,с. 193.

30. Акапьев Г.Н.,Коренев С. А.,Эмиссионные характеристики плёночного взрывоэмиссионного катода, изготовленного с помощью трековой методики. В кн.: Труды 7Всесоюзного Симпозиума по сильноточной электронике,Томск,1988,ч.2,с.4б.

31. Коренев С.А.,Лигачёв А.Е., Мешков И.Н.,Переводчиков В.И. 1 Международный симпозиум Пучковых Технологий (ВТ95),Дубна, 1995,т. 1,с.З.

32. С.А.Коренев,А.М.Баранов, С.В.Костюченко, Н.М.Черненко, Катод со взрывной эмиссией на основе волокнистого углепластика. Сообщение ОИЯИ, № 13-88-292, 1988.

33. Korenev S.A.,Kalmykov A.V. Improving of electrical vacuum insulation between electro-grade graphite electrodes. 11-th IEEE International Pulsed Power Conference,vl,p.525.Baltimore,Maryland, USA, 1997.

34. Korenev S.A.,Kalmykov A.V., The pulse high- current electron-ion-cluster source for the deposition of films fnd coatings.,Surface & Coatings Technology, 108-109 (1998) 265-270.

35. Диденко A.H.,Лигачёв A.E.,Куракин И.В. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М. Энергоатомиздат,1987.

36. Коренев С.А.,Лигачёв Е.А.,Мешков И.Н.,Переводчиков В.И. Международный Симпозиум по Пучковым Технологиям (ВТ95), Дубна,ml, с.3,1995.

37. Коренев С.А. ,БалалыкинН.И.,ЕнчевичЕ.Б.,Михов М.К. ПТЭ, 1985,№5,с. 190.

38. Gies M.W.,Tamor М.А. Encyklopedia of Applied Physics, vol.5,1993,p.1.

39. Коренев C.A. и др. Приборы и Экспериментальная Техника, 1995, т. 38,№3, ч.2,с.411.

40. Стефановский A.M., Пояс Роговского для измерения токов наносекундной длительности. ПТЭ, 1967,N2,cl49.

41. Пеллинен Д., Цилиндр Фарадея для измерения больших токов. Приборы для научных исследований,1970, N9, с74.

42. Е.Г. Крастелёв, Г.О.Месхи, Б.НЛблоков. Измерение энергетическго спектра сильноточных электронных пучков. ПТЭ, 1976, №3, с. 39.

43. Антюхов В.А. и др. Сообщение ОИЯИ 10-11636, Дубна,1978.

44. Антюхов В. А. и др. Сообщение ОИЯИ 10-87-928, Дубна, 1987.

45. Гарет.П Аналоговые устройства для микропроцессров и мини-ЭВМ. М.: Мир, 1981.

46. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов.

47. Москва, Высшая школа, 1987.

48. С.А.Коренев, Н.И.Балалыкин, В.В.Сиколенко, О.Л.Орелович, Д.М.Широков. Техника эксперемента,,38,№3, Часть 2, (1995) 411.

49. Е.А.Абрамян,В.А.Альтеркоп,Г.Д.Кулешов.,Интенсивные электронные пучки, Москва, Энергоиздат, 1984.

50. Ю.К.Акимов и др., Полупроводниковые детекторы в эксперементалъной физике. Москва, Энергоатомиздат, 1988.

51. В.С.Вавилов,Н.П.Кекелидзе,Л.С.Смирнов. Действие излучений на полупроводники, М., Наука, 1986

52. А.В.Калмыков,С.А.Коренев,Н.А.Малахов,Н.В.Пиляр,С.А.Попов. Автоматизированная система управления и контроля импульсного сильноточногоисточника электронов и ионов. Сообщение ОИЯИ,Дубна,Р9-98-158, 1998.

53. S.A.Korenev, A.J.Perry ,A.Elkind,A.V.Kalmykov. Deposition of carbon nitride films by vacuum ion diod with explosive emission. Thin solid film, 308-309 (1997) 233-238, USA.

54. И.К.Взоров, А.В.Калмыков, С.А.Коренев, В.Ф.Минашкин, В.В.Сиколенко. Автоматическая система экспресс-анализа облучаемых образцов. Сообщение ОИЯИ,РЮ-99-192, Дубна, 1999.

55. А.Ф.Александров, С.Ю.Галузо. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков. Московский университет, 1991.

56. S.A.Korenev, B.F.Valentovich, V.V.Sikolenko, in: Proc. 1 stNatl. Conf High Temperature Superconductivity, Krakov, 1988, pp. 166-167.

57. S.A.Korenev. Nuclear Instruments and Methods in Phisics Resaarch B80/81 (1993) 242.

58. F.M. Charbonnier, C.J. Bennete, L.W. Swanson, Jour. ofAppl. Phis., 1967, v.38, p.627.

59. A.Y. Liu, M.L. Cohen, Science,245 (1989) 841.

60. H. Gavenman, S. Meting, D.D. Saperstein, Phis. Rev. B. 39 (1989) 921. .

61. C. Niu, Y. Lu, C. Lieber, Sience, 261 (1993) 334.

62. A. Bousetta, M. Lu, A. Bensauola, Appl. Phis. Lett., 65 (1994) 696.

63. K.M. Yu, M.L.Kohen, E.E. Haller, W.L. Hansen, A.Y. Liu, 1С. Wu, Phis. Rev. B, 49 (1994)5034.

64. S.A. Korenev, N.I. Balalikin, V.Y. Sikolenko, O.L. Orelovich, D.M. Shirokov.

65. J. Instrum. Exper., 38, No. 3, Part 2 (1995) 411. 63. C.A. Коренев. Труды 3 Международной Конференции по электронно-лучевым технологиям, ЕВТ"91, Варна, 1991, с. 607.

66. Р. Латам, Вакуумная изоляция установок высокого напряжения,М., Энергоатомиздат, 1985.

67. Е.Е. Halleren, M.L. Gohen, W.L. Hansen, U.S. Patent 5 110679 (1992).

68. И.П. Свиньин, Расчёт и проектирование высоковольтных ускорителей электронов для радиационных технологий, М., Энергоатомиздат, 1989.

69. A. Khurshadov, K. Kato, S. Daisule, J. Vac. Sci. Ttchnol. A, 14 (1996) 2935.

70. Р.Б.Бакшт, Б.А.Камбламбаев, Н.А.Ратаев, Журнал Технической Физики, 1980, T.50.N3, с. 487-491.

71. Б.А. Демидов, М.В. Ивкин, В.А. Петров, B.C. Углов, В.Д. Чеджемов, ЖТФ, т.50, №10, 1980, с. 2205.