Создание и исследование высокоэффективных фотокатодов и сверхсветовых генераторов электромагнитных импульсов на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Брендель Вадим Михайлович

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ФОТОКАТОДОВ И СВЕРХСВЕТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ИХ ОСНОВЕ

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

5 ФЕЗ 2015

Москва, 2014 г.

005558686

005558686

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Научный руководитель:

Гарнов Сергей Владимирович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, заместитель директора.

Официальные оппоненты:

Шкуринов Александр Павлович, доктор физико-математических наук, МГУ имени М.В. Ломоносова, Физический факультет, Отделение радиофизики, Кафедра общей физики и волновых процессов, доцент.

Коновалов Павел Игоревич, кандидат технических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. H.JI. Духова, начальник научно-исследовательского отдела. Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН).

Защита диссертации состоится 02.03.2015 в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разосланном.2015. Ученый секретарь

диссертационного совета

/Воляк Т. Б./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время актуальна задача разработки мощных генераторов импульсного СВЧ-излучения для целей радиолокации, передачи данных и специальных применений. Особый интерес при этом представляют так называемые сверхсветовые генераторы сверхширополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ), в которых волна электронного тока, бегущая с фазовой скоростью, большей скорости света, формирует черепковский источник электромагнитного излучения. Пиковая мощность излучения, генерируемого в таких генераторах, пропорциональна ускоряющему напряжению, площади поверхности источника и плотности электронного тока. Отличительной особенностью сверхсветовых генераторов является возможность использования в них излучающих поверхностей со сложной геометрией, которые позволяют совместить в одном устройстве излучатель и систему формирования фронта электромагнитной волны в дальней зоне.

Разработке и созданию сверхсветового генератора СШП ЭМИ с прямым лазерным инициированием бегущей электронной волны посвящена значительная часть данной диссертации. В работе проведены исследования по созданию эффективных электронных эмиттеров на основе УФ-фотокатодов. Создан генератор СШП ЭМИ на базе изготовленного широкоапертурного Си1-фотокатода. Проведено численное моделирование генерации электромагнитного импульса в таком генераторе. Продемонстрирована работоспособность экспериментального образца генератора, проведены исследования параметров выходного излучения.

Особое внимание в работе уделено созданию и исследованию фотокатодов как эффективных источников сверхсветовой волны электронного тока.

Твердые фотокатоды можно разделить на группы по методу приготовления, химическому составу и химической активности по отношению к окружающей среде. К первой группе относятся фотокатоды, приготавливаемые методом вакуумного испарения: это фогокатоды на основе соединений галогенидов: Csl, Nal, CsBr, Cul. Они чувствительны в УФ-области и могут быть относительно стабильны в окружающем воздухе, что существенно упрощает процедуру сборки конечного устройства.

Другую группу составляют фотокатоды для видимой и ближней УФ-области, изготовленные методом активации парами щелочных металлов: это сурьмяно-цезиевый (Cs-Sb), бищелочной (Cs-K-Sb) и теллур-цезиевый (Cs-Те) фотокатоды. Из-за высокой химической активности эти фотокатоды не могут контактировать с воздухом.

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход QY ■— число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина QY определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. Работы по изучению фотоэмиссионных свойств различных материалов ведутся научными группами по всему миру на протяжении многих лет; результаты работы нашли широкое практическое применение в электровакуумных приборах различного назначения, ядерной физике, фотодетекторах.

В данной работе исследуются фогокатоды Csl, CsBr, GaAs и Cul, изготовленные методом импульсного лазерного напыления (ИЛИ), способные выдерживать контакт с воздухом атмосферы. Были проведены исследования стехиометрии и морфологии пленок Csl, CsBr и GaAs, выращенных методом импульсного лазерного напыления. Измерена квантовая эффективность фотоэмнссионпых покрытий Csl и CsBr, сохраняющих исходный состав мишени при ИЛН. Пленки GaAs не сохраняют состав исходной мишени, проведен анализ причин этого.

Методом газофазного и жидкостного осаждения на воздухе изготовлены фотокатоды Cul, измерена их квантовая эффективность в УФ-области спектра. Осаждением паров йода изготовлены образцы широкоапертурных (200 мм) Cul-фотокатодов параболической формы. Данные фотокатоды использованы в качестве фотоэмитеров в созданном сверхсветовом генераторе электромагнитного излучения. Цель работы

Создание и исследование эффективных эмиттеров электронов на основе фотоэмиссионных покрытий, чувствительных в УФ-области спектра. Исследование параметров излучения сверхсветового генератора электромагнитных импульсов на основе созданных широкоапертурных УФ-фотокатодов параболической формы.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решены следующие основные задачи:

1. Создана установка методом импульсного лазерного напыления с капельным переносом материала мишени. Изготовлены образцы фотокатодов на основе пленок Csl, CsBr и GaAs. Методами газофазного и жидкостного осаждения йода изготовлены образцы широкоапертурных Cul-фотокатодов.

2. Проведены рентгеноструктурные и морфологические исследования нанесенных покрытий Csl, CsBr и GaAs. Измерена квантовая эффективность полученных фотоэмиссионных покрытий.

3. Проведен расчет геометрии параболического сверхсветового генератора СШП ЭМИ. Проведено численное моделирование генерации ЭМИ в PiC-коде КАРАТ.

4. Создан экспериментальный стенд и проведены эксперименты по исследованию процессов генерации СШП ЭМИ в сверхсветовых источниках, возбуждаемых УФ пикосекундными и фемтосекундными лазерными импульсами.

Научная новизна работы

1. Разработана методика импульсного лазерного напыления фотоэмиссионных покрытий капельным переносом материала мишени. Методами рентгеновской дифрактометрии и атомио-силовой микроскопии продемонстрировано, что покрытия соединений Сэ! и СэВг, выращенные данным методом, имеют поликристаллическую структуру (с характерным размером зерен менее 1 мкм) и сохраняют состав исходного материала аблируемой мишени.

2. С помощью разработанной методики импульсного лазерного напыления созданы фотоэмиттеры электронов УФ спектрального диапазона с фотоэмиссиошшми покрытиями на основе соединений Ся1 и Сь'Вг. Измерена квантовая эффективность фотоэмиссионных покрытий: 1% для и 0.3% для СзВг на длине волны 193 нм, что сопоставимо со значениями для аналогичных фотокатодов, изготовляемых методом термического испарения.

3. Создан сверхсветовой генератор СШП ЭМИ с широкоапертурными (диаметром 20 см) фотокатодами параболической формы, изготовленными методом газового и жидкостного осаждения йода па медную подложку. При инициации генератора сверхкороткими УФ лазерными импульсами получена генерация электромагнитных импульсов с фронтом нарастания менее 60 пс и шириной спектра более 3 ГГц.

4. В численных экспериментах, проведенных с помощью кода КАРАТ, промоделирован процесс генерации сверхширокополосного электромагнитного излучения в сверхсветовом генераторе с расчетными параметрами, согласующимися с наблюдаемыми в экспериментах.

Практическая пениость работы

Создание и исследование фотокатодов на основе фотоэмисионных покрытий сложного стехиометрического состава, изготовленных методом импульсного лазерного напыления, раскрывает новые перспективы в изготовлении фотоэлектронных устройств. Усовершенствование методики ИЛН позволит изготавливать эффективные фотокатоды со сложной

стехиометрией и высоким качеством получаемых фотозмиссионных покрытий. Предложенный способ изготовления фотокатодов перспективен для масштабирования и создания крупногабаритных фотокатодов, устойчивых к воздействию окружающей среды, которые находят широкое практическое применение. Так, созданный в работе широкоапертурный УФ-фотокатод был использован в сверхсветовом генераторе сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Такой генератор представляет практический интерес для радиолокации, беспроводной связи, средств геологоразведки, систем безопасности. Положения, выносимые па защиту

1. Фотокатоды на основе пленок Сб1 и СяВг, нанесенные методом капельного импульсного лазерного напыления, сохраняют свою работоспособность после контакта с атмосферой окружающей среды.

2. Пленки и СзВг, получаемые методом импульсного лазерного напыления с капельным переносом материала мишени, имеют поликристаллическую структуру с тенденцией к увеличению плотности покрытия при увеличении температуры подложки. При нарушении условия стехиометрического переноса пленки матер и а! о в с малой теплопроводностью и низкой температурой плавления (такие как Сз1, СэВг) сохраняю!' исходный состав мишени.

3. Сверхсветовые генераторы с параболическим фотокатодами, инициируемые сверхкороткими лазерными импульсами, генерируют СШП ЭМИ импульсы.

4. Код КАРАТ является эффективным средством численного моделирования процессов генерации СШП ЭМИ в сверхсветовых генераторах.

Дпстовепность и надежность представленных в диссертационной работе результатов обеспечиваются применением современных методов исследования, воспроизводимостью и соответствием экспериментальных и

расчетных результатов, а также реализацией на их основе действующих экспериментальных образцов.

Личный вклад соискателя

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции Advanced Laser Technologies, ALT-12 (Тун, Швейцария, сентябрь 2012), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям LAT'2013 (Москва, Россия, июнь 2013), 11 Международном Междисциплинарном Семинаре LPpM3-XI (Будва, Черногория, сентябрь 2013), Международной конференции Advanced Laser Technologies, ALT" 13 (Будва, Черногория, сентябрь 2013), 7-й Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (Москва, 2013), Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (Санкт-Петербург, 2014), Международной конференции «Оптика лазеров 2014» (г. Санкт-Петербург, 2014).

Публикации

Результаты работы но теме диссертации изложены в 6 научных публикациях (5 статей в научных рецензируемых журналах из перечня ВАК , 1 патент на изобретение).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации составляет 105 страниц, включая 63 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цели и задачи работы, а также научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и приведен список работ.

Первая глава носит обзорный характер, в ней проводится анализ современного состояния проблем, затронутых в диссертации, а также обзор работ по фотокатодам, импульсному лазерному напылению и сверхсветовым генераторам импульсного электромагнитного излучения. Рассматриваются результаты экспериментальных и теоретических исследований, опубликованные в научной литературе.

В § 1.1. дано определение внешнего фотоэффекта, приведена формула, полученная Эйнштейном в 1905 г. [1], объясняющая явление внешнего фотоэффекта. Приведено понятие красной границы фотоэффекта.

В § 1.2. представлены основные положения теории Фаулера [2], объясняющей явление фотовыхода для металлов в полуклассическом приближении.

В § 1.3. рассмотрена трехстадийная модель фотоэмиссии, предложенная в 1964 г. Спайсером и Берглундом [3]. В этой теории фотоэмиссия представлена последовательностью из трех процессов: оптического возбуждения электронов в объеме материала, движения части возбужденных электронов к поверхности раздела твердое тело-вакуум и преодоления поверхностного потенциального барьера. Рассеяние электронов в объеме и их отражение от поверхности в простейшем случае учитывается введением эффективной длины выхода электронов. Представлена формула для квантового выхода из любых материалов, которая связывает воедино вероятностные параметры всех трех стадий фотоэффекта.

В теории Спайсера только первая стадия носит квантовый характер, что обусловило появление более сложных и точных теорий, трактующих все этапы фотоэмиссии с квантовомеханических позиций. Бродский и Царевский

построили такую теорию [4], однако для трактовки экспериментальных данных она мало подходит из-за громоздкости вычислений.

В § 1.4 представлены основные параметры фотокатодов, такие как квантовый выход, квантовая эффективность, время отклика, плотность темнового тока, электропрочность, токоустойчивость, эксплуатационные характеристики.

В § 1.5 описаны основные типы фотокатодов УФ и видимого диапазонов спектра электромагнитного излучения. Дана обзорная информация по квантовой эффективности следующих групп фотокатодов: щелочных, мультищелочных, серебряных, с отрицательным сродством к электрону, фотокатодов на основе соединений теллурида и галогенидов щелочных металлов.

§ 1.6 посвящен обзору физических явлений, лежащих в основе метода импульсного лазерного напыления. Лазерная абляция материала мишени позволяет переносить вещество на подложку, типичный порог абляции твердых веществ ~109 Вт/см2. Представлены наиболее значимые для ИЛН этапы абляции.

В § 1.7 представлены основные параметры процесса импульсного лазерного напыления: порог абляции, длина волны лазерного излучения, угол падения лазерного излучения, топология поверхности мишени.

В § 1.8 описана динамика плазменного облака и механизмы роста тонких пленок. Рассмотрена литература, посвященная динамике плазменного облака при напылении, формированию слоя Кнудсена, составу плазменного облака, энергии частиц в облаке.

В § 1.9 качественно описан рост кластеров за цикл импульсного лазерного напыления.

В § 1.10 описано влияние отношения температуры подложки к температуре плавлении материала мишени на структуру получаемых

покрытий и отношения расстояния между участками адсорбции к диффузионной длине пробега.

В § 1.11 описаны основные дефекты при росте пленок методом ИЛИ: капли, оторванные элементы мишени, крупноразмерные кластеры из-за конденсации перенасыщенного пара вещества. Описаны основные причины возникновения дефектов и известные способы борьбы с их возникновением.

§ 1.12 посвящен обзору литературы о сверхсветовых генераторах импульсов электромагнитного излучения. При наклонном падении возбуждающего излучения фронт эмиссии электронов бежит вдоль поверхности со скоростью, большей скорости света, формируется импульс электронного тока. Данный ток согласно теории Максвелла рождает электромагнитное поле. Электронный ток формирует дипольный слой, излучение которого генерирует электромагнитную волну. Так как скорость фронта тока электронной волны больше скорости света, образуется черепковский источник излучения, для которого в дальней зоне излучение отдельных диполей складывается когерентно, а амплитуда магнитной (и соответственно, электрической) составляющей ноля пропорциональна второй производной поверхностной плотности диполыюго момента, который в свою очередь пропорционален энергии фотоэлектронов.

В работах Лазарева и Петрова [5] предложена концепция сверхсветового генератора СШП ЭМИ, в котором процесс извлечения электронов и их разгон до энергий десятков кэВ разделен на два этапа. Лазерный импульс извлекает электроны из фотоэмиссионного покрытия, затем они разгоняются в диодном промежутке. Анод диода выполнен в виде сетки с прозрачностью более 80%. В работах рассмотрен вопрос формирования дипольного слоя в области анода при пренебрежении кулоновского расталкивания. Получено выражение для амплитуды напряженности магнитного поля в дальней зоне. Представлены теоретические оценки параметров излучателя для достижения практически значимых величин амплитуд электромагнитного поля.

Приведены прочие оценки параметров генерируемого излучения: длительность, спектральный состав, центральная частота. Существенными достоинствами такого типа генератора являются высокий КГЩ преобразования запасенной в фотодиоде электростатической энергии в электромагнитную волну, высокая направленность излучения, возможность масштабирования до рекордных значений полей.

Рассмотрена работа Солдатова [б], в которой более детально изучается динамика дипольного слоя в анодном пространстве с учетом кулоновского расталкивания в электронном облаке. В работе теоретически показано, что длительность и крутизна переднего фронта генерируемого ЭМИ зависит от величины снимаемого заряда и напряжения, при малых зарядах анодный ток идентичен катодному, при зарядах, близких к полному снимаемому заряду, длительность ЭМИ и переднего фронта увеличивается за счет кулоновского расталкивания. При углах падения более 60° генерация ЭМИ срывается за счет формирования запорного слоя в промежутке катод-анод и генерируемая волна не выходит наружу.

Дан обзор экспериментальных исследований сверхсветовых генераторов: лазер-плазменного параболического генератора, в котором инициирующее излучение создавалось за счет генерации рентгеновского излучения при разрушении мишени, облученной мощным лазерным импульсом на установке Искра-5 [7]. В работе [8] представлены результаты по генерации СШП ЭМИ на плоском фотодиоде с мультищелочным фотокатодом диаметром 50 мм.

В главе 2 представлена информация по нанесению фотоэмиссионных покрытий на основе галогенидов щелочных металлов и исследованию квантовой эффективности полученных образцов.

В § 2.1 описана экспериментальная установка для нанесения фотоэмиссионных покрытий методом импульсного лазерного напыления, состоящая из вакуумной камеры с оснасткой и импульсного лазера,

излучение которого через окно заводится в камеру. Описана методика нанесения покрытий: подготовка мишени, подготовка подложки, процесс нанесения с подогревом подложки, отжиг в вакууме после нанесения. Представлена схема импульсного лазера с пассивной модуляцией добротности, разработанного для нанесения покрытий. Параметры лазера: длина волны 1064 им, длительность импульса 100 не, энергия в импульсе менее 1 Дж, частота менее 20 Гц, одномодовый режим.

В § 2.2 описан экспериментальный стенд и методика измерения квантовой эффективности. Исследование квантовой эффективности изготовленных фотокатодов проводилось методом измерения заряда, накапливаемого на измерительной емкости в результате протекания фототока между сетчатым анодом и фотоэмиссионным катодом при облучении последнего одиночным импульсом лазерного излучения с различными спектральными и временными параметрами.

В § 2.3 представлены результаты измерения квантовой эффективности изготовленных фотокатодов. В качестве источников, возбуждающих электронную эмиссию, использовались эксимерные АгР- и КгГ-лазеры с длиной волны излучения 193 и 248 нм соответственно, длительностью импульса 5 не и частотой следования 100 Гц.

Для сравнения полученных результатов Сз1-фотокатод на медной подложке был изготовлен традиционным методом токового испарения. Квантовая эффективность этого фотокатода по значению близка к значению квантовой эффективности образцов, полученным методом ИЛИ, однако равномерность фотоэмиссионного покрытия была существенно ниже. Значение квантовой эффективности изменялось от 0 до 100% при сканировании лазерным пятном по площади образца. Для образцов, полученных методом ИЛИ, сканирование по площади фотокатода показало отклонение от максимального значения не более чем на 20%. Также фоточувствительный слой, нанесенный методом ИЛН, демонстрирует

высокую устойчивость к истиранию, что свидетельствует о хорошей адгезии к подложке.

В § 2.4 описаны экспериментальные результаты по созданию фотокатодов Си1 методом газофазного и жидкостного осаждения. Представлены результаты измерений квантовой эффективности полученных фотокатодов.

Проведенные исследования продемонстрировали эффективность роста пленки Си1 методом газофазного осаждения йода на поверхность медной подложки. Получено высокое значение квантовой эффективности в УФ спектральном диапазоне, высокая степень однородности квантовой эффективности по всей апертуре фотокатода. Способность сохранять фотоэмиссионные свойства при контакте с воздухом позволяют масштабировать технологию для изготовления крупногабаритных фотокатодов, что было сделано в рамках данной работы - изготовлен параболический СиЬфотокатод диаметром 200 мм, использованный в качестве электронного эмиттера в сверхсветовом генераторе электромагнитного излучения.

В главе 3 представлены результаты исследований состава и структуры тонких пленок соединений Сз1, СзВг и ОэАб, напыленных методом ИНН.

В §3.1 описывается созданная в работе экспериментальная установка для нанесения покрытия, являющаяся модернизированной установкой напыления УФ-фотокатодов. Для контролируемого нанесения покрытий был создан импульсный лазер на кристаллах Ы<3:УАО, построенный по схеме задающий генератор-усилитель с параметрами: длина волны 1064 нм, моноимпульсный одномодовый (ТЕМоо) режим, энергия в импульсе до 1 Дж, частота до 20 Гц, длительность импульсов по полувысоте 25 не.

Нанесение покрытий проводилось при трех разных температурах подложки: 25, 50 и 100°С.

В § 3.2 представлены результаты исследований полученных пленок. Полученные образцы тонких плёнок исследовались на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Discover (Cu-Ka-излучсние). Съемка рентгенограмм проводилась без разрушения образца с наведением рентгеновского пучка на нужный участок плёнки. В плёнках, полученных при разных температурах, кристаллизуются однофазные галогениды цезия. Уточнённые по рентгенограммам параметры их элементарных кубических ячеек (пр. гр. Pm-Зш) равны 4,296(6) А и 4,568(4) А для CsBr и Csl соответственно и находятся в хорошем соответствии со справочными данными для образцов, полученных при всех температурах подложки.

С помошыо сканирущей электронной микроскопии (микроскоп JSM-5910LV производства JEOL) получены изображения плёнок в режиме отражённых электронов (Z-контраст). Плёнки представляют собой поликристаллические образования (агрегаты) из псевдосферических частиц с диаметром до 1 мкм. При повышении температуры наблюдалась тенденция к увеличению плотности покрытия поверхности.

Рентгеновские пики, соотвествующие етехиометрическому GaAs, не были получены для всех образцов. Для выяснения причин этого был проведен элементный анализ полученных плёнок на электронном микроскопе. Анализ показал присуствие в плёнке инородных примесей (углерод и кислород), что скорее всего связано с загрязнением образца при транспортировке в измерительную камеру, однако интерес представляет соотношение Ga и As п = [Ga]/[As], Во всех случаях наблюдается избыток Ga, в некоторых областях весьма существеный (более 2.5 раз). При переносе GaAs стехиометрия пленки не сохраняет состояние мишени.

В § 3.3 проведён анализ полученных результатов. Проведена оценка глубины поглощения излучения для всех материалов; показано, что условие конгруэнтного переноса при импульсном лазерном напылении не соблюдалось для всех материалов мишеней. На основе теории

теплопроводности твердых тел проведена оценка глубины прогрева мишени до температуры выше температуры плавления материала. Для Csl и CsBr нагрев превышает температуру плавления (894 К и 909 К соответственно) вплоть до толщины 5.6 мм и 1.58 мм, для GaAs (1511 К) до толщины 0.84 мм. Коэффициенты теплопроводности материалов: Csl - 1.1 Вт м"' К"', CsBr -0.94 Вт м "'■К'1, GaAs - 55 Вт м'-K"1. Теплопроводность GaAs на порядок выше значений для Csl и CsBr, что вкупе с большей температурой плавления эффективно уменьшает толщину абляции, одновременно увеличивая область высоких температур в приповерхностном слое (где идет испарение за счет нагрева).

При температуре выше 850 К, становится существенным диссоциативное ленгмюровское испарение GaAs, причем при Т < 930 К соотношение испаряемых потоков JcJ-J\s - 1/2. Большая длина зоны прогрева и большой коэффициент теплопроводности приводят в эффективному отводу тепла из зоны взаимодействия с лазерным излучением и нагреву большей площади поверхности до высоких температур, что приводит к обеднению поверхностного слоя мышьяком. За счет этого в зоне абляции постоянно увеличивалась концентрация Ga, что в свою очередь приводило к экспериментально наблюдаемому преимущественному переносу Ga на подложку. Малый коэффициент теплопроводности и невысокая температура плавления позволяют получать конгруэнтный перенос вещества при импульсной лазерной абляции даже для длин волны излучения со слабым поглощением в мишени.

Глава 4 посвящена разработке и экспериментальному исследованию сверхсветового генератора СШП ЭМИ с широкоапертурным фотокатодом параболической формы и прямым лазерным инициированием. Представлен расчет геометрии генератора, результаты численного моделирования разработанного источника, схема экспериментальной установки и результаты экспериментальных исследований генерации СШП ЭМИ.

§4.1 посвящен расчету геометрии излучателя: диаметра апертуры, фокусного расстояния параболического катода, межэлектродного расстояния.

Проведенный анализ показал, что оптимальное значение фокусного расстояния параболы фотокатода лежит в диапазоне 30-40 мм, для экспериментального образца выбрано значение 35 мм.

Для измеренной электропрочности Си1-фотокатода 250 кВ/см и желаемой длительности фронта СШП ЭМИ 100 пс межэлсктродное расстояние составило 5 мм.

В § 4.2 представлены результаты численного моделирования процесса генерации СШП ЭМИ в плоском фотодиоде.

В § 4.3 представлены результаты численного моделирования процесса генерации СШП ЭМИ параболическим генератором с рассчитанными параметрами в коде КАРАТ. Исследовалась временная форма генерируемого электромагнитного импульса, ширина его спектра и пиковая мощность в зависимости от эмитированного заряда. Получены зависимости мощности генерируемого излучения от времени с характерной длительностью нарастающего фронта менее 70 пс, оценочная ширина спектра 3.3 ГГц.

В § 4.4 представлена схема и элементы конструкции генератора. Экспериментальный образец параболического генератора СШП ЭМИ представляет собой вакуумную камеру с непрерывной откачкой. Внутри камеры установлены оптические элементы, электродная система, система подогрева катода. Конструкция генератора содержит решения, направленные на улучшение характеристик генератора и максимальное использование заложенного потенциала.

В § 4.5 представлена схема экспериментальной установки по генерации СШП ЭМИ.

В § 4.6 представлены экспериментальные результаты по генерации СШП ЭМИ с пикосекундным инициированием.

В разделе 4.6.1 представлены снятые экспериментально амплитудно-временные зависимости генерируемого ЭМИ, снятые с помощью измерителей напряженности электрического (СПЭП39, Рисунок 1а) и магнитиого (СПМП36, Рисунок 16) полей. При оптимальной синхронизации лазерной и высоковольтной частей достигнута амплитуда напряженности поля 22,5 кВ/м (соответствующая мощности 67 Вт/см2 для гармонического сигнала). Основная мощность сигнала заключена в диапазоне частот до 600 МГц, центральная частота находится в районе 300 МГц.

«- Л

(а) (б)

Рисунок I. Осциллограмма выходного импульса генератора.

Представлены зависимости сигналов с антенны, измеренные для двух поляризаций электрического поля импульса.

В § 4.6.2 представлено экспериментальное пространственное распределение для вертикальной и горизонтальной поляризаций на расстоянии 1.25 м от выходной апертуры генератора с шагом 8° по вертикальной и горизонтальным осям с центром, соответствующим оси генератора.

В § 4.6.3 представлены экспериментальные зависимости амплитуды ЭМИ от приложенного напряжения и от энергии лазерного излучения. Кривые хорошо аппроксимируются линейными зависимостями.

В § 4.7 представлены результаты экспериментов по генерации ЭМИ с инициированием фемтосекундными лазерными импульсами.

В разделе 4.7.1 представлены снятые амплитудно-временные зависимости при фемтосекундном инициировании (Рисунок 2). Диагностика временных профилей ЭМИ осуществлялась с помощью измерительной полосковой преобразовательной линии ИГ1ПЛ-Л.

Рисунок 2. Осциллограмма выходного импульса генератора при инициации

В экспериментах амплитуда второго максимума изменялась от 2,5 кВ/м до 10 кВ/м при сохранении формы и длительности импульса. Измеренная длительность первого максимума по полувысоте составила ~(70-80) пс, длительность нарастания первого максимума по уровню 0.9 -(50-60) ric. При оптимальной синхронизации лазерной и высоковольтной частей на расстоянии 1.5 м достигнута амплитуда напряженности поля 44 кВ/м во втором максимуме.

Большая часть энергии СШП ЭМИ сосредоточена в области 5-8 ГГц с центральной частотой 6.5 ГГц. При этом спектр сигнала простирается вплоть до границы полосы пропускания регистрирующего осциллографа.

В § 4.7.2 представлено пространственное распределение СШП ЭМИ при инициализации генератора лазерными импульсами фемтосекундной длительности.

В заключении обсуждаются выводы по результатам диссертации.

фемтосекундным импульсом.

Основные результаты работы

1. Создана методика импульсного лазерного напыления фотокатодов с капельным переносом материала мишени. Изготовлены образцы фотокатодов на основе галогенидов щелочных металлов Сб!, СбВг с высокой однородностью квантовой эффективности в пределах апертуры 20 мм. Методом газофазного и жидкостного осаждения йода изготовлены широкоапертурные (20 см) Си1-ф ото катоды параболической формы с однородностью квантового выхода по всей площади фотокатода в пределах 10%.

2. Проведены исследования стехиометрического состава и структуры пленок соединений Сэ!. СбВг и СшАб, напыленных капельным переносом при различных температурах подогрева подложки. Продемонстрировано, что при нарушении условия стехиометрического переноса в методе ИЛИ возможно получение пленок с сохранением исходного состава для материалов с малой теплопроводностью и низкой температурой плавления. Дано объяснение нарушению стехиометрии пленок ОаАв, наносимых методом лазерного напыления.

3. Разработан и создан сверхсветовой генератор СШП ЭМИ с широкоапертурными (диаметром 20 см) Си 1-ф ото катодам и параболической формы. Проведены эксперименты по генерации электромагнитных импульсов при инициализации фотокатода пикосекундными и фемтосекундными лазерными импульсами. Получена генерация электромагнитных импульсов с фронтом нарастания менее 60 пс, что хорошо согласуется с результатами проведенного численного моделирования в программном коде КАРАТ. Обнаружено, что при инициации фемтосекундными импульсами ширина спектра СШП ЭМИ составила 3 ГГц с центральной частотой в области 5 ГГц. Получены экспериментальные зависимости амплитуды напряженности электрического поля СШП ЭМИ от приложенного напряжения катод-анод и от энергии инициирующего

лазерного излучения. Зарегистрированное пиковое значение амплитуды СШП ЭМИ на расстоянии 1.5 м составило 44 кВ/'м при облучении фемтосекундным импульсом с энергией 1.5 мДж.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Крендель В.М., Букин В.В., Гарнов C.B., Багдасаров В.Х, Денисов H.H., Гаранин С.Г., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Метод лазерного напыления УФ фотокатодов на основе галогенидов щелочных металлов // Квантовая электроника. 2012. т. 42. в. 12. с. 1128-1132.

2. Brendel V.M., Bukin V.V., Garnov S.V., Bagdasarov V.H., Denisov N.N., Garanta S.G., Terehin V.A., Trutnev U.A. Pulse laser deposition of alkali halides for UV-photochatode production // International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'12), Thun, Switzerland, 2012, Proc. Vol. 1, p. 305.

3. Brendel V.M., Yagafarov T.F., Garnov S.V., Terechin V.A., Trutnev U.A. PLD grown tbin films stoichiometry and structure study // International Conference on Advanced Laser Technologies. Budva, Montenegro. 2013. Book of abstracts, p. 97.

4. Патент №2502151 Российская Федерация, H01J9/12. Способ изготовления и устройство чувствительного фотокатода. Брендель В.М. Заявитель и правообладатель: ФГБУН Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, №2012117596/07(026523), заявл. 24.04.2012, опубл. 19.06.2013.

5. Брендель В.М., Гарнов C.B., Ягафаров Т.Ф., Исхакова Л.Д., Ермаков Р.П. Исследование свойств топких пленок Csl, CsBr, GaAs, выращенных методом импульсного лазерного напыления // Квантовая электроника. 2014. т. 44. в. 9. с. 801-894.

6. Брендель В.М., Букин В.В., Гарнов C.B., Багдасаров В.Х, Садовский С.П., Чижов П.Л., Долматов Т.В., Лоза О.Т., Литвин В.О., Тараканов В.П., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Сверхсветовой источник направленного импульсного широкополосного электромагнитного излучения // Формирование, обработка и регистрация электромагнитных полей. М.: Наука, 2014. с. 59-64 (Труды ИОФАН; Т. 70).

7. Садовский С.П., Чижов П.А., Букин В.В., Брендель В.М., Долматов Т.В., Поливанов Ю.Н., Орлов С.Н., Гарнов C.B., Вартапетов O.K. Пикосекундная

лазерная система с длиной волны 193 нм на основе твердотельного Nd: YAG лазера, параметрического генератора и ArF-усилител!! // Формиропанке, обработка и регистрация электромагнитных полей. М.; Наука. 2014. с. 73-77 (Груды ИОФАН; Т. 70).

8. Долматов Т.В., Брендель В.М., Букин В.В., Гарнов С.В., Лоза О.Т., Садовский С.П., Чижов П.А. Электрооптический преобразователь для измерения амплитудно-временных характеристик напряженности электрического поля сверхширополосных электромагнитных импульсов И Формирование, обработка и регистрация электромагнитных нолей. М.: Наука, 2014. с. 65-72 (Труды ИОФАН; Т. 70).

9. Brendel V.M., Bukin V.V., Garnov S.V., Dolmatov T.V., Loza O.T., Sadovskiy S.P., Chijov P.A., Tarakanov V.P. Laser driven ultra-wideband microwave pulse generator numerical simulation // Laser Optics, 2014 International Conference. Saint Petersburg, Russia. 2014. IEEE Xpiore Digital Library. DOI: 10.1109/L0.2014.6886349.

10. Sadovskiy S.P., Chizhov P.A., Bukin V.V., Brendel V.M., Dolmatov T.V., Polivanov Y.N., Orlov S.N., Garnov S.V., Vartapetov S.K. Picosecond laser system 193 nm on solid state Nd:YAG laser, parametric oscillator and ArF amplifier // Laser Optics, 2014 International Conference. Saint Petersburg, Russia. 2014. IEEE Xpiore Digital Library. DOI: 10.1109/L0.2014.6886236.

Список цитируемой литературы

1. Einstein A. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt II Annalen der Physik. 1905. Vol. 322. № 6. P. 132-148.

2. Fowler R.H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields // Proc. R. Soc. London, Ser. A. 1928. Vol. 119, No. 781, pp. 173-181.

3. Berglund C.N., Spicer W.E. Photoemission studies of copper and silver: Theory // Physical Review. 1964. Vol. 136. p. A1030.

4. Brodskii A., Tsarevskii A. Theory of volume photo-emission from condensed media // Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1975. Vol. 42. p. 476481.

5. Лазарев Ю., Петров П. Генерация мощного направленною электромагнитного импульса ультракороткой длительности // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. № 9. С. 625-628.

6. Солдатов A.B. Ограниченный пространственным зарядом ток при разрядке плоского вакуумного диода электронным импульсом// Физика плазмы. 2005. Т. 31. №4. С. 336-341.

7. Бессараб A.B., Гаранин С.Г., Мартыненко С.П., Прудкой H.A., Солдатов A.B., Терёхин В.А., Трутнев Ю.А. Генератор сверхширокополосного электромагнитного излучения, инициируемый пикосекундпым лазером. // Доклады Академии наук. 2006. Т. 411. № 5. С. 609-612.

8. Кондратьев АА., Лазарев Ю.Н., Потапов A.B., Тшденко A.C., Заволоков Е.В., Сорокин И.А. Экспериментальное исследование генератора ЭМИ СВЧ-диапазона на основе сверхсветового источника. // Доклады Академии наук. 2011. Т. 438. №5. С. 615-618.

Подписано в печать:

21.01.2015

Заказ № 10503 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru