Вакуумная ультрафиолетовая спектроскопия твердых тел на синхротроне "Сириус" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Тимченко, Николай Алексеевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ТИМЧЕНКО НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
ВАКУУМНАЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ТВЁРДЫХТЕЛ НАСИНХРОТРОНЕ «СИРИУС»
01.04.05 -«Оптика»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва - 2004
Работа выполнена в ГНУ «НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете».
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук АП.Менушенков
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
доктор физико-математических наук, профессор В.Г.Станкевич РНЦ «Курчатовский институт»
доктор физико-математических наук, профессор В.Я.Эпп Томский государственный педагогический университет
Ведущая организация
Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН
Зашита состоится "9" июня 2004 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.45 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобельцина, ауд. 2-15 .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобельцина МГУ им. М.В. Ломоносова.
Автореферат "разЬслаЪ 2004 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 501.001.4, доктор физико-математических наук
ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ
Актуальность темы.
Синхротронное излучение (СИ) - излучение релятивистских заряженных частиц, возникающее при их движении по криволинейным траекториям в поперечных магнитных. полях, представляет собой физическое явление, которое благодаря своим уникальным свойствам в значительной мере определяет уровень современных экспериментальных исследований в области естественных наук..
Высокая яркость, непрерывный от инфракрасной до рентгеновской области спектр, острая направленность и высокая степень поляризации, возможность точного вычисления характеристик обеспечивают успешное использование этого излучения в качестве рабочего инструмента в оптике и метрологии, физике твердого тела и физике поверхности, кристаллографии, фотохимии и катализе, биологии и медицине, а также в современных технологиях микроэлектроники и микромеханики.
Одним из активно развиваемых в настоящее время направлений использования СИ-являются спектральные исследования взаимодействия излучения с конденсированным веществом в области энергий возбуждающих фотонов 10 — 1000 эВ.
Эта энергетическая область интересна тем, что здесь лежит граница между представлениями об оптических возбуждениях твёрдых тел, которые могут быть описаны с помощью феноменологических законов дисперсии оптических констант с привлечением квантово-механических расчётов энергетических зон и вероятностей межзонных переходов и эффектами, возникающими в твёрдых телах при облучении их ионизирующим излучением, приводящем к изменению структуры и различных свойств материалов вследствие перераспределения электронов по энергетическим и пространственным координатам.
Синхротронное излучение обеспечивает получение достоверных экспериментальных данных для интерпретации оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел при взаимодействии с фотонами в широком диапазоне энергий с единой точки зрения. Основные характеристики такого взаимодействия определяются процессами диссипации поглощённой энергии в результате совокупности неэлементарных актов релаксации электронных возбуждений (электронов, дырок, экситонов,. плазмонов и др.). Вероятность различных путей релаксации этих возбуждений и её зависимость от энергии поглощённых фотонов определяет энергетические пороги возникновения и механизмы люминесценции, фотоэмиссии, дефектообразования и фотохимических процессов в различных материалах, что обуславливает устойчивый интерес
к таким исследованиям представителей различных специальностей -физиков, химиков, биологов, технологов и др.
Состояние вопроса.
К моменту начала проведения работ по использования СИ ускорителя «Сириус» в вакуумной ультрафиолетовой области спектра (1972 г.) аналогичные исследования только начинали развиваться в некоторых ускорительных центрах США, Германии (DESY) и Англии (NINA). В Советском Союзе существовал один вакуумный канал для использования СИ в спектроскопии на синхротроне С-60 ФИ им. П.Н. Лебедева АН. Поэтому исследования по спектроскопии в вакуумной ультрафиолетовой области спектра выполнялись в основном с использованием линейчатых спектров газоразрядных источников излучения с энергиями до 10,2 эВ
что ограничивало экспериментальные возможности в этой спектральной области.
В настоящее время в 19 странах мира существует более пятидесяти лабораторий, в которых работают 38 специализированных источников СИ с энергиями от сотен МэВ до 8 ГэВ и еще 35 находятся на разных стадиях строительства и проектирования.
Специализированные источники СИ третьего поколения, имеющие малый эмиттанс излучающих частиц (е*, £у ~10"9 м-rad), и оснащенные встроенными ондуляторами и виглерами, обладают яркостью превышающей яркость «старых» синхротронов на несколько порядков. Особенно эффективны они в рентгеновской и жесткой рентгеновской областях спектра. Однако СИ в вакуумной ультрафиолетовой области от ускорителей первого поколения по-прежнему представляет интерес для. многих исследований и с успехом может использоваться как в научных, так и в образовательных целях.
К настоящему времени с использованием источников СИ накоплен и обобщён обширный экспериментальный материал, который позволяет полнее понят процессы создания в твёрдых телах высокоэнергетических электронных возбуждений- (ЭВ), выяснить возможные каналы их локализации и релаксации, построить теоретические модели механизмов люминесценции широкозонных диэлектриков. Однако, несмотря на, то что в исследовании взаимодействия ВУФ-излучения с веществом достигнуты значительные успехи, многие детали процессов происходящих при таком взаимодействии в широком круге материалов остаются неизученными. Отсутствуют сведения об их эффективности. Из-за экспериментальных трудностей, связанных с зарядкой образца, недостаточно данных фотоэмиссионных измерений, выполненных на массивных диэлектрических образцах.
Цель работы и задачи исследования.
Целью настоящей работы явились экспериментальные исследования оптических и фотоэмиссионных характеристик взаимодействия излучения с веществом в области фундаментального поглощения, используя ВУФ излучение синхротрона «Сириус», а также определение возможностей этого излучения в технологиях изготовления микроструктур.
Для достижения поставленной цели на синхротроне «Сириус» был создан комплекс специализированного спектрального оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для измерения спектров отражения, люминесценции и фотоэмиссии твёрдых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.
Используя возможности экспериментального спектрометрического комплекса был проведён ряд экспериментальных исследований задачами которых были:
1. Исследовать оптические свойства ниобия в области энергий 5-30 эВ и установить их зависимость от режима высоковакуумного высокотемпературного отжига образцов.
2. Исследовать влияние примесей и условий синтеза на эффективность возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров в области энергий 10-30 эВ.
3. Установить закономерности спектров квантового выхода фотоэмиссии ряда широкозонных кристаллов в области фундаментального поглощения. Выяснить роль в формировании этих спектров электронных состояний кристалла и катиона, а также процессов релаксации электронных возбуждений.
4. Методами фотоэлектронной спектроскопии исследовать механизмы размножения электронных возбуждений и установить пороговые значения энергий, при которых эти процессы в кристаллах MgO и ВеО начинают проявляться.
5. Провести исследования эффективности и разрешающей способности ряда отечественных электронных резистов при использовании их в качестве рентгенорезистов. Измерить пропускание кремневых и полимерных мембран в спектральной области 0,5 -5 нм.
6. Разработать плазменные технологии изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением (ГРЛ СИ). Методами ГРЛ СИ изготовить опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.
7. Исследовать свойства и возможные применения изготовленных микроструктур.
Методы исследования.
В работе использованы спектроскопические методы исследования оптических и фотоэмиссионных свойств кристаллов, а также фотохимических процессов в материалах при литографии с использованием СИ. Для этого на синхротроне «Сириус» были созданы два вакуумных канала СИ оборудованные монохроматорами нормального и скользящего падения, охватывающими волновой диапазон 0,5 - 200 нм. Монохроматоры оснащены высоковакуумными и сверхвысоковакуумными измерительными камерами с рефлектометрами и электронными спектрометрами. Разработана автоматизированная система измерений спектров фотонов и электронов, реализующая разработанные методики проведения экспериментов с СИ от импульсных источников, и позволяющая проводить измерения фотоэмиссионных спектров диэлектриков с компенсацией заряда поверхности образца.
Научные положения выносимые на защиту-
1. Отражательная способность монокристаллов ниобия в области энергий 530 эВ обусловлена межзонными переходами, возбуждением плазмонов и уменьшается в среднем на 20% при образовании в процессе высокотемпературного высоковакуумного отжига при температуре t = 2000°С и остаточном давлении р = 10-6 Па на поверхности образцов слоя окисла.
2. Эффективность собственной люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров при их возбуждении в области 1230 эВ определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза:
- примеси с! - элементов (V, Сг, Мп, Бе) в концентрации 1(Г2 г - атом/моль уменьшают выход люминесценции Са>\'04 более, чем на 50%, примеси же Со, М, № в этой же концентрации приводят к усилению люминесценции Са\УО«, которое для N1 при энергиях 20 - 22 эВ достигает 70%;
- усиление собственной люминесценции Са\УС>4 происходит и при введении в исследуемый люминофор элементов V группы в концентрации 10-2 г-атом/моль, достигая для As более 100%;
- примеси редкоземельных элементов в концентрации 10~2 - 10~3 г-атом/моль образуют центры тушения, уменьшая выход люминесценции на 50%, а в малой концентрации 10~5 - 10~6 г-атом/моль вызывают усиление собственной люминесценции
- наибольшая эффективность процессов размножения электронных возбуждений наблюдается в образцах Са\УС>4 с примесями №, Sb, As;
- интенсивность люминесценции CaS - люминофоров, активированных церием максимальна при концентрации церия 0.05 - 0.06 моль% и зависит от
условий препарирования, так внедрение С1 в Са8: Се или прокалка Са8: РЬ8 в атмосфере серы увеличивает выход люминесценции на 80%.
3. Размножение электронных возбуждений в кристаллах МО начинается при энергиях возбуждающих фотонов ~19 эВ, а в кристаллах ВеО при ~23 эВ и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
4. Особенности спектров отражения и спектров квантового выхода фотоэмиссии кристаллов СвЫОз и КСЮз в области энергий 10 - 30 эВ обусловлены межзонными переходами, катионными электронными состояниями и процессами размножения электронно-дырочных пар, а в спектрах кристаллов ЫаЫОз и ЫаСЮз только межзонными переходами.
5. Изготовленные методом глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением регулярные трековые мембраны обладают абсолютной селективностью для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор.
6. Эффективность генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллической мишени в геометрии Брегга может быть увеличена на порядок при использовании мишени в виде периодической микроструктуры, сформированной в монокристаллической пластине.
Достоверность защищаемых положений и результатов.
Достоверность полученных результатов достигается:
— выбором оптимальных режимов работы детекторов (ФЭУ, ВЭУ, КЭУ и др.), обеспечивающих их линейный отклик на изменение измеряемой интенсивности фотонных и электронных потоков;
— применением двулучевых схем регистрации измеряемых спектров;
— применением схем синхронизации и стробирования измеряемых сигналов относительно начала цикла ускорения;
— калибровкой спектральных приборов с помощью табулированных ВУФ-спектров излучения или поглощения газов и применением двойной ионизационной камеры в качестве абсолютного детектора;
— использованием автоматизированной системы для измерения, накопления и статистической обработки спектрометрической информации, обеспечивающей точность относительных измерений не хуже 5%;
— использованием при фотоэмиссионных исследованиях диэлектрических кристаллов техники компенсации заряда поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов и учетом разности потенциалов образца и энергоанализатора с точностью 0.1 В;
— проведением измерений в условиях высокого и сверхвысокого вакуума;
— использованием для измерения параметров микроструктур современных оптических и электронных микроскопов;
Достоверность положений, выносимых на защиту, и результатов подтверждается также их многократной воспроизводимостью, проведенными контрольными измерениями ранее изученных объектов и согласием полученных результатов и выводов:
— с результатами исследований оптических свойств и электронных характеристик ниобия в видимой (Лексина И.Е., Мотулевич Г.П.) и в вакуумной ультрафиолетовой (Weaver J., Lynch D.) областях спектра (защищаемое положение 1);
— с представлениями о принципах формирования спектров возбуждения люминесценции широкощелевых кристаллов в области фундаментального поглощения (Васильев А.Н., Михайлин В.В.) и механизмами «фотонного умножения» (Ильмас Э.Р., Лущик Ч.Б.), базирующимися на обширном экспериментальном материале (защищаемые положения 2,3,4);
— с широко используемой трёхступенчатой моделью фотоэмиссии (Spicer W.E.) (защищаемые положения 3,4);
— с теоретическими моделями излучения релятивистских электронов в периодических средах и структурах (Тер-Микаэлян МЛ., Амусья МЛ. и др.), а также с результатами измерений характеристик рентгеновского излучения, генерируемого релятивистскими электронами в монокристаллических и составных кристаллических мишенях (Потылицын А.П., Забаев В.Н. и др.) (защищаемое положение 6)
Научная новизна защищаемых положений и результатов.
1. Использование СИ позволило впервые провести экспериментальные исследования оптических свойств ниобия в области энергий 5-30 эВ в зависимости от технологии обработки его поверхности.
2. В области энергий 12-30 эВ впервые измерены спектры возбуждения кальцийсульфидных и кальцийвольфраматных кристаллофосфоров с широким классом примесей. Показано, что в данной энергетической области эффективность этих люминофоров определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза. Обнаружена зависимость размножения электронных возбуждений CaWC>4 от вида примеси. В CaS - фосфорах в области энергий 24-25 эВ выявлена структура, обусловленная возбуждением катионного экситона.
3. В области энергий 10-30 эВ впервые исследованы фотоэмиссионные характеристики кристаллов MgO и ВеО. Определены энергетические пороги и механизмы размножения электронных возбуждений в этих кристаллах. Измерения проводились с использованием оригинальной техники компенсации заряда, возникающего на поверхности диэлектрического образца при фотоэлектронной эмиссии, пучком низкоэнергетических электронов, защищенной авторским свидетельством.
4. Впервые в области энергий 10-30 эВ впервые измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов СвЫОэ,
выяснены механизмы формирования этих спектров.
5. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с СИ. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0,3 мкм, имеющие прозрачность более 20%, при аспектном отношении до 100.
6. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением —10. Применение таких структур для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило существенно увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом фотонов рентгеновского излучения, генерируемого аналогичным электронным пучком в монокристаллической мишени.
Научная ценность.
1. Разработаны методики проведения измерений и алгоритмы обработки результатов при экспериментальных исследованиях оптических и фотоэмиссионных свойств твердых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с СИ от импульсных источников, учитывающие влияние постепенного нарастания энергии электронов в процессе цикла ускорения и разброс числа ускоряемых частиц.
2. Создана оригинальная техника компенсации заряда поверхности диэлектрических образцов при фотоэмиссии, позволяющая проводить фотоэмиссионные исследования не только тонких напыленных пленок, но и реальных диэлектрических кристаллов.
3. Методами фотоэлектронной спектроскопии с СИ экспериментально подтверждены значения пороговых энергий начала проявления эффекта «фотонного умножения» в спектрах возбуждения люминесценции кристаллов MgO и ВеО, а также показано, что этот эффект обусловлен процессами рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
4. Выработаны новые подходы к изготовлению рентгеношаблонов с субмикронными размерами топологического рисунка для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. С использованием этой технологии изготовлены первые опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.
5. Экспериментально подтверждена возможность увеличения эффективности генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллах с помощью мишеней
в виде периодических микроструктур, сформированных в монокристаллической пластине.
Практическая значимость.
1. Создание комплекса специализированного оборудования и аппаратуры для экспериментов с СИ на ускорителе «Сириус» обеспечивает новые возможности в технике спектроскопии вакуумного ультрафиолета с синхротронными источниками и расширяет круг задач, решаемых с помощью фотонных пучков этой уникальной ускорительной установки.
2. Полученные экспериментальные результаты углубляют знания о процессах взаимодействия вакуумного ультрафиолетового излучения с веществом и могут быть использованы в технологиях изготовления сверхпроводящих резонаторов, эффективных люминофоров для рентгеновских экранов в рентгенографии, катодолюминофоров для электронно-лучевых приборов, а также при разработке новых сцинтилляционных материалов.
3. Результаты исследования полученных опытных образцов регулярных трековых мембран определяют широкий спектр их практического использования от микрофильтрации и низкотемпературной стерилизации до создания эффективных одноразовых систем для плазмафереза, гемосорбции, гемодиализа и др. Такие микромембраны могут быть использованы для калибровки и сертификации мембран других типов.
4. Результаты исследования применения периодических микроструктур, сформированных в монокристаллических пластинах GaAs для генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами открывают практические перспективы получения интенсивных потоков монохроматического рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько десятков кэВ, используя недорогие ускорители малых и средних энергий.
Использование результатов работы.
Представленные в работе исследования выполнялись в рамках плана научных исследований АН СССР на 1976 - 1980 г.г. по теме «Создание источников и использование синхротронного излучения для решения различных научных и прикладных задач», а также по теме «Создание оборудования, устройств и аппаратуры для проведения экспериментов с синхротронным излучением ускорителя на энергию 1,5 ГэВ», выполняемой по постановлению правительства РФ.
Исследования по применению микроструктур для генерации рентгеновского излучения поддержаны фантом РФФИ №99-02-16920, а работы по регулярным трековым мембранам грантом РФФИ №01-02-17988.
Результаты работы были использованы в НИИ ядерной физики при ТПУ (Акт внедрения от 17.04.1984 года, утвержденный директором института), в МГУ, ИК РАН (г. Москва), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), НИИ ПП (г. Томск), а также могут быть использованы в НПО «Вирион», СГМУ, ТПУ (г.Томск), ФИ РАН, КИСИ (г. Москва), ДЭЛСИ (ОИЯИ г. Дубна) и в других заинтересованных организациях.
Личный вклад автора в работу.
Диссертация является итогом более чем 25 - летней работы автора по, тематике, связанной с использованием СИ в физических исследованиях и технологиях.
Работа была инициирована и на начальном этапе проводилась под руководством директора НИИЯФ при ТЛИ чл.-корр. РАН Диденко А.Н. и зав. лаб. 14 Кожевникова А.В. Автором был проведен расчет и анализ характеристик СИ синхротрона «Сириус», разработаны конструкции вакуумных каналов, монохроматоров, сверхвысоковакуумных измерительных камер, электронных спектрометров, а также другого оборудования и аппаратуры для работ с синхротронным излучением. Сформулированы требования к автоматизированной системе для экспериментов с СИ, разработана ее функциональная схема. Развиты методики измерений и алгоритмы обработки результатов экспериментов.
Изготовление узлов и устройств, их монтаж, наладка и запуск в эксплуатацию всех систем созданного вакуумного спектрометрического комплекса были осуществлены совместно с Кузнецовым Ю.В., Скрипниковым А.А., Шевцовым А.А. и др. сотрудниками лаборатории 14 НИИЯФ при ТПУ.
Эксперименты на больших ускорителях не могут быть выполнены отдельными исследователями. Поэтому работы, результаты которых приведены и обсуждаются в диссертации выполнены коллективами, объединяющими сотрудников как НИИЯФ при ТПУ, так и других институтов и организаций. Все участники этих работ являются соавторами публикаций по теме диссертации.
Автору принадлежит ведущая роль в организации постановки этих работ. Он непосредственно участвовал в проведении всех измерений, обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы.
Материалы, итоженные в диссертации, опубликованы в 64 работах, основные из которых приведены в списке публикаций [1-32] и обсуждались на Всесоюзных конференциях «Разработка и практическое применение электронных ускорителей» (Томск, 1972 и 1975 г.г.), на Всесоюзных конференциях по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом (Ужгород, 1975 г., Ленинград, 1978 г., Москва, 1982 г., Эзерниеки, Латвийский университет 1986 г., Иркутск, 1989 г., Томск, 1991 г.), на Всесоюзном симпозиуме по активной поверхности твёрдых тел (Тарту, 1977 г.), на Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978 г.), на научном семинаре, посвященном 10-летию Ереванского ускорителя (Ереван, 1978 г.), на Всесоюзных совещаниях и Национальных конференциях по синхротронному излучению (Новосибирск, 1975, 1977, 1978, 1980, 1984, 1986, 1988, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002 г.г.), на Всесоюзных семинарах Комиссии по синхротронному излучению при Президиуме АН СССР (Москва, 1975, 1976, 1978 г.г.), на Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Экзоэлектронная эмиссия и её применение». (Тбилиси, 1985 г.), на Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984 г., Киев, 1987 г., Ленинград, 1990г.), на Всесоюзной конференции «Локальные рентгеноспектральные исследования и их применение» (Устинов, 1985 г.), на Всесоюзной конференции «Физические процессы в светочувствительных системах на основе солей серебра» (Кемерово, 1986 г.), на Международной конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 1988 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия» (Львов, 1989 г.), на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучении, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ (Дубна, 1999, Москва 2001 г.), на SPIE's 24th Annual Intern. Symposium Microlithography. (Santa - Clara, California, USA, 1999), на 4th Intern. Conf. of SR Sources and 2th Asian Forum on SR (Pohang, Korea, 1995), на IV Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1998 г.), на Международном симпозиуме «Излучение электронов в периодических структурах REPS -2000» (Иркутск, 2000 г.).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 218 наименований. Содержание диссертации изложено на 250 страницах, включающих 73 рисунка и две таблицы.
СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна, научная ценность и практическая значимость. Приводятся краткие аннотации содержания глав и основных результатов.
В первой главе приведены основные формулы из теории синхротронного излучения моноэнергетического релятивистского электрона, движущегося по круговой орбите, полученные в работах А.А. Соколова, И.М. Тернова, Д.Швингера и др., рассмотрены вопросы влияния технических параметров ускорителя на характеристики СИ, а так же описана программа, по которой произведен расчет спектральных, угловых и поляризационных характеристик СИ синхротрона «Сириус». Проанализированы изменения этих характеристик в зависимости от режимов работы ускорителя. Проведено сравнение их с аналогичными характеристиками других источников СИ в нашей стране.
Из результатов проведенных исследований сделан вывод, что синхротрон «Сириус» является мощным источником с непрерывным спектром в области вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения со степенью линейной поляризации в плоскости равновесной орбиты электронов, достигающей 98%. Спектральная плотность мощности этого излучения составляет величину 10-Ю2 Дж/сек нм в зависимости от длинны волны, и сосредоточена в угле меньшем 3 мрад, относительно плоскости орбиты [1-3]. Такие параметры СИ позволяют эффективно использовать данный ускоритель в качестве источника света для спектральных исследований.
Вторая глава посвящена описанию специализированного оборудования и аппаратуры, разработанных для работ с синхротронным излучением.
В первом параграфе этой главы сформулированы требования к каналам СИ, приводятся схемы расположения и устройства каналов СИ на синхротроне «Сириус» а также дается описание конструкций узлов и систем этих каналов [1-4]. Фотография оборудования каналов СИ в экспериментальном зале приведена на рисунке 1.
Рис.1 Оборудование
каналов СИ в экспериментальном зале
В следующем параграфе проведен анализ особенностей оптических схем установки на каналы СИ спектральных приборов, описана схема установки на канал СИ серийного вакуумного монохроматора ВМР-2, модифицированного для работ с СИ, приводится описания конструкции высоковакуумного рефлектометра, которым оборудован этот прибор для измерения спектров отражения люминесценции и квантового выхода фотоэмиссии при углах падения излучения от 5° до 85° в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации [4].
В параграфе 2.3 приводится расчет и описание конструкции вакуумного монохроматора нормального падения с вертикальной плоскость дисперсии, разработанного специально для работы с СИ [5]. Монохроматор оборудован сверхвысоковакуумной измерительной камерой, в которой расположены рефлектометр для измерения угловых зависимостей спектров отражения и квантового выхода фотоэмиссии, а так же фотоэлектронный спектрометр с тормозящим полем, имеющий энергетическое разрешение Е/ДЕ = 100. Фокусировка расходящегося после выходной щели пучка излучения на поверхность образца осуществляется тороидальным зеркалом с золотым покрытием, фототок с которого регистрируется детектором, собранным из двух микроканальных пластин МКП-28-19. Величина этого тока пропорциональна падающей на зеркало интенсивности излучения и используется в качестве опорного сигнала при нормировке спектров.
В конце этого параграфа описаны эксперименты по определению эффективности, волнового разрешения и калибровке этого спектрального прибора с помощью двойной ионизационной камеры. Полученные результаты позволяют сделать заключение, что созданный монохроматор в рабочей спектральной области 40-180 нм имеет разрешение 0,2-0,3 нм и способен давать за выходной щелью поток квазимонохроматических фотонов до 1010 фотон/сек нм, при энергии 900 МэВ и токе в 50 мА.
Параграфы 2.4 и 2.5 посвящены описанию автоматизированной системы для экспериментов с СИ, построенной на базе мини-ЭВМ с
магистральной организацией подключения внешних устройств и созданного программного обеспечения [6,7]. С помощью этой автоматизированной системы производится программное управление измерениями и первичная обработка спектров отражения, квантового выхода фотоэмиссии, а также спектров возбуждения люминесценции и фотоэлектронных спектров как в режиме измерения токов, так и в режиме счета отдельных фотонов или электронов. Аппаратные средства и программное обеспечение системы реализуют разработанные экспериментальные методики и алгоритмы, которые уменьшают влияние на результаты измерений нестабильностей параметров пучка СИ, проявляющихся вследствие импульсного характера работы ускорителя, и обеспечивают возможность измерения каких-либо двух из указанных выше спектров одновременно с относительной точностью не менее 5%. После окончания измерений полученные данные могут быть выведены для документирования на принтере или графопостроителе, а также для хранения на внешних накопителях.
Третья глава посвящена изложению экспериментальных результатов по изучению оптических свойств твердых тел в области энергий от 5 до 30 эВ с использованием СИ.
В первом параграфе дается краткий обзор методов определения оптических констант и приводится описание составленной программы для вычисления этих констант из спектров отражения с использованием дисперсионных соотношений Крамерса-Кронига и формул Френеля. Программа позволяет вычислять действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости, функции характеристических объемных и поверхностных потерь, а также эффективное число электронов, дающих вклад в поглощение при частотах меньше заданной. Эта программа была использована при изучениях оптических свойств ниобия в области энергий 5-30 эВ, с целью определения состояния его поверхности после различных приемов ее технологической обработки при изготовлении из ниобия сверхпроводящих резонаторов (СПР). Результаты этих исследований [8,9], изложенные во втором параграфе этой главы, показали, что после электрохимической полировки и отжига в вакууме 10-8 Па при температуре 2000° С на поверхности ниобия окисной пленки не образуется. Этот факт позволяет классифицировать такой режим рафинирования поверхности сверхпроводящих ниобиевых резонаторов как оптимальный, поскольку увеличение остаточного давления при отжиге до 10-6 Па приводит к образованию на поверхности ниобия окисной пленки, что существенно понижает добротность изготовленного из него СПР.
Спектры отражения ниобия после различных режимов технологической обработки приведены на рис.2.
ео
Рис.2 Спектры отражения ниобия
1 - до высокотемпературного отжига,
2 — после высокотемпературного отжига при г=2000° С и р=10-8 Па,
3 - после высокотемпературного отжига при г=2000° С и р= 10-6 Па
40
20
30
10
50
,-8
,-6
5 10 15 20 25 30 Е,эВ
Отражательная способность ниобия, которая при 5 эВ составляет 50%, с увеличением энергии фотонов начинает равномерно спадать до 10,3 эВ, имея плечо при 7,5 эВ. Затем следует подъем коэффициента отражения, который имеет два максимума при 11,8 эВ и 16,8 эВ, с дальнейшим уличением энергии падающих фотонов коэффициент отражения равномерно уменьшается до минимума при 27 эВ.
Вычисленные из измеренного спектра отражения спектры действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, а также характеристические функции объемных и поверхностных потерь позволили сопоставить особенности в полученных спектрах с межзонными переходами и коллективными возбуждениями — плазмонами.
Структура в спектрах отражения ниобия и спектрах мнимой части диэлектрической проницаемости в области энергий 5-30 эВ может быть объяснена межзонными переходами. Переходы из заполненных 4d -состояний на свободные, разрешенные в твердых телах, вследствие их перемешивания с состояниями другой симметрией, определяют структуру в спектрах ЩЕ) и £г(Е) до 10,3 эВ. После окончания 46—переходов дальнейший подъем в спектрах можно связать с 4<1—переходами. После окончания переходов, которое проявляется в минимуме при 27 эВ,
дальнейший подъем в ходе наших спектров можно связать с началом переходов с первого уровня остова ниобия.
В параграфе 3.3 излагаются результаты исследования спектров возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных люминофоров в области энергий 10-30 эВ [10,11].
В первой части этого параграфа обосновывается необходимость исследования возбуждения люминесценции в области фундаментального поглощения указанных кристаллофосфоров и использования для этих целей СИ. Далее приводятся результаты исследования спектров возбуждения вольфрамата кальция, активированного переходными d - элементами (V, Сг,
Мп, Бе, Со, N1) и элементами У-ой группы с концентрацией 10-2 г-атом/моль, редкоземельными элементами с концентрацией в пределах от 10-6 до 10-2 г-атом/моль.
Полученные результаты показывают, что эффективность возбуждения люминесценции определяется видом примеси и зависит от ее
концентрации в люминофоре. Так примеси ряда переходных ё — элементов (V, Сг, Мп, Бе) в концентрации КГ2 г-атом/моль является сильными тушителями собственной люминесценции Они снижают ее более
чем на 50%. С другой стороны примеси таких элементов как Со, N1, № в такой же концентрации позволяют осуществлять возбуждение люминесценции более эффективно. При энергиях 22-30 эВ для этих примесей наблюдается переход от тушения собственной люминесценции к ее усилению, которая для никеля достигает 70%. Еще большее усиление собственной люминесценции происходит при введении в
исследуемый люминофор примесей элементов У-группы, достигая для Ля более 100%. Во всех полученных спектрах проявляются характерные для вольфрамата кальция в этой спектральной области особенности, обусловленные возбуждением поверхностного (17,5 эВ) и объемного (23,5 эВ) плазмонов, катионного экситона (25 эВ) (Гурвич А.М., Михайлин В.В). Возрастание квантового выхода люминесценции начиная с 18 эВ можно также обяснить началом размножения электронных возбуждений. Наиболее характерно это явление наблюдается в спектрах возбуждения люминесценции Са№04 с примесями N1, БЬ, Ля. В этих спектрах возрастание выхода люминесценции происходит ступенчато с перегибами кривой при 18 -20 эВ, 23-26 эВ, 29 - 30 эВ, что соответствует энергиям, кратным ширине запрещённой зоны СаАУО.» (Е§ » 6.3 эВ).
Существенное влияние на эффективность люминесценции Са^О4 оказывают и примеси редкоземельных элементов, которые при концентрации 10-2 — 10-3 г-атом/моль образуют центры тушения, уменьшая выход люминесценции на 50%, а при концентрациях 10-5 - 10-6 г-атом/моль образуют центры свечения, что приводит к усилению собственной люминесценции Са\УС>4.
В заключительной части этого параграфа приведены результаты исследования спектров возбуждения СаБ - люминофоров, активированных церием в пяти различных концентрациях с добавлением хлора, а также свинцом и его соединениями РЬО, РЬС^, РЬБ, которые показывают, что эффективность таких люминофоров зависит от условий препарирования. Так внедрение хлора в СаБ:Се обеспечивает увеличение квантового выхода люминесценции до 80%. Такое же значение квантового выхода имеет люминофор СаБ:РЬБ, прокалённые в атмосфере серы. Результаты исследования зависимости эффективности СаБ:Се от концентрации активатора позволили определить оптимальное значение концентрации церия, которое составляет 0.05 - 0.06 моль%. Ход спектров возбуждения
люминесценции исследованных Са8 фосфоров в области энергий больше 16 эВ свидетельствуют о наличии процессов размножения электронных возбуждений, что проявляется в резком увеличении квантового выхода люминесценции. В области энергий Йю > 24 эВ в спектрах проявляется структура, обусловленная возбуждением катионных экситонов.
В четвёртой главе излагаются результаты исследований электронных возбуждений и процессов их размножения в диэлектрических кристаллах в области энергий 10-30 эВ. Эти исследования были проведены методами фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) с использованием непрерывного спектра синхротронного излучения, что позволило получить как распределения фотоэлектронов по энергиям при заданных энергиях возбуждающих фотонов, так и спектры квантового выхода фотоэлектронов, имеющих различную энергию.
В первом параграфе этой главы отмечаются преимущества методов ФЭС с синхротронным излучением для исследования электронных возбуждений и описаны экспериментальная техника и оригинальные , защищенные авторским свидетельством, методики наших измерений фотоэлектронных спектров диэлектриков с компенсацией зарядки образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов [12-14].
В параграфе 42 приводятся результаты фотоэмиссионных исследований кристалла окиси магния. Измерения проводились при остаточном давлении 5x10^ Па и температуре 300°К с помощью анализатора с тормозящим полем. В качестве образца использовался монокристалл М^О, выращенный в ИФ АН ЭССР[12]. Измеренные спектры приведены на рис.3.
РисЗ. Спектры квантового выхода фотоэмиссии
кристалла MgO при различных задерживающих потенциалах
<2 19 10 15 30
Ход спектров квантового выхода фотоэмиссии свидетельствует о появлении вторичных электронно-дырочных пар. Энергия, при которой в спектрах начинают проявляться эти процессы соответствует
пороговой энергии, рассчитанной для MgO по элементарной теории размножения электронно-дырочных пар, с учетом законов сохранения энергии и квазиимпульса при условии, что генерация вторичных
электронных возбуждений происходит при неупругом рассеянии первичных высокоэнергетических фотоэлектронов на валентных электронах. Энергия первичных фотоэлектронов вследствие этого рассеяния уменьшается на несколько электрон-вольт, и они уже не могут выйти в вакуум, что и приводит к уменьшению квантового выхода фотоэмиссии. При дальнейшем повышении энергии возбуждающих фотонов, энергия как рассеянных, так и вторичных электронов становится достаточной для преодоления поверхностного потенциального барьера, и тогда на один поглощенный фотон возможен выход нескольких фотоэлектронов, что и обуславливает возрастании квантового выхода.
Начало неупругого электрон-электронного рассеяния непосредственно проявляется в распределениях фотоэлектронов по энергиям, измеренных при энергиях возбуждающих фотонов от 18,8 эВ до 27,5 эВ. При энергиях от 18,8 до 20 эВ эти распределения образованы фотоэлектронами вышедшими в вакуум из валентной зоны не претерпев рассеянья. Об этом свидетельствует тот факт, что максимум распределений при увеличении энергий возбуждения от 18,8 до 20 эВ сохраняет свое положение. При дальнейшем повышении энергии фотонов максимум энергетического распределения фотоэлектронов начинает сдвигаться в сторону меньших энергий, что объясняется уменьшением числа высокоэнергетических электронов, а в низкоэнергетической области начинает проявляться широкий бесструктурный пик, соответствующий выходу рассеянных электронов. При энергии возбуждающих фотонов 27,5 эВ в энергетическом распределении фотоэлектронов четко выражены две структуры. Осуществляется как бы перекачка высокоэнергетических фотоэлектронов в большее число низкоэнергетических. Эти результаты доказывают наличие размножения электронно-дырочных пар в кристалле окиси магния, которое происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
Полученные результаты позволяют также сделать оценку ширины валентной зоны. Поскольку размножение электронно-дырочных пар начинается при энергиях, больших двух ширин запрещенной зоны, тогда Ев
то есть ширина валентной зоны меньше 7,8 эВ. Оценивая ширину валентной зоны из полученных распределений электронов по энергиям и по пороговым энергиям начала процессов размножения, из наших данных можно заключить, что эта величина лежит в пределах 5-6 эВ, что согласуются с данными, полученными другими методами.
Таким образом, проведение исследования кристалла окиси магния методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии позволили экспериментально доказать, что размножение электронных возбуждений в этих кристаллах начинается с энергии возбуждающих фотонов равной ~19 эВ и происходит вследствие неупругого рассеяния первичного фотоэлектрона на валентных электронах кристалла. Полученные оценки
ширины запрещенной и валентной зоны и характер спектра отражения кристалла MgO находятся в согласии с данными, полученными другими авторами. Это обстоятельство дает уверенность в достоверности полученных результатов.
В параграфе 4.3 приводятся результаты измерений спектров отражения и фотоэлектронных спектров кристалла окиси бериллия. Измерения проводились с целью установления порогов и механизма размножения электронных возбуждений в этих кристаллах.
Наличие фотонного умножения в спектрах возбуждения люминесценции кристалла ВеО было выявлено при измерениях на синхротроне С-60 ФИ РАН (Колобанов В.Н. и др.) и на накопителе ВЭПП-2М (Пустоваров ВА и др.).
Результаты наших измерений фотоэлектронных спектров кристалла ВеО в области энергии возбуждающих фотонов от 11,7 эВ до 24 эВ приведены на рис.4.
Рис,4. Фотоэлектронные спектры кристалла окиси бериллия для энергии возбуждающих фотонов от 11.7 зВ до 22.5 эВ.
Из полученных спектров следует, что при энергиях возбуждения 23 эВ в кристаллах окиси бериллия начинаются процессы размножения электронных возбуждений вследствие неупругого элетрон-электронного рассеяния, что и приводит к возрастанию квантового выхода люминесценции. Из полученных распределений фотоэлектронов также следует, что ширина валентной зоны BeO Ev = 8,5 эВ, а ширина запрещенной зоны Eg = 10,63 эВ. Эти значения соответствуют ранее полученным данным и расчетам. В заключительном параграфе четвёртой главы приведены результаты измерений спектров отражения и спектров квантового выхода фотоэмиссии в области энергий 10 — 30 эВ для кристаллов CsNOj, NaNOj И КСЮ3(Рис. 5-7).
Структура спектров отражения CsNOj (Рис. 5) в области 12-18 эВ выявлена впервые. Здесь можно выделить четыре пика при энергиях 13,4; 15,4; 16,4 и 18,4 эВ. Энергетическому положению полученных особенностей соответствует начало переходов с первого уровня остова Cs+5p, энергия которого соответствует ~13 эВ.
Поскольку ширина валентной зоны Еу CSNO3 точно неизвестна, можно предположить, что на начало переходов с уровня остова могут быть наложены полосы, обусловленные переходами с нижней части валентной зоны. Для выяснения таких возможностей была измерена спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии.
Красная граница фотоэмиссии Et = Eg + Еж, где Еа - электронное сродство (для CSNO3 Еа<0,5 эВ ), лежит при 7,5 эВ, после чего начинается резкий рост фотовыхода, на фоне которого проявляются особенности, коррелирующие с положением особенностей в спектре отражения.
Эти особенности можно связать с плотностью электронных состояний в валентной зоне. С дальнейшим ростом энергии возбуждающих фотонов рост квантового выхода фотоэмиссии продолжается. Нет провала в его ходе и при энергии возбуждении которая является пороговой для
начала процессов электрон-электронного рассеяния.
Провал в росте фотовыхода наблюдается только при энергиях возбуждающих фотонов опять начинается
его возрастание, что свидетельствует о начале размножения электронных возбуждений вследствие электрон-электронного рассеяния.
В спектре отражения NaNOj (Рис. 7) хорошо выражен пик при 9,5 эВ. Этот пик связывается с возбуждением нитрат-иона, уровни которого образуют верхнюю часть валентной зоны. Затем следует область с маловыраженной структурой 12-38 эВ, где все же можно выделить особенности при 14,8; 17,6 и 29 эВ. Эти особенности определяются межзонными переходами из валентной зоны в зону проводимости. При энергиях свыше 30 эВ подъем в спектре отражения можно объяснить началом переходов с уровня Na+2p.
В области энергий возбуждающих фотонов 12-18 эВ продолжается быстрое нарастание квантового выхода, на фоне которого проявляются знакомые по спектрам отражения особенности при 14,8 эВ и 17,6 эВ, а после 18 эВ>2Е(! начинается резкий провал в спектре, после которого величина квантового выхода фотоэмиссии монотонно уменьшается вплоть до 30 эВ. Увеличения выхода фотоэмиссии, которое можно бы связать с проявлением процессов размножения элементарных возбуждений в измеренном спектре не наблюдается.
Такой же характер имеет и спектр квантового выхода кристалла хлората натрия, для которого красная граница фотоэмиссии определена в 9,8 эВ.
Спектр отражения кристалла КС1О3 (Рис. 6) имеет ряд особенностей при энергиях 14,2 и 15 эВ, затем наблюдается провал, за которым следует пик в виде дублета при 19,8 и 20,3 эВ. Ступенька при 22,3 и широкий пик с максимумом при 26,3 эВ.
Подъем в спектре отражения в области энергий 12-16 эВ определяется межзонными переходами из нижней части валентной зоны в зону проводимости, а структура в этой области определяется плотностью состояний в нижней части валентной зоны, которая образована р и d-орбиталями хлора. Провал в спектре отражения от 16 до 19 эВ соответствует расстоянию от дна валентной зоны до К+ Зр-уровня катиона.
Проявляющийся в спектре отражения при энергиях фотонов 19,8 и 20,3 дублет, характерен также для всех галогенидов калия, где он связан с возбуждением катионных экситонов. В нашем случае мы имеем дело также с возбуждением катионных экситонов, а затем при энергиях больших 24 эВ, наблюдаются переходы с К+ Зр-уровня остова в зону проводимости на 4s-уровни калия, т.е. переходы
Резкий рост фотоэмиссии кристалла хлората калия начинается при энергии 8,5 эВ, что хорошо согласуется с более ранними измерениями. На участке 12-16 эВ на фоне продолжающего роста квантового выхода проявляются особенности, связанные с плотностью состояний в валентной зоне. Эти особенности коррелируют со структурой спектра отражения.
При энергии возбуждения Ein, = 2Ее (где Eg - ширина запрещенной зоны) равной 16 эВ в спектрах квантового выхода фотоэмиссии наблюдается небольшой провал. Эта энергия является пороговой для начала процессов электрон-электронного рассеяния. Однако, как следует из спектра, этот процесс идет с малой эффективностью. Начиная с в спектре
квантового выхода имеется еще один провал, который согласно с элементарной теорией размножения возбуждений в кристаллах (ЛущикЧ.Б.) можно характеризовать как начало электрон-электронного рассеяния с участием дырок.
Рис. 7. Спектр отражения (—) и спектр квантового выхода фотоэмиссии (—) кристалла №МОз
В пятой главе излагаются результаты экспериментальных работ по рентгеновской литографии с синхротронным излучением.
Во введении к главе рассмотрены основные преимущества синхротронного излучения для рентгеновской литографии. Затем
описывается конструкция специализированного канала для рентгеновской литографии на синхротроне «Сириус». Канал оборудован камерой экспонирования и рентгеновским спектрометром РСМ - 500 [18 -19].
Камера экспонирования установлена на расстоянии 12 метров от точки излучения в специальном экспериментальном зале На таком расстоянии плотность потока излучения в спектральном диапазоне А\ (11 -10 нм) составляет 70 мВт/см2 при величине тока в ускорителе 50 мА. В камере экспонирования имеется устройство для протягивания экспонируемых пластин в вертикальной плоскости относительно оси пучка излучения, обеспечивающее равномерность облучения всей площади пластины 0100 мм, при вертикальном размере пучка
Первые эксперименты по экспонированию синхротронным излучением отечественных электронных резистов ЭРП-40, ЭРН-14, ЭЛП-9 и ЭЛП-20 показали, что исследованные резисты обладают неплохими характеристиками для использования их в рентгенолитографии, обеспечивая при экспозиционных дозах в несколько Дж/см2 пространственное разрешение 0.1 - 0 2 мкм.
На рентгеновском спектрометре РСМ - 500 измерено пропускание кремниевых и полимерных мембран для рентгеношаблонов. Показано что кремниевые мембраны толщиной 2.5 мкм пропускают до 30% от падающего потока излучения в спектральном диапазоне 0.2 - 0.3 нм.
Эти данные легли в основу создания рентгеношаблонов на основе кремниевых мембран с маскирующим слоем из золота. С использованием таких шаблонов были получены пропечатки в слоях резистов фрагментов реальных микросхем с субмикронными размерами элементов и изготовлены опытные образцы регулярных трековых полимерных мембран с размерами пор от 0 3 мкм.
Методы изготовления, возможные применения и результаты исследования свойств регулярных трековых мембран изложены в параграфе 5.3 [20-23,26,27]
Опытные образцы
регулярных трековых мембран с размерами пор 0.3 мкм и 0.5 мкм были изготовлены методом глубокой рентгеновской
литографии на канале СИ накопителя ВЭПП 3 ИЯФ СО РАН из лавсановой плёнки толщиной 2 мкм,6 мкм и 10 мкм. Экспонирование плёнок
Рис 8 Ретулярная трековая лавсановая пр°водил°сь при гтогрют
мембрана (омытый образец) Толщина электронов в накопителе 1.2 ГэВ и мембраны 6 мкм размер пор 0,54 мкм, разброс рармера пор ± 4 % 24
накопленном токе 100 мА. Экспозиционная доза составляла (1-2.5 )*104 Дж/см3.
РЭМ - фотографии полученных структур приведены на рис.8.
Результаты исследования разброса размеров пор и селективной способности регулярных мембран свидетельствуют, что для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор регулярные трековые мембраны обладают абсолютной селективностью [21].
Это обуславливает широкие возможные применения регулярных трековых мембран в медицине, микробиологии и фармакологии. Такие мембраны могут также использоваться как эталонные при сертификации мембран других типов.
При изготовлении регулярных полимерных мембран для низкотемпературной стерилизации необходимы рентгеношаблоны с окнами диаметром менее 0,2 мкм в маскирующим поглощающем слое толщиной более 1 мкм. Изготовить бездефектные шаблоны с такой топологией на кремниевой мембране с поглощающим слоем из золота, наносимого гальваническим методом не удавалось. Поэтому было предложено изготавливать рентгеношаблоны для глубокой рентгеновской литографии методом плазменного травления окон в металле, который обладая высокой поглощающей способностью рентгеновского излучения, удовлетворял бы технологическим условиям процессов плазмохимической обработки. С этих точек зрения подходящими характеристиками обладает тантал. Для тантала и были разработаны нами плазменные технологии получения металлических рентгеношаблонов толщиной 1-3 мкм, с окнами, заращиваемыми методами плазмохимического осаждения до диаметров меньших 0.2 мкм [23-25,27].
В параграфе 5.4 приводится описание основных операций изготовления Та-рентгеношаблонов и результаты их тестирования на станциях рентгеновской литографии и EXAFS — спектроскопии накопителя ВЭПП -3.
В заключительном параграфе пятой главы приводятся результаты по использованию периодических микроструктур с большим аспектным отношением, сформированных в кристаллических пластинах арсенида галлия для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами [23 - 31].
Технология формирования периодических микроструктур в кристаллах арсенида галлия с линейными размерами топологического рисунка от единиц микрометров и глубиной профиля до 100 микрометров была создана в рамках работ по разработке методов глубокой рентгеновской литографии и элементов LIGA - технологии. Полученные структуры предполагается использовать в качестве шаблонов для глубокой рентгеновской литографии, для изготовления детекторов рентгеновского излучения с пространственным разрешением лучше 50 мкм, элементов
рефракционной рентгеновской оптики, генерирующих структур и других устройств.
Основой разработанной технологии является использование при плазмохимическом травлении трехслойной маски из слоев диоксида кремния, толщиной 6.5 мкм, меди и позитивного фоторезиста толщиной 0.8999 - 1 мкм. Топологический рисунок, изготовляемой структуры, формировался в фоторезисте методом контактной литографии с использованием шаблона, изготовленного на электронном литографе ZBA - 20.
Полученные по такой технологии сотовые структуры с глубиной профиля до 80 мкм были использованы в качестве шаблонов для изготовления методом LIGA - технологии структурированных рентгеновских экранов с высоким пространственным разрешением. Шаблоны имели достаточно высокую контрастность и малую дефектность.
Структуры в виде периодической гребенки с периодом 43 мкм и глубиной профиля до 100 мкм (рис.9) были использованы нами в качестве мишеней для генерации монохроматического рентгеновского излучения с энергией 27 кэВ внутренним пучком синхротрона «Сириус» с энергией 500 МэВ.
Рентгеновский источник, имеющий такую мишень, комбинирует два известных принципа генерации рентгеновского , излучения релятивистскими электронами. При пересечении электронным пучком гребней структуры мишени под углом Брегга I относительно кристаллографической
плоскости (400) излучается параметрическое рентгеновское излучение (PXR). На поверхностях гребней генерируются и излучаются в узкий конус вокруг оси пучка электронов в направлении вперёд фотоны переходного излучения (TR). Благодаря динамической дифракции TR на кристаллографических плоскостях
последующих гребней возникает
монохроматическое рентгеновское излучение также и в Брэгговском направлении. Это дифрагированное переходное излучение (DTR).
При этом число участвующих в генерации гребней структуры
определяется как L , где Н - высота гребня, L - период структуры, 0О- угол падения электронного пучка на мишень. В наших экспериментах N было равно 20.
ис 9 Периодическая структура в кристалле GaAs (период 43 Юмкм глубина 100 мкм)
Измерения проводились при энергии ускоренных электронов 500 МэВ. Электронный пучок имел угловую расходимость 10-4 рад и разброс по энергии 0.5%.
Мишень, закреплённая в гониометре, размещалась вблизи равновесной орбиты на прямолинейном участке вакуумной камеры синхротрона.
Измерения проводились при двух положениях мишеней по высоте: на части мишени с вытравленной периодической структурой — «профилированная часть» и на части мишени, на которой периодическая структура отсутствовала - «непрофилированная часть».
Поток рентгеновского излучения состоящий из дифрагированного переходного излучения - DTR и параметрического рентгеновского излучения - PXR регистрировался CdTe полупроводниковым детектором, установленным под углом к направлению электронного пучка.
Расстояние между мишенью и детектором составляло 245 см. Апертура детектора 4 мм2, энергетическое разрешение 0.4 кэВ. Результаты измерений представлены на рис.10. Измерения показывают существенную разницу между интенсивностью рентгеновского излучения от профилированной и непрофилированной части мишени. Значительно более интенсивный пик от профилированной части мишени объясняется большим выходом фотонов DTR. Угловой размер конуса DTR зависит от параметров периодической структуры и уменьшается с увеличением числа работающих периодов.
Рис. 10 Ориентационная зависимость выхода рентгеновских фотонов с энергией 27 кэВ
1. от профилированной части мишени.
2. выход фотонов параметрического рентгеновского излучения
3. разность зависимостей 1 и 2.
Таким образом, проведённые измерения показали, что при прохождении пучков релятивистских электронов через кристаллическую мишень с периодической микроструктурой с большим аспектным отношением в геометрии Брегга испускается интенсивное монохроматическое рентгеновское излучение, представляющее собой сумму PXR и DTR, причем даже не очень большое число работающих периодов такой структуры позволяет существенно увеличить выход излучения по сравнению с использованием в качестве мишеней монокристалла.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сформулируем основные выводы, следующие из результатов данной диссертационной работы и определяющие её научную новизну и практическую ценность.
1. Получены численные значения характеристик синхротронного излучения ускорителя «Сириус», которые показывают, что данный ускоритель является мощным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения (10-102 Дж/нм-с) с непрерывным спектром (Х=0,5-103нм), острой направленностью (Ч*<3 мрад), высокой степенью поляризации (98% в плоскости орбиты) и может быть с успехом использован в качестве источника света для спектральных исследований взаимодействия этого излучения с веществом.
2. На синхротроне «Сириус» создан комплекс специализированного экспериментального оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для экспериментов с синхротронным излучением по изучению оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, позволяющий проводить эти исследования параллельно и независимо от других экспериментов, ведущихся на ускорителе.
3. Предложены и реализованы экспериментальные методики и алгоритмы обработки результатов измерений, которые существенно уменьшают влияние на полученные экспериментальные данные нестабильностей параметров пучка синхротронного излучения, проявляющихся вследствие импульсного режима работы ускорителя, и позволяют проводить фотоэмиссионные измерения диэлектриков с компенсацией заряда поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов.
4. С использованием синхротронного излучения ускорителя «Сириус» исследованы спектры отражения ниобия в области энергий 5-30 эВ, получены его оптические функции и функции характеристических потерь. Результаты этих исследований позволили оптимизировать режимы технологической обработки ниобия при изготовлении из него высокодобротных сверхпроводящих резонаторов.
5. Впервые проведены экспериментальные исследования высокоэнергетического возбуждения собственной люминесценции вольфрамата кальция с широким классом примесей. Показано, что в области энергий 12-30 эВ эффективность собственной люминесценции СаАУО* в значительной мере определяется видом примеси и зависит от её концентрации. В указанной энергетической области обнаружена зависимость процессов размножения электронно-дырочных пар от вида примеси, что позволяет поднять эффективность исследуемого люминофора с примесями таких элементов как мышьяк, сурьма, кобальт, никель и ниобий в
1.5-2 раза. Этот результат может быть рекомендован для использования в технологии изготовления более эффективных рентгеновских медицинских экранов с высокой разрешающей способностью.
6. В области энергий 12 - 30 эВ исследовано возбуждение люминесценции кристаллофосфоров на основе сульфида кальция. Показано, что эффективность таких люминофоров зависит от условий препарирования. Так внедрение хлора в Са8 : Се обеспечивает увеличение квантового выхода люминесценции на 50 - 80%. Проведено исследование зависимости эффективности Са8 - люминофора в зависимости от концентрации активатора Се. Показано, что оптимальное значение концентрации активатора составляет 0.05 - 0.06 моль%. Обнаружено, что при энергиях возбуждения Е, больших 16 эВ (Е, > ЗЕВ) в Са8 наблюдается размножение электронно-дырочных пар.
7. Впервые проведены исследования кристаллов окиси магния и окиси бериллия методами фотоэлектронной спектроскопии с использованием синхротронного излучения. Результаты этих исследований позволили доказать, что размножение электронных возбуждений в кристаллах MgO начинается при энергии возбуждающих фотонов ~19 эВ, а в кристаллах окиси ВеО - при 23 эВ, и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
8. Впервые в области энергий 10 - 30 эВ были измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов СвЫОз, №N(>3,
определены особенности в этих спектрах. Показано, что в этой области энергий эти особенности обусловлены катионными электронными состояниями и процессами размножения электронных возбуждений.
9. На канале рентгеновской литографии проведены эксперименты по экспонированию ряда отечественных электронных резистов синхротронным излучением. Показано, что разрешающая способность этих резистов при использовании их в рентгенолитографии не хуже 0,2 мкм. Измерено пропускание кремниевых и полимерных мембран в спектральной области 0.5 - 5 нм, применяемых в качестве подложек традиционных рентгеношаблонов с маскирующим слоем из золота.
10. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0.3 мкм. Измерена их селективная способность. Для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор регулярные мембраны обладают абсолютной селективностью.
11. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением ~10. Применение таких структур в качестве мишеней для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило
существенно увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом рентгеновских фотонов от монокристаллической мишени, испускаемых в направлении Брегга.
Результаты по теме диссертации опубликованы в 64 работах, основные из них следующие:
1. Диденко А.Н, Кожевников А.В., Никитин М.М., Тимченко Н.Л. Тракт синхротронного излучения для спектроскопии вакуумного ультрафиолета // ПТЭ. - 1974. - № 4. - С. 20-22.
2. Диденко А.Н, Кожевников А.В., Никитин М.М., Тимченко Н.А. Использование синхротронного излучения ускорителя «Сириус» в области вакуумного ультрафиолета // Ускорители заряженных частиц; Труды НИИ ЯФ при ТЛИ.- М..: Атомиздат. 1973. - вып. 3. - С. 60-63.
3. Диденко А..Н., Кожевников А.В., Медведев А.Ф., Никитин М.М., Скрипников А.А., Тимченко Н.А. Работы с синхротронным и ондуляторным изучением на синхротроне «Сириус» // Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. - Дубна: ОИЯИ, 1979. - Т. 1. - С. 229232.
4. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Модификация вакуумного монохроматора ВМР-2 для работы с синхротронным излучением // ПТЭ. -1980.-№ 6.-С. 140-141.
5. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Монохроматор нормального падения для работ с синхротронным излучением в области 40-180 нм. // ПТЭ. -1982. -№2.-С. 185-187.
6. Shevtsov АЛ., Timchenko N.A. An automated system for experiments with synchrotron radiation // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. -1989. - V.282. - P. 732-733.
7. Преслер В.Т., Тимченко Н.А.., Шевцов А.А. Математическое обеспечение системы автоматизации эксперимента с использованием синхротронного излучения. // Тезисы докладов II Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях. - Новосибирск. - ИЯФ СО АН СССР. - 1982. - С. 204-205.
8. Кожевников А.В., Михайлов Л.В., Тимченко Н.А. Использование синхротронного излучения для исследования поверхностных свойств сверхпроводников. // Сверхпроводники и их использование в ускорительной технике. Труды НИИ ЯФ при ТЛИ им. С.М.Кирова. - М.: Атомиздат. - 1975. -вып.5. - С. 36-39.
9. Кейб А.К., Кожевников А.В., Севрюкова Л.М., Тимченко Н.А. Оптические свойства ниобия и его окислов в области ВУФ. // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом. - Ужгород. - 1975. -С. 231.
10. Кожевников А.В., Кравченко А.И., Курманбаев Е.А., Михайлин В.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Спектры возбуждения люминесценции
кальций-вольфраматных люминофоров в области 12-30 эВ. / Ред. журн. «Изв.вузов.Физика». - Томск, 1981. - 18 С. - Деп. в ВИНИТИ 8.12.81., № 5592-81.
11. Кожевников А.В., Кравченко А.И., Курманбаев Е.А., Михайлин В.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Спектры возбуждения люминесценции кристаллофоров CaS : Се и CaS : Pb в области энергий 12-30 эВ. / Ред. журн. «Изв.вузов.Физика». - Томск, 1981.-13 С. - Деп. в ВИНИТИ 8.12.81., № 5592-81.
12. Кожевников А.В., Колобанов В.Н., Михайлин В.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Исследование фотоэмиссии кристалла MgO с применением синхротронного излучения. // Письма в ЖТФ. - 1984.- Т.10. - С. 677-680.
П.Кожевников А.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Фотоэлектронная спектроскопия кристаллов с использованием синхротронного излучения. // Труды VI Всесоюзного совещания по использованию синхротронного излучения «СИ - 84». - Новосибирск, 1984. - С. 304-307.
Н.А.с. 1474529 / Тимченко Н.А., Шевцов А.А. - Опубл. в Б.И., 1989, №15.
15. Кожевников А.В., Колобанов В.Н., Михайлин В.В., Ореханов П.А.. Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Фотоэлектронная спектроскопия кристаллов ВеО и MgO в области 10-30 эВ. // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействия с веществом ВУФ-86 - Рига. - С. 173.
16. Vorob'eva E.A., Kozevnikov A.V., Timchenko N.A., Shevtsov А.А. Reflection spectra auf quantum field of photoemission of nitrates and chlorinates of alkalimetals in the energy range from 10 to 30 eV. // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. - 1982. - V.282. - P. 615-618.
17. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Экзоэмиссионный контроль полупроводниковых пластин, шаблонов и резистов при рентгеновской литографии с синхротронным излучением. // Тезисы докладов симпозиума «Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия». -Львов, 1989.-С. 92.
18. Кожевников А.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А., Юрченко В.И. Вакуумный рентгенолитографический канал на синхротроне «Сириус». // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и взаимодействии излучения с веществом. «ВУФ-89». Ч.Н. -Иркутск, 1989. - С. 313-314.
19. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Установка спектрометра РСМ-500 на канале синхротронного излучения. // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и взаимодействии излучения с веществом. «ВУФ-89».Ч.П. - Иркутск, 1989. - С. 311-312.
20. Бровков В.А., Тимченко Н.А., Юрченко В.И. Микромеханика - новое направление технологии и техники. //Электронная промышленность. — 1993. -№ 9.-С. 33-37.
21.Brovkov V.A., Makarov O.A., Mchedlishvili B.V., Pindurin V.F., Timchenko N.A. The selective properties of regular track membranes. // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. -1995. -V.359. - P. 409-411.
22. Artamonova L.D., Barychev V.B., Brovkov V.A., Bufetov N.S., Cherkov G.A., Chesnokov V.V., Gashtold V.N., Kulipanov G.N., Makarov O.A., Mezentseva L.A., Mishnev S.I., Mchedlishvili B.V., Nazmov V.P., Pindyurin V.F., Prokopenko V.S., Reznikova E.F., Skrunski A.N., Timchenko N.A. Regular Polymer Microporous Membrebes: Manufacturing by Deep X-ray Lithography and Possible Applications, ICSRS-AFSR'95 // 4th Intern. Conf. Of Synchrotron adirtion Sources and 2nd Asian Forum on Synchrotron Radiation (Kyongiu, Korea, October 25-27, 1995), eds. Moohyun Yoon and Sang Hoon Nam, PAL. POSTECH, Pohand, Kyungbuk, Korea. - P. 375-383.
23. Глазунова Н.В., Громова Л.П., Канаев В.Г., Ларионова Е.Г., Литвин СВ., Тимченко Н.А.. Юрченко В.И. Технология изготовления трехмерных микроструктур. // Электронная промышленность. -1998. - № 1-2. - С. 58-63.
24. Громова Л.П., Канаев В.Г., Курмаева ТА., Ларионова Е.Г., Литвин СВ., Тимченко Н.А., Юрченко В.И. Рентгеношаблоны с маскирующим покрытием на основе тантала. // Тезисы докладов Национальной конференции по применению рентгеновского и синхротронного излучений, электронов и нейтронов для исследования материалов «РСНЭ'97». - Дубна,
1997.-С 577.
25. Глазунова Н.В., Громова Л.П., Канаев В.Г., Ларионова Е.К., Литвин СВ., Мезенцева Л.А., Назьмов В.П., Пиндюрин В.Ф., Тимченко НА., Юрченко В.И. Новые типы рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. // Труды IV международной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения. «АПЭП-98». - Новосибирск, 1998. - Т2,. - С 161-162.
26. Виленский А.И., Макаров ОА, Мезенцева Л.А., Мчедлишвили Б.В., Пиндюрин В.Ф., Тимченко Н.А. Радиационно-химические превращения в полимерах под действием синхротронного излучения и получение регулярных трековых мембран. // Сборник докладов Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучения, электронов и нейтронов для исследования материалов. - Дубна: ОИЯИ. -
1998.-ТЗ.-С 339-344.
27. Litvin S.V., Kanaev V.G., Larionova E.G., Glazunova L.P., Timchenko N.A., Yrchenko V.I., Mezentseva L.A., Nazmov V.P., Pinduyrin V.F. Self-supporting tantalum masks for deep X-ray lithography with synchrotron radiation // Emerging Lithography technologies Ш proceeding ofSPIE. - 1999. - V.3676. -P. 47.
28. Канаев В.Г., Ларионова В.Г., Глазунова Н.В., Литвин СВ., Тимченко НА и др. Технология получения микроструктур в арсениде галлия для генерации рентгеновского излучения. // Труды IV международной
конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» «АПЭП-98». - Новосибирск, 1998. - Т.2. - С.204-205.
29. Kaplin V.V., Uglov S.R., Zabaev V.N, Timchenko N.A, Kanaev V.G., Litvin S.B. Generation of X-rays by 850 MeV electrons in a novel periodic multicrystal structure on GaAs piate surface. // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. - 2000. - V448. - P. 66-69.
30. Kaplin V.V., Kuznetsov S.I., Uglov S.R., Zabaev V.N, Timchenko N.A. X-ray production by 500 MeV electron beam in periodically structured monocrystalline target of GaAs. // Nuclear Instruments and Methods in phys. Research A. - 2001. - V173. - P.238 - 240.
31. Канаев В.Г., Литвин СВ., Тимченко Н.А. и др. Технология получения микроструктур в кристаллах GaAs для генерации дифракционного переходного и параметрического рентгеновского излучения релятивистскими электронами. // Материалы XIV Российской конференции по использованию синхротронного излучения «СИ-2002». - Новосибирск, 2002.-С. 133.
32. Кожевников А.В., Медведев А.Ф., Никитин М.М., Тимченко Н.А.. Исследования с синхротронным излучением на синхротроне «Сириус» Томского политехнического университета. // Изв. Вузов. Физика. -1998. - № 4.-С. 133-146.
Подписано в печать 27.04.2004. Тираж 100 экз. Заказ № 148. Бумага офсетная. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбХ» Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03 05.2ОО1г. г. Томск, ул. Усова 7, ком. 052. тел. (3822) 56-44-54
97 51
Введение
Глава 1 Характеристика синхротронного излучения синхротрона
Сириус»
1.1. Некоторые сведения о теории синхротронного излучения моноэнергетического электрона
1.2. Влияние технических параметров ускорителя на характеристики синхротронного излучения
1.3. Спектральные, угловые и поляризационные характеристики синхротронного излучения синхротрона «Сириус»
Глава 2 Оборудование и аппаратура для экспериментов синхротронным излучением
2.1. Каналы синхротронного излучения ускорителя «Сириус»
2.2. Использование монохроматора ВМР-2 на каналах синхротронного излучения
2.3. Монохроматор нормального падения для работ с синхротронным излучением
2.4. Автоматизированная система для экспериментов с синхротронным излучением
2.5. Программное обеспечение автоматизированной системы для экспериментов с синхротронным излучением
Глава 3 Исследование оптических свойств твёрдых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с использованием синхротронного излучения
3.1. Методы определения оптических постоянных твёрдых тел из спектров отражения
3.2. Исследование оптических свойств ниобия области энергий от 5 до 30 Эв
3.3. Исследование спектров возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных люминофоров в области энергий 12 - 30 эВ
Глава 4 Исследование электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в диэлектрических кристаллах методами фотоэлектронной спектроскопии с синхротронным излучением
4.1. Методы и устройства для измерения фотоэлектронных спектров и спектров квантового выхода фотоэмиссии кристаллов диэлектриков с возбуждением синхротронным излучением
4.2. Исследование электронной структуры и процессов размножения электронных возбуждений в кристалле окиси магния методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии
4.3. Исследование размножения электронных возбуждений в кристаллах окиси бериллия
4.4. Спектры отражения и квантового выхода фотоэмиссии нитратов и хлоратов ряда щелочных металлов в области энергий 10-30 эВ
Глава 5 Экспериментальные исследования по рентгеновской литографии с синхротронным излучением
Введение
5.1. Канал синхротронного излучения ускорителя «Сириус» для рентгеновской литографии
5.2. Экспериментальные результаты по исследованию резистов и шаблонов для рентгеновской литографии
5.3. Изготовление опытных образцов регулярных трековых мембран методом глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением
5.4. Шаблоны для глубокой рентгеновской литографии из металлического тантала
5.5. Использование периодических микроструктур с большим аспектным отношением в кристалле арсенида галлия для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистками электронами.
Физическое явление, возникающее при движении релятивистских заряженных частиц по криволинейным траекториям в магнитных полях и называемое в настоящее время «синхротронное излучение», известно с начала XX века.
Наличие излучения заряда движущегося по окружности следовало из уравнений классической электродинамики Максвелла - Лоренца и впервые было исследовано А.Льенаром (1898г.) и Г.Шоттом (1907г.).
В этих работах были получены формулы для мощности излучения релятивистского заряда, движущегося по окружности, и для её спектрально - углового распределения.
Однако эти формулы долгое время представляли лишь академический интерес и были востребованы только спустя 40 лет, когда возник вопрос о влиянии излучения релятивистских заряженных частиц на их движение по макроскопическим траекториям в магнитных полях циклических ускорителей. Первым циклическим ускорителем, в котором был прёодолён Е релятивистский барьер (у = —- >1) был бетатрон, и электроны, ускоренные тс в бетатроне до энергии 100 МэВ, приобретали скорость V практически неотличимую от скрости света У=0.99999 С.
В 1944 году Д.Д.Иваненко и И.Я.Померанчук установили, что вследствие сильных радиационных потерь существует предельное значение о энергии электронов, ускоряемых в бетатроне, которое составляет 5.10° эВ [1].
Затем в 1945 году И.Я.Померанчуком в работе, выполненной совместно с Л.А.Арцимовичем [2], было показано, что вся энергия излучения релятивистских электронов, движущихся по круговым орбитам в магнитном поле, сосредоточена в плоскости орбиты (радиуса Я) в области углов ц/~тс2 / Е = 1/ у, а максимум спектрального распределения лежит в области длин волн Х = К1уъ. В этой работе был также впервые рассмотрен вопрос об интерференции излучения отдельных электронов и показано, что при нескоррелированых относительных положениях излучающих электронов, излучение ускоряемого сгустка из N электронов некогерентно и потоки энергий, излучаемые отдельными электронами II просто складываются, то есть 1м=№1. Такая ситуация выполняется и для всех современных синхротронов и накопителей, где относительные положения электронов можно считать скоррелированными с точностью до длины сгустков, в которые собраны ускоряемые электроны, величина которой порядка 0.1 метра, то есть существенно больше значения длин волн излучаемого коротковолнового излучения. Поэтому о когерентности излучения в синхротронах и накопителях можно говорить только в диапазоне коротких радиоволн.
Таким образом, в работах [1, 2] предсказывалось, что при энергиях в несколько десятков МэВ электронный пучок в ускорителе должен излучать в видимой области, а интенсивность этого свечения пропорциональна ускоряемому току.
Это, теоретическое предсказанное, физическое явление и было экспериментально зарегистрировано в 1947 Д.Поллоком с сотрудниками на синхротроне компании «Дженерал Электрик» с энергией 80 МэВ в виде яркого голубоватого света [3]. Поскольку впервые предсказанное излучение наблюдалось в синхротроне, то оно получило название синхротронного (СИ).
В последующих теоретических работах были получены, а затем экспериментально подтверждены, формулы для практических расчетов количественных спектрально - угловых и поляризационных характеристик СИ, исследовано его влияние на параметры ускоряемых электронных сгустков [4 - 13].
Было выяснено влияние квантовых поправок на свойства синхротронного излучения и разработаны методы учёта влияния квантовой природы излучения на динамику движения электронов в ускорителях, а затем построена законченная квантовая теория явления с учётом роли спина электронов [9].
Результаты, полученные в указанных работах, показали, что синхротронное излучение обладает уникальными свойствами, которые, как это было показано, например, в работе [12], позволяют считать синхротрон эффективным источником света в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Главными особенностями такого источника являются следующие:
1. Спектральное распределение излучения представляет собой континиум, простирающийся от инфракрасной до рентгеновской области спектра.
2. Интенсивность синхротронного излучения современных ускорителей в вакуумной ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра превышает на несколько порядков интенсивность используемых в этих спектральных областях газоразрядных источников излучения и рентгеновских трубок.
3. Излучение обладает острой направленностью. Расходимость излучения в вертикальной плоскости в направлении распространения составляет несколько миллирадиан, уменьшаясь в рентгеновской области до десятых долей миллирадиана.
4. Синхротронное излучение в плоскости орбиты обладает практически 100% степенью линейной поляризации. Если наблюдать излучение вне плоскости орбиты, поляризация излучения становится эллиптической. По разные стороны плоскости орбиты излучение имеет левую и правую эллиптическую поляризацию. В настоящее время это единственный доступный источник поляризованного излучения в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.
5. Характеристики синхротронного излучения могут быть с заданной точностью определены расчётным путём.
6. Синхротронное излучение обладает уникальной временной структурой, определяемой параметрами ускоряемых сгустков электронов и высокочастотной системы ускорителя.
7. Синхротронный источник является чистым, так как испускание излучения происходит в высоком или сверхвысоком вакууме.
Перечисленные свойства и определили широкое использование синхротронного излучения в самых различных отраслях науки. В настоящее время излучение от синхротронов и накопительных колец используется в качестве инструмента в спектральных исследованиях по физике твёрдого тела и физике поверхности, кристаллографии, биофизике и биохимии, фотохимии и катализе, биологии и медицине [13-18]. Важное значение имеет также использование синхротронного излучения в технологиях микроэлектроники, микромеханики [184-186] и в качестве радиометрического стандарта в широкой области спектра [19].
Применение синхротронного излучения во всех указанных областях с использованием как известных методик исследования строения вещества, так и вновь созданных, с учётом уникальных свойств СИ, позволило получить ряд результатов, которые не могли быть получены с использованием источников излучения, традиционных для данных областей и в настоящее время определяет уровень экспериментальных исследований в области естественных наук.
Здесь следует сказать, что практическая реализация преимуществ синхротронного излучения оказалась непростой задачей. Эксперименты с СИ существенно сложнее аналогичных экспериментов с использованием газоразрядных ламп или рентгеновских трубок. Эти исследования требуют создания специализированного оборудования, спектральной и измерительной аппаратуры. Возникла необходимость в разработке новых экспериментальных методик и алгоритмов обработки получаемых результатов с учётом особенностей работы ускорителя. Однако возможности синхротронного излучения оказались столь широки и его использование столь перспективно, что на всех синхротронах и накопительных кольцах, как в нашей стране, так и за рубежом, в конце 60-х в начале 70-х годов начали оборудовать каналы для работ с СИ, а затем разрабатывать и строить специализированные источники СИ.
В настоящее время в мире существует 53 лаборатории в 19 странах, в которых работают 38 специализированных источников синхротронного излучения с энергиями от сотен МэВ до 8 ГэВ, и ещё 35 находятся на разных стадиях строительства и проектирования.
Специализированные источники синхротронного излучения, третьего поколения, имеющие эмиттанс излучающих частиц £^~10~9ттас1, оснащённые встроенными ондуляторами и сильнополевыми виглерами, способны генерировать излучение непрерывно, в широчайшей области спектра со спектральной яркостью превышающей яркость «старых» синхротронов на несколько порядков, однако использование последних как для научных исследований, так и в образовательных целях актуальности не потеряло. Подтверждением этого является многолетняя успешная работа как нашего синхротрона, так и работа синхротрона С - 60 ФИ РАН[20].
Экспериментальные исследования по изучению свойств синхротронного излучения в видимой области спектра и по изучению влияния этого излучения на динамику движения ускоряемых электронов начали проводиться на синхротроне «Сириус» с момента его физического пуска в 1965 году [21, 22]. В этих работах были исследованы спектральные, угловые и поляризационные характеристики синхротронного излучения в видимой области спектра при различных энергиях ускоренных частиц и изучено влияние на эти характеристики динамики и параметров электронного пучка. Были также разработаны методики определения размеров ускоряемого сгустка, амплитуд когерентных и некогерентных колебаний электронов в сгустке по синхротронному излучению и исследовано явление фазовой неустойчивости сгустков, возникающее при взаимодействии ускоряемых пучков с ускоряющей системой синхротрона [23-26,217].
Результаты данных исследований и явились основой при решении задач настоящей работы, первоначальной целью которой было создание на синхротроне «Сириус» экспериментальной базы, позволившей использовать данный ускоритель в качестве мощного источника поляризованного излучения в вакуумной ультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра и исследование возможностей такого источника при экспериментальном изучении процессов взаимодействия излучения с веществом в этой спектральной области. Для достижения этой начальной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. С учетом особенностей в конструкции и режимах работы рассчитать спектральные, угловые и поляризационные характеристики СИ ускорителя «Сириус» на 1,5 ГэВ. Проанализировать и оценить возможности данного ускорителя при использовании его в качестве источника вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена.
2. Создать на синхротроне «Сириус» комплекс специализированного оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для вывода, транспортировки, монохроматизации и измерения параметров пучка синхротронного излучения, дающий возможность проводить эксперименты с СИ параллельно и независимо от других экспериментальных исследований, ведущихся на ускорителе.
3. Разработать и изготовить высоковакуумные и сверхвысоковакуумные измерительные камеры для исследования оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел, оснащённые детекторами, рефлектометрами и электронными спектрометрами, позволяющими исследовать различные характеристики процессов взаимодействия излучения с веществом.
4. С учётом импульсного характера работы синхротрона разработать экспериментальные методики и алгоритмы обработки получаемых результатов измерений при исследовании спектров отражения, спектральной зависимости квантового выхода фотоэмиссии, спектров возбуждения люминесценции и фотоэлектронных спектров твёрдых тел.
5. Создать экспериментальный рентгенолитографический канал с камерой экспонирования и рентгеновским спектрометром.
После завершения решения вышеперечисленных задач по созданию на синхротроне «Сириус» инструментальной базы для использования синхротронного излучения нами был проведен ряд экспериментальных работ целями которых были:
1. Исследовать оптические свойства ниобия в области энергий 5-30 эВ и установить их зависимость от режима высоковакуумного высокотемпературного отжига образцов.
2. Исследовать влияние примесей и условий синтеза на эффективность возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров в области энергий 10-30 эВ.
3. Установить закономерности спектров квантового выхода фотоэмиссии ряда широкозонных кристаллов в области фундаментального поглощения. Выяснить роль в формировании этих спектров электронных состояний кристалла и катиона, а также процессов релаксации электронных возбуждений.
4. Методами фотоэлектронной спектроскопии исследовать механизмы размножения электронных возбуждений и установить пороговые значения энергий, при которых эти процессы в кристаллах М^О и ВеО начинают проявляться.
5. Провести исследования эффективности и разрешающей способности ряда отечественных электронных резистов при использовании их в качестве рентгенорезистов. Измерить пропускание кремневых и полимерных мембран в спектральной области 0,5 -5 нм.
6. Разработать плазменные технологии изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением (ГРЛ СИ). Методами ГРЛ СИ изготовить опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.
7. Исследовать свойства и возможные применения изготовленных микроструктур.
Методы исследования.
В работе использованы спектроскопические методы исследования оптических и фотоэмиссионных свойств кристаллов, а также фотохимических процессов в материалах при литографии с использованием СИ. Для этого на синхротроне «Сириус» были созданы два вакуумных канала СИ, оборудованные монохроматорами нормального и скользящего падения, охватывающими волновой диапазон 0,5 - 200 нм. Монохроматоры оснащены высоковакуумными и сверхвысоковакуумными измерительными камерами с рефлектометрами и электронными спектрометрами. Разработана автоматизированная система измерений спектров фотонов и электронов, реализующая разработанные методики проведения экспериментов с СИ от импульсных источников, и позволяющая проводить измерения фотоэмиссионных спектров диэлектриков с компенсацией заряда поверхности образца.
Научные положения выносимые на защиту. 1. Отражательная способность монокристаллов ниобия в области энергий 5-30 эВ обусловлена межзонными переходами, возбуждением плазмонов и уменьшается в среднем на 20% при образовании в процессе высокотемпературного высоковакуумного отжига при температуре I = 2000°С и остаточном давлении р = 10"6 Па на поверхности образцов слоя окисла.
2. Эффективность собственной люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров при их возбуждении в области 12-30 эВ определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза: л
- примеси <1 - элементов (V, Сг, Мп, Бе) в концентрации 10" г - атом/моль уменьшают выход люминесценции Са^\\Ю4 более, чем на 50%, примеси же Со, N1, №> в этой же концентрации приводят к усилению люминесценции Са\\Ю4, которое для N1 при энергиях 20 - 22 эВ достигает 70%;
- усиление собственной люминесценции Са\\Ю4 происходит и при введении в исследуемый люминофор элементов V группы в концентрации л
10* г-атом/моль, достигая для Аб более 100%;
2 3
- примеси редкоземельных элементов в концентрации 10" - 10" г-атом/моль образуют центры тушения, уменьшая выход люминесценции Са\\Ю4 на 50%, а в малой концентрации 10"5 - 10"6 г-атом/моль вызывают усиление собственной люминесценции Са\\Ю4;
- наибольшая эффективность процессов размножения электронных возбуждений наблюдается в образцах Са\Ю4 с примесями N1, 8Ь, Аб;
- интенсивность люминесценции Са8 - люминофоров, активированных церием максимальна при концентрации церия 0.05 - 0.06 моль% и зависит от условий препарирования, так внедрение С1 в Са8: Се или прокалка СаБ: РЬБ в атмосфере серы увеличивает выход люминесценции на 80%.
3. Размножение электронных возбуждений в кристаллах начинается при энергиях возбуждающих фотонов -19 эВ, а в кристаллах ВеО при -23 эВ и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
4,Особенности в спектрах отражения и спектрах квантового выхода фотоэмиссии кристаллов СбИОз и КСЮз в области энергий 10 - 30 эВ обусловлены межзонными переходами, катионными электронными состояниями и процессами размножения электронно-дырочных пар, а в спектрах кристаллов №N(>3 и ИаСЮз только межзонными переходами.
5. Изготовленные методом глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением регулярные трековые мембраны обладают абсолютной селективностью для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор.
6. Эффективность генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллической мишени в геометрии Брегга может быть увеличена на порядок с помощью мишени в виде периодической микроструктуры, сформированной в монокристаллической пластине.
Достоверность защищаемых положений и результатов.
Достоверность полученных результатов достигается: выбором оптимальных режимов работы детекторов (ФЭУ, ВЭУ, КЭУ и др.), обеспечивающих их линейный отклик на изменение измеряемой интенсивности фотонных и электронных потоков; применением двулучевых схем регистрации измеряемых спектров; применением схем синхронизации и стробирования измеряемых сигналов относительно начала цикла ускорения; калибровкой спектральных приборов с помощью табулированных ВУФ-спектров излучения или поглощения газов и применением двойной ионизационной камеры в качестве абсолютного детектора; использованием автоматизированной системы для измерения, накопления и статистической обработки спектрометрической информации, обеспечивающей точность относительных измерений не хуже 5%; использованием при фотоэмиссионных исследованиях диэлектрических кристаллов техники компенсации заряда поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов и учетом разности потенциалов образца и энергоанализатора с точностью 0.1 В; проведением измерений в условиях высокого и сверхвысокого вакуума; использованием для измерения параметров микроструктур современных оптических и электронных микроскопов;
Достоверность положений, выносимых на защиту, и результатов подтверждается их многократной воспроизводимостью, проведенными контрольными измерениями ранее изученных объектов, а также согласием полученных результатов и выводов: с результатами исследований оптических свойств и электронных характеристик ниобия в видимой (Лексина И.Е., Мотулевич Г.П.) и в вакуумной ультрафиолетовой (Weaver J., Lynch D.) областях спектра (защищаемое положение 1); с представлениями о принципах формирования спектров возбуждения люминесценции широкощелевых кристаллов в области фундаментального поглощения (Васильев А.Н., Михайлин В.В.) и механизмами «фотонного умножения» (Ильмас Э.Р., Лущик Ч.Б.), базирующимися на обширном экспериментальном материале (защищаемые положения 2,3,4); с широко используемой трёхступенчатой моделью фотоэмиссии (Spicer W.E.) (защищаемые положения 3,4); с теоретическими моделями излучения релятивистских электронов в периодических средах и структурах (Тер-Микаэлян М.Л., Амусья М.Я. и др.), а также с результатами измерений характеристик рентгеновского излучения, генерируемого релятивистскими электронами в монокристаллических и составных кристаллических мишенях (Потылицын А.П., Забаев В.Н. и др.) (защищаемое положение 6)
Научная новизна защищаемых положений и результатов.
1. Использование СИ позволило впервые провести экспериментальные исследования оптических свойств ниобия в области энергий 5-30 эВ в зависимости от технологии обработки его поверхности.
2. В области энергий 12-30 эВ впервые измерены спектры возбуждения кальцийсульфидных и кальцийвольфраматных кристаллофосфоров с широким классом примесей. Показано, что в данной энергетической области эффективность этих люминофоров определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза. Обнаружена зависимость размножения электронных возбуждений CaW04 от вида примеси. В СаБ -фосфорах в области энергий 24-25 эВ выявлена структура, обусловленная возбуждением катионного экситона.
3. В области энергий 10-30 эВ впервые исследованы фотоэмиссионные характеристики кристаллов и ВеО. Определены энергетические пороги и механизмы размножения электронных возбуждений в этих кристаллах. Измерения проводились с использованием оригинальной техники компенсации заряда, возникающего на поверхности диэлектрического образца при фотоэлектронной эмиссии, пучком низкоэнергетических электронов, защищенной авторским свидетельством.
4. Впервые в области энергий 10-30 эВ впервые измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов СбИОз, №>Юз, МаСЮ3, КСЮз, выяснены механизмы формирования этих спектров.
5. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с СИ. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0,3 мкм, имеющие прозрачность более 20%.
6. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением -10.
Применение таких структур для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило существенно увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом фотонов рентгеновского излучения, генерируемого аналогичным электронным пучком в монокристаллической мишени.
Научная ценность.
1. Разработаны методики проведения измерений и алгоритмы обработки результатов при экспериментальных исследованиях оптических и фотоэмиссионных свойств твердых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с СИ от импульсных источников, учитывающие влияние постепенного нарастания энергии электронов в процессе цикла ускорения и разброс числа ускоряемых частиц.
2. Создана оригинальная техника компенсации заряда поверхности диэлектрических образцов при фотоэмиссии, позволяющая проводить фотоэмиссионные исследования не только тонких напыленных пленок, но и реальных диэлектрических кристаллов.
3. Методами фотоэлектронной спектроскопии с СИ экспериментально подтверждены значения пороговых энергий начала проявления эффекта «фотонного умножения» в спектрах возбуждения люминесценции кристаллов и ВеО, а также показано что этот эффект обусловлен процессами рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
4. Выработаны новые подходы к изготовлению рентгеношаблонов с субмикронными размерами топологического рисунка для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. С использованием этой технологии изготовлены первые опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.
5. Экспериментально подтверждена возможность увеличения эффективности генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллах с помощью мишеней в виде периодических микроструктур, сформированных в монокристаллической пластине.
Практическая значимость.
1. Создание комплекса специализированного оборудования и аппаратуры для экспериментов с СИ на ускорителе «Сириус» обеспечивает новые возможности в технике спектроскопии вакуумного ультрафиолета с синхротронными источниками и расширяет круг задач, решаемых с помощью фотонных пучков этой уникальной ускорительной установки.
2. Полученные экспериментальные результаты углубляют знания о процессах взаимодействия вакуумного ультрафиолетового излучения с веществом и могут быть использованы в технологиях изготовления сверхпроводящих резонаторов, эффективных люминофоров для рентгеновских экранов в рентгенографии, катодолюминофоров для электронно-лучевых приборов, а также при разработке новых сцинтилляционных материалов.
3. Результаты исследования полученных опытных образцов регулярных трековых мембран определяют широкий спектр их практического использования от микрофильтрации и низкотемпературной стерилизации до создания эффективных одноразовых систем для плазмафереза, гемосорбции, гемодиализа и др. Такие микромембраны могут быть использованы для калибровки и сертификации мембран других типов.
4. Результаты исследования применения периодических микроструктур, сформированных в монокристаллических пластинах ваАБ для генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами открывают практические перспективы получения интенсивных потоков монохроматического рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько десятков кэВ, используя недорогие ускорители малых и средних энергий.
Использование результатов работы.
Представленные в работе исследования выполнялись в рамках плана научных исследований АН СССР на 1976 - 1980 г.г. по теме «Создание источников и использование синхротронного излучения для решения различных научных и прикладных задач», а также по теме «Создание оборудования, устройств и аппаратуры для проведения экспериментов с синхротронным излучением ускорителя на энергию 1,5 ГэВ», выполняемой по постановлению правительства РФ и заказам Минобразования РФ в 1980-2004 гг.
Исследования по применению микроструктур для генерации рентгеновского излучения поддержаны грантом РФФИ №99-02-16920, а работы по регулярным трековым мембранам грантом РФФИ №01-0217988.
Результаты работы были использованы в НИИ ядерной физики при ТПУ (Акт внедрения от 17.04.1984 года, утвержденный директором института), в МГУ, ИК РАН (г. Москва), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), НИИ ПП (г. Томск), а также могут быть использованы в НПО «Вирион», СГМУ, ТПУ (г.Томск), ФИ РАН, КИСИ (г. Москва), ДЭЛСИ (ОИЯИ г. Дубна) и в других заинтересованных организациях.
Личный вклад автора в работу.
Диссертация является итогом более чем 25- летней работы автора по тематике, связанной с использованием СИ в физических исследованиях и технологиях.
Работа была инициирована и на начальном этапе проводилась под руководством директора НИИЯФ при ТПИ чл.-корр. РАН Диденко А.Н. и зав. лаб. 14 Кожевникова A.B. Автором был проведен расчет и анализ характеристик СИ синхротрона «Сириус», разработаны конструкции вакуумных каналов, монохроматоров, сверхвысоковакуумных измерительных камер, электронных спектрометров, а также другого оборудования и аппаратуры для работ с синхротронным излучением. Сформулированы требования к автоматизированной системе для экспериментов с СИ, разработана ее функциональная схема. Развиты методики измерений и алгоритмы обработки результатов экспериментов.
Изготовление узлов и устройств, их монтаж, наладка и запуск в эксплуатацию всех систем созданного вакуумного спектрометрического комплекса были осуществлены совместно с Кузнецовым Ю.В., Скрипниковым A.A., Шевцовым A.A. и др. сотрудниками лаборатории 14 НИИЯФ при ТПУ.
Эксперименты на больших ускорителях не могут быть выполнены отдельными исследователями. Поэтому работы, результаты которых приведены и обсуждаются в диссертации выполнены коллективами, объединяющими сотрудников как НИИЯФ при ТПУ, так и других институтов и организаций. Все участники этих работ являются соавторами публикаций по теме диссертации.
Автору принадлежит ведущая роль в организации постановки этих работ. Он непосредственно участвовал в проведении всех измерений, обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы.
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в 64 работах, основные из которых приведены в списке литературы [24, 27, 28, 52, 58, 61, 76, 81-83, 106-108, 123, 124, 166, 167, 169, 175, 178, 187-189, 194, 195, 197-199, 205-208, 212-217] и обсуждались на Всесоюзных конференциях «Разработка и практическое применение электронных ускорителей» (Томск, 1972 и 1975 г.г.), на Всесоюзных конференциях по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом (Ужгород, 1975 г., Ленинград, 1978 г., Москва, 1982 г., Эзерниеки,
Латвийский университет 1986 г., Иркутск, 1989 г., Томск, 1991 г.), на Всесоюзном симпозиуме по активной поверхности твёрдых тел (Тарту, 1977 г.), на Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978 г.), на научном семинаре, посвященном 10-летию Ереванского ускорителя (Ереван, 1978 г.), на Всесоюзных совещаниях и Национальных конференциях по синхротронному излучению (Новосибирск, 1975, 1977, 1978, 1980, 1984, 1986, 1988, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002 г.г.), на Всесоюзных семинарах Комиссии по синхротронному излучению при Президиуме АН СССР (Москва, 1975, 1976, 1978 г.г.), на Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Экзоэлектронная эмиссия и её применение» (Тбилиси, 1985 г.), на Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984 г., Киев, 1987 г., Ленинград, 1990г.), на Всесоюзной конференции «Локальные рентгеноспектральные исследования и их применение» (Устинов, 1985 г.), на Всесоюзной конференции «Физические процессы в светочувствительных системах на основе солей серебра» (Кемерово, 1986 г.), на Международной конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 1988 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия» (Львов, 1989 г.), на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучении, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ (Дубна, 1999, Москва 2001 г.), на SPIE's 24th Annual Intern. Symposium Microlithography. (Santa - Clara, California, USA, 1999), на 4th Intern. Conf. of SR Sources and 2th Asian Forum on SR (Pohang, Korea, 1995), на IV Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск , 1998 г.), на
Международном симпозиуме «Излучение электронов в периодических структурах REPS - 2000» (Иркутск, 2000 г.).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 218 наименований. Содержание диссертации изложено на 248 страницах, включающих 73 рисунка и две таблицы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сформулируем основные выводы, следующие из результатов данной диссертационной работы, определяющие её научную новизну и практическую ценность.
1. Получены численные значения характеристик синхротронного излучения ускорителя «Сириус», которые показывают, что данный ускоритель является мощным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения с непрерывным спектром, острой направленностью, высокой степенью поляризации и может быть с успехом использован в качестве источника света для спектральных исследований взаимодействия этого излучения с веществом.
2. На синхротроне «Сириус» создан комплекс специализированного экспериментального оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для экспериментов с синхротронным излучением по изучению оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел, в вакуумной ультрафиолетовой области спектра, в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, позволяющий проводить эти исследования параллельно и независимо от других экспериментов, ведущихся на ускорителе.
3. Предложены и реализованы экспериментальные методики и алгоритмы обработки результатов измерений, которые исключают влияние на полученные экспериментальные данные нестабильностей параметров пучка синхротронного излучения, проявляющихся вследствие импульсного режима работы ускорителя, и позволяют проводить фотоэмиссионные измерения диэлектриков с компенсацией зарядам поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов.
4. С использованием синхротронного излучения ускорителя «Сириус» исследованы спектры отражения ниобия в области энергий 5 - 30 эВ, получены его оптические функции и функции характеристических потерь. Результаты этих исследований позволили оптимизировать режимы технологической обработки ниобия при изготовлении из него высокодобротных сверхпроводящих резонаторов.
5. Впервые проведены экспериментальные исследования высокоэнергетического возбуждения собственной люминесценции вольфрамата кальция с широким классом примесей. Показано, что в области энергий 12 - 30т эВ эффективность собственной люминесценции CaW04 в значительной мере определяется видом примеси и зависит от её концентрации. В указанной энергетической области обнаружена зависимость процессов размножения электронно-дырочных пар от вида примеси, что позволяет поднять эффективность исследуемого люминофора с примесями таких элементов как мышьяк, сурьма, кобальт, никель и ниобий в 1.5-2 раза. Этот результат может быть рекомендован для использования в технологии изготовления более эффективных рентгеновских медицинских экранов с высокой разрешающей способностью.
6. В области энергий 12 - 30 эВ исследовано возбуждение люминесценции кристаллофосфоров на основе сульфида кальция. Показано, что эффективность таких люминофоров зависит от условий препарирования. Так внедрение хлора в Са8 : Се обеспечивает увеличение квантового выхода люминесценции на 50 -80%. Проведено исследование зависимости эффективности СаЭ - люминофора в зависимости от концентрации активатора Се. Показано, что оптимальное значение концентрации активатора составляет 0.05 - 0.06 моль%. Обнаружено, что при энергиях возбуждения Ев больших 16 эВ ( Ев> ЗЕ8) в СаБ наблюдается размножение электронно-дырочных пар.
7. Впервые проведены исследования кристаллов окиси магния и окиси бериллия методами фотоэлектронной спектроскопии с использованием синхротронного излучения. Результаты этих исследований позволили доказать, что размножение электронных возбуждений в кристаллах М§0 начинается при энергии возбуждающих фотонов ~19 эВ, а в кристаллах окиси ВеО - при 23 эВ, и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.
8. Впервые в области энергий 10 - 30 эВ были измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов СбЫОз, №N(>5, ЫаСЮ3, КСЮз, определены особенности в этих спектрах. Показано, что в этой области энергий эти особенности обусловлены катионными электронными состояниями и процессами размножения электронных возбуждений.
9. На канале рентгеновской литографии проведены эксперименты по экспонированию ряда отечественных электронных резистов синхротронным излучением. Определена эффективность и разрешающая способность этих резистов при использовании их в рентгенолитографии. Измерено пропускание кремниевых и полимерных мембран в спектральной области 0.5 - 5 нм, применяемых в качестве подложек традиционных рентгеношаблонов с маскирующим слоем из золота.
10. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0.3 мкм. Измерена их селективная способность. Для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор регулярные мембраны обладают абсолютной селективностью.
11. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением -10. Применение таких структур в качестве мишеней для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом рентгеновских фотонов от кристаллической мишени, испускаемых в направлении Брегга.
В заключение я считаю своей приятной обязанностью выразить сердечную благодарность и признательность чл.-корр. РАН, профессору Диденко А.Н., заведующему лабораторией 14 НИИ ядерной физики при ТПУ доценту Кожевникову A.B., всем сотрудникам этой лаборатории и сотрудникам синхротрона «Сириус» за всестороннюю помощь и поддержку, особенно на начальных этапах выполнения этой работы, директору НИИ ЯФ при ТПУ профессору Рябчикову А.И. за поддержку при написании диссертации.
Я также признателен Преслер В.Т. и Хлоповских В.М. за их большой вклад при разработке и помощь при настройке автоматизированной системы для экспериментов с синхротронным излучением; Бровкову В.А., Литвину C.B., Канаеву В.Г., Юрченко В.И.(НИИ ПП г.Томска), Макарову O.A., Назьмову В.П., Пиндюрину В.Ф., Мезенцевой Л.А.(ИЯФ СО РАН, г.Новосибирск) за совместную работу по созданию рентгеношаблонов для изготовления микроструктур и опытных образцов микромембран.
Выношу свою признательность также всем моим соавторам работ, результаты которых использовались при написании данной диссертации.
1. Помераичук И.Я., Иваненко Д.Д. О максимальной энергии, достижимой в бетатроне. // Доклады АН СССР, 1944, Т.44. - С.343-344.
2. Арцимович В.А., Померанчук И.Я. Излучение быстрых электронов в магнитном поле. // ЖЭТФ, 1946, Т. 16. С. 342-346.
3. Elder F.R., Gurewitch A., Langmuir R.V., Pollock D.C. // Radiation from electrons in a synchrotron. Phys. Rev., 1947, V.71, №11.- P. 829-830.
4. Синхротронное излучение. // Сборник статей под редакцией Соколова A.A. и Тернова И.М. М., - Наука, 1996. - 226 С.
5. Schwinger J. On the classical radiaten of accelerated electrons. // Phys. Rev., 1949, V. 75, № 12. P. 1912-1925.
6. Адо Ю.Н., Черенков П.А. Распределение энергии в спектре некогерентного излучения электронов, движущихся в синхротроне. // Доклады АН СССР, 1956, Т.110. С. 35-38.
7. Королев Ф.А., Марков B.C., Акимов Е.М, Куликов О.Ф. Экспериментальное исследование углового распределения и поляризации оптического излучения в синхротроне. // Доклады АН СССР, 1956, Т. 110.- С. 542-544.
8. Куликов О.Ф. // Экспериментальное исследование излучения и рассеяния света релятивистскими электронами. // Синхротронное излучение; Труды ФИ АН СССР, М.,«Наука», 1975. Т.80. С. 3-99.
9. Соколов A.A., Тернов И.М. Релятивистский электрон. М., Наука, 1974. -391С.
10. Соколов A.A., Тернов И.М. О поляризационных эффектах в излучении «светящегося» электрона. // ЖЭТФ, 1956, Т.31.- С. 473-478.
11. Михайлин В.В., Тернов И.М., Халилов В.Р. Синхротронное излучение и его применения. М., Издательство Московского университета, 1980. -278С.13.
