2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................ 6
ГЛАВА 1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ДИЭЛЕКТРИКАХ........................... 16
1.1. Потери энергии на ионизацию и возбуждение................................... 16
1.2. Влияние радиационной электризации на потери энергии быстрых электронов............. 18
1.3. Особенности диссипации энергии сильноточных
электронных пучков в диэлектриках....... 21
1.3.1. Разрушение конденсированных сред при облучении электронными пучками наносекундной длительности.................... 25
1.3.2. Радиационно-импульсная проводимость... 33
1.3.3. Критическая электронная эмиссия из диэлектриков, индуцированная СЭП.............. 38
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В ТВЕРДЫХ
ТЕЛАХ, ИНДУЦИРОВАННЫЙ ПЛОТНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ ВНЕ ЗОНЫ ТОРМОЖЕНИЯ БЫСТРЫХ
ЭЛЕКТРОНОВ ......................................... 4 3
2.1. Схемы возбуждения стримерных разрядов.... 44
2.2. Функциональная схема регистрации спектрально-кинетических характеристик стримерных разрядов...................................... 47
2.3. Общие закономерности развития стримерных разрядов в диэлектриках....................... 51
2.3.1. Морфология разрушения диэлектриков 59
з
2.3.2. Спектрально-временные характеристики стри-
мерного свечения........................ бб
2.3.3. Свечение ионных кристаллов при возбуждении поверхностным разрядом ......................... 70
2.3.4. Эмиссия электронов из канала электрического пробоя, при возбуждении СЭП.................. 84
2.3.5. Оценка энергии, выделяющейся в стримерных разрядах, индуцированных СЭП.................... 87
2.3.6. Параметры импульсных напряжений, генерируемых в диэлектриках стримерными разрядами.................................. 91
2.4. Стримерные разряды в полупроводниковых кри сталах группы А2Вб............................ 93
2.4.1. Общие закономерности и особенности электронно-пучкового инициирования стримерных разрядов в СсіБ................................. 95
2.4.2. Спектрально-кинетические характеристики стримерных разрядов в сульфиде кадмия.. 98
2.4.3. Морфология разрушения кристаллов СбЭ после многократного инициирования стримерных разрядов ........................................103
2.5. Амплитудно-временные характеристики средних и локальных электрических полей, индуцированных СЭП в диэлектриках и полупроводниках ......................................... 106
Основные результаты....................... 109
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ, ИНДУЦИРОВАННЫЙ ПЛОТНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В ЗОНЕ ТОРМОЖЕНИЯ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ......................................... .114
4
3.1. Объекты исследования......................115
3.2. Схема облучения образцов..................116
3.3. Морфология разрушения твердых тел.........116
3.3.1. Закономерности и особенности разрушения высокоомных материалов в режиме многократного воздействия СЭП низкой плотности ............................................116
3.3.2. Режим однократного облучения твердых тел электронным пучком высокой плотности...130
3.4. Спектрально-временные параметры свечения стримерных разрядов в диэлектриках.............136
3.5. Импульсная катодолюминесценция
полупроводников.......................... 142
Основные результаты........................147
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ СТРИМЕРНЫХ
РАЗРЯДОВ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ РАЗРУШЕНИИ
ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ..............I......................150
4.1. Механизмы генерации динамических напряжений
в диэлектриках возбуждаемых СЭП...........150
4.2. Поляризационно-оптическая методика регистрации динамических и статических механических напряжений в ЩГК...........................158
4.3. Амплитудно-временные параметры импульсных напряжений, генерируемых СЭП в ЩГК..............161
4.4. Пластическая деформация ЩГК .............164
4.5. Временные характеристики формирования периодических структур разрушения, образующихся на тыльной поверхности ЩГК......................171
4.6. Качественная модель электронно-лучевого разрушения диэлектриков и полупроводников ... 176
5
Основные результаты...................182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................184
ЛИТЕРАТУРА.......................................189
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы.
Развитие высоковольтной импульсной техники привело к созданию импульсных сильноточных ускорителей электронов (ИСУЭ) со взрывоэмиссионными катодами с полной энергией импульса до 10б Дж и мощностью до 1013 Вт /1-3/. Сильноточные электронные пучки (СЭП) с определенным диапазоном параметров стали применять в различных областях науки, техники и технологиях /4-9/. Экспериментаторы получили уникальный инструмент, позволяющий исследовать поведение вещества в экстремальных, недоступных ранее условиях.
Уже первые работы в этом направлении привели к открытию ряда новых явлений /10-17/. Наиболее сложное и интересное из них - разрушение твердых тел под действием плотных электронных пучков наносекундной длительности /10-15,18-20/. Возник вопрос о механизмах этого явления в материалах различного класса - металлах, полупроводниках, ионных кристаллах, стеклах и полимерах. Выяснению этого вопроса посвящено большое число исследований, способствующих решению этой важной проблемы, сдерживающей дальнейшее развитие физики мощных радиационных воздействий. Установлено, что в процессах электронно-лучевого разрушения твердых тел определяющую роль играют сильные механические (до 108 Па) и электрические (до 107 В/см) поля. В соответствии с этим в литературе обсуждались два основных механизма разрушения -термоупругий и электроразрядный. Недостаточная изученность явления электрического пробоя твердых тел под действием наносекундных импульсов высокого напряжения с
7
крутым фронтом ~ 1012 - 1014 В/с, отсутствие прямых методов регистрации быстроизменяющихся в пространстве и во времени электрических полей, возбуждаемых мощными электронными пучками в облучаемой мишени не всегда позволяет установить роль электроразрядно.го механизма в разрушении твердых тел различного класса соединений, что требует проведения целенаправленных исследований в данном направлении.
Другим аспектом, обуславливающим необходимость изучения электрического пробоя, инициируемого СЭП в диэлектриках и полупроводниках, является перспективность использования этого ■ явления в технике, например, в
сильноточной электроразрядной электронике твердого тела
0 <
при разработке коммутаторов и источников оптического излучения - стримерных и электроионизационных лазеров.
Интерес к проблеме электронно-лучевого разрушения твердых тел связан с эксплуатацией изоляционных элементов в ускорителях заряженных частиц, с проблемами применения корпускулярного излучения в космосе /21/, с возможным использованием этого эффекта для проходки скважин в твердых породах.
Состояние проблемы.
Поведение твердых тел при импульсном облучении плотными электронными пучками изучалось в ряде работ. Исследования оказались плодотворными, показав насколько разнообразными могут быть процессы, развивающиеся в твердых телах при высокой плотности возбуждения." Было обнаружено несколько новых явлений, инициируемых СЭП в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК): разрушение /15/,
малоинерционное, температурноустойчивое свечение со сплошным спектром /16/, аномально высокие радиационная
8
проводимость и электронная эмиссия /16-17/. По мере изучения этих явлений предлагались различные механизмы, лежащие в их основе. Однако, несмотря на обширные исследования в области физики мощных радиационных воздействий, многие вопросы остаются невыясненными. До сих пор остается открытым такой важный вопрос, как возможность развития электрического пробоя в ионных кристаллических диэлектриках и полупроводниках под действием плотных электронных пучков наносекундной длительности и роль этого процесса в инициировании разрушения, радиационно-импульсной проводимости, эмиссии электронов и оптического излучения.
Возможность электрического пробоя ионных кристаллических диэлектриков при воздействии плотных электронных пучков не очевидна, так как, согласно проведенным Д.И. Вайсбурдом с сотрудниками исследованиям /7,14-18/, удельная объемная проводимость большинства диэлектриков в момент облучения СЭП возрастает в 1012...1015 раз и достигает значений 10"4...10"1 (Ом см)“1, что должно ограничивать рост напряженности электрического поля, связанного с отрицательным объемным зарядом (003) пучка, до 104...105 В/см. Отсутствие экспериментальных методик, позволяющих регистрировать импульсные электрические поля с высоким временным и пространственным разрешением, сложность выделения явлений, инициируемых электрическим пробоем на фоне многообразных физических процессов, развивающихся в диэлектриках в момент облучения СЭП является причиной того, что в литературе практически отсутствовали экспериментальные и теоретические работы посвященные этой проблеме, а сама возможность
9
электрического пробоя ионных кристаллов под действием СЭП ставилась под сомнение /7/.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является поиск и исследование электро-разрядных явлений, инициируемых в .твердых телах различных классов соединений, плотными электронными пучками наносекундной длительности и выяснение роли электрораз-рядного механизма в разрушении ионных кристаллических диэлектриков и полупроводников группы А2Вб.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Проанализировать основные физические явления, сопровождающие взаимодействие СЭП с диэлектриками.
2. Разработать методы индикации электрического пробоя по характерным для этого явления закономерностям.
3. Разработать экспериментальные методики для исследования электрического пробоя твердых тел под действием СЭП с высоким временным (1...10 не) и пространственным (1...10 мкм) разрешением.
4. Изучить возможность инициирования электрического пробоя в твердых телах различных классов соединений.
5. Изучить временные характеристики электроннолучевого разрушения твердых тел с целью установления доминирующей роли термоупругого или электроразрядного механизма в их разрушении.
Научная новизна.
1. Обнаружено новое явление - электрический пробой ЩГК при воздействии СЭП наносекундной длительности.
2. Выполнено первое систематическое исследование электрического пробоя, инициируемого в ионных кристал-
10
лах и полупроводниках плотными электронными пучками на-косекундной длительности.
3. Доказана возможность кумуляции энергии СЭП в микрообъемах диэлектрических и полупроводниковых мишеней.
4. Обнаружены и исследованы периодические структуры разрушения (ПСР), возникающие в ЩГК и монокристалле Сс1Те при однократном воздействии СЭП.
5. Обнаружена и исследована пластическая деформация пластинок ЩГК после однократного облучения электронным пучком.
6. Обнаружена и исследована эмиссия низкоэнергетического электронного пучка из разрядного канала диэлектрика , индуцированная СЭП.
7. Доказана возможность электроразрядного механизма разрушения ионных кристаллических диэлектриков и полупроводников группы А2Вб.
1
Практическая значимость.
Экспериментальные результаты, полученные в данной работе расширяют современные представления о физических процессах, развивающихся в ионных и полупроводниковых кристаллах при их облучении плотными электронными пучками. Электрический пробой наносекундной длительности (с фронтом нарастания напряжения 1012...1014 В/с), инициируемый СЭП в твердых телах, представляет интерес для его использования в различных областях науки и техники.
• Для кумуляции энергии СЭП в электрически прочных диэлектрических мишенях с целью достижения экстремальных состояний вещества и изучения- физических процессов, протекающих при этом.
11
• Генерации плотной ионно-электронной и электроннодырочной плазмы, с целью ее использования в импульсных источниках излучения, а также для формирования плотных низкоэнергетических электронных пучков.
• Изучения физики наносекуидного электрического пробоя конденсированных сред и влияния на этот процесс ионизирующей радиации.
• Для разработки мощных, устойчивых к деградации, катодолюминесцентных источников излучения и полупроводниковых лазеров с электронным возбуждением.
• В радиационной физике твердого тела, при исследовании радиационно- стимулированных процессов дефектооб-разования и люминесценции'с применением СЭП.
На основе проведенных исследований нами предложены электронно-лучевые методы контроля параметров твердых тел и конструкции катодолюминесцентного и плазмодинамического источников мощного оптического излучения, разработанные на базе импульсного сильноточного ускорителя электронов:
а) способ отбраковки полупроводниковых кристаллов группы А2В6 и их твердых растворов для приборов с электронным возбуждением (A.C. СССР №1639344); 1989г.);
б) способ атомно-абсорбционного спектрального анализа элементного состава вещества (заявка № 98111708. 1998). /
в) лазер с катодолюминесцентной накачкой (A.C. СССР № 1687464. 1989).
г)источник света для атомно-спектрального анализа твердых•тел с испарением пробы плотным электронным пучком (заявка № 98111708. 1998).
12
Защищаемые положения.
1. Облучение ионных кристаллов и полупроводников группы А2В6 плотным электронным пучком наносекундной длительности приводит к кумуляции его энергии в токовых шнурах электрических разрядов, которые могут развиваться как в зоне торможения быстрых электронов пучка, так и вне ее.
2. Удельная плотность мощности в каналах электрического пробоя, индуцированного плотным электронным пучком в высокоомных материалах, может достигать 1012Вт/см3, что на три порядка больше, чем средняя в области ионизационных потерь энергии быстрых электронов.
3. Одним из основных факторов разрушающего воздействия СЭП с плотностью мощности £ 108Вт/см2 на диэлектрики и полупроводники является высокая температура и ударные динамические напряжения, генерируемые в локальных областях развития микроплазмеиного пробоя.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях .
1.30-Всесоюзное совещание по люминесценции (Неорганические кристаллы),1984, Ровно.
• 2.5,6-Всесоюзные конференции по физике диэлектриков, 1982, Баку/ 1988, Томск.
3.5,6,7-Всесоюзные конференции по радиационной физике и химии ионных кристаллов,1983,1986,1989, Рига.
4
13
4.3/4/5-Всесоюзные совещания «Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные систе-мы»/1982,1986/1990/ Кемерово.
5.5-Всесоюзное совещание «Синтез и свойства, исследования и применение люминофоров»,1985, Ставрополь.
6.10-Всесоюзная конференция по физике полупроводников ,1985, Минск.
7.9-Всесоюзная конференция «Состояние и перспективы разработки и применения сцинтилляторных детекторов в 12 пятилетке» 1986, Харьков.
8.10-Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике ,1987, Киев.
9.Семинар «Физика неполного пробоя кристаллов», 1989, Институт физики АН БССР, Минск.
10.2-Всесоюзная конференция «Модификация свойств конструкционных материалов пучком заряженных частиц» 1991, Свердловск.
11.9-Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов,1996, Томск.
12.Международная конференция по твердотельной дозиметрии, ТТД-7, 1997, Екатеринбург.
13.7-Международная конференция «Физико-химические процессы в материалах»,1998, Кемерово.
Публикации.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 40 научных работах. По материалам работы получено 2 авторских свидетельства и положительное решение на заявку на изобретение.
Объем и структура.
Диссертация содержит 202 страницы, включая 148 страниц машинописного текста, иллюстрируется 55 рисун-
4
14
ками и состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований.
Во введении обоснована актуальность исследований, научная новизна и практическая значимость работы, сформулирована ее основная цель и задачи.
В первой главе рассмотрены основные результаты исследования физических процессов, . развивающихся в диэлектриках при облучении плотными электронными пучками наносекундной длительности. Приведен обзор существующих представлений о механизмах таких явлений как - радиационная электризации диэлектриков; электронно-лучевое разрушение твердых тел; радиационно-импульсная проводимость; мощная пороговая электронная эмиссия с поверхности ионных кристаллов. Отмечена противоречивость полученных результатов и неоднозначность их интерпретации.
Вторая глава посвящена изучению электрического пробоя диэлектриков и полупроводников, индуцированного СЭП вне зоны торможения электронного пучка. Определены условия и средние пороги инициирования стримерных разрядов в ионных кристаллах и полупроводниках группы А2Вб при их облучении электронным пучком в геометрии с открытой поверхностью в резко неоднородном поле. Описана техника эксперимента и изложены методические вопросы, связанные с исследованием оптических, механических и эмиссионных свойств диэлектриков и полупроводников в условиях возбуждения электронными пучками высокой плотности. Приведены спектрально-временные параметры объемных и поверхностных стримерных разрядов, развивающихся в твердых телах различных классов соединений, а также экспериментальные данные по измерению электронной эмиссии из канала электрического пробоя в диэлектриках. По-
15
лучена оценка доли энергии СЭП, выделяющейся в каналах электрического пробоя в ЩГК. Сделана оценка амплитудных параметров динамических напряжений, генерируемых вблизи канала электрического пробоя в твердом диэлектрике возбуждаемом СЭП.
В третьей главе исследуется электрический пробой, развивающийся в зоне торможения электронного пучка. Изучены основные закономерности и особенности развития стримерных разрядов в области пробега СЭП в различных материалах. Исследована морфология разрушения кристаллических диэлектриков и полупроводников в режиме однократного и многократного облучения электронным пучком
высокой и низкой плотности. Анализируются причины резко
(
неоднородного распределения каналов пробоя в облучаемом объеме некоторых твердых тел.
В четвертой главе приведены результаты исследования механизмов разрушения ионных кристаллов и полупроводни-
I
ков группы А2В6 под действием СЭП. Приведен анализ существующих представлений о механизмах генерации динамических напряжений в твердых телах, возбуждаемых импульсными электронными пучками. Изучены амплитудно-временные параметры импульсных механических напряжений, генерируемых СЭП в ЩГК и их зависимость от плотности энергии возбуждающего электронного пучка. Исследована динамика формирования периодических структур разрушения, образующихся на тыльной поверхности ШГК. Определены доминирующие факторы приводящие к разрушению диэлектриков и полупроводников при их облучении плотными электронными пучками наносекундной длительности. Приводится качественная модель электронно-лучевого разрушения диэлектриков и полупроводников.
16
ГЛАВА 1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ДИЭЛЕКТРИКАХ
1.1. Потери энергии на ионизацию и возбуждение
Взаимодействие быстрых электронов с веществом сопровождается множеством взаимосвязанных процессов.
В настоящее время отсутствует: удовлетворительная теория, которая давала бы количественное описание этого многообразия явлений в целом и в их взаимосвязи друг с другом. Для упрощения описания, явления расчленяются на несколько независимых процессов, каждый из которых изучается отдельно с помощью использования определенных методических приемов. Рассмотрим важнейшие из них, дающие вклад в торможение слаботочных пучков нерелятивистских (Е < 0,5 МэВ) электронов.
При прохождении через вещество, ускоренные электро-ны теряют энергию и изменяют направление своего движения вследствие взаимодействия с электронами и атомами среды. Основной механизм торможения быстрых электронов в веществе связан с процессами неупругого рассеяния при которых энергия тратится на ионизацию и возбуждение атомов твердого тела [ионизационные потери (с1Т/с1х)Ион]* Средняя потеря на 1 см пути определяется формулой Бете-Блоха /22/:
- (с1Т/с1х) ио„=0, 30 6р (г/ А) Р~21п (1,161/3), МэВ/см (1.1) где Т- кинетическая энергия, МэВ; р- плотность вещества, г/см3; СТ- средняя энергия ионизации атомов среды; А- массовое число атомов поглощающего вещества.
17
Следовательно, потери энергии возрастают с увеличением плотности вещества и уменьшаются с ростом скорости быстрого электрона. Одновременно с ионизационными потерями энергии быстрых электронов в веществе мишени имеют место потери на тормозное электромагнитное излучение [радиационные потери (с!Т/с1х) рад] . Радиационные потери связаны с испусканием электромагнитного излучения при торможении электронов - в поле ядер облучаемой среды. Полные потери энергии быстрых электронов на единице пути в этом случае равны :
(с!Т / с!х) = ( с1Т / <1х) ион + (с!Т/с1х)рад (1.2)
Согласно Бете и Гайтлеру отношение 5К потерь на излучение к ионизационным потерям для электронов с энергией Т равно:
$Н = (с!Т/с!х)рад / (сИ7с!х)^он = Тг/1бООшоС2 (1.3)
Это соотношение показывает, что с ростом энергии электрона и увеличения заряда атомов мишени энергетические потери на излучение возрастают. При энергии электронов 0,3-0,5 МэВ радиационные потери составляют 0,1...1% от ионизационных потерь энергии.
Кроме потерь на ионизацию и тормозное излучение возможны и другие процессы передачи энергии высокоэнергетических электронов веществу (возбуждение плазмонов, акустических и оптических фононов, излучения Вавилова-Черенкова и переходного излучения) которыми в большинстве случаев можно пренебречь.
18
1.2. Влияние радиационной электризации на потери энергии быстрых электронов
Известно, что одновременно с процессами ионизации и возбуждения атомов среды в слабопроводящих веществах наблюдается формирование отрицательных объемных зарядов (003), возбуждающих электрическое поле в отсутствии внешнего приложенного напряжения. Подробное описание физики радиационного возбуждения электрических полей в газообразных и твердых диэлектриках изложено в монографиях /23-26/. Известны два основных физических процесса, ответственных за формирование электрических полей в диэлектриках, возбуждаемых ионизирующей радиацией (электронами, ионами, у -.квантами и др.):
• термализация избыточных зарядов при торможении первичных заряженных частиц;
• пространственное разделение вторичных зарядов в результате протекания в облучаемом объеме токов радиационной природы.
Существенное влияние на величину поля оказывает радиационная проводимость среды. Быстрые первичные (или комптоновские) электроны рождают на своем пути большое количество вторичных электронов (~104), тем самым делая среду проводящей. Под действием электрического поля электроны (в случае газов и ионы) начинают двигаться образуя ток проводимости, стремящийся скомпенсировать формирующееся поле. Таким образом, зависимость электрического поля от времени должна определяться мощностью источника ионизирующего излучения и динамикой развития проводимости среды.
- Київ+380960830922