2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................5
1. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ.................................16
1.1. Степень черноты материалов. Пропускательная, отражательная и
поглощательная способности материалов...........................16
1.2. Оптические характеристики материалов при химическом взаимодействии с
газовой средой.................................................21
1.2.1. Оптические характеристики поверхностей металлов при химическом взаимодействии с газовой средой.................................21
1.2.2. Оптические характеристики диэлектрических материалов при химическом взаимодействии с газовой средой......................26
2. МЕТОДЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ...................................33
2.1. Методы исследования интегральной и приведенной степени черноты
материалов......................................................33
2.2. Экспериментальные установки для исследования оптических характеристик
материалов......................................................44
2.2.1. Экспериментальные установки для исследования интегральной и приведенной степени черноты материалов..........................44
2.2.2. Экспериментальная установка для проведения ресурсных исследований по изучению влияния различных газовых и парогазовых сред на оптические характеристики диэлектрических материалов 53
3
3. ПОЛУСФЕРИЧЕСКАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВЫХ И ПАРОГАЗОВЫХ СРЕДАХ...................................................56
3.1. Полусферическая интегральная степень черноты электродных материалов. 56
3.2. Ресурсные исследования по изучению влияния различных газовых и парогазовых сред на степень черноты электродных материалов термоэмиссионных ядерных энергетических установок..................64
3.2.1. Ресурсные исследования степени черноты электродных материалов в паромасляной вакуумной среде.................................64
3.2.2. Экспериментальные исследования степени черноты электродных материалов в безмасляном вакууме. Сравнение результатов исследований в безмасляном и паромасляном вакууме............76
3.2.3. Экспериментальные исследования полусферической интегральной степени черноты электродных материалов в парах цезия.........86
3.3. Экспериментальные исследования влияния механизма взаимодействия кислорода с ниобием на ресурсное изменение полусферической интегральной степени черноты.......................................89
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИВЕДЕННОЙ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПАР. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРИВЕДЕННОЙ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ И ПОТЕРЬ ТЕПЛА В ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ................102
4.1. Экспериментальные исследования приведенной степени черноты электродных пар.........................................................102
4
4.2. Методика расчета приведенной степени черноты и потерь тепла в термоэмиссионных преобразователях энергии за счет теплового излучения...................................................112
4.3. Расчет приведенной степени черноты перспективных электродных пар 119
4.4. Методика определения полусферической интегральной степени черноты коллектора термоэмиссионного преобразователя энергии...............123
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВЛИЯНИЯ
РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВЫХ И ПАРОГАЗОВЫХ СРЕД НА ОПТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В
ЛАЗЕРАХ С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ.........................................128
5.1. Ресурсные исследования по изучению влияния различных газовых и парогазовых сред на оптические характеристики диэлектрических материалов окон лазерно-активных элементов.........................129
5.2. Методика определения оптических свойств тонких поглощающих пленок 140
5.3. Методики оптического просветления окон лазерно-активных элементов... 165
5.4. Способы повышения химической стойкости оптических окон лазерно-
активных элементов............................................180
ВЫВОДЫ...............................................................191
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
193
5
ВВЕДЕНИЕ
Прямое преобразование энергии деления ядер в электрическую энергию в термоэмиссионных преобразователях энергии (ТЭП) [1-5] и в лазерное излучение в лазерах с ядерной накачкой (ЛЯН) [6-9] является перспективным способом использования ядерной энергии. Ядерные реакторы с термоэмиссионным способом преобразования энергии в конце 1950-х годов начали рассматриваться в качестве возможных источников энергоснабжения космических аппаратов. В сравнении с другими альтернативными источниками энергии их отличают большая энергоемкость, компактность, причем преимущества термоэмиссионных ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) возрастают по мере роста электрической мощности. По своим массогабаритным характеристикам термоэмиссионные ЯЭУ совместимы с современными транспортно-космическими средствами. При использовании термоэмиссионного способа преобразования энергии электрогенерирующие каналы (ЭГК), образованные из соединенных определенным образом электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), можно разместить непосредственно в активной зоне реактора. Таким образом создастся единый агрегат, генерирующий ядерное тепло и преобразующий это тепло в электричество.
В ходе исследований и проработок термоэмиссионных ЯЭУ были проведены длительные наземные испытания ряда образцов термоэмиссионных ЯЭУ “ТОПАЗ” [2-5] и “Енисей” [10,11]. Значительным достижением в космической ядерной энергетике явилось успешное проведение летных испытаний термоэмиссионной ЯЭУ “ТОПАЗ” на искусственных спутниках Земли серии “Космос” (“Космос-1818” и “Космос-1867” в 1987-1988 гг.) [2,4,5], которые проработали на орбите полгода и год. Перспективность ядерной энергетики для решения ряда космических задач и в дальнейшем будет определять интерес к термоэмиссионным ЯЭУ [12], побуждая специалистов к разработке и созданию термоэмиссионных ЯЭУ нового поколения.
Интерес к ЛЯН определяется уникальными свойствами ядерного реактора как источника накачки: высокой энергоемкостью, автономностью, компактностью,
6
возможностью накачки больших объемов активных сред благодаря высокой проникающей способности нейтронов в размножающих системах. В последнее время в области исследований лазеров с ядерной накачкой достигнуты значительные успехи. При накачке осколками деления ядер была получена лазерная генерация на более чем трех десятках различных газовых средах, существенно углубилось понимание механизмов элементарных процессов, протекающих в ЛЯН [8,9]. В настоящее время актуальной задачей является экспериментальная демонстрация достижения достаточно высокой энергии лазерного пучка.
В ТЭП тепло, подводимое к эмиттеру, только частично может быть непосредственно преобразовано в электрическую энергию. Полная тепловая мощность, теряемая эмиттером, суммируется из мощности теплового излучения, термоэлектронного охлаждения, из мощности, передаваемой путем теплопроводности через рабочее тело (пары цезия), через дистанционирующие детали между эмиттером и коллектором, через коммутационные перемычки ЭГТС [13,14]. При этом тепловое излучение с эмиттера на коллектор ТЭП является определяющим каналом потерь тепла. В зависимости от режима работы преобразователя доля тепла, теряемого излучением, может составлять 30-50% [14,15]. Расчеты показывают, что рост потерь тепла за счет теплового излучения па 40% приводит к снижению КПД ТЭП на~20%.
Величина потерь тепла в ТЭП за счет теплового излучения, помимо температур эмиттера и коллектора, определяется коэффициентом, называемым приведенной степенью черноты (еПр) электродной пары ТЭП, которая зависит от оптических характеристик поверхностей элсктродов-полусферической интегральной степени черноты эмиттера (сэ) и коллектора (ек). Рост значений епр приводит к увеличению потерь тепла в ТЭП за счет теплового излучения.
Степень черноты является одной из характеристик оптических свойств твердого тела. Она зависит от материала тела, температуры. Кроме того, так как генерация теплового излучения и поглощение падающего на тело излучения происходят в его тонком поверхностном слое толщиной 5« 1/а (а-коэффициент поглощения материала, см"1) [16], то на степень черноты оказывает существенное
7
влияние состояние поверхности (шероховатость, присутствие на поверхности конденсированных пленок и их толщина, химический состав пленок). Так для металлов, имеющих высокие значения коэффициентов поглощения (а>10 см1), толщина этого слоя составляет 5<0.1 мкм. В связи с этим при рассуждениях о степени черноты тела, следует иметь в виду, что она является характеристикой поверхности твердого тела.
Лазерно-активный элемент (ЛАЭЛ), являющийся главной составной частью ЛЯН, снабжен оптическими окнами, которые должны быть прозрачными для лазерного излучения. Условие возникновения генерации в лазерах состоит в том, что усиление излучения в активной среде ЛАЭЛ в точности компенсирует все потери в ЛАЭЛ [17], которые включают в себя внутренние потери в газовой среде ЛАЭЛ вследствие дифракции, рассеяния и оптических неоднородностей за полный (двойной) проход, потери на зеркалах вследствие поглощения и прохождения излучения через зеркала, потери на поглощение в окнах. Проведенные расчеты показывают, что при величине потерь в ЛАЭЛ у=0.6 (причем при расчетах из у были исключены потери при прохождении излучения через окна) при снижении коэффициентов пропускания окон ЛАЭЛ Т\у с 0.9 до 0.7 требуемое значение критического коэффициента усиления акр лазерно-активной среды при длине ЛАЭЛ 250 см увеличивается с~3-10"3 до~5-10’3 см’1. Этот факт указывает на существенное влияние величины коэффициентов пропускания окон на параметры ЛАЭЛ. Уменьшение коэффициентов пропускания окон ЛАЭЛ приведет к снижению выходных энергетических характеристик ЛЯН и даже может вызвать срыв генерации лазерного излучения.
Вышесказанное показывает, что разработка и использование перспективных материалов электродов ТЭП и окон ЛАЭЛ вызывает необходимость иметь данные по оптическим характеристикам материалов (полусферической интегральной степени черноты электродов, коэффициентам пропускания, поглощения и отражения окон) с учетом технологии изготовления, конкретных условий работы в установках. Поэтому экспериментальные исследования оптических характеристик материалов
8
электродов ТЭП и окон ЛАЭЛ, их ресурсные испытания по изучению влияния различных газовых и парогазовых сред на оптические свойства этих материалов являются актуальными.
В устройствах прямого преобразования энергии деления ядер ЭГК и ЛАЭЛ являются их ключевыми элементами. При работе поверхности электродов ЭГК/ЭГЭ и окон ЛАЭЛ подвергаются воздействию различных факторов: нейтронного и у-облучения, лазерного и теплового излучений. Кроме того, они испытывают химическое воздействие активных газообразных компонентов окружающей среды.
При химическом взаимодействии электродов ТЭП с активными газообразными компонентами среды межэлектродиого зазора (МЭЗ), являющимся сложным многоэтапным процессом [18-20], на поверхности электродов может образоваться конденсированная пленка, что вызовет увеличение значений полусферической интегральной степени черноты (е) электродов и, как следствие, рост приведенной степени черноты (епр) электродной пары эмиттер-коллектор ТЭП и потерь тепла за счет теплового излучения с эмиттера на коллектор ТЭП. При химическом взаимодействии с газовой средой на поверхности и в объеме материала окон ЛАЭЛ происходят фазовые и структурные изменения, вызывающие изменения его
оптических свойств (спектральных нропускательной Т^, отражательной и
поглощательной способностей). Общим при рассмотрении оптических свойств материалов электродов ТЭП и окон ЛАЭЛ является исследование влияния физикохимических процессов взаимодействия поверхностей электродов ТЭП и окон ЛАЭЛ с окружающей газовой средой на оптические характеристики материалов.
К материалам электродов ТЭП предъявляется ряд требований, которым они должны соответствовать. Электроды должны иметь необходимые эмиссионно-адсорбционные, ядерно-физические, физико-химические, механические свойства и обладать требуемыми оптическими характеристиками (интегральной степенью черноты). Высокий уровень рабочих температур эмиттера (Тэ~2000 К) и коллектора (Тк-1000К) ТЭП приводит к тому, что в качестве материалов электродов ТЭП используются, главным образом, тугоплавкие металлы и сплавы на их основе [21].
9
Перспективными материалами для оптических окон ЛАЭЛ являются диэлектрические оксидные материалы, обладающие высокой прозрачностью в широкой области спектра (напр., кварцевые стекла марок КИ, КУ, КВ и монокристаллический оксид алюминия) [22].
Исследования полусферической интегральной и приведенной степени черноты электродов и электродных пар были начаты автором в ФЭИ в конце 60-х-начале 70-х годов в рамках проекта создания термоэмиссионной ЯЭУ “ТОПАЗ” и проектов других перспективных термоэмиссионных ЯЭУ. В то время отсутствовали данные по степени черноты разрабатываемых для этих установок электродных материалов. Принимая во внимание требуемый ресурс работы ЯЭУ “ТОПАЗ” [1,2] и других термоэмиссионных ЯЭУ, необходимо было провести и ресурсные исследования степени черноты перспективных электродных материалов. В ФЭИ была разработана технология изготовления электродов ЭГЭ/ЭГК для термоэмиссионпых установок, причем в качестве базовых электродных материалов для ЯЭУ “ТОПАЗ” рассматривались: для эмиттера-\Уфх[111] (монокристаллическое вольфрамовое
покрытие, получаемое методом осаждения из газовой фазы по фторидной технологии на трубку из монокристалла молибдена с осыо вдоль кристаллографического направления [111]), для коллектора-сплав на основе ниобия ВН-2. Параллельно с созданием термоэмиссионной ЯЭУ “ТОПАЗ” в других организациях (РНЦ «Курчатовский институт'», НИИ НПО «Луч», ЦКБМ) проводились работы над проектом создания термоэмиссионной установки “Енисей” [10,11], в которой использовались другие материалы электродов и другая технология их изготовления. В частности, в качестве базовых электродных материалов в ЯЭУ “Енисей” рассматривались '№хл[111] (газофазное осаждение вольфрама по хлоридной технологии) и сплав на основе молибдена СМ-4. В рамках проекта создания ЯЭУ “Енисей” проводились исследования эмиссионно-адсорбционных и излучательных характеристик электродных материалов, используемых в этой установке [23,24].
Целыо диссертационной работы является исследование оптических характеристик материалов, перспективных для электродов ТЭП и окон ЛАЭЛ,
10
изучение закономерностей и механизмов изменения их оптических свойств в
условиях термохимического воздействия различных газовых и парогазовых сред.
Для достижения поставленной цели было необходимо:
- разработать экспериментальные методики и создать установки для измерения оптических характеристик материалов (металлов и диэлектриков) и исследования влияния различных газовых и парогазовых сред на их оптические характеристики,
- разработать методику оптической диагностики микроструктуры тонких поглощающих пленок на толстых диэлектрических подложках,
- изучить закономерности и механизмы изменения во времени оптических характеристик металлов и диэлектриков при воздействии на них различных газовых и парогазовых сред.
Научная новизна результатов работы состоит в том, что в ней впервые:
- получены данные по полусферической интщралыюй степени черноты и приведенной степени черноты перспективных электродных материалов ТЭП,
- установлено влияние типа материала электрода, его температуры, химического состава и давления газовой или парогазовой среды на характер изменения во времени полусферической интегральной степени черноты,
- обоснована методика расчета приведенной степени черноты электродных пар ТЭП,
- исследован процесс взаимодействия ниобия с кислородом и его влияние на изменение во времени полусферической интегральной степени черноты ниобия,
- установлен механизм снижения оптических характеристик окон ЛАЭЛ при
воздействии на них газовых сред, содержащих углеводороды,
- установлено влияние примесей СО+Нз, кислорода, метана в гелии, используемом в лазерно-активных средах, на термохимическую деградацию проиускательной способности стекол К-100 и КУ-2,
- предложена методика оптической диагностики микроструктуры тонких поглощающих пленок на толстых диэлектрических подложках,
11
- предложена методика восстановления оптических свойств монокристаллического оксида алюминия а-АЬОз, стекла К-100 и силикатного стекла, подвергнутых термохимической обработке в различных газовых средах.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Данные по полусферической интегральной и приведенной степени черноты
перспективных электродов и электродных пар ТЭП. Результаты исследования закономерностей и механизмов изменения во времени полусферической интегральной степени черноты г электродов И приведенной степени черноты £пр электродных пар ТЭП в условиях воздействия различных газовых и парогазовых сред.
2. Механизм изменения во времени полусферической интегральной степени чернота е ниобия в процессе его взаимодействия с кислородом при низких
_з
давлениях (полное давление остаточных газов Р£~6*10 Па) и температурах Т=98(М120 К.
3. Методика расчета приведенной степени черноты £пр и потерь тепла в ТЭП за счет теплового излучения с эмиттера на коллектор ТЭП.
4. Методика определения полусферической интегральной степени черноты коллектора в составе электродной пары на основании данных по спр системы эмиттер-коллектор ТЭП.
5. Механизм снижения оптических характеристик окон ЛАЭЛ (оптического пропускания монокристаллического оксида алюминия а-А^Оз, стекла К-100, силикатного стекла) при воздействии на них газовых сред, содержащих углеводороды.
6. Методика оптической диагностики микроструктуры тонких поглощающих пленок на толстых диэлектрических подложках.
7. Способ оптического просветления термохимически обработанных в различных
газовых средах монокристаллов а-АЬОз, стекла К-100, силикатного стекла.
12
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- полученные в ней данные использовались при проведении и анализе результатов стендовых испытаний термоэмиссионной ЯЭУ “ТОПАЗ” [25], при прогнозировании выходных и пусковых характеристик образцов установки, прошедших легно-космические испытания на искусственных спутниках Земли серии “Космос” (“Космос-1818” и “Космос-1867”) в 1987-1988 гг.,
- материалы работы использовались при проектировании и расчетном обосновании характеристик и ресурса работы различных вариантов термоэмиссионных ЯЭУ [26-31] и могут быть использованы при обосновании проектов перспективных термоэмиссионных ЯЭУ,
- разработанная в ходе выполнения работы методика определения полусферической интегральной степени черноты коллектора ТЭП внедрена в Подольском научно-исследовательском технологическом институте (акт внедрения от 20.06.87 г.),
- полученные в работе результаты могут быть использованы при оптимизации режимов эксплуатации лазеров и оптических квантовых усилителей с ядерной накачкой, а также при определении и обосновании ресурса их работы.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции по ТЭП (Обнинск, 1979), на Международной конференции “Ядерная энергетика в космосе” (Обнинск, 1990), на Межведомственных семинарах (Подольск, 1982, 1983, 1988), на 2-ой Международной конференции “Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой” (Арзамас-16, 1994).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах и представлены в более чем 20 научно-технических отчетах. По результатам работы получено авторское свидетельство на изобретение (A.c. №1443569, 1988).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 164 наименований. Работа изложена на 205 страницах, содержит 56 рисунков и 4 таблицы.
В первой главе диссертации рассматриваются понятия полусферической спектральной и интегральной излучательной способности (степени черноты) твердых тел и пропускателыюй, поглощательной и отражательной способностей частично
13
прозрачных материалов. Кратко рассматривается возможность теоретического определения степени черноты твердых тел и показано, что в настоящее время только экспериментальные исследования являются, по-существу, единственным способом получения надежных данных по степени черноты материалов. Проведен анализ влияния процесса химического взаимодействия газовых сред с металлами и оксидными диэлектриками на их оптические свойства (степень черноты металлов, спектральные пропускательную, поглощательную и отражательную способности диэлектриков). Отмечено, что на изменение степени черноты металлов оказывают влияние как процесс растворения газов (этот процесс особенно существенен для металлов с высокой растворимостью газов), так и образование и рост толщины поверхностной пленки. Приведены формулы для расчета спектральной поглощательной способности (спектральной степени черноты) металлов при отсутствии пленок, а также в присутствии на поверхностях как тонких интерференционных, так и толстых поглощающих пленок. Отмечено, что оптические свойства диэлектриков могут изменяться, с одной стороны, за счет образования на их поверхностях пленок, а с другой-за счет образования собственных дефектов (центров окраски-ЦО). Приведены формулы для расчета пропускательной, поглощательной и отражательной способностей окон ЛАЭЛ (в виде толстых пластин). Рассмотрены условия возникновения интерференционных явлений при наличии пленки на поверхности диэлектрика.
Во второй главе описываются методы и экспериментальные установки для исследования интегральной и приведенной степени черноты твердых тел. При исследовании интегральной степени черноты твердых тел широко применяются радиационный и калориметрический методы. Кратко рассматриваются особенности этих методов и показано, что при исследовании электропроводящих образцов цилиндрической формы в виде трубок (таковыми являются образцы электродов ТЭП/ЭГЭ) предпочтение следует отдать калориметрическому методу измерений с джоулевым нагревом образцов. Был выполнен расчет необходимых длин опытных образцов при использовании калориметрического метода измерений полусферической интегральной степени черноты е при джоулевом нагреве образцов. Приведены описания экспериментальной установки и экспериментальных участков для измерения полусферической интегральной степени черноты е элекгродов ТЭП и приведенной степени черноты ЕПр электродных пар, которые позволяют проводить
14
исследования в различных средах: в среде, создаваемой при откачке
экспериментального участка вакуумными паромасляными насосами (в паромасляном вакууме); в среде, создаваемой при откачке экспериментального участка магнитным электроразрядным насосом (в безмасляном вакууме); в парах цезия. Приведено описание схемы электропитания и измерительной схемы установки для измерения степени черноты электродных материалов. Приведено описание установки для ресурсных исследований термохимической деградации оптических свойств диэлектрических материалов при воздействии на них различных газовых и парогазовых сред.
В третьей главе представлены результаты ресурсных исследований полусферической интегральной степени черноты е электродных материалов ТЭП в различных газовых и парогазовых средах: в паромасляном и в безмасляном вакууме, в парах цезия. Изучено влияние типа материалов электродов ТЭП, химического состава газовых и парогазовых сред, давления, температуры на ресурсное изменение полусферической интегральной степени черноты электродов ТЭП. Рассмотрено влияние процесса химического взаимодействия ниобия с кислородом на ресурсное изменение его полусферической интегральной степени черноты.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований приведенной степени черноты епр электродных пар ТЭП. С использованием полученных экспериментальных данных по £пр и интегральной степени черноты электродов ТЭП проведено сравнение результатов расчета потерь тепла в ТЭП за счет теплового излучения, выполненного по различным формулам, применяемым в расчетах теплообмена излучением. Показано, что расчет приведенной степени
черноты Епр и потерь тепла в ТЭП за счет теплового излучения с эмиттера на коллектор ТЭП следует проводить по формуле Шорина с введением в нее поправочного коэффициента. С использованием этой модифицированной формулы были проведены расчеты епр перспективных электродных пар ТЭГ1/ЭГЭ, необходимые при анализе возможности их применения в различных термоэмиссионных установках прямого преобразования энергии. Разработана методика определения полусферической интегральной степени черноты коллектора бк в составе электродной пары на основании данных по Епр системы
15
эмиттер-коллектор. С ее использованием рассчитано изменение sK во времени т, исходя из экспериментальной временной зависимости епр(т).
В пятой главе представлены результаты ресурсных исследований по изучению влияния различных газовых и riapoi-азовых сред на оптические характеристики диэлектрических материалов. Обнаружено снижение коэффициентов пропускания оптических материалов при термохимическом воздействии газовых сред, содержащих углеводороды, установлен механизм снижения коэффициентов пропускания. Разработана методика определения оптических свойств тонких поглощающих пленок на толстых диэлектрических подложках в отсутствие интерференции. Показано, что данная методика позволяет проводить оптическую диагностику микроструктуры формирующихся пленок. С ее использованием определены коэффициенты пропускания, поглощения и отражения аморфной углеродной пленки на поверхности монокристаллов 0C-AI2O3. Предложена методика восстановления оптических свойств диэлектрических материалов, термохимически обработанных в различных газовых средах. Рассмотрены способы повышения химической стойкости (уменьшения термохимической деградации оптических свойств) окон ЛАЭЛ.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [102,107,108,111,112,114,115,142,143,156,157] и представлены в отчетах о НИР [97-101,103-106,109,110,113,131,135,153,163,164].
Автор считает необходимым выразить глубокую благодарность и признательность научным руководителям П.П. Дьяченко и М.А. Лебедеву. Мне хочется искренне поблагодарить В.А. Жеребцова, В.А. Ружникова за проявленный интерес к работе и обсуждение полученных результатов. Искренне благодарен
A.М. Брюзгину, А.Д. Волкову, Э.А. Мусиснко, В.А. Субботину, Е.С. Чередниченко, Ю.Г. Чередниченко, совместная работа с которыми способствовала успешном}' проведению работа и плодотворному обсуждению ее результатов. Выражаю глубокую признательность A.A. Алексееву за длительное сотрудничество в подготовке и проведении экспериментальных работ, высокий профессионализм которого помог их успешному выполнению. Глубоко благодарен и признателен сотрудникам лаборатории радиационной физики твердого тела ГНЦ РФ-ФЭИ
B.М. Чернову, В.А. Степанову, O.A. Плаксину, П.А. Степанову, А.О. Крутских,
О.В. Камаевой, В.А. Романову и другим, сотрудничество с которыми в последние годы способствовало завершению диссертационной работы.
16
1. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Степень черноты материалов. Пропускательная, отражательная и поглощательная способности материалов
Рассмотрим понятия оптических характеристик непрозрачных твердых тел
(степени черноты поверхности) и частично прозрачных материалов (пропускательной,
отражательной и поглощательной способностей). Известно, что все нагретые тела
испускают излучение в виде электромагнитных волн. Тепловое излучение охватывает
широкую область спектра электромагнитных колсбаний-от ультрафиолетовой до
-2 3
далекой инфракрасной (10 -10 мкм) [32]. Различают интегральное (полное) излучение-это излучение во всем интервале длин волн от нуля до бесконечности и спектральное излучение-излучение, лежащее в определенном узком спектральном интервале длин волн АХ при длине волны X. В соответствии с этим различают спектральные и интегральные характеристики излучения.
Поток монохроматического излучения, испускаемого единицей площади поверхности тела по всем направлениям в пределах полусферы, называется полусферической спектральной плотностью потока излучения. Отношение
полусферической спектральной плотности потока излучения данного тела Е*. к полусферической спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела Ео*. при одной и той же температуре Т и длине волны X называется полусферической спектральной степенью черноты [32-34]:
Полусферическая спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела
Е0л. определяется по формуле Планка [32-34].
Полусферическая интегральная степень черноты є есть отношение интегральной плотности потока полусферического излучения Е данного тела к
17
соответствующей плотности потока излучения Ео абсолютно черного тела при одной и той же температуре Т:
В литературе используется и другое название е-полусферическая интегральная излучатсльная способность.
Полусферическая интегральная плотность потока излучения тела Е определяется через полусферическую спектральную плотность потока излучения
данного тела Е>к с помощью следующего выражения:
Полусферическая интегральная плотность потока излучения абсолютно черного тела Ео выражается в виде
со
тела, К. Выражение (1.4) известно как формула Стефана-Больцмана [32-34].
В случае частично прозрачных материалов (при рассмотрении окон ЛАЭЛ) часть падающего на его поверхность потока спектрального излучения отражается, часть поглощается и часть потока проходит через него. В общем случае эти
материалы характеризуются безразмерными коэффициентами: пропускателыюй Т\,
отражательной Ях. и поглощательной способностью А*. [16,33,34]. В литературе [35,36] используются и другие названия этих безразмерных коэффициентов: энергетические коэффициенты пропускания отражения Я>. и поглощения Ах- Величины Я*л, А^ представляют собой отношения прошедшего Ер^, отраженного Е^ и поглощенного Ед^ спектральных потоков энергии к спектральному потоку энергии, падающему на поверхность материала Е^:
Е
(1-2)
00
со
(1.3)
О
О
О
-8 2 4
где а-постоянная Стефана-Больцмана (ст=5.67x10 Вт/м -К.), Т- температура
18
Тх = ^, Лх=^. Ах=%- (1-5)
Е* Е\ Ех
При рассмотрении интегральных потоков энергии (прошедшего Еу, отраженного Е^, поглощенного Ед и падающего Е) соответствующие коэффициенты будем обозначать как Т, Л, А.
В соответствии с законом сохранения энергии для частично прозрачных тел ■^+^.-^ = 1 (1.6)
Для непрозрачных твердых тел (наир., металлов) 1\=0 и будет выполняться следующее соотношение:
Ях+Ах=1 (1.7)
В соответствии с законом Кирхгофа г\-А\ и тогда с учетом (1.7) в случае непрозрачных тел получаем:
8Х=1-Лл- О-«)
Окна ЛАЭЛ представляют собой плоскопараллельную пластину толщиной й2, размещенную в диэлектрической газовой среде 1, причем Ь2»А.. Для случая нормального падения лучей с длиной волны X на поглощающую пластину толщиной \\2»Х (отсутствие интерференции) с учетом многократных отражений на границах раздела имеем следующие выражения для пропускательной Т\ и отражательной способности Ях пластины [37]:
Т - (1-К12)2 ехр(-а2Ь2)^
1_К-?2 ехр(~2а2Ь2)'
(1 - ^-12 )2 ехр(- 2а2Ь; ) +1 1 ~ К ?2 °хр(- 2а 2Ь 2)
(1.10)
где Л12 * коэффициент отражения от поверхности пластины, а2 - коэффициент
-1 4лк2 ,
поглощения материала пластины, см (а2 =—где к2 - показатель поглощения
X
материала пластины).
- Київ+380960830922