СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ............................................................... 3
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И АППАРАТУРА.........................................13
2.1 Экспериментальные приборы..........................................13
2.1.1 Экспериментальный прибор (ЭП1) для исследования процессов
формирования потоков ионов при разряде по поверхности нераспыляемого диэлектрика..........................................................13
2.1.2 Экспериментальный прибор (ЭП2) для исследования процессов
формирования потоков ионов при разряде по поверхности распыляемого диэлектрика....................................................15
2.1.3 Экспериментальный прибор (ЭПЗ) для исследования процессов
формирования потоков ионов при возбуждении поверхности металла импульсами
тока.................................................................22
2.2 Экспериментальная установка..............................................27
2.3 Методики измерений ......................................................34
2.3.1 Методика измерений в приборе ЭП1....................................34
2.3.2 Методика измерений в приборе ЭП2....................................36
2.3.2.1 Методика измерения угловой расходимости ионного пучка.......36
2.3.2.2 Методика изиерения масс-спектрального состава ионного
пучка..:............................................................36
2.3.2.3 Методика определения характеристик формируемого ионного
пучка при различной технологии обработки поверхности полиэтиленовых разрядников.........................................................40
2.3.3 Методика измерений в приборе ЭПЗ....................................41
2.3.3.1 Анализ токов и полей в источнике ионов......................41
2.3.3.2 Методика изиерения масс-спектрального состава ионного
пучка...............................................................56
2.3.3.3 Методика анализа динамики ионного пучка.....................58
2.4 Методика обработки осциллограмм и расшифровки масс-спектров..............60
2.5 Контрольные измерения....................................................62
2.5.1 Контрольные измерения в приборе ЭП1................................62
2.5.2 Контрольные измерения в приборе ЭП2......................................66
2.5.3 Контрольные измерения в приборе ЭПЗ................................81
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.............................................87
3.1 Результаты измерений в приборе ЭП1-ЭП2.....................................87
3.1.1 Изменение характеристик ионного потока в различные моменты
разряда......................................................................87
3.1.2 Динамика свойств поверхности в процессе эксплуатации полиэтилена.......92
3.1.3 Обработка поверхностей полиэтиленовых деталей разрядников..............94
3.1.4 Анализ процессов формирования ионного потока при воздействии импульсов электрического тока на поверхность диэлектрических образцов 97
3.2 Результаты измерений в приборе ЭПЗ......................................98
3.2.1 Пороговые характеристики регистрируемого сигнала...................98
3.2.2 Масс-спектральный состав регистрируемого сигнала..................103
3.2.3 Зависимость характеристик регистрируемого сигнала от мощности и энергии импульса скин-тока..............................................122
3.2.4 Зависимость характеристик регистрируемого сигнала от времени накопления в атмосфере остаточных газов...........................126
3.2.5 Масс-спектральные характеристики проб, содержащих крупные молекулы..........................................................131
3.2.6 Анализ процессов формирования ионного потока при воздействии импульсов электрического тока на поверхность металлических образцов 144
4. ВЫВОДЫ......................................................................145
5. ЛИТЕРАТУРА
146
1. ВВЕДЕНИЕ
Фундаментальные физические процессы, протекающие в адсорбированном на поверхности твердого тела ансамбле частиц, а также в импульсном десорбированном потоке, представляют собой актуальный объект исследования для формирования новых научных представлений и развития технологий. Обширные научные исследования связаны преимущественно с выявлением пространственно-временных, энергетических и других характеристик адсорбции и десорбции, состава адсорбированною ансамбля частиц и десорбированного потока, механизмов нейтрализации и ионизации и т.п. (например, 1-15] и другие). Механизмы десорбции разнообразны как по существу, так и по используемой технике. Десорбция может происходить при нагреве поверхности, в том числе за счет бомбардировки фотонами и частицами, а также в результате возбуждения электронной подсистемы подложки в виде десорбции, стимулированной электронными возбуждениями (ДСЭВ). Хотя эти факторы и различны по своей природе, часто их бывает трудно разделить в условиях эксперимента. Значительная часть исследований и технологий десорбционных источников связана с масс-спектрометрией (например,[15]). Масс-спектрометрия занимает ведущее место в аналитических структурных исследованиях, выполняемых в самых различных областях науки, техники, производства, в том числе по приоритетной международной программе "Количество вещества" (Турин, Евромет, 1993). Развитие масс-спектромстрических методов и аппаратуры принципиапьно определяется совершенствованием снециапизированных ионных источников, из которых существенными достоинствами выделяются импульсные устройства дссорбционного типа. Искровая и вторичноионная масс-спектрометрия, лазерная импульсная десорбция и бомбардировка быстрыми заряженными частицами, термическая десорбция, в том числе лазерная и классический "метод вспышки", - могут быть отнесены к ставшим уже стандартными аналитическим методам и технологиям. Однако, развитие методов и техники масс-спсктромсгрии требует создания новых технологий получения ионных пакетов. Основной задачей является создание короткоимпульсных ионных источников, которые характеризуются мягкой ионизацией, незначительными ионизационной и ускорительной фрагментацией, малым значением начальных позиционного и энергетического разбросов в ансамблях частиц, эффективными и контролируемыми процессами адсорбции и десорбции, возможностью управления структурным составом потока частиц.
Постановка целей и задач данной работы была основана на предположении об актуальности и перспективности использования ионных источников с поверхностными токами, какими являются скользящий разряд по поверхности диэлектрика [16-39] и безинерционная десорбция с поверхности металла, возбуждаемой импульсом тока [40-50]. Несмотря на значительные различия характеристик физических процессов, возникающих при воздействии поверхностных токов на диэлектрик и на металл, между этими методами и используемой аппаратурой имеется и значительная общность. Схема воздействия на поверхность, формирование, сопровождение и регистрация ионных пакетов, интерпретация спектров и использование получаемых данных близки между собой в этих двух подходах, и поэтому целесообразно их объединение в рамках одной работы. Сходство состояло также и в том, что в период времени начала данной работы оба подхода находились в ранней, предварительной стадии их подготовки к использованию в качестве объектов исследования и использования в масс-
3
спектрометрии.
Рассмотрим кратко выборку основных данных по разрядам на поверхности диэлектрика, представленных в научно-технической литсратуре[ 16-39]. Исследованию пробоя по поверхности диэлектрика в вакууме посвящено много работ, что объясняется широким использованием керамики, стекла и других диэлектриков в качестве изоляторов в высоковольтных вакуумных установках, однако результаты, относящиеся непосредственно к масс-спсктрометрии, весьма скудны [16]. Тем не менее, представлялось возможным использовать результаты других работ как для подготовки и проведения исследований, так и для анализа полученных результатов. Интерес представляют, в первую очередь, процессы в фазе развития разряда, взаимодействие плазмы с поверхностью, вызывающее сс деструкцию и поступление вещества подложки в разряд, а также образование зарядовых пятен и возникновение неоднородных и неконтролируемых электрических полей у поверхности.
Обычно различают шесть основных стадий развития разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в вакууме. Темповой разряд наблюдается в начальной стадии тренировки поверхности диэлектрика и продолжается в течение всего времени пребывании образца в электрическом поле. В работах [17-19] показано, что ток, возникающий в предпробойной фазе, содержит две компоненты. Одна из них медленно
меняется во времени, и ее амплитуда не превышает 10 11 — 10 7 А, другая
”3 2
представляет собой кратковременные броски тока с амплитудой 10 — 10 А.
Можно считать установленным, что медленная компонента тока обусловлена процессом зарядки поверхности диэлектрика [20-21]. С подачей напряжения на промежуток электроны частично попадают на диэлектрик. Если коэффициент вторичной эмиссии диэлектрика больше единицы, то место бомбардировки заряжается положительно. При этом увеличивается компонента поля притягивающая электроны к поверхности изолятора. Таким образом, положительный заряд может распространяться до анода. После этого условия на диэлектрике становятся стабильными. Авторы работы [19] считают, что стабильность разрядного механизма в этой стадии поддерживается автоматически. Появление положительного заряда на поверхности диэлектрика приводит к перераспределению потенциала по его длине. В результате напряженность поля у катода возрастает, т.е вместо линейного имеем распределение с подъемом потенциала у катода. Явление зарядки диэлектрика наблюдалось и в процессе обезгаживания диэлектрика в сверхвысоком вакууме при воздействии микросекундными импульсами напряжения [22]. Обнаружено, что при каждом подъеме напряжения интегральный ток зарядки и величина заряда на диэлектрике имеют тенденцию к насыщению. Динамика этого процесса при подаче импульсного напряжения на диэлектрик изучалась оптическими методами в [21]. При напряжениях ниже, чем пробивное, авторы обнаружили свечение поверхности диэлектрика в предпробойной фазе, самопроизвольно прекращающиеся еще до окончания импульса
у
напряжения. Свечение распространялось с катода со скоростью около 4-10 см/с и могло исчезать через 600 не после возникновения.
Однако, остаются до конца не выясненными механизмы появления микроразрядов, - самогасящихся бросков тока, не приводящих к разряд}'. Авторами [23] выдвигалось предположение, что причиной образования микроразрядов служит резкое увеличение электронного тока с катода в результате его взрывообразного разрушения под действием разогрева автоэмиссиопным током.
Хотя эффект зарядки обнаружен как при статическом [18], так и при импульсном воздействии [17], существенная зависимость электрической прочности от
4
угла наклона изолятора к линиям поля наблюдается лишь при импульсном напряжении [23-24]. По-видимому, это связано со значительным увеличением плотности заряда на поверхности в импульсном режиме, поэтому рабочее напряженности поля значительно ниже статических.
Искровой разряд инициируется преимущественно в предпробойной стадии и сопровождается проскакиванием светящейся искры от одного электрода к другому; происходит снижение напряжения на электродах образца, выделение газов и паров с
поверхности диэлектрика, возрастание импульса тока до 1 А и более. Это процесс самовосстанавливающийся, т.е. после проскакивания искры напряжение возвращается к исходной величине.
Перекрытие вдоль поверхности диэлектрика происходит, когда искровой разряд переходит в канальный разряд с падающей ВАХ и сопровождается броском тока, величина которого определяется, в основном, токоограничивающим сопротивлением в цепи стенд - источник высокого напряжения, или внутренним сопротивлением этого источника. При этом резко повышается давление, по крайней мере, в приповерхностной области диэлектрика, до уровня, при котором каналовый разряд вдоль поверхности диэлектрика превращается в газовый разряд в приповерхностной области вне диэлектрика.
Дуговой разряд является завершающей стадией развития непрекращающихся искровых разрядов и перекрытия поверхности диэлектрика, при этом между электродами диэлектрика зажигается дуга с падением напряжения на ней меньше 100 В.
Разряд на диэлектрике обычно возникает с ростом напряжения при превышении некоторого порогового значения Ипор. Значение ипор растет с уменьшением диэлектрической проницаемости, увеличением толщины диэлектрика и уменьшении длительности импульса. При амплитуде импульсов, близкой к пороговой, наблюдается запаздывание разряда. В спектре свечения разряда при напряжениях, близких к пороговым, регистрировались линии материала электродов, а также линии нейтральных и однократно ионизованных молекул диэлектрика (титанат бария). С увеличением напряжения разряда интенсивность этих линий росла и появлялись новые линиии соответствующие метериапу диэлектрика. При значении локальной
напряженности поля « (1 — 9) * 108 В/см время запаздывания взрыва микроострий на
катоде составляло приблизительно 10 9 с. Взрыв и появление плазмы на катоде через такое время наблюдались при плотности тока автоэмиссии с острия 9 2
У « 10 АI СМ [25]. Взрыв эмитирующего острия и разрушения диэлектрика происходит практически одновременно, что и подтверждается экспериментальными данными о времени запаздывания разряда, динамике появления свечения на диэлектрике и его спектральном составе.
В [26] исследован спектр скользящего разряда в вакууме в дуговой стадии. Установлено, что спектр разряда по диэлектрику из стекла, фторопласта, органического стекла содержит линии материалов электродов и диэлектрика. При перекрытии прочных диэлектриков (алунд) спектр состоит в основном из линий материала электродов. Для стекла наблюдались линии кремния, бора и кислорода, что авторы связывают с его меньшей механической прочностью. В спектрах, полученных при перекрытии органических диэлектриков, очень много линий углерода, а линии материалов электродов менее интенсивны.
В [27] показано, что, зная предразрядный ток, скорость движения границ
5
свечения и его геометрические размеры, можно решить вопрос о соотношении между числом электронов, обеспечивающих предразрядный ток, и числом молекул, адсорбированных на поверхности диэлектрика, которые могут участвовать в разряде. Скорость увеличения числа электронов
с1п IЖ =
а скорость увеличения числа молекул в области, охваченной свечением,
с1Ы IЖ = И^1ту
2
где Ы0 - число молекул в мономолекулярном слое на I СМ поверхности
диэлектрика; V - скорость распространения свечения; / - его ширина; т-число мономолекулярных слоев. Показано, что на каждый образованный в единицу времени
электрон приходится 3 • 1 0э молекул даже при мономолекулярном слое газа.
Гипотеза развития разряда в слое адсорбированного газа была впервые предложена в [28], затем получила развитие в[29- 30]. Показано, что перекрытие поверхности диэлектрика не может развиваться непосредственно в слое адсорбированного газа, и для формирования разряда необходима стадия электростимулированной десорбции и расширения газа, а при перекрытии происходит газодинамический разлет газа со сверхзвуковой скоростью. Количество десорбированного газа, необходимое для перекрытия поверхности диэлектрика,
15 -2
составляет примерно 10 МОПСКул • СМ . Такое количество газа содержится в 0,5-1 мономолекулярном слое, учитывая, что коэффициент шероховатости поверхности при адсорбции равен 5-10 [28]. В большинстве экспериментов не обнаруживается связи между характеристиками разряда и физическими свойствами диэлектрика, т.к. необходимое количество газа удерживается на поверхности любого диэлектрика вне зависимости от вакуумных условий [10].
Авторы [31] предложили модификацию дссорбционной модели пробоя, основанную на возникновении лавины вторичной эмиссии электронов. Появившись у катода, электроны лавины дрейфуют по поверхности диэлектрика, постоянно сталкиваясь с ней и вызывая выход новых вторичных электронов. Преднробойный ток носит диффузионный характер. Электроны уходят на анод с той же скоростью, что и поступают с катода. Вследствие электронно-стимулированной десорбции, появляются нейтральные атомы и молекулы. Тс из них, которые претерпевают ионизацию, двигаются к катоду, приводя к дальнейшему увеличению неоднородности поля. Однако в [32] показано, что лавина вторичных электронов не может создать ток, приводящий к полному спаду импеданса разрядного промежутка. Следовательно, после прохождения электронной лавипы необходимо подключение других механизмов, приводящих к размножению носителей на диэлектрике. Возможный механизм показан в работе [33], где доказано наличие большого тока электронов и сильного рентгеновского излучения из контакта металл - диэлектрик при разряде в вакууме.
Т.о. можно сделать заключение, что физика скользящего разряда по поверхности диэлектрика детально изучена. Однако состав разрядной плазмы в большинстве экспериментов определялся методами оптической спектрометрии. Это оправдано в случае высокого уровня ионизации, но в различных стадиях разряда возможно образование многоатомных ионов (особенно при разряде по поверхности распыляемого диэлектрика), в частности углеводородов СпНт. Определение состава плазмы, когда
образующиеся ионы содержат более 2-3 атомов, методами оптической спектрометрии затруднено [34- 36].
6
Вернемся к работе [16], где впервые экспериментально показана принципиальная возможность применения скользящего разряда в вакууме для ионизации неэлектропроводных проб при масс-спектрометрическом анализе. Описан масс-спсктрометрический источник ионов со скользящим разрядом по диэлектрику, в качестве которого использовались текстолит, стекло, титанат бария. Энергия в импульсе не превышала 0.01 Дж. Расчетная амплитуда тока в разряде составляла
ю3 А, длительность разряда порядка 100 не. Оказалось, что вклад адсорбированных газов в ионной ток существенно меньше вклада ионов материала диэлектрика, и при
5 —3
давлении порядка 1(Г Па не превышает 10- %. Десорбционный механизм в
вакуумном пробое на поверхности играет существенную роль только на стадии
инициировании разряда. Затем, когда плазма разряда сформирована, определяющим
механизмом поддержания разряда становится испарение и ионизация материала
поверхности диэлектрика.
Использование этой стадии для получения пучка протонов из полиэтиленовой подложки было рассмотрено в работах [37 - 39], однако масс-спектральный анализ не применялся, и поэтому вопрос о составе получаемого пушка остался не выясненным.
В результате проведенного анализа были обоснованы два актуальных направления работы с ионными источниками на основе диэлектрика:
Состав адсорбированной пробы целесообразно изучать в условиях скользящего разряда по поверхности устойчивого, нерасиыляемого и неиспаряемото диэлектрика, например, кварца;
Получение интенсивных потоков, имеющих заданный и регулируемый состав ионизованных частиц, может быть осуществлено, в принципе, в условиях импульсного разряда по поверхности испаряемого диэлектрика, например, полиэтилена.
Кроме того, использование ионных источников с разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме представляется перспективным не только для развития методов и техники масс-спсктрометрии, но также и для получения информации о составе разрядной плазмы, необходимой для уточнения физических механизмов процесса.
Рассмотрим далее представленные в научно-технической литературе сведения о процесс безинерционной десорбции с поверхности металла, возбуждаемого импульсом скин тока [40 - 50]. Ко времени начала данной работы эти исследования находились в начальной стадии накопления экспериментальных данных. Косвенным свидетельством, указывающим на специфику импульсной десорбции, явились результаты работы [40]. В высоковольтном вакуумном зазоре была установлена тонкая проволочка. При быстром ее нагреве коротким импульсом тока в зазоре возникал пробой, а при медленном нагреве этого не наблюдалось.
В [40 - 41 ] на проволочку диаметром 5... 100 мкм в течение нескольких наносекунд подавалось напряжение 0,5...3,0 кВ. Значение амплитуды тока для вольфрамовой проволочки диаметром 10 мкм было порядка 150 А. Таким образом, на проволочке выделялась энергия ~ 200 мкДж. Скачок температуры составлял не более
300 градусов, при этом была зарегистрирована десорбция примерно ~ 106 ионов, происходившая в течение нескольких наносекунд. С запаздыванием в несколько миллисекунд наблюдалась относительно слабая тепловая десорбция. Анализируя результаты, авторы отмечают, что причиной быстрой десорбции является выделение
большой мощности в узком скин-слое (~2кДж / СМ ).
В работе [43] с помощью времяпролстных методов впервые зарегистрированы
7
нейтральные частицы, десорбированные с поверхности вольфрамовой фольги при протекании по ней импульса тока. Импульс длительностью 10 не и амлитудой
~102...104 А протекал в скин-слое толщиной порядка 1 мкм. При этом наблюдалась эмиссия частиц, происходившая во время действия импульса тока, и задержанная относительно нее на 1... 10 мс тепловая десорбция.
Результаты измерений указывают на явную зависимость характеристик потоков десорбируемых частиц от амплитуды тока в скин-слое. В области относительно малых значений тока наблюдалась преимущественно задержанная тепловая десорбция паров воды и глицерина, которые наносились на поверхность фольги перед началом
измерений. При токе более 103 А наблюдались также и безинерционная эмиссия натрия и фрагментов вакуумного масла. Начальные скорости частиц в последнем случае составляли 50...500 м/с. Полученные данные представлялись авторам полезными при разработке модели физических процессов десорбции, обусловленной быстрой диссипацией энергии на поверхности металла в рассматриваемых условиях.
В работе [44] исследовались вакуумные условия в объемных резонаторах ускоряющей системы при различных значениях подаваемой СВЧ мощности. После тщательной очистки и тренировки электродов в систему подавался СВЧ сигнал мощностью 125 кВт, при этом напряженность ускоряющего поля в системе достигала
3,2*106 В/м. При таких значениях напряженности электрического ноля все посторонние электроны уходили на стенку прибора, что приводило к генерации рентгеновского излучения, которое, в свою очередь, вызывало фотоэмиссию. Электроны, появившиеся в результате фотоэмиссии, также могут быть ускорены электрическим полем. Эти ускоренные электроны могут десорбировать сильносвязанный газ с внутренних стенок (электронно-стимулированная десорбция) и результирующий рост давления уменьшает время жизни пучка, создает фон тормозного излучения в момент соударения электронов и протонов с остаточным газом в области взаимодействия.
После дополнительного отжига и тренировки в течение 24 часов на систему подавали максимальную мощность 140 кВт и поддерживали различные уровни подаваемой мощности в течение двух недель.
В результате исследований было получено:
-после 17 часов отжига давление в системе было порядка 10 торр;
-было зарегистрировано изменение парциальных давлений в различные моменты времени в течение цикла варьирования входной мощности. Основными
десорбированными газами были Н2 5 СО, СН, С02 ,Н2 0\
-после 10...20 часов прикладывалась полная мощность. Давление всех газов имело тенденцию к уменьшению со временем. Газы И2,Н20 имели отличную, от большинства других, картину поведения. Причины этого до конца не выявлены, но авторы предполагают, что это связано с изменением температу ры резонатора;
-кроме указанных основных газов наблюдались пики, соответствующие более высоким массам. До введения СВЧ мощности самый “тяжелый” разрешенный пик соответствовал отношению т/г= 44. При введении СВЧ мощности (35 кВт) были зарегистрированы пики с отношением т/г от 55 до 75, их доля примерно в 100 раз меньше, чем доля основных газов. Так же наблюдались группы пиков между 38 и 44; -давление в системе измерялось так же, для вычисления уровня фона. При указанном выше давлении остаточных газов уровень тормозного излучения был прямо пропорционален молекулярной массе вещества и обратно пропорционален
8
радиационной длине;
Хотя авторы и не приводят в данной статье анализ полученных данных, можно предположить, что наблюдалась молекулярная десорбция частиц с поверхности электродов. Важным, с точки зрения рассматриваемых процессов, представляются следующие факты: - измерения проводились после тщательной очистки и тренировки поверхности электродов; - с изменением подаваемой СВЧ мощности изменялся сорт ионов, регистрируемых системой.
В работах [45 - 50] применен времяпролетный анализ для изучения эмиссии ионов с поверхности вакуумизированного отрезка волновода, в котором возбуждалась мощная импульсная стоячая волна (100...400 кВт, 0,4...0,2 мке, 3 гГц). Источником частиц служил эмиттер, выполнений в виде отрезка медной проволоки диаметром 150 мкм, расположенной поперек оси волновода в отверстии в широкой стенке. Плотность
2
потока мощности на поверхность эмиттера достигала 20 кВт/ СМ . Настройкой СВЧ тракта устанавливали в области эмиттера максимум напряженности электрического поля или амплитуды скин-тока. Сигналы вторично-эмиссионного умножителя ВЭУ-2, установленного на выходе масс-анализатора, состоял из набора отдельных задержанных пиков. Амплитуда пиков зависела от структуры и величины СВЧ поля вблизи эмиттера.
Интерпретация экспериментальных результатов затруднялась одновременной реализацией различных процессов, например вторично-эмиссионным размножением электронов в СВЧ поле. Часть сигналов можно было отнести к десорбированным с поверхности эмиттера положительным ионам остаточных газов. Одновременно наблюдались и более тяжелые компоненты, вплоть до значений т/г=300. Ряд кратных значений т/г можно было объяснить наличием в потоке десорбированных частиц кластеров меди. Авторы считают, что наблюдаемые процессы обусловлены быстрой диссипацией энергии на поверхности металла в вакууме. Авторы рассмотренных работ высказывают предположения относительно возможных механизмов, лежащих в основе процесса безинерционной десорбции, однако приемлемой модели явления не было выработано. Одним из возможных механизмов, в принципе, мог бы явиться эффект возбуждения поверхностных акустоэлектронных волн [51-56]. В работе [51] осуществляли быстрый на1рев поверхности медного образца путем инжекции интенсивного электронного пучка. Предполагалось, что при этом возбуждается акустическая волна на поверхности. Бесконтактное возбуждение звука в металлах может быть осуществлено при индуцировании электромагнитной волны [52]. Рассмотрены закономерности электромагнитного возбуждения звука ЭМВ в локальном
пределе 1 / (5«1 {5 - толщина скин-слоя, / - длина свободного пробега носителей) и в режиме аномального скин эффекта, а также особенности возбуждения ультразвука в СВЧ диапазоне.
В локальном пределе возбуждение звука электромагнитной волной, падающей на поверхность металла, возможно лишь при наличии постоянного магнитного поля. При наложении постоянного магнитного поля, параллельного поверхности металла и перпендикулярного направлению переменного тока, на электроны в скин-слое действует сила Лоренца, направленная вглубь металла. Этой силой создается пространственная модуляция плотности электрического заряда, при этом ионы решетки перестраиваются таким образом, чтобы в объеме металла выполнялось условие локальной электронейтральности. В результате этого у поверхности возбуждается волна сжатия, распространяющаяся вглубь металла.
В магнитном поле, направленном по нормали к поверхности, в металле возбуждается поперечный звук. Под воздействием электрического поля волны в скин-
9
слое электроны и ионы решетки приобретают противоположно направленные импульсы, и сила Лоренца отклоняет эти частицы в одну сторону. При этом электроны, сталкиваясь с решеткой, передают ей дополнительный импульс вдоль поверхности металла.
Оценки показывают, что эффективность трансформации электромагнитной энергии в звуковую в алюминии при комнатной температуре на частоте 10 МГц в поле
10 кЭ составляет около 10-4 .
С понижением температу ры в чистых металлах могут реализоваться условия,
соответствующие выполнению двух неравенств 1/8 > \,8 < Я. В режиме аномального скин-эффекта возбуждение поперечного звука в металле возможно в отсутствие постоянного магнитного поля. Механизм возбуждения ЭМВ в слабых полях или в отсутствие поля может быть представлен следующим образом. Электроны, находящиеся в скин-слое, ускоряется электрическим полем электромагнитной волны, и через столкновения передают избыточный импульс рсшсткс. Кроме того, ионы решетки испытывают прямое воздействие электрического поля в скин-слое. Возбуждение звука у поверхности металла может происходить, если эти две силы локально не сбалансированы. В отсутствие постоянного магнитного поля это происходит, когда длина свободного пробега носителей превышает толщину скин-слоя. В этом случае «столкновительная» сила пространственно отделена от области прямого воздействия переменного элекгрического поля, и обе приводят к росту напряжения сдвига на решетке.
С повышением частоты электромагнитного излучения толщина скин-слоя уменьшается пропорционально СО В то же время длина звуковой волны
Я ~ СО *. На частотах СВЧ диапазона > 1 ГГц) длина волны звука становится
малой по сравнению с толщиной скин-слоя, и эффективность рассмотренных выше механизмов трансформации резко падает. В этих условиях существенное значение приобретает характер рассеяния электронов на границе металла. При диффузном рассеянии возникает т.н. «поверхностная» сила, которая становится определяющей в СВЧ диапазоне. Физическую картину возбуждения аккустичсских колебаний в металле
в режиме И8> 1 можно представить следующим образом. Если толщина пленки (I < /, рассеянием в объеме металла можно пренебречь. В этом случае электроны приобретают в скин-слое поперечный импульс. При диффузном отражении от границы импульс передастся решетке. Работа, совершаемая электрическим полем над электронами в скин-слое, преобразуется в энергию звуковых колебаний. По оценкам, эффективность преобразования пропорциональна четвертой степени толщины скин-слоя. Исследования процессов трансформации электромагнитных и звуковых волн в нормальных металлах в СВЧ диапазоне, проводимых с использованием пленок индия,
золота и олова показали, что максимум интенсивности лежит в районе 15°К. При повышении температуры происходит быстрое уменьшение коэффициента трансформации. Теория возбуждения упругих волн в металлах [55-57] позволяет, в принципе, развить представления о поверхностных акустоэлектронных волнах в металлах применительно к задачам, связанным с ионными источниками, хотя ни в одной из перечисленных работ эта задача не ставится.
Представляется возможной связь механизмов импульсной десорбции с эффектами разогрева электронной подсистемы и появлением в нестационарном неравновесном режиме “горячих электронов” в металле. Действительно, при высокой скорости инжскции электромагнитной энергии в электронную подсистему может
10
наблюдаться рост температуры электронов [58-60]. Нельзя исключить и эффектов прямого рассеяния электронов проводимости на ближайшем макроскопическом дефекте - поверхности металла [61-62]. Зарядовое состояние отлетающей от поверхности нейтральной частицы формируется при наличии электрического поля за счет обмена электроном [63].
Имеются, следовательно, некоторые достижения теории, которыми можно воспользоваться для анализа явления. Отсутствие приемлемой модели процесса скин-токовой десорбции связано, по-видимому, с недостатком экспериментальных сведений. В частности, в известных работах не были определены пороговые, пространственно-временные, масс-спектральные характеристики процесса безинерционной десорбции.
На основе анализа литературных данных сформулированы следующие актуальные цели и задачи данной работы.
ЦЕЛИ РАБОТЫ
-Экспериментальное определение условий получения потоков ионов, измерение комплекса их характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, при протекании импульсных поверхностных токов по диэлектрическим и металлическим образцам в вакууме.
-Определение на основе полученных результатов путей улучшения характеристик имеющихся ионных источников и создания принципиально новых.
задачи
Должны быть разработаны и реализованы методы:
- получения ионных потоков, обусловленные протеканием импульса тока по поверхности диэлектрических и металлических образцов в вакууме;
диагностики, позволяющие измерять масс-спектральные, пороговые,
динамические, угловые и другие характеристики формируемых потоков ионов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
1. Разработана новая методика, с помощью которой впервые проведен комплекс исследований характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-сиектральных, в потоке частиц, полученном при импульсной стимулированной скин-током десорбции с развитой гладкой поверхности металла, а также потока частиц, полученного в источнике с импульсным разрядом но поверхности диэлектрика.
2. Экспериментально показана возможность безинерционной десорбции
положительных и отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности
металлических образцов при воздействии коротких импульсов тока. Выявлены режимы работы, в которых может быть осуществлен этот процесс, определены его характеристики при использовании образцов из различных металлов.
3. Получены неизвестные ранее данные о процессе безинерционной десорбции с поверхности металла, в том числе масс-спектральные, пороговые, динамические характеристики формируемых потоков. Созданы базы экспериментальных данных, необходимые для развития физических представлений об изучаемом процессе.
4. Получены неизвестные ранее данные о масс-спектральных, динамических и угловых характеристиках ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом но
11
поверхности диэлектрика в вакууме, определены зависимости этих характеристик от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации. Указанные результаты являются основой для развития физических представлений о процессах образования потока ионов, происходящих на поверхности диэлектрика.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. Безинерционная десорбция положительных или отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металла реализуется при воздействии индуцированных импульсов скин-тока и выполнении определенных пороговых условий по мощности импульса и напряженности ускоряющего электрического поля при использовании образцов из фольг различных металлов.
2. Индуцированная скин-током десорбция характеризуется мягкой ионизацией десорбируемых частиц, в том числе тяжелых биоорганических молекул; малыми начальными значениями позиционного и энергетического разбросов.
3. Метод индуцированной скин-током десорбции позволяет изучать быструю динамику адсорбционно-лесорбционных процессов на поверхности металла.
4. Масс-спектральные характеристики ионного потока, получаемого при импульсном разряде по поверхности диэлектрика, регулируются заданным образом путем определенной технологии подготовки материала поверхности, особенностей режима измерений, режима предыдущей эксплуатации и конструкции ионного источника.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что:
1. В процессе разработки и оптимизации ионного источника с разрядом по поверхности кварца найдены конструкционные решения, позволяющие использовать источник с высокой эффективностью ионизации во времяпролетном масс-анализаторе.
2. Полученные новые данные о зависимости состава ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика, от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации позволяют получать пучки с заданными свойствами. Использование диэлектриков полиэтилена и парафина позволяет формировать ионные пучки с заданным составом, в том числе с высоким содержанием протонной компоненты (например, до 80% и выше).
3. Экспериментально показана возможность использования импульсного ионного источника со скин-током по поверхности металла для измерения масс-спектра адсорбированной пробы, в том числе тяжелых биоорганических молекул.
12
- Киев+380960830922