ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 1, с. 88-93
УДК 537.2
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СТЕКЛА К-208 ЭЛЕКТРОНАМИ
© 2015 г. Р. Х. Хасаншин1, *, Л. С. Новиков2, С. Б. Коровин3
1ОАО "Композит", 141070Королев, Московской области, Россия 2НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119991 Москва, Россия 3Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия *E-mail: rhkhas@mail.ru Поступила в редакцию 09.04.2014 г.
С помощью атомно-силовой микроскопии исследована поверхность образцов защитного покрытия солнечных батарей космических аппаратов из стекла К-208, облученных электронами с энергией 20 и 40 кэВ при плотности потока фе = 1010—5 х 1011 см-2 • с-1 и давлении в вакуумной камере 10-4 Па. Проведен анализ следов электростатических разрядов, возникающих при разной интенсивности облучения. Установлено, что при фе < 5 х 1010 см-2 • с-1 преобладают разряды типа "стекло-окружающий ионизованный газ" с образованием на облучаемой поверхности микровыступов в местах выброса плазмы, а при фе > 2.0 х 1011 см-2 • с-1 преобладают разряды, протекающие преимущественно вдоль поверхности образцов.
Ключевые слова: диэлектрики, электростатические разряды, электронное облучение. DOI: 10.7868/S0207352815010114
ВВЕДЕНИЕ
При облучении заряженными частицами диэлектриков с низкой проводимостью в них формируются области с высокой плотностью заряда [1], поле которого может привести к развитию электростатического разряда между областью локализации заряда и поверхностью диэлектрика. Рост разрядных каналов происходит в результате разрушения диэлектрика и образования проводящей фазы. Появление каналов представляет собой сложный стохастический процесс, который сопровождается ионизацией, газовыделением, разогревом и т.д., приводящими к образованию в стекле проводящей фазы. Поэтому до настоящего времени не разработана количественная теория формирования проводящих каналов.
Исследование электростатических разрядов при облучении диэлектриков актуально как с научной точки зрения, так и для решения прикладных задач. В частности, взаимодействие космического аппарата с окружающей плазмой приводит к накоплению на его поверхности электрического заряда и, как следствие, влечет за собой появления разности потенциалов между поверхностью аппарата и окружающей плазмой. Например, значения потенциала поверхности спутников, эксплуатируемых на геостационарной орбите, достигают 20 кВ [2]. Электростатические разряды, обусловленные такими потенциалами, могут
привести не только к значительным электромагнитным помехам, но и к разрушению компонентов аппаратуры и элементов конструкций. Так, электризация под действием электронов естественных радиационных поясов Земли приводит к деградации солнечных батарей, обусловленной поверхностными и внутренними электростатическими разрядами.
В данной работе приводятся результаты экспериментальных исследований электростатических разрядов при электронном облучении образцов стекла К-208, используемого в качестве защитного покрытия солнечных батарей космических аппаратов. Структура поверхности образцов изучалась методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) с учетом рекомендаций, указанных в работе [3].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для проведения экспериментов из стекла марки К-208 были изготовлены квадратные пластины 40 х 40 мм толщиной 0.17 мм. Облучение образцов проводилось в вакуумной камере испытательного стенда УВ-1/2 ОАО "Композит" [4] при следующих условиях: давление 10-4 Па; энергия электронов Е0 20 и 40 кэВ; плотность потока электронов фе от 1 х 1010 до 5 х 1011 см-2 • с-1; температура столика, к которому прикреплялись образцы, 20 ± 1°C.
2 4 6 8 10 12 14 мкм 0 12345678 Рис. 1. Профили распределения (а) и накопления (б) электронов, термализованных в стекле.
0
Удельная скорость генерации ионов в остаточной атмосфере вакуумной камеры при указанных плотностях потока облучения составляла от 1.0 х 105 до 3.0 х 106 ион/см3 • с. Как известно, газовые формы разрядов начинают проявляться при значении концентрации 106 ион/см3. Очевидно, что в приповерхностной области облучаемого образца концентрация ионов может превышать указанные величины за счет ионизации молекул отраженными и вторичными электронами и за счет притяжения ионов полем накопленного в стекле заряда.
Поверхность образцов после облучения исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа Solver P47-Multi-Technique SPM производства NT-MDT (г. Зеленоград). Для изучения топологии поверхности образцов использовалась полуконтактная атомно-силовая мода, которая при высокой точности измерений не разрушает поверхность. Радиус закругления иглы кантилевера SNG01/TN составлял 35 нм, а резонансная частота механических колебаний балки кантилевера была равна 161.019 кГц (на данной частоте производятся измерения в полуконтактной моде).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При облучении электронами в стекле формируются области с высокой плотностью заряда. На рис. 1 представлены рассчитанные методом Монте-Карло профили концентрации термализованных в стекле электронов для трех значений энергии (рис. 1а) и иллюстрация накопления объемного заряда для электронов с энергией 30 кэВ для четырех моментов времени с начала облучения (рис. 1б). Из последнего рисунка видно, что с ростом объемного заряда максимум его распределения сдвигается к облучаемой поверхности за счет торможения первичных электронов.
Максимальные пробеги в стекле электронов с энергией 20 и 40 кэВ не превышающие 5 и 16 мкм, что более чем в 10 раз меньше толщины образца. Поэтому сквозной электростатический пробой на металлический столик, к которому прикреплялись образцы, не рассматривается.
Результаты исследований поверхности образцов методом АСМ представлены на рис. 2—7, на которых изображения поверхностей расположены по мере возрастания плотности потока излучения от 0 до 2.3 х 1011 см-2 • с-1. На рис. 3—5 показаны изображения поверхности образцов, облученных электронами с энергией 20 кэВ.
Из сравнения изображений на рис. 2 и 3 следует, что на поверхности образца, облученного при плотности потока 4.3 х 1010 см-2 • с-1, появляются следы разрядов - отдельные микровыступы. Высота микровыступов, представляющих собой застывшее стекло в местах выхода разрядов на облучаемую поверхность, достигает 250 нм. При разрядах, частота которых росла вместе с плотностью потока облучения, в вакуумной камере регистрировалось импульсное увеличение давления, вызванное выбросами из образцов плазменных струй вместе с избыточным отрицательным зарядом.
С увеличением плотности потока облучения количество образующихся микровыступов на поверхности образцов возрастает (рис. 4), и одновременно начинают развиваться разряды вдоль поверхности стекла. При этом высота микровыступов не превышает 50 нм (рис. 4в), а поверхностные разряды, проходящие преимущественно через микровыступы, оставляют следы глубиной до 2 нм (рис. 4в). Дальнейшее увеличение плотности потока электронов до 1011 см-2 • с-1 приводит к тому, что поверхностные разряды начинают преобладать, а при ф > 2 х 1011 см-2 • с-1 образование микровыступов (следов выброса плазмы) не наблюдается (рис. 5). Глубина каналов поверх-
(а)
(б)
мкм нм
18 14
16 нм
12
14 14
12 10 12
10 8 10
8 1 1 6 8
6 6
4 4 4
2 2 2
8 10 12 14 16 18 мкм
8 10 12 14 16 18 мкм
Рис. 2. АСМ-изображение поверхности необлученного образца, кадр 35 х 35 мкм (а) и сечение профиля вдоль линии 1—1 (б).
0
ностных разрядов увеличивается до 10 нм. Можно предположить, что при этих условиях облучения ионизованный приповерхностный газ и радиационная проводимость стекла обеспечивают стека-ние заряда на столик через металлические прижимы за счет поверхностных разрядов.
Аналогичные результаты получены при исследовании поверхности образцов, облученных электронами с энергией 40 кэВ, (рис. 6 и 7). При сохранении общих закономерностей развития электростатических разрядов в этом случае наблюдались микровыступы высотой более 400 нм (рис. 6а). Не-
обходимо отметить, что преобладание поверхностных разрядов начинается при плотностях потока больших, чем при облучении электронами с энергией 20 кэВ.
Отметим, что в работе [5] при совпадающих параметрах электронного облучения образцов стекла К-208 наблюдалось образование одиночных разветвленных разрядных фигур диаметром до 100 мкм. Отличия представленных в настоящей работе результатов от экспериментальных данных, полученных в [5], можно объяснить разными условиями отвода тепла от облучаемых об-
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
91
(а)
(б)
мкм 35 30 25 20 15 10
5
0
мкм 12
10 8
6 4 2
0
10 15 20 25 30 35 мкм (в)
нм
120 нм
40
100
35
80 30
25
60
20
40 15
10
20
5
0! 1
0
10
нм 100 нм 2.5
80 2.0
60 1.5
40 1.0
20 0.5
„1
15 20 (г)
25 30 35 мкм
10 12 мкм
0
2
4
6
8
10 12 14 мкм
Рис. 4. АСМ-изображение поверхности облученного образца (фе = 8.6 х 1010 см 2 ■ с 1), кадры 35 х 35 мкм (а), 14 х 14 мкм (в) и сечения профиля вдоль линий 3—3 (б), 4—4 (г).
(а)
(б)
35 30 25 20 15 10 5
нм
100 нм
80 10
9
60
8
40 7
6
20
5
0 4
5 10 15 20 25 30 35 мкм
23
7 мкм
Рис. 5. АСМ-изображение поверхности облученного образца (фе = 2.16 х 10 см 2 ■ с 1), кадр 35 х 35 мкм (а) и сечение профиля вдоль линии 5—5 (б).
5
5
мкм
0
6
0
1
4
5
(а)
(б)
мкм 35 30
25 20 15 10 5
0
нм
400
350 300 250 200
150
100
50
нм
400
300 200 100
5 10 15 20 25 30 35 мкм
0
5 10 15 20 25 30 35 мкм
Рис. 6. АСМ-изображение поверхности облученного образца (фе = 7.5 х 1010 см 2 с 1), кадр 35 х 35 мкм (а) и сечение кадра вдоль линии 6—6 (б).
(а)
12 10 8 6 4 2
нм 160 140 120 100 80 60 40 20 0
мкм 10
10 12 мкм
50 40
30 20 10 0
8 10 мкм
11 _2 _1
Рис. 7. АСМ-изображения поверхности облученных образцов: а — кадр 14 х 14 мкм (фе = 1.5 х 10 см 2 • с 1); б — кадр 12 х 12 мкм (фе = 2.41 х 1011 см-2 ■ с-1).
разцов в двух рассматриваемых случаях. В настоящей работе производилась полировка поверхности металлической по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.