ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 12, с. 83-90
УДК 539:537:534
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БОРОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ ПРИ СКОЛЬЗЯЩИХ УГЛАХ ПАДЕНИЯ
© 2014 г. А. Б. Надирадзе1, Р. Р. Рахматуллин1, В. В. Шапошников1, С. В. Урнов1,
И. А. Максимов2, В. А. Смирнов2
Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет МАИ), 125993 Москва, Россия 2ОАО "Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф. Решетнева", 662972Железногорск, Красноярский край, Россия E-mail: nadiradze@yandex.ru Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
Представлены результаты экспериментов по воздействию потока ускоренных ионов ксенона на поверхность боросиликатных стекол типа К208 и CMG100 при скользящих углах падения (60° и 75°). Обнаружено развитие микрорельефа на поверхности CMG100, приводящее к значительному изменению оптических свойств стекла. Средняя высота микрорельефа достигала 500—600 нм при глубине эрозии 7.1 мкм, при этом оптические потери составляли 60%. Микрорельеф формировался только при углах падения 75°. При угле падения 60° наблюдалось сглаживание неровностей и образование небольшого количества пирамидальных выступов (вискеров). При этом оптические свойства стекла изменялись незначительно. Микрорельеф образовывался и на поверхности стекла К208, но его высота не превышала 60—80 нм, что практически не оказывало влияния на оптические свойства.
DOI: 10.7868/S0207352814120208
ВВЕДЕНИЕ
Боросиликатные стекла типа К208 (Россия), СЫС100 (дЮРТГС, Англия) широко используются в аэрокосмической промышленности. Наиболее часто они находят применение в оптических приборах и в качестве защитных покрытий солнечных батарей [1]. Если поверхность стекла подвергается ионной бомбардировке, ее оптические свойства могут изменяться, изменяя тем самым характеристики прибора. Поэтому одной из проблем обеспечения функциональных характеристик защитных покрытий в процессе длительной эксплуатации является оценка влияния ионной бомбардировки на их свойства.
Лабораторные исследования эффектов воздействия ускоренных ионов на оптические стекла сопряжены с рядом технических проблем, обусловленных осаждением на поверхность стекла продуктов распыления стенок вакуумной камеры и большим временем проведения эксперимента. Особенно проблематичными являются измерения при скользящих углах падения, когда потоки частиц осаждения становятся соизмеримыми с потоками распыления.
В данной работе была предпринята попытка минимизировать указанные факторы, чтобы получить достоверные экспериментальные данные
о влиянии ионной бомбардировки при скользящих углах падения ионов (60° и 75°) на прозрачность стекол. В результате предпринятых мер потоки осаждения были снижены на порядок величины и не превышали 10—15% потока распыления.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема установки приведена на рис. 1. Эксперимент проводился на стенде ПП-2 (МАИ, г. Москва, Россия) [2] в цилиндрической вакуумной камере объемом 2.5 м3 (01.2 х 2 м). Откачка камеры осуществлялась тремя турбомолекулярными насосами EDWARDS STP-XA4503 вертикального типа и HANBELL PS902-A. Рабочее давление в камере во время эксперимента (при работе источника ионов) не превышало 5 х 10-5 Торр.
В качестве источника ионов ксенона использовался двигатель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения типа СПД-50. В данном источнике плазма создается за счет газового разряда в коаксиальном канале разрядной камеры с внешним диаметром 50 мм [3]. Источник ионов работал на Xe при разрядном токе 1.4 А и ускоряющем напряжении 300 В. Ионы в струе имели энергетическое распределение, близкое к распределению Максвелла при средней энергии 200—250 эВ. Угловое распределение плотности то-
Рис. 1. Схема эксперимента.
ка ионов представлено на рис. 2. Контроль плотности ионного тока производился с помощью двухсеточного зонда (энергоанализатора), установленного на расстоянии 425 мм под углом 20° к оси источника.
В эксперименте были использованы образцы стекла К208 размером 37.3 х 76.3 мм толщиной 130 мкм и стекла СМ0100 толщиной 100 мкм двух размеров: 37.3 х 76.3 и 39.8 х 69.2 мм. Стекло СМ0100 имело антиотражающее покрытие MgF2 толщиной 110 нм. Образцы устанавливались под углом 60° и 75° к потоку ионов на расстоянии 425 мм от источника, одновременно об-
10
св 1
М
О
н
13
8 0.1 £
о ч С
0.01
15 30 45 60 75 Угол с осью струи, град
90
лучались 4—6 образцов. Плотность ионного тока находилась в пределах 0.1—0.4 мА/см2. Температура образцов во время эксперимента не превышала 95°С.
Положение образцов в вакуумной камере выбиралось так, чтобы свести к минимуму потоки осаждения. Однако оценки показали, что в области установки образцов (для максимального угла падения ионов 9 = 75°) потоки осаждения (6.43 х
1013
см
■ с 1) соизмеримы с потоками распыле-
Рис. 2. Зависимость плотности ионного тока от угла вылета ионов на расстоянии 0.5 м от источника.
ния (1.71 х 1014 см 2 • с 1), что недопустимо для подобных экспериментов.
Для уменьшения потоков осаждения внутренняя поверхность вакуумной камеры была облицована кантоном (полиимид). Расчеты показывают, что защита из этого материала является одной из наиболее эффективных, поскольку каптон имеет низкий коэффициент распыления (0.23 атом/ион), а в его составе (С22И10М205) нет металлов. В результате установки экрана из каптона суммарные потоки осаждения снизились до 2.21 х 1013 см-2 • с-1, что не превышает 15% потоков распыления.
Время облучения образцов составляло 5, 10 и 15 часов. Некоторые образцы облучались многократно для набора требуемого флуенса. До и после каждого облучения измерялась масса образцов на прецизионных весах МВ 210-А и снимались спектры пропускания стекла с использованием спектрофотометра 8ресоМ 40.
х
0
Таблица 1. Результаты эксперимента для стекла марки К-208
Номер Угол падения, град Время облучения, ч AMZ, мг Номер J 2 мА/см2 AM¡, мг AH¡, мкм АТ/Т0, %
образца сектора 399 нм 540 нм 748 нм
1 0.18 4.0 2.54 0.79 0.49 0.39
1 75 5 12.9 2 3 0.15 0.13 3.4 2.9 2.18 1.88 0.90 0.64 0.58 0.36 0.37 0.22
4 0.11 2.6 1.63 0.70 0.46 0.32
1 0.36 7.7 4.91 -0.20 0.10 0.18
2 60 5 24.5 2 3 0.31 0.26 6.5 5.5 4.14 3.49 0.30 0.49 0.61 0.90 0.80 0.95
4 0.23 4.8 3.04 0.28 0.43 0.45
1 0.17 11.3 7.19 3.30 2.21 1.52
1 75 15 36.1 2 3 0.14 0.12 9.6 8.2 6.12 5.22 2.95 2.85 1.96 1.92 1.34 1.22
4 0.10 7.0 4.47 3.44 2.46 1.78
1 0.34 24.8 15.84 0.32 0.50 0.54
2 60 15 77.1 2 3 0.28 0.24 20.6 17.1 13.18 10.94 0.76 0.01 0.97 0.34 0.92 0.34
4 0.20 14.6 9.36 1.69 1.97 1.89
Поскольку размеры образцов были довольно большими, плотность ионного тока на их поверхности не была одинаковой и отличалась в 1.5—2 раза. В связи с этим образцы условно были разделены на четыре равные сектора вдоль длинной стороны. Измерения спектров пропускания производились в центральных точках каждого из этих секторов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Режимы облучения, изменение массы образцов, глубина эрозии и изменения коэффициента пропускания в центральных точках секторов приведены в табл. 1 и 2. Изменение массы и глубину эрозии в секторах оценивали по общим потерям массы образцов и расчетной величине плотности тока ионов в центральной точке каждого сектора. При этом плотность тока рассчитывалась по регрессионной модели струи, построенной по результатам измерений плотности ионного тока в точке установки зонда.
На рис. 3 приведены спектры направленного пропускания (измеренные по нормали к поверхности) стекол К208 и СМ0100 после воздействия потока ускоренных ионов при углах падения 9 = 60° и 75° и различной глубине эрозии. Из этих рисунков видно, что изменения коэффициента пропускания стекла К208 при угле падения 60° незначительны, какой-либо зависимости от глубины эрозии не наблюдается. При угле падения 75° потери несколько
возрастают, и начинает просматриваться тенденция роста потерь от глубины эрозии.
Совсем иначе ведет себя стекло CMG100. При угле падения 60° наблюдается небольшое снижение пропускания (в пределах 1—2%), связанное, по-видимому, с распылением просветляющего покрытия. Однако при угле падения 75° потери резко возрастают, наблюдается четко выраженная зависимость потерь от глубины эрозии.
С целью выяснения причин столь сильного изменения коэффициента пропускания стекол CMG100, облученные образцы были исследованы на атомно-силовом микроскопе Solver Pro-M (NT-MDT, Россия). На рис. 4 представлены АСМ-изображения (топография 3D) поверхности стекла CMG100 для различной глубины эрозии при угле падения ионов 75°, а на рис. 5 — при угле падения ионов 60°. Из этих рисунков видно, что состояние поверхности, облученной под разными углами, качественным образом отличается. Основная часть поверхности стекла, облученного под углом 60°, имеет очень низкую шероховатость (Ra = 1.5 нм), максимальная высота неровностей составляет при этом 5—10 нм. В то же время на поверхности образуются пирамидальные выступы (возможно, вискеры [4]) высотой до 100—200 нм.
На поверхности стекла CMG100, облученного под углом 75°, наблюдается микрорельеф с высотой неровностей до 500-600 нм (Ra = 35—50 нм). Причем, судя по АСМ-изображениям, приведен-
Таблица 2. Результаты эксперимента для стекла марки СМ0100
Номер Угол падения, град Время облучения, ч ДМ2, мг Номер J 2 мА/см2 ДМ, мг ДН ¡, мкм Д7/Г0, %
образца сектора 399 нм 540 нм 748 нм
1 0.18 4.4 2.80 45.11 31.33 18.72
3 75 5 14.2 2 3 0.15 0.13 3.8 3.2 2.40 2.07 30.94 16.13 19.13 8.87 9.89 3.92
4 0.11 2.8 1.80 9.21 4.68 1.86
1 0.36 8.5 5.63 0.94 0.37 0.23
4 60 5 27.3 2 3 0.30 0.26 7.2 6.2 4.77 4.08 0.42 1.43 0.08 1.10 0.10 0.94
4 0.22 5.4 3.54 1.49 1.26 1.03
1 0.32 17.3 11.07 0.37 0.29 0.03
5 60 10 52.8 2 3 0.26 0.21 14.2 11.6 9.07 7.39 2.06 0.94 1.98 0.76 1.80 0.47
4 0.18 9.7 6.20 1.56 1.16 0.74
1 0.16 6.8 4.46 62.87 48.70 32.75
6 75 10 21.6 2 3 0.13 0.11 5.7 4.9 3.78 3.20 54.25 47.66 38.21 31.69 22.88 17.95
4 0.10 4.2 2.75 42.59 27.11 14.63
35.6 1 0.17 11.1 7.11 65.04 51.18 35.27
3 75 15 2
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.