научная статья по теме ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ НА СТЕКЛАХ CMG ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ НА СТЕКЛАХ CMG ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 34-39

УДК 533.9:537.53

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ НА СТЕКЛАХ CMG ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ

© 2015 г. Р. Х. Хасаншин1, *, Л. С. Новиков2

1ОАО "Композит", 141070Королев, Московская область, Россия 2НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия *Е-таИ: rhkhas@mail.ru Поступила в редакцию 24.12.2014 г.

Методами атомно-силовой микроскопии исследованы поверхности защитных стекол солнечных батарей космических аппаратов, облученных электронами с энергией 20 кэВ и флуенсами Фе < < 1.2 х 1015 см-2 при плотности потока фе от 1010 до 1011 см-2 • с-1. Установлен механизм, обеспечивающий протекание электростатических разрядов и снижающий напряженность электрического поля накопленного заряда в стекле СМО. Предлагается физическая модель для интерпретации полученных экспериментальных результатов.

Ключевые слова: электронное облучение, стекло СМО, электростатические разряды, атомно-сило-вая микроскопия, деструкция поверхности.

БОТ: 10.7868/80207352815090085

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы, связанные с влиянием воздействия ионизирующих излучений на свойства материалов и с изучением протекающих при этом процессов, занимают одно из центральных мест в радиационной физике твердого тела [1-4]. Значительный научный и практический интерес представляют изменения свойств диэлектрических материалов, используемых в качестве внешних покрытий спутников, под действием излучений космического пространства. Например, воздействия горячей магнитосферной плазмы на солнечные батареи геостационарных космических аппаратов приводят к их электризации и возникновению электростатических разрядов [5, 6], которые, в частности, могут привести к деградации оптических свойств защитных покрытий и, как следствие, к снижению мощности вырабатываемой энергии.

В настоящей работе приводятся результаты лабораторных экспериментов по изучению возникновения и развития электростатических разрядов в образцах стекла СМО, используемого в качестве защитного покрытия солнечных батарей космических аппаратов, при облучении электронами с энергией 20 кэВ, соответствующей параметрам горячей магнитосферной плазмы. При анализе полученных результатов основное внимание уделено особенностям развития электростатических разрядов в образцах СМО. Необходимо отметить, что стекла СМО, выпускаемые

фирмой QIOPTIOQ (Великобритания), обладают большей электрической проводимостью, чем защитные стекла К-208 и К-215, производимые в России.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для экспериментов из стекол CMG и К-208 были изготовлены образцы размером 40 х 40 мм и толщиной 120 и 170 мкм соответственно. Образцы прикрепляли металлическими "лепестками" шириной 2 мм к полированной поверхности охлаждаемого столика испытательного стенда УВ-1/2 [7] ОАО "Композит" и облучали при давлении 10-4 Па, энергии электронов (Ее) 20 кэВ, плотности потока электронов (фе) 1010—1011 см-2 • с-1, флуенсе электронов (Фе) 1014-1015 см-2 и температуре столика 20 ± 1°C.

Поверхности образцов до и после облучения исследовали с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver P47-Multi-Technique SPM производства NT-MDT с использованием полуконтактной атомно-силовой моды, которая обладает высокой точностью измерений и не разрушает поверхность [8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для сравнения качества поверхности образцов стекол CMG и К-208 на рис. 1 приводятся их

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ НА СТЕКЛАХ СМв (а)

мкм 5

4

3 2 1 0

0

мкм 12 10 8 6

4 2 0

нм 12 -10 8 -6 -4 -2 -

(б)

23 (в)

4 мкм

02

нм 12

10 8 -6 -4 -

2 -0 -

8 10 12 мкм

нм 2.0

нм 10.0

100 200 300 400 500 нм (г)

10 мкм

Рис. 1. АСМ-изображения образцов: СМО — кадр 5.5 х 5.5 мкм (а) и его сечение вдоль линии 1—1 (б); К-208 — кадр 13 х 13 мкм (в) и его сечение вдоль линии 2—2 (г).

АСМ-изображения после очистки в ультразвуковой ванне. Из этого рисунка видно, что рельефы поверхностей СМО и К-208 отличаются размерами и количеством микровыступов, высота которых на поверхности этих стекол достигает 0.5 (рис. 1б) и 12 нм (рис. 1г) соответственно.

Электронное облучение стекла приводит к формированию в нем области с высокой плотностью заряда за счет аккумулирования термализо-ванных электронов [4]. С ростом накопленного заряда индуцированное им электрическое поле начинает тормозить первичные электроны, и максимум их распределения в стекле сдвигается к облучаемой поверхности. При достижении критического значения напряженности поля в стеклах начинают развиваться электростатические разряды, приводящие к структурным изменениям.

В качестве примера на рис. 2 демонстрируется структура поверхности образца К-208, облученного электронами с энергией Ее =20 кэВ и флуен-

сом Фе = 8.5 х 1014 см-2 при фе = 6.0 х 1010 см-2 • с-1. Отметим, что максимальная длина пробега электронов с такой энергией в стекле не превышает 5 мкм. Авторы полагают, что модификация поверхности (рис. 2) обусловлена радиационно-стимулированными процессами в облучаемом слое стекла и разрядами типа микровыступ— ионизированная остаточная атмосфера вакуумной камеры. Такие разряды происходят с микровыступов, существовавших на поверхности стекла и образовавшихся на ней, и сопровождаются быстрыми фазовыми переходами материала из твердого состояния в жидкое, газообразное и плазменное. Заканчиваются разряды выбросом в окружающее пространство плазмы с избыточным электронным зарядом, что в экспериментах приводило к импульсному повышению давления в вакуумной камере.

В промежутках времени между разрядами вместе с ростом поля термализованных в стекле элек-

0

1

6

4

мкм 10 9

8 7 6 5 4 3 2 1 0

(а)

нм 150 -|

100 80

50

(б)

нм

100

80

60 -

40

0 < 20

0123456789 мкм

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 мкм

(в)

нм

160 120 80 40 0 10

10

6 4

00

Рис. 2. АСМ-изображения фрагмента облученного образца К-208: 2В-нзображенне (а) и его сечение вдоль линии 1-1 (б); 3В-нзображенне (в).

тронов в прилегающей к облучаемой поверхности области увеличивается концентрация положительных ионов. Бомбардировка верхушек микровыступов, в окрестностях которых напряженность поля имеет локальные максимумы, ускоренными ионами приводит к их разогреву, стимулирующему зарождение разряда.

Образование новых микровыступов на поверхности образцов, по всей видимости, обусловлено тем, что для приповерхностного слоя стекла характерно высокое содержание структурных дефектов. Их отжиг при облучении сопровождается появлением радиационно-стимулированных напряжений и радиационно-стимулированной диффузии, способствующих ускорению транспортных процессов, обеспечивающих перенос материала к центрам роста микровыступов на поверхности стекла.

Наблюдаемое в экспериментах многократное повторение разрядов через микровыступы, представляющие собой в местах выхода плазмы капли

застывшего стекла, связано с тем, что они обладают большей проводимостью по сравнению с окружением и возвышаются над ним. Их повышенная проводимость обусловлена структурными изменениями и нарушением стехиометрии материала при облучении и разрядах. Разряды приводят к росту размеров микровыступов за счет накопления на них остывшего стекла.

Разряды типа микровыступ—ионизированная остаточная атмосфера наблюдались и при облучении стекла СМО, которое характеризуется не только большей проводимостью и меньшим содержанием дефектов структуры по сравнению с К-208, но и имеет более совершенную поверхность (рис. 1а, 1б).

Изображения фрагментов образцов, представленные на рис. 3 и рис. 4, демонстрируют некоторые особенности развития электростатических разрядов в стеклах СМО при облучении электронами с энергией 20 кэВ и флуенсами Фе < 1.2 х х 1015 см-2.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ НА СТЕКЛАХ СМО

37

мкм 10987654321 -04 0

нм 9 8 7 6 5 4 3 2 1

(а)

(б)

Б1 (3.88

1

Ш* РФ

2345678 9 мкм (в)

нм нм

40 - 40

35 - 35

30 - 30

25 - 25

20 - 20

15 - 15

10 < 10

5" 5

01 и

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 мкм (г)

нм 40 30 20 10 0 0

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 мкм

10

4

Ч

10 0

1

Рис. 3. АСМ-изображения фрагмента облученного образца СМО: 2Б-изображение (а), его сечения вдоль линий 1-1 (б) и 2-2 (в); 3Б-изображение (г).

При облучении стекла СМО флуенсом Фе = = 7.6 х 1014 см-2 при фе = 3.0 х 1010 см-2 • с-1 многократно повторяющиеся разряды через отдельные микровыступы, наблюдаемые при проведении экспериментов, сопровождались выбросом плазмы в окружающее пространство и увеличением их размеров, так же как и при облучении стекла К-208. Однако механизм образования большей части микровыступов на поверхности стекла СМО существенно отличался.

Меньшая концентрация дефектов в образце СМО привела к тому, что количество микровыступов, появившихся на поверхности за счет отжига дефектов, оказалось в среднем в сорок раз меньше, чем при облучении в тех же условиях образцов К-208. Например, на участке поверхности размером 10 х 10 мкм, представленном на рис. 3, выделяется только один микровыступ, аналогичный выступам, показанным на рис. 2.

Анализ результатов, приведенных на рис. 3а, 3в, позволяет предположить, что при разряде проводимость СМО обеспечивает сброс избыточного

заряда с некоторой области стекла в окрестности микровыступа, который сопровождается скачкообразным уменьшением напряженности поля и потенциала поверхности над этой областью. После выброса плазмы ее более быстрые составляющие (электроны) разлетаются по объему и достигают металлических стенок камеры, а часть ионов и ионизированных кластеров притягивается полем и осаждается в основном на участках поверхности стекла, расположенных вне окрестности, которая была задействована в развитии разряда. На поверхности стекла образуются центры роста микровыступов, через которые в дальнейшем могут происходить разряды. Например, на рис. 3б видно, что в результате электростатических разрядов вокруг микровыступа высотой 43 нм на расстоянии порядка 1.5 мкм образовались новые микровыступы высотой до 8 нм.

Изображения на рис. 4 свидетельствуют о том, что увеличение флуенса облучения

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»