ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 4, с. 52-56
УДК 533.924,549.212,669.018.44
ПРИМЕНЕНИЕ УСКОРИТЕЛЯ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
© 2004 г. А. И. Акишин, Л. С. Новиков, В. Н. Черник
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Проведен анализ условий распылительного эксперимента с использованием плазменного ускорителя. Показана возможность применения пучков кислородной плазмы низкой энергии для имитационных исследований перспективных материалов первой стенки термоядерного реактора и наружных поверхностей низкоорбитальных космических аппаратов.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование распыления поверхности атомами и ионами кислорода с энергией 5-100 эВ представляет интерес при выборе материалов первой стенки термоядерного реактора (ТЯР) и наружных поверхностей космических аппаратов для длительного полета в ионосфере. Для условий эксплуатации материалов характерны высокие флуенсы, при которых развивается рельеф поверхности, изменяющий характеристики распыления. Экспериментальные трудности изучения распыления материалов при малых энергиях и высоких флуенсах потоков связаны с низкой плотностью пучков, достигаемой при электростатическом ускорении и торможении ионов (<100 мкА ■ см-2). Плазменные ускорители благодаря разгону ионов в квазинейтральном потоке плазмы позволяют преодолеть эффект ограничения ионного тока объемным зарядом и повысить его плотность до 0.1 А ■ см-2 даже при низких энергиях [1].
В данной работе описаны имитационные распылительные эксперименты с магнитоплазмодинами-ческим ускорителем (МПДУ) с внешним магнитным полем и двойным контрагированием разряда, формирующим поток кислородной плазмы с плотностью ионного тока на мишени до 0.01 А ■ см-2 [2]. Экспериментальные условия при этом отличаются от общепринятых в распылительном эксперименте. Поэтому проводится их обсуждение с точки зрения соблюдения привычных критериев.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные исследования физических закономерностей ионного распыления твердых тел обычно проводятся на ионных пучках при выполнении определенных требований к качеству пучка и вакуумным условиям [3]. К ним относятся: 1) соотношение потока ионов и фонового газа, известное как критерий Гюнтершульце-Мура, скорректиро-
ванное Андерсеном и Байем [4]; 2) моноэнергетич-ность ионов в пучке; 3) наличие в пучке ионов только одного заряда и массы; 4) малая расходимость пучка; 5) подавление тока вторичных электронов.
Выполнение перечисленных требований считается необходимым условием высокой достоверности результатов измерений, но достигается за счет усложнения экспериментальных установок и снижения токов пучка, особенно на энергиях ниже долей кэВ. Считается, что методы, использующие плазму газового разряда, не позволяют получать достоверные результаты из-за несоблюдения указанных условий [4]. Вместе с тем наблюдается заметный разброс значений коэффициентов распыления, измеренных на различных, в том числе и на усовершенствованных, установках с ионными пучками. С другой стороны, во многих экспериментах без сепарации ионов, и поэтому в общем виде не удовлетворяющих перечисленным условиям по качеству пучка, получены достоверные результаты. Это свидетельствует о первостепенной важности анализа реальных условий эксперимента.
Для исследования распыления материалов использовался вакуумный имитационный стенд с плазменным ускорителем заряженных и нейтральных частиц [2]. Известная схема МПДУ с внешним магнитным полем [5] была модифицирована для функционирования в окислительной плазмообра-зующей среде введением ферромагнитного промежуточного электрода с противотоком газа в его канале. За счет двойного контрагирования разряда и противотока газа удалось снизить содержание примесей материалов электродов в потоке кислородной плазмы до 4 ■ 10-6 и повысить длительность непрерывной работы катода и всего источника до 100 ч [2]. Кислородная плазма, образующаяся в разрядном промежутке, при истечении в вакуум в расходящемся магнитном поле соленоида ускоряется объемным электрическим полем. Так формируется плазменный пучок, имеющий направлен-
ную скорость. Пучок содержит электронный газ, ускоренные атомарные и молекулярные ионы кислорода и нейтральные частицы перезарядки и сопровождается спутным потоком молекул и атомов кислорода. Этот поток определяет рабочее давление у мишени, составляющее (0.5-1.5) ■ ■ 10-2 Па. При выключении пучка и расхода плаз-мообразующего газа остаточное давление составляет 10-4 Па. Средняя энергия ионов в пучке вдоль его оси возрастает благодаря падению потенциала и может регулироваться в диапазоне 580 эВ при изменении режимов электрического и газового питания.
Таким образом, для плазменного пучка характерно наличие атомарных и молекулярных ионов, их широкое энергетическое распределение, присутствие в пучке электронов, быстрых нейтральных частиц и спутного потока плазмообразующего газа.
Обратимся к анализу экспериментальных условий при облучении пучком низкой энергии из ускорителя кислородной плазмы.
Условие 1 означает необходимость поддержания атомно чистой поверхности. При допустимой степени в заполнения поверхности адсорбированными атомами остаточного газа условие 1 выражается как //Г > y/FP, где I - поток ионов, Y - коэффициент распыления адсорбированных атомов, Г -поток остаточных газов, у - вероятность прилипания молекул остаточного газа к чистой подложке [4]. При воздействии ионов кислорода низкой энергии с достаточно высоким флуенсом на поверхности всегда образуется его монослой, и P = 1. В то же время остаточный газ состоит в основном из молекулярного кислорода спутного потока, для которого на поверхности, покрытой хемосорбированным кислородом, коэффициент прилипания значительно меньше коэффициента распыления - y/Y < 1. Таким образом, требование превышения потока бомбардирующих ионов кислорода над спутным потоком молекулярного кислорода может не предъявляться. Критерий 1 следует применять к остальным компонентам остаточного газа в камере (пары воды, углеводороды, атмосферные газы). Их поток определяется остаточным давлением без напуска плазмообразующего газа - кислорода (не более 10-4 Па). При этом поток ионов превышает поток атомов остаточного газа на два порядка. Для сравнения отметим, что в известном распылительном эксперименте [6] обеспечивается соотношение порядка 10 (0.1 мА ■ см-2 при давлении 10-5 Па). Таким образом, в условиях распыления ионами в интенсивных пучках кислородной плазмы низких энергий критерий 1 выполняется не хуже, чем в известных установках с ионными пучками.
Условия 2-4 отражают стремление точного определения параметров взаимодействия при исследовании физических закономерностей распыления для приближения к идеализированным ус-
ловиям. В противоположность этому, при имитационных исследованиях в приложениях важным является соответствие естественным условиям. Для пристеночной плазмы ТЯР характерны ионные потоки с широким зарядовым, энергетическим и угловым спектром, что не соответствует критериям 2-3. Поэтому для имитации этих условий могут использоваться пучки с широким энергетическим спектром, а для количественного определения распределения вводят усредненные параметры - энергию в его максимуме и ширину на полувысоте [7]. Плазменный пучок также не является моноэнергетическим, ширина энергетического распределения на уровне полувысоты в зависимости от режима изменяется от 6-10 до 20-30 эВ при энергии в максимуме, изменяемой потенциалом на мишени в пределах 10-300 эВ.
Массовый состав плазменного пучка неоднороден и содержит две компоненты ионов кислорода: молекулярную и атомарную. Степень диссоциации ионов может изменяться регулированием режима ускорителя в пределах 5-85%. Содержание примесей вспомогательного инертного газа ксенона не превышает 4 ■ 10-4, а конденсирующихся примесей - 4 ■ 10-6 [8].
Рассмотрим влияние быстрой молекулярной компоненты на физическое и химическое распыление материалов. При физическом распылении молекулярный эффект для ионов кислорода становится заметным при энергиях ниже 50-70 эВ. Согласно данным работы [9], в этом диапазоне сумма коэффициентов распыления золота двумя атомарными ионами кислорода примерно равна коэффициенту распыления одним молекулярным ионом той же энергии. При отсутствии молекулярного эффекта распыление молекулярным ионом было бы меньше, поскольку составляющие его атомы обладают вдвое меньшей энергией. Первое означает, что молекулярный ион эквивалентен двум атомарным при ускорении одинаковыми потенциалами. Поэтому в этой области энергий при расчете коэффициента распыления необходимо введение поправки величины ионного флуенса путем удвоения числа молекулярных ионов.
При рассмотрении вклада быстрых молекулярных ионов в химическое распыление надо учитывать их диссоциацию при столкновении с поверхностью. При этом из молекулярного иона образуются два атома кислорода в разных зарядовых состояниях, обладающие половинной кинетической энергией и высокой химической активностью.
Таким образом, влияние молекулярных ионов кислорода на химическое распыление также можно учесть введением поправки при расчете флуенса.
Условие 5 означает исключение тока ион-электронной эмиссии при измерении ионного флуен-са. При работе с кислородными ионами с энергией, меньшей порога кинетической эмиссии, составляю-
щей несколько сотен эВ, эмиссией вторичных электронов можно пренебречь и регистрацию флуенса проводить по ионному току на мишень.
Проведенный анализ показал, что экспериментальные условия хотя и не соответствуют формальным критериям 2-4, но вполне пригодны для прикладных имитационных исследований распыления материалов ионами кислорода низкой энергии.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для подтверждения предположения о диссоциации молекулярных ионов при взаимодействии с поверхностью проводились измерения коэффициентов распыления графита марки МПГ-6 при различном коэффициенте диссоциации ионов кисл
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.