XXXVI МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ФИЗИКЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С КРИСТАЛЛАМИ (30 мая-0.1 июня 2006 Москва, НИИЯФ МГУ)
XXXVI INTERNATIONAL CONFERENCE ON PARTICLE CRYSTAL INTERACTION 2006 (30 May-0.1 June 2006, Skobeltsyn institute for Nuclear Physics MSU)
ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 3, с. 4-9
УДК 537:534
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ИОННО-ЭЛЕКТРОИНОЙ ЭМИССИИ СТЕКЛОУГЛЕРОДОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОНАМИ
АРГОНА С ЭНЕРГИЕЙ 30 кэВ
© 2007 г. Н. Н. Андрианова1, А. М. Борисов1, Ю. С. Виргильев2, Е. С. Машкова1, А. С. Немов1, Е. А. Питиримова3, А. И. Сорокин2
1НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия 2ФГУП "НИИграфит", Москва, Россия 3Физический факультет Нижегородского государственного университета им. Н И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия Поступила в редакцию 29.09.2006 г.
Приводятся результаты экспериментального исследования температурных зависимостей (-200°С < < Т < 350°С) коэффициента ионно-электронной эмиссии у и структуры измененных поверхностных слоев стеклоуглеродов марок СУ-850, СУ-1000, СУ-1300, СУ-2000 и СУ-2500 при высокодозном облучении ионами Аг+ и N с энергией 30 кэВ. Установлено, что для стеклоуглеродов с относительно высокой температурой термообработки Тоб в процессе изготовления при некоторых значениях Та наблюдается скачкообразный рост выхода электронов, как и для графитирующихся углеродных материалов. Для низкотемпературных стеклоуглеродов выход электронов монотонно возрастает с увеличением температуры, при которой осуществляется облучение. Найденные различия связываются с различными типами структуры фуллереноподобных наночастиц в низко- и высокотемпературных стеклоуглеродах.
ВВЕДЕНИЕ
Углеграфитовые материалы находят все большее применение в различных областях физических исследований, техники и промышленности. Так, характерные для стеклоуглерода высокие твердость и прочность, степень чистоты, стойкость к термическому воздействию, химическая инертность, слабая адгезия к расплавам металлов делают этот материал перспективным для использования в металлургии, химической промышленности, медицине и биологии. В связи с широким применением углеграфитовых материалов в атомных реакторах и термоядерных устройствах возникает потребность исследования характеристик таких материалов в зависимости от условий облучения потоками нейтронов и ионов.
Стеклоуглерод получают путем карбонизации сетчатых полимеров в результате последовательных стадий - отверждения, пиролиза и термообработки, соответственно температуре, которой обозначают промышленные марки материала [1-2]. По структурной классификации стеклоуглерод принадлежит (в отличие от полигранулярных графитов и высокоориентированного пирографита) к неграфитирующимся углеродным материалам.
Структура стеклоуглерода довольно сложна, и относительно нее в настоящее время нет единого мнения [1-6]. Согласно модели Дженкинса и Кава-муры [2, 3], стеклоуглерод представляет собой гло-булярно-ячеистую (сотовую) конструкцию. Пер-
вичными элементами в ней являются изотропные глобулы с турбостратной структурой размером 10-30 нм, содержащие внутри пору. Глобулы покрыты высокоориентированной пленкой толщиной 10-15 нм, образующей изогнутые углеродные ленты, содержащие микрокристаллиты графита. На основании этой модели трудно объяснить высокую непроницаемость стеклоуглеродов для газов и низкую химическую активность. В [4, 5] была предложена модель стеклоуглерода, включающая кар-биноподобные цепочки и основанная на рассмотрении электронных свойств. Однако авторы [4, 5] отметили, что пока нет прямого экспериментального подтверждения предложенной ими структуры стеклоуглерода. Более конкретные сведения о наноструктуре стеклоуглерода были получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения и компьютерного моделирования [6, 7]. В результате была предложена модель структуры, которая содержит в большой пропорции фуллереноподобные частицы, и установлена разница в микроструктуре стеклоуглеродов с "высокой" и относительно "низкой" температурой исходной термообработки. Микроструктура "низкотемпературных" стеклоуглеродов состоит из плотно свернутых отдельных графитовых слоев (графенов) и нанопор диаметром ~1нм. Для "высокотемпературных" стеклоуглеродов наблюдаются поры большего диаметра, ограниченные ограненными или закругленными стенками, содержащими от двух до четырех графитовых слоев. Эта микро-
структура напоминает несовершенный гигантский многослойный фуллерен или даже регулярную фуллереновую структуру.
В наших предыдущих исследованиях [8-11], когда облучению ионами N2 и Аг+ с энергией 30 кэВ при высоких флуенсах (Р > 1018 ион/см2) подвергались поверхности графитирующихся углеродных материалов - поликристаллических графитов и высокоориентированного пирографита, был проведен анализ структуры и топографии поверхностных слоев и измерены температурные зависимости коэффициента ионно-электронной эмиссии у. Было установлено, что зависимости у(Т имеют ступенчатый характер, типичный для кривых отжига радиационных нарушений. Это поведение было объяснено зависимостью длины X пробега вторичных электронов от изменений структуры кристаллической решетки графитов.
Таким образом, было получено прямое экспериментальное подтверждение отличия взаимодействия электронов с аморфным веществом и с кристаллами, где, по крайней мере в случае идеального кристалла, электроны практически не рассеиваются [12]. Наши первые исследования стеклоуглеродов различных марок при облучении ионами N с энергией 30 кэВ показали, что зависимости у(Т), аналогичные соответствующим зависимостям для поликристаллических графитов и высокоориентированного пирографита, наблюдаются только для относительно высокотемпературных стеклоуглеродов [13].
С целью понять причины качественных различий в ионно-индуцированных процессах в низко- и высокотемпературных стеклоуглеродах в настоящей работе экспериментально прослеживается характер влияния температуры термообработки стеклоуглерода на температурную зависимость коэффициента ионно-электронной эмиссии, структуру и топографию поверхностных слоев в более широком, чем ранее, интервале температур (-200°С < < Т < 350°С). Чтобы исключить химические эффекты, которые могут наблюдаться при облучении углеграфитовых материалов ионами азота [14], в работе используются как ионы N2+, так и Аг+.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Облучение образцов проводили на масс-моно-хроматоре НИИЯФ МГУ [15] по методике, аналогичной используемой в работах [11, 13, 16, 17]. Мишени закрепляли в камере столкновений на держателе с нагревателем, позволяющем изменять температуру мишеней от -200°С до 1000°С, а также варьировать углы падения ионов на мишень 0 в пределах от 0° до 89°. Образцы стекло-углерода марок СУ-850, СУ-1300, СУ-2000 и СУ-2500 производства "НИИграфит", отличающихся конечной температурой термообработки -850, 1300, 2000 и 2500°С соответственно, имели форму прямоугольных пластин с размерами 15 х
х 80 х 3 мм, плотностью р = 1.46-1.52 г/см3. Кроме сертифицированных стеклоуглеродов, в работе использовали стеклоуглерод СУ-1000, который получали посредством термической обработки при 1000°С образцов полуфабриката СУ-850 по методике "НИИграфит". Подготовка образцов включала промывку в этаноле и вакуумный отжиг. Облучение проводили молекулярными ионами азота N+ и ионами Ar+ с энергией 30 кэВ при плотности тока 0.1-0.3 мА/см2. Поперечное сечение пучка 0.35 см2, флуенсы облучения 1018-1019 ион/см2.
Коэффициент ионно-электронной эмиссии определяли как отношение тока электронов к току первичных ионов с приборной погрешностью ~2%. Приводимые ниже значения у соответствуют равновесным значениям, когда они перестают зависеть от флуенса облучения. Флуенсы во время температурного скана составляли обычно ~1019 ион/см2.
Исследования образцов стеклоуглерода включали анализ поверхностных слоев с помощью дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО) на электронографе ЭМР-102 при ускоряющем напряжении 50 кВ и токе пучка 50 мкА, а также анализ топографии поверхности методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) в микроскопе LEO 1430-vp.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования ионно-электронной эмиссии показали, что температурная зависимость коэффициента эмиссии y(T) образцов стеклоуглерода при нормальном падении ионов зависит от его марки, т.е. от температуры его термообработки Тоб в процессе изготовления и от сорта бомбардирующих ионов. Наблюдаются два типа температурных зависимостей у. Один - для стеклоуглеродов с относительно низкой температурой обработки Тоб, при этом имеет место слабый монотонный рост у с увеличением температуры. Другой тип температурной зависимости у характерен для относительно высокотемпературных стеклоуглеродов (Тоб > 1300°С). Здесь происходит аналогичный наблюдаемому ранее для поликристаллических графитов и высокоориентированного пирографита немонотонный скачкообразный рост выхода электронов при некоторой температуре Та, обусловленный ионно-индуцированным изменением степени упорядоченности структуры материала, определяемым конкурирующими процессами накопления и отжига радиационных нарушений при непрерывной ионной бомбардировке.
Чтобы проследить переход у от монотонного роста (по мере повышения температуры, при которой производится облучение) к скачкообразной зависимости у(Т), была измерена температурная зависимость у для стеклоуглерода СУ-1000 при облучении ионами N+ (рис. 1). Видно, что в этом случае зависимость у(Т) имеет промежуточный характер между соответствующими зависи-
у, эл./ион
Т, °С
Рис. 1. Зависимости коэффициента ионно-электронной эмиссии у от температуры мишени при облучении ионами N с энергией 30 кэВ для стеклоуглеродов с различной температурой их обработки Тоб. Данные для СУ-850, 1300, 2000 и 2500 взяты из [13], для МПГ-8 - из [9].
мостями для образцов СУ-850 и СУ-1300. Зависимости у(Т) при облучении ионами Аг+ показали аналогичное поведение (рис. 2). Различие состоит в абсолютных значениях у и в величине температуры обработк
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.