При воздействии на диэлектрик заряженных частиц, максимальная длина пробега которых не превышает размеры облучаемой мишени, в ней образуется локальная область с высокой плотностью заряда [2, 10]. Достижение напряженностью электрического поля заряда критического значения, связанного с существованием пороговой напряженности для образования в материале проводящих каналов, может привести к развитию электростатических разрядов (ЭСР). Изучение ЭСР при облучении диэлектриков, которому посвящено большое количество работ ученых разных стран [1, 4, 6-9], остается актуальным как с научной точки зрения, так и для решения прикладных задач.
В частности, диэлектрические материалы внешних поверхностей высокоорбитальных спутников под действием ионизирующих излучений аккумулируют заряды. Эти заряды обуславливают появление поверхностных потенциалов и сильных электрических полей, приводящих к ЭСР с амплитудой тока до сотен ампер и наносекундными передними фронтами, которые создают помехи в работе бортовой аппаратуры и сопровождаются деструкцией материалов.
До настоящего времени не создано общепринятой количественной теории, описывающей ЭСР при непрерывном облучении диэлектрика, которая бы позволяла однозначно интерпретировать результаты экспериментальных исследований. Это объясняется тем, что в облучаемом диэлектрике происходят сложные взаимосвязанные процессы накопления заряда, индуцирующего электрическое поле большой напряженности, вторичной электронной эмиссии [3], электростатические разряды, релаксация зарядов, протекание токов, обусловленных радиационно-стимулированной проводимостью и т.д.
В данной работе проводится анализ структурных изменений поверхности стекла К-208, используемого в качестве защитного покрытия солнечных батарей космических аппаратов, при электростатических разрядах, обусловленных электронным облучением его образцов.
Цель исследования
Исследование изменения структуры поверхности стекла К-208 при облучении электронами с энергиями, соответствующими параметрам горячей магнитосферной плазмы на геостационарной орбите в период магнитных возмущений.
Материалы и методы исследования
Для проведения экспериментов из стекла К-208 были изготовлены образцы квадратной формы размером 4040 мм и толщиной 0.17 мм. Облучение образцов проводилось в вакуумной камере испытательного стенда УВ-1/2 ОАО «Композит» [9] при следующих условиях:
вакуум – 10-4 Па;
энергия электронов Ее – 10 и 40 кэВ;
плотность потока электронов е – от 21010 до 1,51011 см-2с-1;
температура столика, к которому прикреплялись образцы – 20 ± 1 °С.
Характеристики электронного пучка контролировались цилиндрами Фарадея на расстоянии 2 см от столика с образцом. Перед облучением поверхности образцов очищались дистиллированной водой в ультразвуковой ванне. Далее образцы сушили при температуре 100 °С. Поверхности образцов после облучения исследовались 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.
Результаты исследования и их обсуждение
При электронном облучении диэлектрика первичные электроны (ПЭ), взаимодействуя с веществом мишени, теряют основную часть своей энергии на возбуждение электронов среды и захватываются ловушками. Это приводит к формированию в образце материала области с высокой плотностью заряда, максимум распределения которого в процессе облучения сдвигается к облучаемой поверхности за счет торможения ПЭ в поле накапливающегося заряда. Толщина плоского слоя, в котором распределяются локализованные электроны, определяется их энергией Ee и, например, для Ee = 40 кэВ она составляет около 16 мкм. Однако в результате дрейфа в поле накопленного заряда ПЭ могут мигрировать как к облучаемой поверхности и захватываться более глубокими ловушками, так и в сторону подложки, увеличивая толщину этого слоя и величину накопленного заряда. При достижении напряженностью электрического поля критического значения, величина которого для материала с данной структурой поверхности зависит в основном от значений параметров Ee, e и pv, начинают происходить ЭСР.
Перед облучением поверхности образцов исследовали с помощью атомно-силового микроскопа и для экспериментов отбирали те из них, на поверхностях которых число технологических микровыступов высотой более 5 нм было минимальным. На рис. 1 представлено АСМ-изображение структуры поверхности образца, выбранного для облучения.
а) б)
Рис. 1. АСМ-изображение структуры поверхности необлученного образца
В результате облучения электронами с Ее = 10 кэВ при e = 2,31010 см-2с-1 до значения флюенса Фе = 5,01014 см-2 на поверхности стекла образовались микровыступы высотой до 15 нм. При этом высота основной части микровыступов не превышает 10 нм. Согласно предположениям, изложенным в работе [5], их появление и рост обусловлены отжигом дефектов и диффузионными процессами в облучаемом слое, а так же разрядами первого типа – «микровыступ – ионизованная остаточная атмосфера вакуумной камеры», сопровождающимися выбросом в окружающее пространство плазмы с избыточным электронным зарядом. При разряде в стекле происходили быстрые фазовые переходы из твёрдого состояния в жидкое, газообразное и плазменное. Разряд заканчивался выбросом плазмы в окружающее пространство и ростом микровыступов, высота которых росла с числом разрядов за счёт накопления на них остывшего стекла.
В промежутках времени между разрядами с ростом напряженности поля у облучаемой поверхности увеличивается плотность положительных ионов, особенно в окрестностях микровыступов, в которых напряженность поля имеет локальные максимумы. При этом бомбардировка верхушек микровыступов ускоренными полем ионами приводит к их локальному разогреву, стимулирующему зарождение разряда. Наблюдаемые в экспериментах повторения разрядов с микровыступа, сопровождающиеся увеличением его размеров, обусловлены тем, что он и некоторая область в его окрестности, в которой развивался предыдущий разряд, обладают большей проводимостью по сравнению со стеклом вне этой области.
На рис. 2 – 6 представлены АСМ-изображения образцов, облучённых электронами с энергией 10, 20, 30 и 40 кэВ.
а) б)
в) г)
Рис. 2. АСМ-изображения облученного образца (Ее = 10 кэВ): а и б – 3D и 2D-изображение образца 1010 мкм; в и г – сечения 2D-кадра вдоль линий 1 – 1’ и 2 – 2’ соответственно
а) б)
в)
Рис. 3. АСМ-изображения облученного образца (Ее = 20 кэВ): а и б – 2D-изображение фрагментов образца 3535 мкм, 1010 мкм; в – сечение кадра (б) вдоль линии 1 – 1’
Изображения на рис. 2 и 3 подчеркивают особенности структурных изменений поверхности стекла при облучении электронами 10 и 20 кэВ, соответственно. Они связаны с тем, что разряды происходят в приповерхностных слоях стекла, толщина которых не превышает 1,5 и 4,5 мкм. Необходимо отметить, что скопление микровыступов в кластеры (см. рис. 2, а) характерно только для случая облучения с энергией в 10 кэВ.
При давлении 10-4 Па «выход» разряда на поверхность стекла (см. рис. 3, б), при плотности потока около 2,3 1010 см-2с-1, наблюдался только при облучении электронами с энергией 20 кэВ.
Из сравнения изображений, показанных на рис. 2-4, следует, что с увеличением энергии электронов высота микровыступов, появляющихся на поверхности облучённого стекла, возрастает и при энергиях 30 и 40 кэВ достигает 150 и 450 нм, соответственно.
а) б)
в) г)
Рис. 4. АСМ-изображения облученного образца (а и б – Ее = 30 кэВ, в и г – Ее = 40 кэВ): а, в – 2D-изображение фрагментов образца 3535 мкм; б, г – сечение кадра (а) вдоль линии 1 – 1’
При достижении тангенциальной составляющей электрического поля критического значения, для данной концентрации ионов в окрестности облучаемой поверхности, начинают проявляться разряды второго типа, которые развиваются вдоль поверхности стекла и оставляют на нем разрядные каналы.
Значения плотностей потоков электронов, при которых поверхностные разряды становятся доминирующими, а разряды первого типа не наблюдаются, при фиксированном значении давления, зависят от энергии электронов. Например, при облучении стекла К-208 электронами с Ee = 20 кэВ при давлении 10-4 Па значение плотности потока, при которой имели место только разряды второго типа (см. рис. 5, а), составило 1.21011 см-2с-1. При этом глубина разрядных каналов составила 3 нм (см рис. 5, б).
а) б)
в) г)
Рис. 5. АСМ-изображения облученного образца (а, б – Ее = 20 кэВ, в, г – Ее = 40 кэВ ): а, в – 2D-изображение фрагментов образца 3535 мкм; б, г – сечение кадра (а) вдоль линии 1 – 1’
С увеличением энергии электронов до 40 кэВ значение плотности потока, необходимой для реализации разрядов только второго типа (см. рис. 5, в, г), возросло до 1.41011 см-2с-1. В этом случае глубина разрядных каналов не превышала 2,5 нм (см рис. 5, г).
Заключение
Параметры структурных изменений поверхностей образцов стекла К-208, облученных электронами, изучали, наблюдая разряды типа «микровыступ на поверхности стекла – ионизованная остаточная атмосфера вакуумной камеры» и разряды, развивающиеся вдоль облучаемой поверхности с образованием разрядных каналов. Анализ рельефов поверхностей облученных образцов методами атомно-силовой микроскопии показал, что:
Высота микровыступов, образующихся при разрядах первого типа на образцах, облученных пучками электронов с плотностью потока до е = 31010 см-2с-1, флюенсами Фe 1015 см-2 с увеличением энергии частиц от 10 до 40 кэВ возрастает, соответственно от 10 до 450 нм.
Минимальные значения плотности потока электронов, необходимые для реализации разрядов только второго типа, при облучении частицами с энергиями от 20 до 40 кэВ составляют соответственно 1.21011, 1.41011 см-2с-1. При этом глубина разрядных каналов не превышает 2,5 и 3 нм.