Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

ELECTROSTATIC DISCHARGES DURING GLASS IRRADIATION OF MEDIUM ENERGY ELECTRONS

Yusova A.S. 1
1 Bauman Technical University
3953 KB
The surface of the glass samples of K-208, irradiated by electrons with energies from 10 to 40 keV investigated by atomic force microscopy. Irradiation was carried out in a vacuum chamber at a pressure of pv = 10-4 Pa. Electron flux density varied in the range of 2×1010 ÷ 1,5×1011 cm-2s-1. Electrostatic discharges were observed in two types: the first type – volume (glass – ionized residual atmosphere) and the second type – surface. The dependence of the height of the microprojections formed in the first type discharges, of the electron energy is investigated. It is shown that the flux density φе ≈ 2,3×1010 cm-2s-1 and a fluence Фe ≈ 1015 cm-2 with energy of 10 to 40 keV, respectively, increases the height of microprojections from 10 to 450 nm. It was found that the minimum values φe necessary for the implementation of discharge only the second type, under electron irradiation with the energies of the particles between 20 and 40 keV are respectively 1.2×1011, 1.4×1011 cm-2s-1, the depth of discharge channels is less than 2,5 and 3 nm.
Protective coating of solar panels
glass
K-208
electron radiation

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.

ysov1a.tif ysov1b.tif

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.

ysov2a.tif ysov2b.tif

а) б)

ysov2c.tif ysov2d.tif

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

ysov3a.tif ysov3b.tif

а) б)

ysov3c.tif

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.

ysov4a.tif ysov4b.tif

а) б)

ysov4c.tif ysov4d.tif

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).

ysov5a.tif ysov5b.tif

а) б)

ysov5c.tif ysov5d.tif

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.