Введение к работе
В настоящее время ионные пучки, интенсивно использовавшиеся в ускорителях ионов для исследований ядерных реакций, получили широкое применение во многих областях науки, в промышленности и медицине. Тем самым обусловлено возрастание интереса к работам, открывающим возможности и перспективы их дальнейшего применения.
Первая часть диссертации посвящена исследованиям, которые были проведены на установке ГЕЛИС за последние 20 лет с использованием метода ионно-лучевого распыления. Работа проводилась совместно с различными отделами и отделениями ФИАН, физических центров России и мира: ИОФАН, ИФХАН, НИИЯФ МГУ, НИИПФ, Институт проблем материаловедения Академии наук Украины, Институт физики плазмы (Варшава, Польша), CERN, DESY. Эти исследования представляют большой интерес для управляемого термоядерного синтеза, изучения структуры твердого тела и его поверхности, получения новых материалов и их пленок. Результаты этих исследований были использованы:
в создании эмиттеров из композиционных материалов с включениями эмиссионно-активной фазы;
в выборе материалов для будущего реактора ITER;
в получении тонких эпитаксиальных пленок ВТ СП;
в создании новых детекторов ионизирующего излучения, способных работать при больших загрузках в жестких радиационных условиях.
Вторая часть диссертации посвящена исследованиям, связанным с созданием новых детекторов ионизирующего излучения микростриповых газовых камер (МСГК), способных работать при высоких загрузках в жестких радиационных условиях. Необходимость в них была вызвана планируемыми в то время экспериментами по физике высоких энергий на коллайдерах HERA (DESY, Германия) и LHC (CERN, Швейцария). Описаны проблемы, возникавшие в процессе создания микростриповых газовых камер (МСГК), в которых использована новая для газовых детекторов технология микроэлектронного производства. Описано появление газового электронного умножителя (другого представителя нового класса микроструктурных детекторов - МСД). Приведены результаты исследования рабочих характеристик этих микроструктурных детекторов и возможность их
использования в экспериментах по физике высоких энергий на примере опыта их работы в эксперименте HERA-B (DESY, Гамбург, Германия). Приводятся данные исследований детектирующих свойств первых Российских CVD алмазов, показана перспектива использования CVD алмазов в экспериментах по физике высоких энергий, для регистрации СИ и рентгеновского излучения.
Актуальность темы
Актуальность темы обусловлена, во-первых, уникальностью установки ГЕЛИС, оснащенной ионными источниками разных конструкций и обладающей возможностью проведения исследований с ионным пучком как в вакууме, так и в газовой среде - это позволяет использовать установку как для исследований в области фундаментальных наук, так и для решения прикладных задач. Изучение новых материалов, модификация их поверхности и получение тонких пленок из них является важным и перспективным направлением по использованию метода ионно-лучевого распыления на установке ГЕЛИС.
Во-вторых, важным и перспективным направлением является создание новых и совершенствование уже существующих детекторов ионизирующего излучения, способных работать при больших загрузках в жестких радиационных условиях. Необходимость в таких детекторах вызвана как будущей модернизацией экспериментов по физике высоких энергий на LHC, так и новыми планируемыми экспериментами на будущих установках XFEL и ИХ.
Задачами диссертационной работы являлись:
создание многофункциональной электрофизической установки "ГЕЛИС" для решения как фундаментальных, так и прикладных задач в различных областях науки и техники;
создание и исследование детекторов ионизирующего излучения, способных работать при больших загрузках в жестких радиационных условиях, в частности, в экспериментах по физике высоких энергий.
Научная новизна
-
Разработана многоцелевая электрофизическая установка "ГЕЛИС". Установка позволяет осуществлять ионное распыление разнообразных мишеней для получения пленок новых материалов, имеющих практическое применение в различных областях науки и техники.
-
Исследованы закономерности ионного распыления и вторичной ионно-электронной эмиссии новых композиционных материалов с включениями эмиссионно-активной фазы (ЭАФ), в качестве которой использовался ЬаВб или GdB6.
-
Методом ионно-лучевого распыления на поверхности полевого эмиттера из композиционного материала, представляющего собой зерна алмаза, связанные графитоподобным углеродом, была сформирована острийная структура с необходимой для его работы проводимостью. На полевой эмиттер и способ его изготовления был получен патент Российской Федерации.
-
В рамках программы по ITER проведены исследования по захвату и накоплению изотопов водорода при переосаждении внешних по отношению к плазме материалов (графит и бериллий), получены оценки по накоплению трития при распылении этих материалов, которые могли бы быть использованы при создании вакуумной камеры будущего термоядерного реактора.
-
Проведены исследования особенностей получения пленок ВТСП состава Y-Ba-Cu-0 IN SITU методом ионно-пучкового распыления при низких давлениях кислорода. Были воспроизводимо получены монокристаллические пленки системы Y-Ba-Cu-О без последующего отжига с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Tc(R=0)=89 К. На способ и устройство для изготовления пленок и монокристаллов сверхпроводящих металлооксидных материалов был получен патент Российской Федерации.
-
Отработана технология нанесения полупроводящих покрытий на диэлектрические подложки используемых при изготовлении детекторов ионизирующего излучения (МСГК). Показано, что для увеличения времени жизни детекторов эти покрытия необходимо наносить под микростриповые
электроды, а лучшим материалом для покрытий является высокоомное стекло с электронной проводимостью.
-
Показано, что при толщине микростриповых электродов ~0.1 мкм и использовании в МСГК газовых смесей, содержащих в качестве основного компонента аргон (Ar) , одним из вероятных механизмов, способствующих старению МСГК, может быть механизм катодного распыления.
-
Отработана технология изготовления и проведены исследования рабочих характеристик первых российских ГЭУ на отечественных полиимидных пленках.
-
Показано, что ГЭУ совместно со структурой считывания может работать как микроструктурный детектор с газовым усилением ~ 10 .
-
Показано, что детекторы МСГК/ГЭУ способны работать в жестких радиационных условиях в экспериментах по физике высоких энергий, однако требуют сложного управления высоковольтным питанием.
-
Изготовлен и исследован детектор для регистрации СИ из CVD алмаза с электродами из аморфного углерода, полученных бомбардировкой поверхности CVD алмаза ионами азота.
Практическое значение
-
Созданная многоцелевая электрофизическая установка ГЕЛИС является одним из эффективных средств для модификации поверхности, распыления, и получения пленок различных материалов, которые представляют большой интерес как объекты физических исследований, а также пленок, имеющих приложение в различных областях науки и техники.
-
Измерены коэффициенты катодного распыления и вторичной электронной эмиссии композиционных материалов с эмиссионно-активной фазой.
-
Получены "in situ" монокристаллические пленки ВТСП системы Y-Ва-Си-0 с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Tc(R=0)=89 К.
-
Показано, что обработка ионным пучком полевого эмиттера электронов из композиционного материала, представляющего собой зерна алмаза, снижает порог эмиссии электронов.
-
Проведен цикл исследований по захвату и накоплению изотопов водорода при переосаждении внешних по отношению к плазме материалов (графит, бериллий), которые могут быть использованы при создании вакуумной камеры термоядерного реактора ITER.
-
Разработаны и исследованы МСГК с различными полупроводящими покрытиями подложек микростриповых электродов.
-
Показано, что одним из механизмов, влияющих на время жизни МСГК, является катодное распыление микростриповых электродов детектора ионами рабочего газа.
-
Разработаны, изготовлены и исследованы образцы ГЭУ на отечественных полиимидных пленках.
-
Показано, что ГЭУ способен работать как детектор ионизирующего излучения с газовым усилением >10 .
-
МСГК/ГЭУ детекторы были использованы во внутреннем трекере эксперимента HERA-B (DESY, г. Гамбург).
-
Изготовлен детектор для регистрации СИ с использованием CVD алмаза с электродами из аморфного углерода.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в работе, докладывались на 1-ом Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1988), на 2-й Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1989), на Межотраслевом научно-техническом семинаре «Современная технология получения материалов и элементов ВТСП микросхем» (Минск, 1990), на Х-й Всесоюзной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Москва, 1991), на 8-й Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992), на 1-м Международном совещании по микростриповым камерам (Легнаро, Италия, 1994), на 3-м Международном совещании по микростриповым камерам (Лион, Франция, 1995), на 9-ом международном форуме по новым материалам CIMTEC98, на конференции международного общества по оптической инженерии SPIE (1999), на 9-ой международной конференции по материалам для реактора термоядерного синтеза ICFRM9 (США, Колорадо Спрингс 1999), на 12-ом Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Харьков,
2001), на V-ом рабочем совещании по детекторам для передней области Международного линейного коллайдера (Германия, Цойтен, 2004).
Получены патенты:
"Способ изготовления пленок и монокристаллов сверхпроводящих металлооксидных материалов и устройство для его осуществления" РФ № 2012104. Приоритет от 01.02.1991.
"Полевой эмиттер электронов и способ его изготовления (варианты)" РФ №2150154 .Приоритет от 18.11.1998.
Вклад автора
Автор диссертации внес значительный вклад в создание установки ТЕЛИС". Под его руководством были организованы и проведены работы по использованию ионно-лучевого метода распыления, при его непосредственном участии проведены исследования, включенные в диссертацию. Участие автора было определяющим в постановке целей и задач экспериментов, систематизации, анализе и интерпретации результатов. Предложенный автором данной работы проект по созданию и исследованию трековых газовых детекторов для экспериментов по физике высоких энергий (Development and investigation of tracking gas detectors for HEP experiments) был поддержан международным грантом INTAS-97-10656. Заявленный проект был успешно выполнен. Результаты исследований по проекту были использованы при создании детекторов для экспериментов по физике высоких энергий HERA-B и COMPASS.
Публикации. По результатам исследований, составляющих основу диссертации, опубликовано в виде статей, препринтов, докладов и тезисов более 40 работ из них более 10 в периодических изданиях входящих в список Высшей Аттестационной Комиссии РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Создание многоцелевой электрофизической установки "ГЕЛИС", которая позволяет осуществлять ионное распыление разнообразных мишеней
для получения пленок новых материалов, имеющих практическое применение в различных областях науки и техники.
-
Исследование закономерностей ионного распыления и вторичной ионно-электронной эмиссии новых композиционных материалов с включениями эмиссионно-активной фазы (ЭАФ), в качестве которой использовался LaB6 или GdB6.
-
Результаты обработки пучком ионов поверхности композиционного материала, представляющего собой зерна алмаза, связанные графитоподобным углеродом, которая позволяет сформировать на данном материале острийную структуру из алмазов, обеспечивая необходимую для полевого эмиттера проводимость и усиление поля на остриях.
-
Исследования по захвату и накоплению изотопов водорода при переосаждении внешних по отношению к плазме материалов (графит и бериллий).
-
Разработка метода получения пленок ВТСП состава Y-Ba-Cu-0 IN SITU посредством ионно-лучевого распыления керамик при низких давлениях кислорода, а также результаты изучения характеристик полученных пленок.
-
Разработка технологии нанесения полупроводящих покрытий на диэлектрические подложки используемых при изготовлении детекторов ионизирующего излучения (МСГК) методом ионно-лучевого распыления.
-
Исследования по старению МСГК камер с полупроводящими покрытиями.
-
Отработка технологии изготовления и исследования рабочих характеристик первых российских ГЭУ на отечественных полиимидных пленках толщиной от 40 до 100 мкм с различной толщиной электродов.
9. Изготовление и исследование детектора из CVD алмаза для
регистрации СИ с электродами из аморфного углерода.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из Введения, 6 глав основного текста и Заключения. Она содержит 197 страниц, в том числе 101 рисунков, 8 таблиц, библиографический список из 172 наименований.
