Содержание к диссертации
Введение
2. Исследование поляризационных характеристик ТРП, подвергшихся воздействию факторов космического пространства 11
2.1. Обзор 11
2.1.1. Краткая характеристика ФКП, оказывающих влияние на свойства материалов КА 14
2.1.1.1. Вакуум 14
2.1.1.2. Радиационные пояса Земли 15
2.2. Образцы 17
2.3. Установки для измерения поляризационных характеристик 18
2.3.1. Полуавтоматический эллипсометр 18
2.3.1.1. Схема измерений параметров Стокса излучения 18
2.3.1.2. Конструкция эллипсометра. 20
2.3.1.3. Корректировка параметра Стокса S3 излучения. 21
2.3.1.4. Работа фотоприемника и его калибровка. 22
2.3.1.5. Корректировка искажений сигналов, вносимых интерференционным светофильтром . 23
2.3.1.6. Анализ точности измерения параметров Стокса излучения. 24
2.3.2. Автоматизированный многоволновой эллипсометер 29
2.3.2.1. Основные математические соотношения 29
2.3.2.2. Корреляционная обработка оптическогоо сигнала 31
2.3.2.3. Поляриметр 32
2.3.2.4. Компоновка эллипсометра 34
2.4. Экспериментальная методика 37
2.4.1. Расчетные зависимости для эллипсометрических параметров излучения . 38
2.4.2. Расчетные значения для параметров вектора Джонса излучения а и 8. 38
2.4.3. Расчетные зависимости для комплексного показателя преломления материала. 38
2.4.4. Анализ точности вычисления эллипсометрических параметров излучения. 39
2.4.5. Анализ точности вычисления параметров вектора Джонса излучения а и 8. 40
2.4.6. Анализ точности вычисления комплексного показателя преломления материала . 41
2.5. Результаты экспериментов 42
2.6. Обсуждение результатов 45
2.7. Анализ причин деполяризации излучения 46
2.8. Предложение по созданию дистанционной системы контроля работоспособности ТРП 54
2.8.1. Оптическая схема поляриметра и расчетные соотношения 54
2.8.2. Конструкция поляриметра 59
2.9. Выводы 62
3. Исследование оптических постоянных кремния, используемого в солнечных батареях 63
3.1. Обзор 63
3.2. Характеристика исследуемых образцов 65
3.3. Теоретическая модель кремниевой пластины и методика оценки оптических постоянных 69
3.4. Результаты расчетов и сравнение с литературными данными 74
3.5. Выводы 77
Заключение 77
Приложения 79
- Установки для измерения поляризационных характеристик
- Корректировка искажений сигналов, вносимых интерференционным светофильтром
- Расчетные зависимости для эллипсометрических параметров излучения
- Анализ точности вычисления комплексного показателя преломления материала
Введение к работе
Выполненная работа посвящена теоретическому моделированию и экспериментальному исследованию процессов воздействия агрессивных внешних факторов на материалы энергетических установок различного назначения. Показаны возможности разработки оптических методов и средств осуществления контроля за воздействий внешних факторов, предсказания результатов воздействий этих факторов, а также пути увеличения срока службы энергетических установок посредством внесения изменений в технологию производства и состав материалов.
Актуальность работы
Разработка и создание новых типов теплорадиационных покрытий (ТРП), многофункциональных и конструкционных материалов является наиболее важной задачей материаловедения. Динамично развивающиеся в настоящее время предприятия космической отрасли заинтересованы в создании новых материалов, которые бы в достаточной мере обеспечивали безопасность пилотируемых космических полетов, надежность и долговечность космических аппаратов и бортовых источников энергии. Большинство перспективных материалов – это композитные материалы (керамики, пластики, пластмассы и др.). В условиях космического пространства на космический аппарат (КА) одновременно воздействуют различные внешние факторы (электроны, протоны, солнечная радиация и др.) – факторы космического пространства (ФКП). При перемещении КА из одной области околоземного космического пространства (ОКП) в другую сочетание этих факторов может изменяться, при этом действие последующих факторов может происходить на фоне эффектов, обусловленных предшествующими воздействиями. При воздействии на материалы КА электронов и ионов высоких энергий в материалах возникают радиационные эффекты разных видов: образование дефектов структуры, ионизация и возбуждение атомов вещества, ядерные превращения. Радиационные эффекты изменяют физико-химические и механические свойства материалов, и следовательно, эксплуатационные характеристики изготовленных из них элементов. Это обстоятельство требует, с одной стороны, разработки и создания новых адекватных комплексных методов исследования свойств, а с другой – дистанционных методов контроля работоспособности этих материалов. Оптические методы исследования материалов традиционно широко используются в материаловедении, т.к. реализуют бесконтактность и "ненарушае-мость" свойств среды ("информационное" излучение), как в процессе производства, так и в период эксплуатации материала или изделия. Это связано с тем, что оптическое излучение обладает различной проникающей способностью, определяемой как длиной волны зондирующего излучения, так и структурой объекта исследования (непрозрачная, полупрозрачная среды и т.д.). Следует отметить, что первично процес-
сы теплообмена на борту космического аппарата определяются, в частности, и взаимодействием внешнего покрытия аппарата с солнечным излучением. Это определяет требуемый рабочий спектральный диапазон – 0,2–2,5 мкм, а также позволяет использовать преобразование пассивного солнечного подсвета в качестве информативного признака. Наряду со спектральными характеристиками большое значение имеют поляризационные характеристики (параметры Стокса) отраженного материалами лазерного или некогерентного излучений. Рассчитываемые из них значения оптических постоянных материалов (показатели преломления и поглощения) являются наиболее эффективными критериями оценки деградации материалов в условиях воздействия ФКП.
Все это позволяет сформулировать задачу разработки и создания методики поляризационной оптической диагностики с целью получения дополнительной информации о структуре исходного материала и оценки его деградации в условиях воздействия ФКП. Получаемые в результате измерений поляризационных характеристик данные позволяют разрабатывать каталоги оптических свойств (в том числе оптических постоянных) конструкционных материалов и покрытий КА, а также кремния, являющегося основным элементом солнечных батарей. Здесь же следует отметить необходимость разработки теоретических концепций восстановления оптических постоянных из измерений оптических характеристик.
В общем случае корректность измерения оптических характеристик определяется следующими факторами:
-
стабильность параметров измерительной аппаратуры;
-
физическая корректность измерительных методик;
-
свойствами изучаемой поверхности (шероховатость, оптические константы);
-
внутренней структурой среды (наличие крупных неоднородностей, пор и структурных образований);
-
физико-химическими процессами, происходящими в среде под действием ФКП. Как видно, п.3 требует исследования влияния шероховатости поверхности на
поляризационные характеристики. Можно сформулировать что актуальность работы определяется необходимостью: получения данных о поляризационных (оптических) свойствах материалов, покрытий КА и кремния в условиях воздействия ФКП, исследования особенностей отражения поляризованного излучения от шероховатой поверхности, разработки теории отражения оптического излучения от кремниевых пластин (трехслойная модель), учета влияния кислорода на оптические постоянные кремния, разработки принципов построения системы дистанционного контроля работоспособности материалов и покрытий различного назначения в условиях воздействия ФКП.
Цели работы
Целями работы являются:
разработка оптических методов и средств контроля за результатами воздействия внешних разрушающих факторов на материалы и покрытия КА на основании проведения лабораторных исследований оптических свойств указанных материалов,
получение количественных данных об оптических свойствах материалов и покрытий КА, а также кремния с целью последующей каталогизации свойств, получение оптических постоянных кремния на основании трехслойной модели с использованием данных о его коэффициентах отражения и поглощения,
разработка предложений и рекомендаций по созданию оптических дистанционных систем контроля деградационных процессов на поверхностях материалов и покрытий КА.
Задачи работы
Общая цель работы определила основные задачи и этапы исследования:
Разработка и создание экспериментальной установки для измерения параметров Стокса излучения отраженного поверхностями материалов КА.
Получение экспериментальных данных об оптических (поляризационных) характеристиках ТРП и кремния (коэффициенты отражения и пропускания).
Разработка теоретической (трехслойной) модели определения оптических постоянных кремния в широком спектральном интервале.
Разработка предложений по созданию оптических систем дистанционного контроля состояния ТРП в натурных условиях.
Научная новизна
Новизна работы заключается в следующем:
Впервые получены экспериментальные данные по поляризационным характеристикам ТРП при воздействии ФКП.
Впервые получены экспериментальные данные по оптическим постоянным монокристаллического кремния в широком спектральном интервале зондирующего излучения (0,7-2,0 мкм) и определен состав приповерхностного слоя (SiOx) c помощью оже-спектроскопии.
Впервые проведен анализ причин деполяризации излучения при отражении от шероховатых материалов ТРП.
Разработана теоретическая модель расчета оптических постоянных кремния и определены значения постоянных в интервале длин волн – 0,7-2,0 мкм.
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Получены экспериментальные данные по поляризационных характеристикам ТРП в условиях воздействия факторов космического пространства, которые будут использованы при разработке каталогов оптических характеристик материалов и покрытий КА.
Получены экспериментальные данные по оптическим постоянным монокристаллического кремния, позволяющие разработать таблицы стандартных справочных данных для электронной промышленности (включены в план ГСССД на 2007 г.).
На основании разработанной поляризационной методики предложено устройство перспективной системы дистанционного контроля состояния и работоспособности ТРП.
Разработанная трехслойная модель может быть рекомендована для расчета оптических постоянных многослойных материалов.
Апробация работы
Материалы диссертации изложены в 7 публикациях, которые приведены в списке опубликованных работ, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах:
-
1-я Конференция “Protection of Materials and Structures from Space Environment”, Canada, March 1998.
-
7-я Конференция “Protection of Materials and Structures from Space Environment”, Canada, May 2004.
-
Междунар. конференция по спиновой электронике и гировекторной электродинамике. Москва, 2005.
-
9-я Конференция “Protection of Materials and Structures from Space Environment”, France, May 2006.
-
Международная конференция по спиновой электронике и гировекторной электродинамике. Москва, 2006.
-
Конференция "Лазеры. Измерения. Информация", С.-Петербург, 2006.
-
Международная конференция “Прикладная оптика-2006”, С.-Петербург, 2006.
-
2-я Международная специализированная выставка приборов и оборудования для научных исследований "SIMEXPO - Научное приборостроение - 2008".
Установки для измерения поляризационных характеристик
Излучение с управляемым состоянием поляризации из осветителя 1 падает на исследуемый образец, установленный в поворотном устройстве 2. Поворотное устройство 2 позволяет произвольно ориентировать исследуемый образец относительно плоскости падения излучения и блока приемника 3 относительно образца. Блок приемника 3 непосредственно измеряет состояние поляризации излучения, отраженного от исследуемого образца. Блок осветителя 1 состоит из дополнительного поглотителя 1.3, поляризатора 1.4 и фазовой пластинки 1.5. Поляризатор 1.4 и четвертьволновая фазовая пластинка 1.5 позволяет управлять состоянием поляризации падающего на исследуемый образец излучения. Поглотитель 1.2 присутствует для снижения мощности излучения лазера с целью получения оптимального динамического диапазона работы фотоприемника. Дополнительный поглотитель 1.3 устанавливается после калибровки фотоприемника. Поворотное устройство 2, построенное на базе серийно выпускающегося гониометра, состоит из двух независимо вращающихся столов 2.1, 2.2 и качающегося зажима 2.3. Вращением стола 2.1 устанавливают требуемый угол падения излучения на исследуемый образец. Качением зажима 2.3 добиваются требуемого положения плоскости падения излучения относительно образца, а вращением стола 2.2 устанавливают угол, под которым анализируется излучение. Блок приемника 3 состоит из обтюратора 3.1, фиксатора его углового положения 3.2, интерференционного светофильтра 3.3, полевой диафрагмы 3.4, фотоприемника 3.5. В обтюраторе 3.1 расположены 4 отверствия с анализаторами и фазовой пластинкой. Фиксатор углового положения обтюратора 3.2 обеспечивает однозначность углового положения анализаторов и фазовой пластинки при измерении. Интерференционный светофильтр 3.3 необходим для селектирования отраженного от образца излучения по спектру для устранения помех. Длина волны пропускания светофильтра 3.3 соответствует длине волны излучения лазера 1.1.
Полевая диафрагма 3.4, установленная в плоскости фотоприемника 3.5, позволяет устранить паразитные засветки от элементов конструкции. Её размер выбирается таковым, чтобы вторичный источник излучения (поверхность исследуемого образца) считался бы точечным. Фазовый сдвиг между лучами, поляризованными по "быстрой" и "медленной" осям, вносимый реальными "четвертьволновыми" фазовыми пластинками, всегда несколько отличается от пластинки к пластинке и от 90. Поэтому для повышения точности измерений необходимо учитывать точные фазовые сдвиги, вносимые каждой фазовой пластинкой отдельно. Обозначим вносимый фазовой пластинкой, установленной в обтюраторе, фазовую задержку 8. Тогда "истинный" параметр Стокса излучения S3, в зависимости от измеряемого параметра Стокса излучения - S3li3M имеет вид : В качестве фотоприемника 3.5 в установке используется фотодиод ФД21КП, работающий в фотогальваническом режиме. Динамический диапазон напряжений, снимаемых со схемы, находится в пределах 0..2,5 В. Из-за нелинейности характеристики фотоприемника по отношению к освещенности в плоскости его чувствительной площадки необходимо производить его калибровку.
Калибровка освещенностей производится поляризатором и анализатором путем изменения угла между направлениями их пропускания. Зависимость освещенности Е от угла между направлениями пропускания поляризатора и анализатора выражается законом Малюса и имеет вид : в- угол между направлении пропускания поляризатора и анализатора, Е0 - максимальная освещенность. При идеальной (линейной) характеристике фотоприёмника снимаемый с него сигнал Uид должен иметь вид : Реальный сигнал Uc отличается от идеального. Принимая значения Uc (q = 0) и Uсо равными , можно получить дискретную калибровочную зависимость C(UC) : Аналитическое выражение для C{UC) из дискретной реализации получается с помощью ЭВМ. Необходимым условием работы фотоприемника является непревышение величины снимаемого сигнала максимального значения сигнала при калибровке. Для этого в схему блока осветителя 1 после калибровки вводится дополнительный поглотитель 1.3 из нейтрального стекла. Интерференционный светофильтр 3.3 обладает поляризующими свойствами. Для учета искажений сигналов, вносимых фильтром, проводится его калибровка. Так как на приемник падает излучение, поляризованное только по направлениям "хх", "уу", "ху", "ух", то для калибровки достаточно получить относительные коэффициенты пропускания фильтра по интенсивности в зависимости от При работе эллипсометра необходимо обеспечить соответствующее положение светофильтра, для которого производилась калибровка и пересчитывать сигналы соответственно относительным коэффициентам :
При оценке погрешности измерений параметров Стокса учитывались погрешности АЦП, погрешности калибровки фотоприемника, погрешности калибровки сигналов после интерференционного светофильтра, неточности установки анализирующих элементов и неточность измерения фазовой задержки, вносимой фазовой пластинкой. - погрешность АЦП (из паспорта) - ОД % - погрешности калибровки фотоприемника и погрешности калибровки сигналов после интерференционного светофильтра - 1 % - неточность установки анализирующих элементов - 1 - неточность измерения фазовой задержки, вносимой фазовой пластинкой - 0,1 Основная абсолютная погрешность полярометра оценивалась с помощью эталонного лазерного излучателя, формирующего линейно поляризованное излучение на длине волны 0.6328 мкм с азимутами поляризации 45, 90, 135 и 180. Роль поляризатора в эталонном лазерном излучателе выполняла призма Глана с коэффициентом гашения 105. При таком коэффициенте гашения среднеквадратические отклонения степени поляризации, азимута и эллиптичности поляризованного излучения не превышают Ю-4. В используемом для поверки эталонном лазерном излучателе абсолютная погрешность установки заданного азимута поляризации составляла величину не более ±1.5 . Метод определения основной абсолютной погрешности поляриметра реализовался в следующей последовательности: 1. На полярометр направлялось линейно поляризованное излучение эталонного лазерного излучателя с азимутом поляризации 45. 2. С помощью нейтральных светофильтров устанавливалась мощность эталонного оптического излучения на входе поляриметра не более 5 мкВт. Для этого использовались калиброванные стеклянные светофильтры. 3. С компьютера, использующего математическое обеспечение полярометра, определялись параметры Стокса эталонного излучения в серии из шести наблюдений. 4. Эксперименты последовательно повторялись для линейно поляризованного излучения с азимутами поляризации 90, 135 и 180. При этом выполнялись операции, приведенные в параграфах 2, 3, и 4. Статистическая обработка результатов наблюдений включала: - оценку систематических погрешностей; - исключение известных систематических погрешностей; - вычисление доверительных границ погрешности результатов измерений. Для оценки систематических погрешностей необходимо знать истинные значения параметров Стокса эталонного излучения. Запишем выражения- для параметров Стокса в следующем виде:
Корректировка искажений сигналов, вносимых интерференционным светофильтром
Обозначим вносимый фазовой пластинкой, установленной в обтюраторе, фазовую задержку 8. Тогда "истинный" параметр Стокса излучения S3, в зависимости от измеряемого параметра Стокса излучения - S3li3M имеет вид : В качестве фотоприемника 3.5 в установке используется фотодиод ФД21КП, работающий в фотогальваническом режиме. Динамический диапазон напряжений, снимаемых со схемы, находится в пределах 0..2,5 В. Из-за нелинейности характеристики фотоприемника по отношению к освещенности в плоскости его чувствительной площадки необходимо производить его калибровку. Калибровка освещенностей производится поляризатором и анализатором путем изменения угла между направлениями их пропускания. Зависимость освещенности Е от угла между направлениями пропускания поляризатора и анализатора выражается законом Малюса и имеет вид : в- угол между направлении пропускания поляризатора и анализатора, Е0 - максимальная освещенность. При идеальной (линейной) характеристике фотоприёмника снимаемый с него сигнал Uид должен иметь вид : Реальный сигнал Uc отличается от идеального. Принимая значения Uc (q = 0) и Uсо равными , можно получить дискретную калибровочную зависимость C(UC) : Аналитическое выражение для C{UC) из дискретной реализации получается с помощью ЭВМ. Необходимым условием работы фотоприемника является непревышение величины снимаемого сигнала максимального значения сигнала при калибровке. Для этого в схему блока осветителя 1 после калибровки вводится дополнительный поглотитель 1.3 из нейтрального стекла. Интерференционный светофильтр 3.3 обладает поляризующими свойствами. Для учета искажений сигналов, вносимых фильтром, проводится его калибровка. Так как на приемник падает излучение, поляризованное только по направлениям "хх", "уу", "ху", "ух", то для калибровки достаточно получить относительные коэффициенты пропускания фильтра по интенсивности в зависимости от При работе эллипсометра необходимо обеспечить соответствующее положение светофильтра, для которого производилась калибровка и пересчитывать сигналы соответственно относительным коэффициентам :
При оценке погрешности измерений параметров Стокса учитывались погрешности АЦП, погрешности калибровки фотоприемника, погрешности калибровки сигналов после интерференционного светофильтра, неточности установки анализирующих элементов и неточность измерения фазовой задержки, вносимой фазовой пластинкой. - погрешность АЦП (из паспорта) - ОД % - погрешности калибровки фотоприемника и погрешности калибровки сигналов после интерференционного светофильтра - 1 % - неточность установки анализирующих элементов - 1 - неточность измерения фазовой задержки, вносимой фазовой пластинкой - 0,1 Основная абсолютная погрешность полярометра оценивалась с помощью эталонного лазерного излучателя, формирующего линейно поляризованное излучение на длине волны 0.6328 мкм с азимутами поляризации 45, 90, 135 и 180. Роль поляризатора в эталонном лазерном излучателе выполняла призма Глана с коэффициентом гашения 105. При таком коэффициенте гашения среднеквадратические отклонения степени поляризации, азимута и эллиптичности поляризованного излучения не превышают Ю-4. В используемом для поверки эталонном лазерном излучателе абсолютная погрешность установки заданного азимута поляризации составляла величину не более ±1.5 .
Метод определения основной абсолютной погрешности поляриметра реализовался в следующей последовательности: 1. На полярометр направлялось линейно поляризованное излучение эталонного лазерного излучателя с азимутом поляризации 45. 2. С помощью нейтральных светофильтров устанавливалась мощность эталонного оптического излучения на входе поляриметра не более 5 мкВт. Для этого использовались калиброванные стеклянные светофильтры. 3. С компьютера, использующего математическое обеспечение полярометра, определялись параметры Стокса эталонного излучения в серии из шести наблюдений. 4. Эксперименты последовательно повторялись для линейно поляризованного излучения с азимутами поляризации 90, 135 и 180. При этом выполнялись операции, приведенные в параграфах 2, 3, и 4. Статистическая обработка результатов наблюдений включала: - оценку систематических погрешностей; - исключение известных систематических погрешностей; - вычисление доверительных границ погрешности результатов измерений. Для оценки систематических погрешностей необходимо знать истинные значения параметров Стокса эталонного излучения. Запишем выражения- для параметров Стокса в следующем виде:
Расчетные зависимости для эллипсометрических параметров излучения
Вычисляя средние значения функций dA, dP, de при независимых изменениях параметров Стокса излучения Sb S2, S3 в диапазоне [ -1 .. 1 ] через шаг 0,1 и, принимая dS = 0,017 ( 2.3.6.), имеем : Из зависимостей п.2.4.2. и из анализа точности вычислений эллипсометрических параметров излучения п.2.4.4., можно получить следующие выражения для погрешностей при вычислении параметров вектора Джонса излучения damdS. da где ф - эллиптичность, выраженная в угловой мере , т.е. ф = ArcTgie) Вычисляя средние значения функций da, dS при независимых изменениях эллипсометрических параметров излучения А в диапазоне [ -тс/2 .. Зтс/4 ] и ф в диапазоне [0.. р/4 ] через шаг 0,1, имеем : Выражение для точности вычисления комплексного показателя преломления N имеет вид: Примем, что значение d0 = 0,001 (из паспорта гониометра), с№ = da, dA = d5. Независимо изменяя угол падения излучения 0 в диапазоне [ 0..я/2 ], Р в диапазоне [ 0..тс/2 ] и А в диапазоне [ 0..тг ] через шаг 0,1 и разделяя действительные и мнимые части, имеем : Таблица полученных результатов по исследовании поляризационных характеристик приведены в приложении 5.2. Они также представлены ниже в виде зависимостей от угла падения зондирующего излучения. Проведенные исследования показывают, что поляризационные характеристики являются наиболее чувствительными к деградационным процессам, протекающим на поверхности материалов и покрытий КТ в условиях воздействия ФКП. Воздействие потоков низко- и высокоэнергетических заряженных частиц приводит в зависимости от типа материалов к увеличению или уменьшению деполяризующих свойств поверхности [61-64].
Данные эффекты связаны с тем, что воздействие низкоэнергетического потока частиц происходит изменение в основном на поверхности материалов и покрытий - рельеф и состав. Изменение рельефа приводит только к изменению зеркальной составляющей шероховатой поверхности материалов и покрытий, а изменение структуры и состава вещества в поверхностном слое - к изменению как зеркальной, так и диффузной составляющих отраженного поверхностью излучения. Воздействие корпускулярных частиц более высоких энергий приводит к глубинному характеру повреждений материалов и покрытий (деструкция). Основным фактором, приводящим к глубинным повреждениям в процессе эксплуатации материалов, можно считать, обычно, протоны (Ер=50 кэВ) и дейтроны [55]. Эти повреждения приводят к уменьшению внутреннего компонента отраженного материалами излучения (ТТМ-РЦ, ТТМ-РК и др.). Данное обстоятельство и определяет основную причину уменьшения интегрального коэффициента отражения указанных материалов и покрытий. Для такого рода материалов на основе кремния следует отдельно рассматривать зондирующее излучение, отраженное от поверхности и рассеянное назад (вышедшее из глубины). Тогда отраженное материалом или покрытием излучение можно представить в виде суммы внутреннего компонента излучения, вышедшего из глубины материала, и внешнего компонента излучения, отразившегося от поверхности.
Для более детального анализа изменений материалов вследствие воздействия ФКП необходимо привлекать методы сканирующей Оже-микроскопии, фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновскую дифракцию при скользящем падении лучей и др [54]. Это позволит в итоге определить поверхностные и объемные изменения структуры материалов вследствие воздействия ФКП. Термин "деполяризующая система" используется согласно монографии "Эллипсометрия и поляризованный свет" [20]. Согласно этой работе, система является деполяризующей, если степень поляризации излучения на выходе системы меньше чем степень поляризации на входе системы. Если излучение на входе системы полностью поляризовано, то деполяризующее свойство системы может описываться степенью деполяризации, вычисляемой по соотношению рассеяния, и Р(9І,0О) - степень поляризации излучения на выходе системы. Шероховатые поверхности относят к деполяризующим системам. При этом полагают, что деполяризация рассеянного излучения связана с частичной когерентностью однократно и двукратно рассеянных полей, поляризованных под прямым углом друг к другу.
Поскольку степень деполяризации характеризует вклад неполяризованной компоненты в полную интенсивность излучения, то обнаруживаемая в экспериментах деполяризация должна вызываться какими-то случайными временными процессами, например, изменяющимися во времени шероховатостями поверхности. Однако в экспериментах с шероховатыми поверхностями такие случайные временные процессы не наблюдались. В связи с этим цель исследования заключалась в определении истинной причины деполяризации излучения, рассеянного шероховатой поверхностью. Объектами исследования были две шероховатые поверхности, характеристики которых приведены в таблице 2.7.а. Таблица 2.7.а. Характеристика исследуемых шероховатых поверхностей.
Анализ точности вычисления комплексного показателя преломления материала
Выражение для точности вычисления комплексного показателя преломления N имеет вид: Примем, что значение d0 = 0,001 (из паспорта гониометра), с№ = da, dA = d5. Независимо изменяя угол падения излучения 0 в диапазоне [ 0..я/2 ], Р в диапазоне [ 0..тс/2 ] и А в диапазоне [ 0..тг ] через шаг 0,1 и разделяя действительные и мнимые части, имеем : Таблица полученных результатов по исследовании поляризационных характеристик приведены в приложении 5.2. Они также представлены ниже в виде зависимостей от угла падения зондирующего излучения. Проведенные исследования показывают, что поляризационные характеристики являются наиболее чувствительными к деградационным процессам, протекающим на поверхности материалов и покрытий КТ в условиях воздействия ФКП. Воздействие потоков низко- и высокоэнергетических заряженных частиц приводит в зависимости от типа материалов к увеличению или уменьшению деполяризующих свойств поверхности [61-64]. Данные эффекты связаны с тем, что воздействие низкоэнергетического потока частиц происходит изменение в основном на поверхности материалов и покрытий - рельеф и состав. Изменение рельефа приводит только к изменению зеркальной составляющей шероховатой поверхности материалов и покрытий, а изменение структуры и состава вещества в поверхностном слое - к изменению как зеркальной, так и диффузной составляющих отраженного поверхностью излучения. Воздействие корпускулярных частиц более высоких энергий приводит к глубинному характеру повреждений материалов и покрытий (деструкция). Основным фактором, приводящим к глубинным повреждениям в процессе эксплуатации материалов, можно считать, обычно, протоны (Ер=50 кэВ) и дейтроны [55]. Эти повреждения приводят к уменьшению внутреннего компонента отраженного материалами излучения (ТТМ-РЦ, ТТМ-РК и др.). Данное обстоятельство и определяет основную причину уменьшения интегрального коэффициента отражения указанных материалов и покрытий. Для такого рода материалов на основе кремния следует отдельно рассматривать зондирующее излучение, отраженное от поверхности и рассеянное назад (вышедшее из глубины). Тогда отраженное материалом или покрытием излучение можно представить в виде суммы внутреннего компонента излучения, вышедшего из глубины материала, и внешнего компонента излучения, отразившегося от поверхности. Для более детального анализа изменений материалов вследствие воздействия ФКП необходимо привлекать методы сканирующей
Оже-микроскопии, фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновскую дифракцию при скользящем падении лучей и др [54]. Это позволит в итоге определить поверхностные и объемные изменения структуры материалов вследствие воздействия ФКП. Термин "деполяризующая система" используется согласно монографии "Эллипсометрия и поляризованный свет" [20]. Согласно этой работе, система является деполяризующей, если степень поляризации излучения на выходе системы меньше чем степень поляризации на входе системы. Если излучение на входе системы полностью поляризовано, то деполяризующее свойство системы может описываться степенью деполяризации, вычисляемой по соотношению рассеяния, и Р(9І,0О) - степень поляризации излучения на выходе системы. Шероховатые поверхности относят к деполяризующим системам. При этом полагают, что деполяризация рассеянного излучения связана с частичной когерентностью однократно и двукратно рассеянных полей, поляризованных под прямым углом друг к другу. Поскольку степень деполяризации характеризует вклад неполяризованной компоненты в полную интенсивность излучения, то обнаруживаемая в экспериментах деполяризация должна вызываться какими-то случайными временными процессами, например, изменяющимися во времени шероховатостями поверхности. Однако в экспериментах с шероховатыми поверхностями такие случайные временные процессы не наблюдались. В связи с этим цель исследования заключалась в определении истинной причины деполяризации излучения, рассеянного шероховатой поверхностью. Объектами исследования были две шероховатые поверхности, характеристики которых приведены в таблице 2.7.а. Таблица 2.7.а. Характеристика исследуемых шероховатых поверхностей.
