Интенсивная электронная эмиссия диэлектрика, индуцированная наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока

Диссертация посвящена теоретическому исследованию и компьютерному моделированию процессов в диэлектрике, приводящих к возникновению интенсивной электронной эмиссии диэлектрика, индуцированная наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока. Исследование относится к физике радиационных воздействий на твердые тела, которая изучает изменение их свойств под влиянием ионизирующих излучений.

Актуальность исследований.

Современную радиационную физику твердого тела можно разделить на три области [1]: слабых, умеренных и мощных, сверхмощных радиационных воздействий. Первая изучает воздействие на материал слабых источников с л плотностью тока не более 0,1 А/см таких как: реакторы, изотопные источники, микротроны, бетатроны, электронные и ионные ускорители, обеспечивающие.

О 7 плотность тока не более 0,1 А/см. Мощность дозы не превышает 10 Вт/кг. Вторая область изучает воздействие умеренных и мощных источников излучения, таких как лазеры и сильноточные ускорители с плотностью тока Ю^-НО4 А/см2. Третья рассматривает взаимодействие с твердым телом излучения сверхмощных источников, таких как сверхмощные лазеры и ускорители с плотностью тока до 107 А/см2. Мощность дозы больше 1016 Вт/кг. При слабых радиационных воздействиях происходит создание и накопление точечных дефектов, которые приводят к постепенной деструкции материала. В этом случае основным видом электронной эмиссии является вторичная. При более мощном радиационном воздействии твердое тело ведет себя иначе. Наблюдается ряд катастрофических процессов типа неравновесных фазовых переходов: хрупкий раскол, пробой, мощная эмиссия. Наиболее интенсивно эта область физики твердого тела стала развиваться после создания в 60-х годах сильноточных электронных ускорителей.

Начиная с конца 1960х годов, в лаборатории нелинейной физики Томского политехнического университет проводятся исследования воздействия на диэлектрики электронных пучков умеренной и высокой плотности тока и наносекундной длительности. Исследованы следующие физические явления: генерация акустических импульсных продольных и изгибных волн, хрупкое разрушение диэлектрических кристаллов и стекол, внутризонная радиолюминесценция диэлектриков, высокоэнергетическая проводимость и мощная электронная эмиссия из диэлектриков, многоканальный электрический пробой. Подробный обзор открытых явлений и экспериментальных результатов, полученных до 1980 г., приведен в монографии [2]. Настоящая работа является продолжением этих исследований.

Интенсивная электронная эмиссия из диэлектрика была обнаружена в лаборатории нелинейной физики в конце 1960х годов. Это явление представляет большую опасность для изоляционных материалов, которые подвергаются облучению плотным электронным пучком. С другой стороны, оно таит в себе потенциальные возможности практического применения. Первые экспериментальные исследования этого явления проводились с использованием гальванометрической схемы измерений, которая дает информацию только о порогах эмиссии и не позволяет проследить за последовательностью и развитием процессов во времени [3,4]. Для исследования временных и амплитудных характеристик мощной критической электронной эмиссии из диэлектрика была разработана осциллографическая схема измерений [5]. Эта методика позволила определить критические параметры эмиссии, амплитудные и временные характеристики, исследовать эффекты накопления, переход критической эмиссии в вакуумный разряд, объемный пробой и пробой по поверхности диэлектрика, индуцированные критической эмиссией [6]. Первая модель явления и результаты численного расчета опубликованы в работе [25]. Дальнейшее развитие этой модели опубликовано в работах [72, 73]. Последняя описывает такие свойства эмиссии, как критический характер явления, длительность импульса эмиссии, пространственную неоднородность, способность эмиссии инициировать внутренний объемный пробой диэлектрика. Однако остались необъясненными такие важные свойства явления как время задержки импульса эмиссии относительно импульса облучения, достигающее десятков наносекунд, и коэффициент эмиссии — отношение эмитированного заряда к инжектированному — достигающий 1.

Цель диссертационной работы.

Построение теоретической модели и компьютерное моделирование интенсивной электронной эмиссии, возникающей при наносекундной инжекции пучка электронов умеренной и высокой плотности тока, описывающей основные свойства явления, наблюдаемые экспериментально.

Задачи работы.

1) Исследовать первичную ударную ионизацию диэлектрика электронным пучком.

2) Изучить эволюцию энергетического спектра электронов от спектра первичного пучка до так называемого «мгновенного» распределения. Исследовать релаксацию энергии ионизационно-пассивных электронов и дырок путем электрон-фононных столкновений.

3) Построить модель интенсивной электронной эмиссии диэлектриков (ИЭЭД) при наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока, объясняющую возникновение задержки импульса эмиссии относительно импульса облучения и коэффициент эмиссии достигающий 1.

4) Провести численные расчеты согласно модели ИЭЭД и получить согласие с экспериментом.

Научная новизна работы.

Следует считать новыми следующие результаты:

1 Теоретическая модель и компьютерное моделирование интенсивной электронной эмиссии, индуцированной наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока. Модель описывает основные свойства явления, включая задержку импульса эмиссии относительно импульса облучения, достигающую десятков наносекунд, и коэффициент эмиссии, достигающий 1.

2 Квантовая теория и метод расчета эволюции энергетического распределения электронов и дырок в диэлектрике при воздействии интенсивных электронных или лазерных пучков от распределения в пучке до «мгновенного» распределения ионизационно-пассивных электронов и дырок до начала электрон-фононной релаксации.

3 Эмпирическая формула для сечения ионизации атома электронным ударом, которая учитывает резонанс для налетающих электронов малых энергий и переходит в известную формулу Бете при больших энергиях.

Научные положения и выводы обоснованы. Достоверность результатов контролируется использованием известных методик и экспериментальными данными.

Практическая значимость работы.

Интенсивная электронная эмиссия представляет большую опасность для диэлектриков, которые подвергаются воздействию потоков заряженных частиц. Это явление способно с высокой эффективностью инициировать различные виды электрического пробоя: вакуумный разряд между диэлектриком и металлическими предметами, разряд по поверхности и объемный пробой диэлектрика. Результаты выполненного исследования позволяют прогнозировать поведение диэлектриков в таких условиях и конструировать соответствующие установки так, чтобы уменьшить опасность возникновения критической эмиссии.

Явление мощной критической электронной эмиссии может быть использовано в управляемом вакуумном разряднике.

Защищаемые положения.

1 Разработана теоретическая модель интенсивной электронной эмиссии диэлектриков, индуцированной инжекцией пучков электронов умеренной и высокой плотности и наносекундной длительности. Построена численная реализация модели, которая описывает основные свойства эмиссии: возникновение явления при достижении определенного значения плотности инжектированного в образец зарядазадержку импульса эмиссии от импульса облучения до нескольких десятков наносекундкоэффициент эмиссии, достигающий 1- пространственную неоднородность эмиссии.

2 Проведено моделирование процессов в диэлектрике при инжекции плотного пучка электронов наносекундной длительности. Показано, что в приповерхностном слое диэлектрика образуется двумерная система электронов. Основные характеристики системы, такие как поверхностная концентрация и энергетический спектр, определяют плотность тока эмиссии.

3 Проанализированы процессы в диэлектрике и вакуумном промежутке при воздействии на образец наносекундного пучка электронов умеренной и высокой плотности тока, приводящих к интенсивной эмиссии. Показано, что задержка импульса эмиссии от импульса облучения, достигающая десятков наносекунд, определяется образованием ионного облака в вакуумном промежутке над поверхностью диэлектрика.

4 Разработана теория и алгоритм численного расчета релаксации по энергии высокоэнергетических электронов и дырок в диэлектрике вследствие ударной и оже-ионизации. Рассчитан «мгновенный» спектр ионизационно-пассивных электронов и дырок, который является начальным при решении всех кинетических уравнений, описывающих последующую релаксацию электронных возбуждений в облученном материале.

5 Проведен систематический анализ экспериментальных данных по ионизации атома или молекулы электронным ударом. Получена формула полного сечения ионизации, при большой энергии налетающего электрона переходящая в формулу Бете, а в области максимума учитывающая резонанс.

Результаты расчета сечения ионизации по формуле соответствуют экспериментальным данным.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1 X Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ (Томск, Россия, 1996 г.- Томск, Россия, 1999 г.).

2 I Международный конгресс по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск, Россия, 2000 г.).

3 IV Международный семинар по радиационной физике металлов и сплавов (Снежинск, Россия, 2001 г.).

4 IV Международная конференция по электрическим зарядам в непроводящих материалах CSC'4 (Тур, Франция 2001 г.).

5 Школе-конференция молодых ученых «Современные проблемы радиационной физики твердого тела» (Томск, Россия 2001 г.).

6 VIII Российская конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» GaAs-2002 (Томск, Россия, 2002 г.).

7 XV Международная конференция по дефектам в непроводящих материалах ICDIM — 2004 (Рига, Латвия, 2004 г.).

8 IX Конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» GaAs-2006 (Томск, Россия, 2006 г.).

Публикации.

Результаты работы по теме отражены в 6 статьях рецензируемых научных журналах, 7 статьях в сборниках трудов международных и российских конференций и 5 тезисах докладов международных и российских конференций.

Структура работы и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела «Основные результаты и выводы» и списка цитируемой литературы. Работа содержит 97 страниц, включая 48 рисунков и 2 таблицы.

Основные результаты и выводы.

1 Предложена формула для сечения ионизации, которая при больших Е плавно переходит в формулу Бете. На основе формулы вычислены зависимости полного сечения ионизации от энергии налетающего электрона для следующих атмов и молекул: Н, Не, Аг, С, >1, О, л, Ыа, Н2, N2, О2,^{-оболочек} С, Ы, Ые, Аг, К, Са, Шэ, 8 г. Сравнение результатов измерения сечения ионизации атомов и молекул электронным ударом с теоретической формулой Бете и эмпирическими формулами Л отца, Алхазова, Кима и Радда, авторов [33] показывает, что предложенная в данной работе формула наилучшим образом описывает экспериментальные данные.

2 Разработана методика расчета мгновенного распределения ионизационно-пассивных электронов и дырок при облучении кристалла интенсивным электронным или лазерным пучком. Методика основана на решении системы интегро-дифференциальных кинетических уравнений на функции распределения электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне и на квазиатомных уровнях. Исследована эволюция функций распределения электронов и дырок в №С1. Получено «мгновенное» распределение по энергии электронов и дырок, которое является начальным при решении всех кинетических уравнений, описывающих последующую релаксацию электронных возбуждений в облученном материале. Проведен расчет квазистационарного распределения электронов для ЫаС1. Оно является базовым для вычисления параметров явлений внутризонной люминесценции, высокоэнергетической проводимости и критической эмиссии диэлектриков при мощном радиационном воздействии.

3 Построена модель интенсивной электронной эмиссии диэлектрика, индуцированной наносекундной инжекцией пучка электронов умеренной и высокой плотности тока. Модель рассматривает как объем диэлектрика, так и его поверхность с эмиссионным центром в виде микроострия и учитывает процессы в глубине, на поверхности диэлектрика, в вакуумном промежутке в окрестности эмиссионного центра.

4 Численные расчеты, проведенные согласно модели, дают следующие основные результаты: 1) Квазисвободные электроны в приповерхностном слое диэлектрика формируют двумерную систему электронов. Она характеризуется квантованием компоненты энергии нормальной к поверхности. С ростом напряженности поля основной уровень нормальной компоненты энергии повышается, а потенциальный барьер на границе раздела диэлектрик-вакуум понижается в силу эффекта Шоттки, вследствие чего вероятность туннелирования электронов в вакуум растет. Плотность тока эмиссии определяется характеристиками двумерной системы электронов, такими как поверхностная концентрация и энергетический спектр. 2) На вершине острия просиходит усиление поля и формируется состояние с высокой вероятностью туннелирования свободных электронов в вакуум, вследствие чего, эмиссия является пространственно неоднородной. 3) Эмиссия возникает, когда поле на вершине острия во время или после облучения становится больше граничного, определяемого вероятностью туннелирования. 4) Разогрев поверхности токами проводимости и диффузии, испарение атомов в вакуумный промежуток и их ионизация эмитированными электронами приводят к образованию ионного облака над поверхностью острия, усилению поля и как следствие тока эмиссии. 5) Задержка импульса эмиссии относительно импульса облучения определяется временем на создание ионного облака и может достигать нескольких десятков наносекунд. 6) Эмиссия продолжается до тех пор, пока в вакуумном промежутке существует разгоняющее электроны поле. Коэффициент эмиссии в этом случае может достигать 1.

Автор глубоко скорбит о безвременной кончине научного руководителя Давида Израйлевича Вайсбурда и очень сожалеет, что не может выразить глубокую признательность Давиду Израйлевичу за постоянное внимание, помощь в работе и обсуждение результатов.

Автор также выражает искреннюю благодарность соавторам основных публикаций по теме диссертации Алексею Анатольевичу Дериглазову, Евгению Васильевичу Евдокимову, Александру Васильевичу Шаповалову, Александру Геннадьевичу Сибирякову, Тимуру Ахатовичу Тухфатуллину, а также Михаилу Ивановичу Чебодаеву за полезные дискуссии и всем сотрудникам Центра технологий Томского политехнического университета за поддержку в работе.