CC BY
35
УДК 535.9
С. Н. Иванов, Е. Ю. Локтионов, Ю. Ю. Протасов
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ФОТОННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ИСТОЧНИКЕ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Ч.2
Приведены описание разработанного оптического модуля с зондирующим синхротронным излучателем и результаты экспериментального определения спектральных коэффициентов отражения и поглощения ряда конструкционных материалов фотонных энгерго-установок (Mo, Nb, Ti, Zr) в коротковолновом диапазоне спектра на источнике синхротронного излучения Курчатовского центра при допороговых для развитого поверхностного испарения значениях плотности мощности синхротронного излучения и температуре поверхности конденсированных мишеней 300... 77°K. Полученные результаты использованы в создаваемой базе данных оптических свойств материалов.
E-mail: stcpe@bmstu.ru
Ключевые слова: спектральные коэффициенты отражения и поглощения, конструкционные материалы, фотонные энергоустановки, вакуумный оптодиагностический модуль, синхротронное излучение.
Экспериментальное определение спектральных коэффициентов отражения и поглощения конструкционных материалов в коротковолновой области спектра представляет большой научный и практический интерес, что связанно с разработкой широкого спектра плазменно-оптических устройств и систем высокой плотности мощности, где конструкционные материалы находятся в непосредственном контакте с излучающей в вакуумном ультрафиолете активной средой. Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют экспериментальные данные о спектральных коэффициентах отражения и поглощения применяемых конструкционных материалов в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра как в условиях интенсивной светоэрозии, так и в условиях плазменной экранировки падающего излучения [1, 2]. Отметим, что и для относительно хорошо изученных материалов с зеркально-диффузным характером отражения (и тонкопленочных структур на их основе) значения направленно-полусферических коэффициентов отражения R(A, T), полученные разными экспериментальными группами, существенно отличаются, особенно в коротковолновой области спектра [3].
Так, для количественного анализа радиационно-газодинамических процессов взаимодействия мощного оптического излучения с конденсированными активными средами и конструкционными материалами
плазменно-фотонных энергетических установок высокой плотности мощности, использующих активные светоэрозионные процессы генерации и нагрева газоплазменных потоков, для изучения динамики импульсных фазовых переходов, характеризующих эффективность преобразования энергии излучения в них, необходимы экспериментальные данные о температурных и частотных зависимостях оптических характеристик облучаемых мишеней.
В настоящей работе дано описание техники эксперимента по исследованию оптических характеристик конденсированных сред в условиях высокого вакуума и приведены результаты экспериментального определения частотной зависимости коэффициентов отражения и поглощения ряда конструкционных материалов (Мо, ЫЬ, Т1, Zr) в коротковолновом (УФ-ВУФ)-диапазонах спектра на источнике синхро-тронного излучения Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий при допороговых для развитого поверхностного испарения значениях плотности мощности зондирующего излучения (/0 ~ 1012 фотон/(см2•с) и температурах поверхности конденсированных мишеней 300... 77 К.
Экспериментальные условия и методика эксперимента. Экспериментальное исследование спектральных зависимостей коэффициентов отражения конструкционных материалов в вакууме проводилось на разработанном оптодиагностическом модуле, позволяющем определять энергию и мощность зондирующего коротковолнового излучения и излучения, прошедшего в апертуру приемника, а также рассеянного под различными углами по отношению к поверхности мишени.
Как известно, измерение спектральных коэффициентов отражения/поглощения в ВУФ области спектра представляет собой значительную сложность, во-первых, из-за отсутствия достаточно ярких (не менее 1 мкВт/(мрад2-нм)) и широкополосных источников излучения в этой области спектра, во-вторых, из-за необходимости проведения прецизионных измерений в вакууме. Исследования по спектроскопии конденсированных сред в ВУФ области спектра выполняются в основном с использованием газоразрядных источников с линейчатым эмиссионным спектром, что ограничивает экспериментальные возможности в этом спектральном диапазоне как по числу доступных частот, так и по спектральной яркости зондирующих источников; решить эту задачу помогает использование синхротронного излучения.
Синхротронное излучение — высокоинтенсивное, широкополосное, поляризованное, с непрерывным спектром — идеально для таких измерений и позволяет получать данные, которые с традиционными источниками зондирующего излучения получить крайне сложно, а в ряде случаев и невозможно.
В ВУФ области спектра, вследствие сильного поглощения излучения веществом, необходимые толщины образцов для измерения спектра поглощения оказываются крайне малыми, как с точки зрения практических возможностей приготовления образцов, так и с точки зрения несходства их структуры со структурой массивного вещества. Поэтому наиболее целесообразно изучение оптических свойств твердых тел в этой области спектра проводить методом отражательной спектроскопии на основе измерения спектров отражения. На параметры отраженного света существенное влияние оказывает состояние и структура поверхности, в связи с чем при исследовании отражения важно тщательно готовить поверхность образцов и измерения проводить в условиях высокого вакуума, так как по отражению излучения можно выявить особенности поверхности чистого вещества, роль поверхностных уровней и состояний, поверхностных экситонов и плазмонов, поляритонов и т.д., а также кинетику адсорбции, окисления и других процессов на поверхности.
Оптическая схема диагностического модуля. Специализированный синхротронный источник ВУФ-излучения Курчатовского центра на основе электронного накопителя "Сибирь-1" характеризуется следующими параметрами: энергия линейного ускорителя электронов 80МэВ; энергия промежуточного накопителя электронов 450 МэВ; критическая длина волны 6,13 нм; ток 100 мА; давление 10-7... 10-8 Па; радиус электронной орбиты 1 м; время жизни электронного пучка при токе 100 мА ~1 ч.
В диагностическом модуле установлен монохроматор нормального падения, собранный по схеме Водсворта с вертикальной плоскостью дисперсии и горизонтальной щелью. Такой выбор щели монохрома-тора обусловлен фиксированным положением источника синхротронного излучения (СИ), размеры которого по горизонтали составляют 3 мм и по вертикали 0,3 мм, что обеспечивает более высокое разрешение монохроматора; интенсивность излучения в плоскости орбиты составляет 7/8 общей интенсивности излучения; излучение имеет высокую степень линейной поляризации. Излучение накопителя направляется на вогнутую сферическую дифракционную решетку с вольфрамовым покрытием (радиус кривизны 1м, V = 600 штрих/мм, размер рабочей поверхности 50x40 мм, максимум концентрации энергии приходится на длины волн около 60 нм). Монохроматор диагностической станции рассчитан для работы в спектральной области от 3,5 до 35 эВ. Дифрагмированное излучение фокусируется на выходной щели, за которой установлен азотный криостат. Расстояние от излучающего сгустка электронов до дифракционной решетки ~10 м; угол между направлениями падающего и отраженного излучения составляет ~ 10°.
Сканирование по спектру осуществляется через электромеханический привод шаговым двигателем, поворачивающим решетку с большой точностью (погрешность ~0,02 нм/шаг) вокруг оси, проходящей через центр решетки и параллельной плоскости орбиты.
Для устранения высших порядков перед выходной щелью вводили полосовые фильтры из кварцевого стекла (SiO2)), интервал длин волн Л > 180 нм) и фторида магния (MgF2) на длинах волн 115.. .200нм; градуировку прибора по длинам волн осуществляли с помощью уравнения решетки. Проверку градуировки и разрешающей способности проводили по линиям поглощения различных инертных газов при Л > 115 нм при напуске газа в криостат, отделенный от вакуума в канале окном из кристалла MgF2. Специализированный азотный криостат, установленный за выходной щелью монохроматора, позволяет измерять спектры пропускания, отражения и возбуждения люминесценции в интервале температур 77... 300 K.
Регистрация излучения от облучаемой мишени производилась фотоэлектронным умножителем ФЭУ-100, работающим в режиме счета фотонов, перед фотокатодом которого были установлены сменные оптические фильтры. Поскольку ширина выходной щели монохрома-тора при сканировании по спектру не меняется, то интенсивность падающего на исследуемый образец излучения в рабочей спектральной области изменялась примерно на порядок. Максимум спектра за выходной щелью монохроматора приходился на область «60 нм, при этом поток фотонов на образец в спектральном интервале АЛ ~ 1 нм при Л ~100нм (hv ~12,4 эВ) составлял ~ 1010 фотон/с.
Методика исследования спектров отражения конденсированных сред. В применяемой схеме измерения спектров отражения син-хротронное излучение, отражаясь от поверхности мишени, попадает на пластину из салицилата натрия (C7H5NaO3), закрепленную на стенке вакуумной камеры. Салицилат натрия выбран в качестве эталонного материала, так как в спектральном диапазоне (3,5... 80эВ) имеет постоянный квантовый выход люминесценции п ~0,6. Поэтому поток фотонов от люминесценцирующего кристалла салицилата натрия используется не только для измерения отраженного сигнала, но и для регистрации распределения спектральной плотности мощности потока излучения, падающего на мишень после прохождения монохроматора (рис. 1). Во входном тракте ВУФ-монохроматора установлен ФЭУ, характеризующий силу тока электронов в канале ускорителя; результаты измерений спектра отражения нормировались по этому опорному сигналу. Спектральные измерения проводились при температуре 298 K и при температуре жидкого азота (77 K).
Рис. 1. Схема оптического модуля для измерения спектральных коэффициентов отражения:
1 — канал ввода синхротронного излучения; 2 — поворотные и фокусирующие тороидальные зеркала; 3 — дифракционная решетка; 4 — сменный фильтр из кварца или MgF2; 5 — мишень; 6 — люминесцентная пластинка из салицилата натрия; 7 — ФЭУ регистрации пропущенного сигнала; 8 — ФЭУ регистрации опорного сигнала; 9 — магниторазрядные вакуумные насосы; 10 — криостат; 11 — отсечные клапаны
Результаты расчета характерного спектра СИ в канале электронного накопителя синхротрона "Сибирь-1" приведены в работе [6]. Несмотря на то, что параметры собственно СИ рассчитываются достаточно точно, метрология излучения непосредственно в зоне воздействия представляет собой сложную задачу, так как после прохождения оптической схемы ВУФ-монохроматора параметры излучения существенно изменяются. Зеркала и дифракционная решетка монохроматора имеют нестабильные спектры отражения, состояние их поверхности изменяется с течением времени, поэтому для определения спектральных плотностей мощности излучения, падающего на мишень, используются ВУФ-детекторы и люминофоры с постоянным квантовым выходом люминесценции в рассматриваемом диапазоне возбуждающего излучения (и сравнение с поверенными ВУФ-спектрометрами).
Профилограммы, характеризующие состояние поверхности исследуемых образцов и спектры отражения в видимом диапазоне длин волн (Ни = 1,2 ... 3,1 эВ), приведены на рис. 2.
Экспериментальные результаты. Для исследуемых конструкционных материалов в атмосферных условиях имеет место определенная
в
Рис. 2. Профилограммы поверхностей исследованных образцов:
а — Мо, б — КЬ, в — Л
спектральная зависимость коэффициентов отражения Я(Л, Т) в ближней ИК-УФ области спектра. Спектральные коэффициенты отражения исследуемого ряда образцов конструкционных материалов определены при температурах (Т ~ 300 К, Т2 ~ 77 К) мишеней с учетом эффективности дифракционной решетки, найденной по спектральному выходу в первом порядке. При нагреве в условиях даже высокого вакуума на поверхности мишеней модификация приповерхностной структуры приводит к существенному изменению спектров отражения в ВУФ области: для нагретых мишеней коэффициенты отражения в ВУФ области спектра значительно снижаются с увеличением температуры. Исследование взаимосвязи между значениями индикатрисы силы излучения, отраженного под выбранным углом при подсветке по нормали изотропных поверхностей мишеней, и эквивалентным телесным углом отраженного потока позволило определить оптимальные углы зондирования для исследуемого диапазона длин волн (при одинаковой обработке поверхности образцов) и сравнивать индикатрисы силы отраженного излучения.
Некоторые результаты экспериментального определения спектральных коэффициентов отражения Д(Л) в ВУФ области спектра (при температуре Т ~ 300 К) для ряда образцов конструкционных
Рис. 3. Зависимость спектрального ко- Рис. 4. Зависимость спектрального коэффициента отражения при темпера- эффициента отражения при температуре 298 K для Mo (1), Zr (2) туре 77 K для Mo
Рис. 5. Зависимость спектрального ко- Рис. 6. Зависимость спектрального коэффициента отражения при темпера- эффициента отражения при температуре 298 K для Т (1), ^Ъ (2) туре 77 K для Т (1), ^Ъ (2)
материалов также приведены на рис. 3-8. При этом были реализованы условиях низкой спектральной плотности мощности зондирующего излучения — допороговой для начала развития волны испарения на поверхности мишеней. Хорошая воспроизводимость экспериментальных значений Я(Х) при ВУФ-узкополосном зондировании в диапазоне температур Т^300 ... 77 К позволила выявить основные закономерности частотного распределения коэффициентов отражения в ВУФ области спектра данного класса конструкционных материалов и их корреляцию с зависимостями Я(Х, Т) на лазерных частотах, которые могут быть использованы для спектрально-энергетического оптимизационного анализа плазменно-лучевых энергоустановок с лазерным воздействием применительно к ряду экспериментальных циклов стандартного фотометрического оборудования. При температурах ^77 К регистрируется незначительный (порядка 10%) разброс значений Я(Х) в ВУФ области спектра, что требует статистического анализа инструментальной погрешности в каждом спектральном интервале и дальнейшего развития техники эксперимента при изучении
R-
0,5 0,4
О 1 *2 ■3
R
.1
°3
0,3
oo
0,1
0
4 5 6 7 8 hv, эВ
0
4 5
6
7
8
hv, эВ
Рис. 7. Зависимость спектрального ко- Рис. 8. Зависимость спектрального коэффициента отражения при темпера- эффициента отражения при температуре 298 К для Т1 (1), № (2), Мо (3) туре 77 К для Т1 1, № (2), Мо (3)
спектральных зависимостей Я(А, Т, 10) с использованием вторичных метрологических эталонов в сверхвысоком вакууме.
В областях 3,5... 5,6 и 7,5... 8эВ характерные особенности спектров отражения соответствуют данным, полученным на синхротроне М8Т; качественный характер зависимости Я(А) сохраняется в области спектра 5,5... 7,5 эВ при температуре 300 К, что позволяет более надежно интерпретировать особенности в спектрах отражения, связанные со структурой энергетических зон. Например, для ниобия межзонные переходы, обусловленные тем, что ¿-состояния не заполнены, начинаются при энергиях меньших 1 эВ и определяют структуру в спектрах отражения и поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Переходы из заполненных 4^-состояний на свободные, запрещенные в свободных атомах в твердых телах, вследствие их перемешивания с состояниями с другой симметрией, разрешены, поэтому падающая частототная зависимость структуры спектров коэффициентов отражения и поглощения, имеющая минимум при Ни > 8 эВ, может быть связана с плотностью состояний в ¿-полосе поглощения; при Ни > 10 эВ подъем в спектрах Я(А) может быть связан с переходами 4^ ^ /. Как показывает анализ, /-полоса обладает достаточно высокой плотностью состояний (минимум при Ни ~ 27 эВ).
Сравнительный анализ спектральных коэффициентов отражения Я(А) исследуемых металлов показывает их удовлетворительное соответствие результатам для в УФ области спектра (4... 6 эВ), полученным в Ш8Т с использованием газоразрядных источников зондирующего излучения.
Выводы. Получены новые экспериментальные данные об оптических характеристиках конструкционных материалов плазменных и фотонных энергетических установок в спектральных областях, доступных для сравнения.
Следует отметить, что при исследовании временных разверток спектров отражения твердых тел, используя дисперсионные соотношения Камерса-Кронига и формулы Френеля, можно определить не только динамику электронных характеристик и ее особенности на поверхности, но и изменение этих характеристик при модификации состояния поверхности. Это достигается при нахождении из спектров отражения оптических констант вещества (показателя преломления и коэффициента поглощения), что позволяет определить спектр поверхностных и объемных плазмонов, энергия которых является характеристической для данного материала.
Исследования выполняются при поддержке РФФИ, грант № 0808-12047.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. D a v i d R. L i d e, ed. CRC Handbook of chemistry and physics / Internet version 2007, (87th Edition), <http://www.hbcpnetbase.com>).
2. Г и н з б у р г В. Л., М о т у л е в и ч Г. П. // УФН. - 1955. - T. 55 (4). - C. 469535.
3. W e b e r M. J. Handbook of optical materials. - CRC press, 2003. - 499 p.
4. ЗайдельА. Н., Шрейдер Е. Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. - М.: Наука, 1967. - C. 86-112.
5. Протасов Ю. Ю., С е м е н о в А. М. // Журнал прикладной спектроскопии. - 2003. - Т. 70, № 3. - С. 49-56.
6. Иванов С. Н., Локтионов Е. Ю., Протасов Ю. Ю. // "Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Естественные науки". - 2009. - № 4. - C. 25-31.
7. Протасов Ю. Ю., Т е л е х В. Д. Термодинамические, оптические и транспортные свойства рабочих веществ плазменных и фотонных энергетических установок: В 3т. / Под ред. Ю.С.Протасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
Статья поступила в редакцию 20.08.2009
С.Н.Иванов родился в 1945г., в 1968г. окончил МГУ им.М.В.Ломоносова. Канд. физ.-мат. наук, главный специалист Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий. Автор 27 научных работ в области люминесценции и исследования оптических свойств твердых тел.
S.N. Ivanov (b. 1945) graduated from the Lomonosov Moscow State University in 1968. Ph. D. (Phys.-Math.), chief specialist of the Kurchatov center of synchrotron radiation and nanotechnologies. Author of 27 publications. Specializes in the field of luminescence, study of optical properties of solid bodies.
Е.Ю.Локтионов родился в 1984г., в 2007г. окончил МГТУ им.Н.Э.Баумана. Аспирант кафедры "Газотурбинные и нетрадиционные установки". Специализируется в области фотонной энергетики.
Ye.Yu. Loktionov (b. 1984) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in 2007. Post-graduate of "Gas-turbine and Non-traditional Plants" of the Bauman Moscow State Technical University. Specializes in the field of photon energy. Юрий Юрьевич Протасов — д-р техн. наук, профессор кафедры "Газотурбинные и нетрадиционные установки" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 100 научных работ в области фотонной энергетики.
Yu.Yu. Protasov — D. Sc. (Eng.), professor of "Gas-Turbine and Non-Traditional Facilities" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 100 publications in the field of photon energy.
