CC BY
54
УДК 535.9
С. Н. Иванов, Е. Ю. Локтионов, Ю. Ю. Протасов
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД ПОЛИМЕРНОГО РЯДА В КОРОТКОВОЛНОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
Описаны разработанная оптическая схема и методика эксперимента с использованием зондирующего синхротронного излучения в вакуумных условиях. Приведены результаты экспериментального определения спектральных коэффициентов отражения диэлектриков на основе элементов полимерного ряда в коротковолновом диапазоне спектра (hv^3,5... 25 эВ) на источнике синхротронного излучения в Курчатовском центре синхротронного излучения и нано-технологий при допороговых для развитого поверхностного испарения значениях плотности мощности синхротронного излучения и температуре поверхности конденсированных мишеней 300... 77K.
E-mail: stcpe@bmstu.ru
Ключевые слова: спектральные коэффициенты отражения, конденсированные среды, полимеры, оптико-диагностический модуль, источник синхротронного излучения.
Экспериментальное определение спектральных коэффициентов отражения конденсированных сред полимерного ряда в коротковолновой области спектра представляет помимо общефизического и значительный практический интерес, что связано с разработкой широкого спектра плазменно-оптических устройств и систем высокой плотности мощности, в которых оптические материалы находятся в непосредственном контакте с излучающей активной средой. В настоящее время практически отсутствуют экспериментальные данные о спектральных коэффициентах отражения и поглощения оптических материалов в ВУФ области спектра как в условиях развитого поверхностного испарения, так и в условиях плазменной экранировки падающего излучения [1, 2]. Информативным параметром, характеризующим эффективность преобразования энергии при лазерном воздействии на конденсированные и газоплазменные среды, является коэффициент отражения. Несмотря на активное создание баз и банков оптических данных, объем надежных экспериментальных данных (в том числе и по температурной и частотной зависимостям коэффициентов отражения R(A,T)) крайне ограничен даже для узких температурных и спектральных интервалов. Отметим, что и для относительно хорошо изученных материалов с зеркально-диффузным характером отражения (и тонкопленочных структур на их основе) значения нормально-полусферических коэффициентов отражения R(A,T), исследованных
разными группами экспериментаторов, существенно отличаются, особенно в коротковолновой области спектра [3].
Например, для количественного анализа радиационно-газодина-мических 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), динамики импульсных фазовых переходов, характеризующих эффективность преобразования энергии излучения в них, необходимы экспериментальные данные о температурных и частотных зависимостях оптических характеристик облучаемых мишеней.
Далее кратко описаны: техника эксперимента по исследованию оптических характеристик конденсированных сред в вакуумных условиях и результаты экспериментального определения частотной зависимости коэффициентов отражения ряда диэлектриков в коротковолновом (УФ-ВУФ) диапазоне спектра на источнике синхротрон-ного излучения в Курчатовском центре синхронного 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.
Как известно, особенность взаимодействия полимеров с коротковолновым ВУФ-излучением — это инициирование активных фотохимических реакций, приводящих к фотодеструкции (светоэрозии) материала, более существенной, чем разрушение вследствие интенсивных тепловых процессов. Данные по частотным зависимостям коэффициентов отражения металлов в ВУФ области спектра, как правило, получены для специально напыленных тонких пленок или выращенных кристаллов при температуре порядка 300 К [4]. Данные о спектральных коэффициентах отражения полимеров противоречивы и, как правило, приводятся для диффузного отражения при скользящем падении излучения [5]. При этом коэффициенты отражения полимеров зависят не только от состояния поверхности образца, но и от особенностей технологии его производства, степени полимеризации, ориентации макромолекул; это и обусловливает актуальность исследования спектральных коэффициентов отражения реальных конструкционных материалов, поверхности которых обработаны на технологически достижимом уровне в широком диапазоне температур.
Следует отметить, что при исследовании спектров отражения твердых тел, используя дисперсионные соотношения Камерса-Кронига и формулы Френеля, можно определить электронные характеристики и
их особенности на поверхности, а также изменение этих характеристик при модификации состояния поверхности; это достигается при определении из спектров отражения оптических констант вещества (показателя преломления и коэффициента поглощения), знание которых позволяет оценить и определить спектр поверхностных и объемных плазмонов, энергии которых являются характеристическими для данного вещества.
Экспериментальные условия и методики. Экспериментальное исследование спектральных зависимостей коэффициентов отражения оптических материалов в вакууме проводилось на разработанном диагностическом модуле, позволяющем определять энергию и мощность зондирующего коротковолнового излучения и излучения, прошедшего в апертуру приемника и также рассеянного под различными углами по отношению к оптической поверхности.
Как известно, измерение спектральных коэффициентов отражения/поглощения в ВУФ области спектра представляет собой значительную экспериментальную 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 (СИ).
Синхротронное излучение так же, как и излучение релятивистских заряженных частиц, возникающее при их движении по криволинейным траекториям в поперечных магнитных полях, благодаря своим уникальным свойствам в значительной мере определяет уровень современных экспериментальных исследований в области оптики конденсированных сред. Высокая спектральная яркость, непрерывный (от инфракрасной до рентгеновской области) эмиссионный спектр, острая направленность и высокая степень поляризации, возможность точного определения спектральных и энергетических характеристик зондирующего источника обеспечивают успешное использование синхротрон-ных излучателей в качестве рабочего инструмента в оптике и метрологии с предельной для существующих ВУФ-монохроматоров степенью монохроматизации коротковолнового излучения [6].
Оптическая схема диагностической станции. Специализированный Курчатовский синхротронный источник ВУФ-излучения 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 ч.
Для обеспечения оптимальных условий транспортировки коротковолнового (УФ-ВУФ) излучения в канале диагностической станции и уменьшения окисления поверхности дифракционных решеток мо-нохроматора рабочий объем диагностического модуля станции ваку-умируется (рис. 1, 2), необходимость непосредственного соединения с рабочей полостью ускорительно-накопительного кольца "Сибирь-1" определяет глубину разрежения не хуже 10-8 мбар. Для уменьшения времени вакуумирования диагностического модуля после замены исследуемого образца использован специальный порт загрузки, минимальный необходимый объем которого на время разгерметизации изолируется от всех остальных трактов диагностической станции.
В диагностическом модуле установлен монохроматор нормального падения, собранный по схеме Водсворта, с вертикальной плоскостью дисперсии с горизонтальной щелью. Такой выбор щели монохрома-тора обусловлен: фиксированным положением источника излучения; размерами источника СИ (3 мм по горизонтали, 0,3 мм по вертикали, что обеспечивает более высокое разрешение монохроматора); интенсивностью излучения в плоскости орбиты (что составляет 7/8 общей интенсивности излучения), имеющей высокую линейную поляризацию. Излучение накопителя (рис. 3) направляется на вогнутую сферическую дифракционную решетку с вольфрамовым покрытием (радиус кривизны 1м, V = 600 штрих/мм, рабочая поверхность 50 х 40 мм, максимум концентрации энергии в спектре около 60 нм). Монохрома-тор диагностической станции рассчитан для работы в спектральной
11 з
Рис. 1. Оптическая схема диагностического модуля:
I — дифракционная решетка; 2 — ось вращения решетки; 3 — вакуумный вентиль; 4 — патрубок откачки; 5 — шаговый двигатель; 6 — криостат; 7 — охлаждаемый держатель образца; 8 — выходная щель: 9 — блок светофильтров для устранения высших порядков; 10 — сильфон, позволяющий компенсировать дефокусировку;
II — выходной патрубок канала СИ
Рис. 2. Вакуумная схема диагностического модуля:
1 — ФЭУ измерения опорного сигнала; 2 — зеркало фокусировки на дифракционную решетку 3; 4 — зеркало фокусировки на мишень 5; 6 — люминофор; 7 — сменный фильтр из цветного стекла; 8 — ФЭУ измерения сигнала
Рис. 3. Оптическая схема измерения спектральных коэффициентов отражения и пропускания:
1 — тороидальное зеркало (Аи); 2 — дифракционная решетка (А1; сфера Я =1 м; реплика 600штр./мм); 3 — ФЭУ регистрации отраженного сигнала; 4 — мишень; 5 — щель монохроматора; 6 — сменный фильтр из или кристаллического кварца;
7 — поворотное зеркало (А1); 8 — экран (салицилат натрия); 9 — ФЭУ регистрации опорного сигнала
области от 3,5 до 35 эВ. Диафрагмированное излучение фокусируется на выходной щели, за которой установлен азотный криостат. Расстояние от излучающего пучка электронов до дифракционной решетки ~10 м. Угол между направлениями падающего и отражающего 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 параллельно плоскости орбиты.
Для устранения высших порядков дифракции перед выходной щелью вводились полосовые фильтры из кварцевого стекла (ЗЮ2) (интервал Л > 180 нм) и фторида магния (М£р2) (115... 200 нм); градуировку прибора по длинам волн осуществляли с помощью уравнения решетки. Проверка градуировки и разрешающей способности проводилась по линиям поглощения различных инертных газов при Л > 115 нм и 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 К.
Регистрация излучения от облучаемой конденсированной мишени проводилась фотоэлектронным умножителем ФЭУ-100, работающим в режиме счета фотонов, перед фотокатодом которого были установлены сменные оптические фильтры. Поскольку ширина выходной щели монохроматора при сканировании по спектру не изменяется, то интенсивность падающего на исследуемый образец излучения в рабочей спектральной области изменялась примерно на порядок. Максимум спектра за выходной щелью монохроматора приходился на область порядка 60 нм, при этом поток фотонов в спектральном интервале ДЛ~1 нм при Л~100 нм (Нр~12,4 эВ) на образец составлял ~1010 фотон/с.
О методике исследования спектров отражения конденсированных сред. В применяемой схеме измерения спектров отражения СИ, отражаясь от поверхности мишени, попадает на пластину из салици-лата натрия (С7Н5МаО3), 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 люминесцен-цирующего 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. 4).
Рис. 4. Расчетный спектр СИ в электронном накопительном кольце синхротрона "Сибирь-1" при токе 100 мА
Для регистрации потока зондирующего излучения во входном тракте ВУФ-монохроматора установлено ФЭУ (ФЭУ-83) регистрации опорного сигнала (поз. 9, см. рис. 3); в отличие от отраженного сигнала в данном случае регистрируется поток не узкополосного, а широкополосного излучения и интенсивность опорного сигнала пропорциональна току электронов в канале синхротрона. Поскольку флуктуация энергии электронов пренебрежимо мала, т.е. спектр излучения неизменен, использование данных об интегральной яркости справедливо при оценке спектральной яркости зондирующего излучения. Полученные результаты приводились к яркости, соответствующей току электронов, равному 100 мА. Спектральные измерения проводились при температурах 298 и 77 К.
Результаты расчета спектра СИ в канале электронного накопителя синхротрона "Сибирь-1" приведены на рис.5. Несмотря на то, что параметры собственно СИ достаточно точно рассчитываются, метрология излучения непосредственно в зоне воздействия представляет собой непростую задачу, так как после прохождения оптической схемы ВУФ-монохроматора параметры излучения существенно изменяются. Зеркала и дифракционная решетка монохроматора имеют нестабильные спектры отражения, состояние их поверхностей изменяется с течением времени. Для определения спектральных плотностей мощности излучения, падающего на мишень, необходимо использовать ВУФ-детекторы, люминофоры с постоянным квантовым выходом люминесценции в рассматриваемом диапазоне возбуждающего излучения или поверенные ВУФ-спектрометры.
Рис.5. Расчетный поток фотонов на входе в ВУФ-монохроматор при токе 100 мА
Рис.6. Профилограммы поверхности мишеней (СН20)п (а) и (С2)п (#)
Особый интерес представляет исследование спектральных оптических характеристик массивных образцов конструкционных материалов, механически полированных образцов-мишеней для элементов реальных конструкций фотонных энергоустановок из легкоаблирую-щих диэлектриков, используемых для генерации газоплазменных потоков, на основе элементов полимерного ряда (фторопласт-4 (С2)п и полиформальдегид (СН20)п). Характеризующие состояние поверхности исследуемых образцов профилограммы и спектры отражения в видимом диапазоне (Ни « 1,2 ... 3,1 эВ) приведены на рис. 6.
Экспериментальные результаты. Спектральная зависимость коэффициентов отражения в БИК-УФ области спектра имеет различные значения для исследуемых полимеров (см. рис. 6) в атмосферных условиях. На рис. 7 и 8 приведены спектральные коэффициенты отражения полимеров, определенные при различных температурах (Т « 300 К, Т2^77 К) мишеней. При нагреве в условиях даже высокого вакуума
Рис. 7. Спектр отражения исследуемых образцов в видимом и БИК-диапазонах при нормальных условиях:
1 — (СН20)п; 2 -(С2)п
Рис.8. Зависимости коэффициентов отражения (С2F4)п (а) и (СН20)п (б) от энергии падающих квантов при температуре 298 К (1) и 77 К (2)
на поверхности полимерных мишеней, вероятно, образуется структура, которая существенно изменяет коэффициенты отражения в ВУФ-области, для нагретых мишеней коэффициенты отражения в области спектра снижаются с увеличением температуры. Отражательная способность полиформальдегида в области спектра Ну « 5 ... 6 эВ составляет ^14. ..24%, и с увеличением энергии фотонов спадает, имея плато при Ну « 8 ... 10 эВ и при 16 ... 17 эВ, с дальнейшим увеличением энергии квантов регистрируется минимум в области Ну « 25 эВ. Исследование взаимосвязи между значениями индикатрисы силы излучения, отраженного под выбранным углом регистрации при подсветке по нормали изотропных поверхностей мишеней и под эквивалентным телесным углом отраженного потока, позволило определить
оптимальные углы зондирования для исследуемого диапазона частот (при одинаковой обработке поверхности образцов) и сравнить индикатрисы силы отраженного излучения. Некоторые результаты экспериментального определения спектральных коэффициентов отражения Л(А) в ВУФ области спектра (при Т « 300 К) для ряда промышленных образцов диэлектриков также приведены на рис. 7 и 8 в условиях низкой спектральной плотности мощности зондирующего излучения — допороговой для начала развития волны испарения на поверхности исследуемых мишеней. Хорошая воспроизводимость экспериментальных результатов Л(А) при ВУФ узкополосном зондировании в диапазоне температур Т « 300... 77 К позволяет выявить основные закономерности частотного распределения коэффициентов отражения в ВУФ области спектра конструкционных материалов данного класса и их корреляцию с зависимостями Л (А) на лазерных частотах, которые могут быть использованы для спектрально-энергетического оптимизационного анализа плазменно-лучевых энергоустановок с применением стандартного фотометрического оборудования. В температурном диапазоне ~77 К регистрируется незначительный (~10 %) разброс значений Л (А) в ВУФ области спектра, что требует статистического анализа инструментальной погрешности в каждом спектральном интервале и дальнейшего развития данной экспериментальной технологии изучения спектрально-энергетических зависимостей Л(А, Т, 10) с использованием вторичных метрологических эталонов в сверхвысоком вакууме.
Сравнительный анализ спектральных коэффициентов отражения показывает их удовлетворительное соответствие частотным зависимостям Л(А) в УФ области спектра (4... 6эВ), полученным с использованием газоразрядных источников зондирующего излучения в аналогичных экспериментальных условиях [7].
Полученные новые экспериментальные данные об оптических характеристиках в спектральных областях, доступных для сравнения, являются разделом электронной базы экспериментальных и расчетно-теоретических данных термодинамических, оптических и транспортных характеристик активных сред и конструкционных материалов плазменных и фотонных энергетических установок, создаваемой для ИК-МР диапазона спектра и температур 10-3 ... 102 эВ, логика и структура которой описана в работе [8].
Исследования выполнены при поддержке РФФИ, грант № 08-0812047.
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), <hrrp://www.hbcpnetbase.com>)
2.ГинзбургВ.Л.,МотулевичГП.// УФН. - 1955. 55 (4). - C. 469-535.
3. W e b e r M. J. Handbook of optical materials // CRC press. - 2003. - 499 p.
4. Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. - М.: Наука, 1967. - С. 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. Т е р н о в И. М., Михайлин В. В. Синхротронное излучение. Теория и эксперимент. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 296 с.
7. Протасов Ю. Ю., Христофоров В. В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Приборостроение". - 2003. - № 2. - C. 25-31.
8. Протасов Ю. Ю., Т е л е х В. Д. Термодинамические, оптические и транспортные свойства рабочих веществ плазменных и фотонных энергетических установок. В 3-х томах / Под ред. Ю.С.Протасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
Статья поступила в редакцию 6.05.2009
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, доцент 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.), assoc. professor of "Gas-Turbine and Non-Traditional Facilities" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than over 100 publications in the field of photon energy.
