На правах рукописи

УДК 539.1.074 НЕГОДАЕВ Михаил Александрович МЕТОД ИОННО-ЛУЧЕВОГО РАСПЫЛЕНИЯ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва, 2008 г.

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Г.И. Мерзон, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва.

доктор физико-математических наук, профессор Ю.А. Будагов, Объединённый институт ядерных исследований, г. Дубна.

доктор физико-математических наук, А.А. Голубев ФГУП ГН - РФ Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им.

А.И.Алиханова, г. Москва

Ведущая организация: НИИ ядерной физики имени Д.В.Скобельцына, МГУ имени М.В.Ломоносова (НИИЯФ МГУ).

Защита состоится л 22 сентября 2008 года в 12 часов на заседании диссертационного совета № Д 002.023.02 при Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Автореферат разослан л 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Я.Н. Истомин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

Х в создании эмиттеров из композиционных материалов с включениями эмиссионно-активной фазы;

Х в выборе материалов для будущего реактора ITER;

Х в получении тонких эпитаксиальных пленок ВТСП;

Х 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 ILC.

Задачами диссертационной работы являлись:

- создание многофункциональной электрофизической установки УГЕЛИСФ 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 1. Разработана многоцелевая электрофизическая установка УГЕЛИСФ.

Установка позволяет осуществлять ионное распыление разнообразных мишеней для получения пленок новых материалов, имеющих практическое применение в различных областях науки и техники.

2. Исследованы закономерности ионного распыления и вторичной ионно-электронной эмиссии новых композиционных материалов с включениями эмиссионно-активной фазы (ЭАФ), в качестве которой использовался LaB6 или GdBB.

3. 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.

4. 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.

5. Проведены исследования особенностей получения пленок ВТСП состава Y-Ba-Cu-O IN SITU методом ионно-пучкового распыления при низких давлениях кислорода. Были воспроизводимо получены монокристаллические пленки системы Y-Ba-Cu-O без последующего отжига с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс(R=0)=89 K. На способ и устройство для изготовления пленок и монокристаллов сверхпроводящих металлооксидных материалов был получен патент Российской Федерации.

6. 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.

7. 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.

8. Отработана технология изготовления и проведены исследования рабочих характеристик первых российских ГЭУ на отечественных полиимидных пленках.

9. Показано, что ГЭУ совместно со структурой считывания может работать как микроструктурный детектор с газовым усилением ~ 103.

10. Показано, что детекторы МСГК/ГЭУ способны работать в жестких радиационных условиях в экспериментах по физике высоких энергий, однако требуют сложного управления высоковольтным питанием.

11. Изготовлен и исследован детектор для регистрации СИ из CVD алмаза с электродами из аморфного углерода, полученных бомбардировкой поверхности CVD алмаза ионами азота.

Практическое значение 1. 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.

2. Измерены коэффициенты катодного распыления и вторичной электронной эмиссии композиционных материалов с эмиссионно-активной фазой.

3. Получены Уin situФ монокристаллические пленки ВТСП системы YBa-Cu-O с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс(R=0)=K.

4. Показано, что обработка ионным пучком полевого эмиттера электронов из композиционного материала, представляющего собой зерна алмаза, снижает порог эмиссии электронов.

5. 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.

6. Разработаны и исследованы МСГК с различными полупроводящими покрытиями подложек микростриповых электродов.

7. Показано, что одним из механизмов, влияющих на время жизни МСГК, является катодное распыление микростриповых электродов детектора ионами рабочего газа.

8. Разработаны, изготовлены и исследованы образцы ГЭУ на отечественных полиимидных пленках.

9. Показано, что ГЭУ способен работать как детектор ионизирующего излучения с газовым усилением >103.

10. МСГК/ГЭУ детекторы были использованы во внутреннем трекере эксперимента HERA-B (DESY, г. Гамбург).

11. Изготовлен детектор для регистрации СИ с использованием СVD 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 CIMTEC'98, 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:

УСпособ изготовления пленок и монокристаллов сверхпроводящих металлооксидных материалов и устройство для его осуществленияФ РФ № 2012104. Приоритет от 01.02.1991.

УПолевой эмиттер электронов и способ его изготовления (варианты)Ф РФ №2150154. Приоритет от 18.11.1998.

Вклад автора Автор диссертации внес значительный вклад в создание установки "ГЕЛИС". 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 УГЕЛИСФ, которая позволяет осуществлять ионное распыление разнообразных мишеней для получения пленок новых материалов, имеющих практическое применение в различных областях науки и техники.

2. Исследование закономерностей ионного распыления и вторичной ионно-электронной эмиссии новых композиционных материалов с включениями эмиссионно-активной фазы (ЭАФ), в качестве которой использовался LaB6 или GdBB.

3. 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.

4. Исследования по захвату и накоплению изотопов водорода при переосаждении внешних по отношению к плазме материалов (графит и бериллий).

5. Разработка метода получения пленок ВТСП состава Y-Ba-Cu-O IN SITU посредством ионно-лучевого распыления керамик при низких давлениях кислорода, а также результаты изучения характеристик полученных пленок.

6. Разработка технологии нанесения полупроводящих покрытий на диэлектрические подложки используемых при изготовлении детекторов ионизирующего излучения (МСГК) методом ионно-лучевого распыления.

7. Исследования по старению МСГК камер с полупроводящими покрытиями.

8. 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.