НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР “

ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Єфімов Володимир Павлович

УДК 621.384

Формування ПУЧКІВ позитронів, поляризованих І НЕПОЛЯРИЗОВАНИХ електроНів ДЛЯ ЯДЕРНО-ФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ та МОДИФІКАЦІЇ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ

01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ХАРКІВ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут" Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник

доктор фізико-математичних наук, професор Довбня Анатолій Миколайович,

Інститут фізики високих енергій та ядерної фізики, директор.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Оніщенко Іван Миколайович, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення ННЦ ХФТІ, заступник директора.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Рудичев Володимир Григорович, Харківський національний університет

ім. В.Н.Каразіна, завідувач лабораторії радіаційної фізики.

Провідна установа

Інститут ядерних досліджень НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться " 21 " 01 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 у Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут" за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розіслано " 17 " 12 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук, професор М.І. Айзацький

загальна характеристика роботи

У вирішенні фундаментальних та прикладних задач при дослідженні структури матерії і зміні властивостей речовини особливе місце займають пучки електронів і позитронів, що сформовані та прискорені в лінійних електронно-позитронних колайдерах або в лінійних прискорювачах електронів.

Актуальність теми. Можливості проведення фізичних експериментів на прискорювачах електронів в значній мірі залежать від якості пучка. Утворення нових додаткових пучків заряджених частинок в інжекторній частині прискорювача істотно розширює коло експериментів та підвищує їх ефективність. На прискорювачі електронів на енергію 2000 МеВ (ЛПЕ-2000) ННЦ ХФТІ виникла необхідність в розробці інжекторного комплексу, який зводив би в один електронно-оптичний канал пучки позитронів, поляризованих і неполяризованих електронів для їх подальшого прискорення у НВЧ-структурах.

Питання генерації, фокусування і прискорення пучків позитронів на лінійних прискорювачах електронів пов'язані з ефективною роботою всіх систем ЛПЕ-2000. Системи транспортування і фокусування пучка електронів на позитронну мішень (конвертор), формування каскадних електронно-позитронних процесів у мішені і вибір її товщини визначають кутові й енергетичні характеристики і повне число позитронів, що вилітають з мішені. Струм пучка позитронів залежить від енергії і струму пучка електронів та напруженості фокусуючого магнітного поля позитронної системи при оптимальній товщині конвертора. Енергія пучка позитронів на виході прискорювача визначається НВЧ-структурами, які налагоджені на прискорення позитронів і очищення пучка від електронної складової.

Розвиток фізики поляризованих явищ стимулював розробку джерела поляризованих електронів. Роботам щодо вдосконалення джерел поляризованих електронів (ДПЕ) для використання їх в експериментальній фізиці високих енергій у сучасній науці приділяється велика увага. Цю проблему вивчають вже десятки років у різних країнах світу, але на сьогодні ще не створене ДПЕ, яке б за своїми параметрами задовольняло вимоги поляризаційних експериментів і за надійністю, стабільністю й оперативністю при експлуатації працювало одночасно як інжектор прискорювача електронів. ДПЕ, які використовуються в основних наукових центрах світу на основі фотоемісії електронів з кристалів GaAsР, забезпечують досить високу ефективність пучка і малого його емітансу, однак вони складні технологічно і термін експлуатації кристалів недостатній, що призводить до зниження коефіцієнта надійності роботи прискорювача і його економічних показників. Розробка інших методів формування поляризованих електронів, що відповідають цим вимогам, є актуальною проблемою.

При розробці джерела поляризованих електронів та їх прискоренні до високих енергій без втрати ступеня поляризації можна проводити дослідження пружного розсіювання електронів і процесів електронародження піонів на нуклонах на якісно новому рівні. Пучок електронів з поздовжньою поляризацією та енергією і  МеВ при взаємодії з кристалічними й аморфними мішенями може генерувати пучок гальмових гамма-квантів з циркулярною поляризацією ~ і з енергією, яка дорівнює енергії падаючих (первинних) електронів.

Експерименти з поляризованими електронами дають можливість не тільки деталізувати відомості про амплітуди електромагнітної взаємодії, але й піддати перевірці фундаментальні закони симетрії. Однією з актуальних проблем фізики елементарних частинок є питання про слабкі струми в електромагнітних взаємодіях.

Взаємодія високоенергетичних пучків заряджених частинок і гамма-квантів з структурою кристалічних матеріалів дозволяє створювати нові композиційні матеріали зі зміненими оптичними та електрофізичними властивостями і вирішувати проблему аморфно-кристалічних перетворень воднево-стимульованої аморфізації в об'ємній монокристалічній структурі.

Формування аморфно-кристалічних інтерфейс структур при радіаційній обробці монокристалічних кремнієвих матеріалів з використанням ядерної трансмутації Si<Al> і синтез полікристалічних алмазних покриттів (poly-DC) в НВЧ-системах дозволять розвинути нові технології для створення перспективних матеріалів для напівпровідників. Фотоелементи сонячних батарей, виготовлені з таких матеріалів, будуть мати високу ефективність перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію та радіаційну, зарядову, температурну і механічну захищеність. Вони забезпечать формування потужних енергетичних систем наземного та космічного застосування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Створення та дослідження пристроїв формування пучків позитронів, поляризованих і неполяризованих електронів пов'язані з виконанням робіт по реконструкції лінійного прискорювача електронів ЛП-2 ХФТІ (рег.№ ВТД 49/24.03.86) за темами "Дослідження можливості підвищення енергії електронів і поліпшення параметрів систем лінійного прискорювача ЛП-2" (тема № 6-01-11-05-35/03, 1986 р.) і “Розробка та дослідження систем прискорювально-вимірного комплексу ЛПЕ-НР-2000”. (Держзамовлення № 51/89-30, 1990 р.).

Роботи з використання пучків ЛПЕ і НВЧ-обладнання за умов радіаційно-плазмової обробки матеріалів виконані в рамках програми робіт з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ за темою "Розробка нових і удосконалення існуючих лінійних прискорювачів електронів ННЦ ХФТІ для проведення наукових і прикладних досліджень". (Підрозділ – НДК “Прискорювач”, тема № 35/01, 1999-2000 р.р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка ефективних методів генерації позитронів, створення нових способів одержання пучків поляризованих електронів і застосування пучків ЛПЕ для радіаційної аморфізації монокристалічних напівпровідникових матеріалів. Для досягнення цієї мети необхідно:

·

·

· Розробити механізм одночасного зсування фаз високочастотних сигналів збудження клістронів на всьому тракті позитронного каналу ЛПЕ.

·

· Розробити метод ударної іонізації атомів водню з електронною поляризацією пучком прискорених неполяризованих електронів.

· Розробити експериментальне устаткування і пристрої ЛПЕ:

·

· магнітну систему іонізатора і каналу транспортування пучка поляризованих електронів,

· систему виміру параметрів пучка і реверса поляризації електронів,

· пристрій для джерела поляризованих атомів водню з НВЧ-дисоціацією,

· систему НВЧ-дисоціації джерела поляризованих атомів водню,

· вакуумну систему джерела поляризованих атомів водню та іонізатора.

·

· Розробити елементи НВЧ-обладнання для синтезу полікристалічних алмазних покриттів методом хімічного осадження парів.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є створення технологічних процесів генерації позитронів та методів одержання пучків поляризованих і неполяризованих електронів, використання прискорених заряджених частинок і вторинного випромінювання в фізиці високих енергій і радіаційних технологіях.

Предмет дослідження. Предметом цих досліджень є визначення впливу магнітних полів на формування пучків позитронів і їх прискорення в ЛПЕ; вплив імпульсних магнітних і електричних полів на формування пучків поляризованих електронів та їхню пучкову нестійкість; вплив випромінювання на зміну структури і властивостей матеріалів.

Методи дослідження. Результати дисертаційної роботи отримано при використанні експериментальних методів фізики атомних і електронних пучків, ядерної фізики, фізики плазми та твердого тіла. Застосовано метод атомного пучка з НВЧ-дисоціацією газу, а також метод Штерна-Герлаха для спін-сепарації атомів водню. Для поляризованих електронів застосовано спектрометр Віна і метод моттовського розсіяння. При радіаційному легуванні кремнієвих матеріалів та синтезу алмазних покриттів використовуються методи ядерної трансмутації і хімічного осадження парів у водневій НВЧ-плазмі.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. У результаті комплексних досліджень удосконалена технологія генерації і прискорення позитронів на ЛПЕ-2000 ННЦ ХФТІ. Досліджено вплив енергії первинних електронів, товщини мішені (конвертора) на вихід позитронів і їхній енергетичний розподіл. Виявлено, що максимальне захоплення позитронів і передачу фазового об'єму пучка можна здійснити сильним коротким магнітним полем (Н~12кГс) і поздовжнім соленоїдальним магнітним полем на довжині прискорюючих структур, але з меншою величиною напруженості поля (Н~2.5кГс). За допомогою розробленого і встановленого в лінію збудження клістронів фазообертача тромбонного типу для зміни фази НВЧ-поля прискорюючих структур експериментально визначено зсування фази частинок до 20° відносно гребеня прискорюючої хвилі. Це зумовлено впливом магнітного поля позитронної системи на зміну фази частинок з поперечним імпульсом, відмінним від нуля. При включенні всіх магнітних елементів системи відбувається збільшення індукції магнітного поля в зоні конвертора. Позитронна система має високий аксептанс при значно менших напруженостях магнітних полів. Енергетичні витрати на створення ефективних магнітних полів зменшуються вдвічі. Розроблено канал транспортування позитронів на вихід ЛПЕ, отримано пучок з інтенсивністю 6Ч1010+/с, шириною енергетичного спектра DE+/E+ ,5і максимальною енергією (Е+), яка дорівнює 1200 МеВ.

2. З-поміж запропонованих у ННЦ ХФТІ нових методів створення поляризованих електронів для прискорювача вперше розроблена технологія витягування поляризованих електронів із плазмового катода, утвореного при іонізації атомів водню з електронною поляризацією, пучком неполяризованих електронів. Ступінь поляризації вільних електронів наближається до електронної поляризації атомів водню і може досягати ~100%. Введення поляризованих електронів у транспортну систему здійснюється після групування і прискорення їх у НВЧ-полях резонаторів до енергії і  кеВ.

3. Потік атомів водню з електронною поляризацією, необхідний для створення газової мішені в іонізаторі, формується НВЧ-дисоціатором і спіновим сепаратором. Уперше НВЧ-дисоціація відбувається в об'ємному, суцільнометалевому, здатному перенастроюватися НВЧ-резонаторі з параметрами - f0  МГц, P  кВт, температура газу ~  К, ступінь дисоціації ~ тиск газу ~5 Торр. Для компенсації рекомбінаційних втрат атомів водню вводиться у резонатор додатковий пучок електронів з енергією 10ё12 еВ і струмом 6 мА. У каналі транспортування і формування потоку його атоми охолоджуються до температури ~100 К. Для заглушення поверхневої рекомбінації атомів водню в каналі транспортування застосована технологія N2  шарів. Розщеплення потоку атомів за спіновими станами відбувається в 4-х полюсовому квадрупольному магніті за методом Штерна-Герлаха. Джерело пучка атомів має потужну вакуумну систему з диференціальною відкачкою газу.

4. При радіаційній модифікації кристалічної структури пучковими технологіями відбувається зміна оптичних і електрофізичних властивостей в об'ємі напівпровідника. Уперше формування воднево-стимульованої аморфізації в монокристалі кремнію для створення тягнучих внутрішніх електростатичних полів інтерфейс структур в об'ємі напівпровідника досягається за рахунок стабілізації квазіаморфних a-Si:H-кластерів, які виникають у процесі радіаційно-індукованого розупорядкування атомів кремнію матриці електронами з енергією Е і   МеВ. Розподіл водню в об'ємі матеріалу визначає профіль розподілу a-Si:H/c-Si інтерфейс структур у матриці, а концентрація водню визначає величину електростатичних полів. Одержати Н-концентрацію на необхідній глибині Si-матеріалу можна тільки за рахунок примусового руйнування спінових зв'язків з'єднань інтенсивним пучком електронів і таким чином забезпечити безперервну міграцію водню в об'єм напівпровідника. Міграція водню припиняється з закінченням процесу опромінення.

Практичне значення отриманих результатів. Результати даної роботи використані при розробці устаткування і пристроїв формування пучків позитронів і поляризованих електронів для модернізації прискорювача ЛПЕ-2000 ННЦ ХФТІ [1ё6,14ё26]. Радіаційно-пучкові технології [7ё13,27ё29] можуть бути застосовані при зміні властивостей кремнієвих фотовольтаїчних матеріалів сонячних батарей для створення потужних енергетичних систем, які довгочасно експлуатуються в жорстких умовах Землі і космічного простору, а також для створення перспективних матеріалів для лазерної техніки, елементної бази потужної швидкодіючої радіаційно-стійкої електроніки та сенсорів інтенсивних потоків іонізуючого електромагнітного випромінювання.

Достовірність і обґрунтування отриманих результатів базується на аналізі помилок вимірів і числових розрахунків, погодженості розрахункових і експериментальних результатів. Достовірність результатів розрахунків забезпечується результатами експериментів. Достовірність експериментальних результатів забезпечується застосуванням відомих і атестованих методик вимірів.

Особистий внесок здобувача.

·

· Розроблено метод і пристрої фазування на велику НВЧ-потужність (~4 МВт) для одночасної зміни фази НВЧ-поля в усіх секціях тракту позитронів [2].

· Створено методику виводу пучка прискорених позитронів для проведення фізичних експериментів [2, 3].

· Розроблено способи одержання імпульсних пучків поляризованих електронів на газовій мішені, сформованій фронтом струмового імпульсу пучка електронів; в НВЧ-полях з TE0mn-хвилею і рентгенівською мішенню; з поверхні діелектрика у потужних магнітних полях [4,18ё24].

· Розроблено метод одержання пучків поляризованих електронів при ударній іонізації атомів водню з електронною поляризацією [4, 25, 26].

·

·

· Розроблено метод формування аморфно-кристалічних інтерфейс структур при радіаційному розупорядкуванні атомів решітки для зміни властивостей напівпровідникових матеріалів [8ё13, 27, 28].

У зазначених роботах автору належить визначальна роль в розробці вищезгаданих методів і технологій, в експериментальному підтвердженні та обробці отриманих результатів, написанні наукових статей, доповідей і їхньому представленні на регіональних та міжнародних конференціях, симпозіумах і наукових семінарах. Здобувач є одним з основних авторів запатентованих винаходів, що занесені до списку опублікованих праць за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати дослідження, що покладені в основу дисертації, представлялись на міжнародних конференціях з прискорювачів заряджених частинок - в Алушті на 8-й (1989р.), 12-й (1991р.), 14-й (1995р.), 15-й (1997р.), 16-й (1999р.), 17-й (2001р.), у Дубні (1992р.), Протвіно (1994р.), у Голландії (Ейндховен, 1998р.); з радіаційно-пучкових технологій, фотоперетворювачів і алмазних покриттів - у Польщі (Краків, 1996р.), у Харкові (1999р.).

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 20-ти публікаціях [1ё13, 23ё29] та 9-ти авторських свідоцтвах і патентах на винаходи [14ё22], тринадцять робіт [1ё13] опубліковані в журналах фахового видання і відповідають вимогам ВАК України щодо публікацій, cім робіт [23ё29] - в матеріалах конференцій з прискорювачів заряджених частинок і радіаційно-пучкових технологій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатка (97 сторінок друкованого тексту, зокрема 16 малюнків і 8 таблиць). Дев'ята таблиця виконана на окремій сторінці. Список використаних джерел містить 111 найменувань. Повний обсяг дисертації - 114 сторінок.

ОСНОВНИЙ зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і завдання, стисло викладені новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі подано огляд літератури з методів формування пучків позитронів, поляризованих електронів та радіаційно-пучкової модифікації кристалів.

Внаслідок модернізації прискорювача ЛПЕ-2000 і створення багатопучкового інжектора відкриваються нові можливості проведення на прискорювачі якісно нових експериментів з фундаментальних і прикладних програм. Для проведення дослідних робіт необхідно, щоб інжектор прискорювача мав високу надійність і зберігав параметри пучків тривалий час, відтворюючи їх з високою точністю після тимчасових відключень його систем.

Розглядаються методи генерації, формування пучка позитронів, аналізуються особливості його прискорення на ЛПЕ-2000 для проведення фізичних експериментів.

Розглянуто процеси, що спричиняють утворення вільних електронів з виділеним спіновим станом. Аналізуються дані досліджень в області створення джерел поляризованих електронів, які за надійністю та експлуатаційними характеристиками можуть бути застосовані як інжектори ЛПЕ.

Аналізуються причини, що обмежують інтенсивність атомного пучка та обумовлюють низькі експлуатаційні характеристики джерел атомарного водню. Наявність цих проблем пов'язана з рекомбінаційними втратами атомів водню в розрядних колбах при ВЧ-дисоціації. Навіть при використанні НВЧ-дисоціації, але при наявності розрядних колб, має місце обмеження інтенсивності атомного пучка і ресурсу роботи таких джерел.

Розділ 4 присвячений вирішенню проблеми підвищення ефективності НВЧ-дисоціації і збільшенню ресурсу роботи джерел поляризованих атомів водню.

У галузі застосування радіаційно-пучкових технологій при перетворенні структури матеріалів розглядаються проблеми, пов'язані з розробкою високоефективних фотоперетворювачів для створення потужних автономних енергетичних систем. Аналізуються процеси, що лімітують к.к.д. і ресурс роботи фотоперетворювачів в умовах радіаційного й електромагнітного опромінення, сильних електричних і температурних полів та ерозії поверхні. Розглянуто проблеми захисту фотоперетворювачів, що працюють в умовах космічного простору.

У другому розділі розглянута технологія формування високоінтенсивного пучка позитронів на ЛПЕ-2000. Досліджено вихід позитронів з товстих мішеней при великих енергіях первинних електронів. Розглянуто основні проблеми створення магнітної системи джерела позитронів на прискорювачі електронів і її енергетичне забезпечення. Проведено експериментальні дослідження елементів позитронної системи та елементів формування первинного пучка електронів з енергією 200 МеВ на конверторі. Описується фазообертач 10-см діапазону для пропущення великих потужностей до 4-х МВт в імпульсі; він працює без надлишкового тиску і має високу електричну потужність, необхідну для регулювання фази електромагнітної прискорюючої хвилі при одержанні високоенергетичного пучка позитронів на ЛПЕ. Досліджуються режими роботи позитронної системи та оптимізація її параметрів, визначається величина прискорюючих і фокусуючих полів з метою одержання позитронів максимальної інтенсивності. Проведено прискорення пучка позитронів до енергії 1200 МеВ, визначені енергетичний спектр пучка методом вторинної емісії і коефіцієнти конверсії на виході позитронної системи та на виході прискорювача. Проведено дослідження по взаємодії електронів і позитронів високих енергій з кристалами та дезінтеграцї важких ядер електронами й позитронами.

У третьому розділі представлений опис нових методів одержання поляризованих електронів, що мають практичне значення. Проведено теоретичні дослідження цих методів, уточнені фізичні принципи та розроблені способи їхньої технічної реалізації. Показано можливість одержання на їхній основі пучка поляризованих електронів зі струмом у сотні міліамперів в імпульсі тривалістю кілька мікросекунд.

За першим методом інтенсивний пучок електронів направляється на свинцеву мішень. Початкова частина пучка випаровує свинець, а на газовій свинцевій мішені, що утворилася внаслідок випаровування, розсіюється інша частина пучка, утворюючи поляризовані електрони.

За другим методом електрони накопичуються на поверхні діелектрика в магнітному полі. Після закінчення процесу релаксації спінів електрони зриваються з поверхні діелектрика електричним полем.

За третім методом пучок електронів пропускається через потік поляризованих атомів водню. Поляризовані електрони, що утворилися внаслідок іонізації Н, утримуються за допомогою полів електростатичної пастки до закінчення імпульсу струму іонізуючого пучка, а потім виводяться за допомогою імпульсних напруг.

Метод розсіювання електронів на парах свинцю дозволить отримати ступінь поляризації електронів ~40В експерименті з розсіювання електронів для випаровування твердотільної свинцевої мішені колектора створено інтенсивний електронний пучок стрічкової форми товщиною 1 см, шириною 10 см, зі струмом 3 кА в імпульсі тривалістю 0.3 мкс. Для відключення електромагнітних наведень від високовольтного імпульсного генератора електронної гармати на схеми виміру асиметрії розсіювання поперечно-поляризованих електронів введені тимчасові затримки сигналу. Після закінчення перехідних процесів вимірюється ступінь поляризації електронів пучка.

У другому методі електричне поле, яке необхідне для зривання електронів з поверхні діелектрика з невеликою діелектричною сталою величиною, є значно меншим ніж поле автоіонізації. При накладенні магнітного поля, перпендикулярного до поверхні діелектрика в області локалізації електронів, квантовий стан електронів зі спіном уздовж поля буде енергетично більш вигідним у порівнянні з протилежним напрямком спіна. Якщо різниця цих енергій більше енергії теплового руху за час релаксації спінів у магнітному полі, тоді практично всі електрони переходять у більш вигідний енергетичний стан. Ступінь поляризації накопичених електронів буде наближатися до 100Накладенням електричного поля перпендикулярно до поверхні діелектрика електрони знімаються з поверхні і з них формується пучок поляризованих електронів. Напруженість електричного поля не перевищує величину ~90 кВ/см, що легко реалізується у НВЧ-структурах. Тривалість імпульсу струму пучка поляризованих електронів складає 4 мкс.

Метод ударної іонізації найбільше відповідає вимогам, які пред'являються до інжектора поляризованих електронів. Аналіз цього методу показує, що електрони малої енергії, які утворилися внаслідок іонізації, мають ступінь поляризації, близький до ступеня поляризації електронів в атомі водню, а злітаючі електрони порівняно високої енергії є неполяризованими. Поляризовані електрони малої енергії утримуються полями електростатичної пастки в імпульсному магнітному полі. Імпульсний режим дозволяє створювати сильні магнітні поля і знімає технічні проблеми в підведенні електричних потенціалів і подачі охолодження на електроди іонізатора та введення пристроїв діагностики пучків атомів та електронів.

Експериментально на модельній установці перевірена можливість здійснення методу ударної іонізації, утримання електронів, що утворилися при іонізації залишкового газу в камері іонізатора. Тиск залишкового газу в експерименті відповідав концентрації поляризованого водню в газовій мішені, який буде вводитися в іонізатор з джерела поляризованих атомів (див. розділ 3). Досліджено процеси дифузії електронів у пучку, вивід електронів з іонізатора і прискорення електронів без їхньої деполяризації. Зміна напрямку вектора поляризації електронів пучка з енергією 100 кеВ відбувається в спектрометрі зі схрещеними електричним і магнітним полями. Високовакуумні умови в іонізаторі забезпечуються засобами вакуумної відкачки продуктивністю по водню ~8.5Ч103 л/с. Якщо потік поляризованих атомів водню, що надходить в іонізатор з атомного джерела є ~1017 а/с, то може бути отриманий пучок електронів зі струмом у сотні міліамперів і поляризацією близько 100

У четвертому розділі показано результати досліджень щодо можливості одержання інтенсивного потоку атомарного поляризованого водню методом атомного пучка. Ці дослідження мають багатоцільове призначення, тому що обмежуючим фактором одержання високоінтенсивних іонних та електронних поляризованих пучків і створення внутрішніх поляризованих мішеней протонів у прискорювачах заряджених частинок є недостатня інтенсивність атомарного пучка водню чи дейтерію (H,D). Для одержання заданих параметрів пучка поляризованих електронів методом ударної іонізації інтенсивність потоку атомів водню з електронною поляризацією, що вводиться в іонізатор, повинна бути ~1017 а/с. Однак максимальна інтенсивність поляризованих атомів водню при ВЧ-дисоціації складає величину 5Ч1015 а/с, тобто в 20 разів менше необхідної величини для джерела поляризованих електронів. Умовою підвищення потоку атомів водню є максимальне збільшення добутку тиску газу на відсоток його дисоціації. Застосування НВЧ-розряду дозволить підтримувати більш високий тиск в об'ємі резонатора, а зниження рекомбінаційних втрат при дисоціації газу та у пристроях формування газового струменя приведе до збільшення інтенсивності потоку атомів водню, що вводяться в квадрупольний магніт для їхньої спінової сепарації. Ступінь дисоціації молекул водню у НВЧ-розряді збільшується вдвічі, складає ~80і зберігається при тиску газу до 5 Торр у порівнянні з застосовуваним ВЧ-розрядом. НВЧ-дисоціація більш ніж у 20 разів є ефективнішою за ВЧ-дисоціацію. Зі збільшенням тиску газу потрібно вводити в розряд велику високочастотну потужність ~3 кВт. Це приводить до підвищення температури розрядної колби, руйнування її антирекомбінаційного покриття та різкого зниження ступеня дисоціації. Оскільки такі колби регенерації не підлягають, необхідно повторювати весь технологічний цикл по створенню нових колб, їхню установку з розгерметизацією устаткування з наступною вакуумною відкачкою та виконання тривалого тренувального циклу.

У досліджуваному пристрої з НВЧ-розрядом у суцільнометалевому резонаторі з Е010-типом коливань і приосьовому пучку низькоенергетичних електронів ступінь дисоціації H2 зберігається при великому тиску газу без застосування легкоруйнівних антирекомбінаційних покриттів. Приосьовий пучок електронів спричиняє додаткову дисоціацію молекул H2, що утворилися в результаті рекомбінації атомів водню, які потрапили в область витікання з НВЧ-резонатора. Енергія пучка електронів повинна бути 10ё12 еВ, при якій перетин дисоціації молекул водню є максимальним, а перетин іонізації - мінімальним. В електричному полі резонатора з Е010-типом коливань електрони, що втратили енергію на дисоціацію, будуть доприскорюватися і створювати повторні акти дисоціації.

Досліджуються умови ефективного впливу пучка електронів на компенсацію рекомбінаційних втрат атомів водню в резонаторі. Визначається число актів дисоціації в одиницю часу під дією електронів плазми і величина струму пучка електронів. Діаметр пучка електронів повинен перевищувати діаметр виведеного із резонатора пучка атомів. Цей метод застосований у конструкції НВЧ-дисоціатора джерела пучка поляризованих атомів. Такий НВЧ-дисоціатор дозволяє спростити одержання пучка атомів водню високої інтенсивності і за ресурсом роботи не має обмежень.

Досліджуються процеси, що протікають у НВЧ-резонаторі з плазмою. Закачана в резонатор НВЧ-потужність витрачається на дисоціацію, дифузію та нагрівання стінок. Визначено умови розладнання резонатора і гранично припустимі щільності плазми. Визначено умови ефективності дисоціації з урахуванням тиску газу і НВЧ-потужності в резонаторі. Рівень НВЧ-потужності в резонаторі регулюється відводом з перемінним зв'язком (3-х дБ-міст). Для виключення зриву генерації НВЧ-коливань потужністю, відбитою від плазми в резонаторі, у НВЧ-систему встановлено феритовий циркулятор. НВЧ-система виконана на хвилеводі 90х45 мм. Досліджено високочастотні характеристики застосовуваних елементів.

Пристрій формування і транспортування спрямованого потоку атомів водню охолоджується до температури ~100К. Для пригнічення рекомбінації атомів на поверхні його каналів додатково використовується технологія N2-шарів. Очищення сформованого потоку атомів від антирекомбінаційного газу (N2) здійснюється двома відсікачами (скімерами) з перемінним перетином діафрагм. Просторовий поділ атомів у сильному неоднорідному магнітному полі за компонентами тонкої структури відбувається в чотирьохполюсовому спіновому сепараторі з градієнтом магнітного поля 50 кГс/см, довжиною 25 см і апертурою 0.8 см. Дефокусовані атоми зі спіновим станом mj= /2 через торцеві порожнини і додаткові "вікна" у магнітопроводі відкачуються вакуумною системою. Залишковий газ із джерела пучка поляризованих атомів водню відкачується турбомолекулярним насосом типу ТМН-500 і двома електродуговими вакуумними агрегатами типу АВЕД-2/260М. Для кількісного визначення величини потоку атомів розроблені нові вимірники інтенсивності атомного пучка (Т і ФЕП-інтенсиметри), які досить чутливі до виділеної енергії внаслідок рекомбінації атомів газу на колекторі. У ФЕП-інтенсиметр введений детектор з перетворювачем випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає енергії, яка виділяється при рекомбінації атомів вимірюваного газу. ФЕП-інтенсиметр чутливіший за Т-інтенсиметр в 108 разів. ФЕП-інтенсиметр встановлюється в електромагнітній пастці електронів. На вході в спіновий сепаратор джерела атомного пучка встановлюється Т-інтенсиметр.

Додатково на основі розробленої НВЧ-системи з резонатором типу Е011 створено потужний НВЧ-плазмотрон для синтезу полікристалічних алмазних покриттів (poly-DC) з газової фази (CH4+H) методом хімічного осадження парів (CVD-метод).

У п'ятому розділі розглядаються радіаційно-пучкові технології модифікації структури Si-напівпровідникових матеріалів для вирішення проблеми ефективного перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію.

З-посеред існуючих можливостей підвищення ефективності фотоелементів (ФЕ) застосування каскадної системи фотовольтаїчних матеріалів з різними оптичними характеристиками розглядається як найбільш перспективна технологія. Максимальний к.к.д. може бути досягнутий в Si-гетерофотоелементі з мультіінтерфейс структурою, що забезпечує формування каскадного розподілу ширини забороненої зони (Eg) у матеріалі напівпровідника. В такій гетеросистемі фронтальна поверхня повинна мати широкозонну структуру (Eg~4 еВ), а в інших структурах величина Eg послідовно зменшується і найменше її значення визначається c-Si(Al)-структурою. Різкі гетеропереходи реалізуються тільки за умов зміни структури решітки на товщині не більше 20 Е. Сформувати аморфно-кристалічні інтерфейс структури з різкими (d) перехідними зонами традиційними хімічними та дифузійними методами неможливо. Цю задачу можна вирішити із застосуванням іонно-імплантаційних і радіаційних методів розупорядкування гідрогенованої матричної структури Si-фотоелемента інтенсивними пучками високоенергетичних частинок. У таких розупорядкованих структурах можна створювати внутрішні електростатичні поля з напруженістю Е~106 В/см. Формування різких аморфно-кристалічних інтерфейс структур з градієнтним розподілом їх в об'ємі напівпровідника забезпечує створення сильних електростатичних тягнучих полів. Подібними полями можна керувати потоками носіїв зарядів (НЗ), рух яких вже не обмежується малою величиною (~1 мкм) їх дифузійного зміщення. Більш повне поглинання сонячного випромінювання і захист фотоелемента від впливу руйнівної в умовах космосу електризаціі можна використати в с-Si-ФЕ з глибокозалягаючим p-n-переходом. Застосування гетеросистем дозволяє в процес конвертації задіяти широку область сонячного спектру (УФ, видиме світло, ближнє ІЧ-випромінювання) з інтенсивними потоками фотонів. Електростатичні поля, що вбудовані в створені структури Si-гетерофотоелемента з глибокозалягаючим p-n-переходом, забезпечать спрямований рух неосновних НЗ, причому їх просторовий розподіл не залежить від дифузійної довжини. Коефіцієнт збору НЗ і внутрішній квантовий вихід фотогенерації визначають спектральну характеристику фотоперетворювача. Пропускна здатність фронтальної поверхні короткохвильового випромінювання збільшується при її формуванні з широкозонної структури полікристалічного алмазного покриття. Фотогенерація НЗ у довгохвильовій області сонячного спектру збільшується за рахунок багаторазового проходження світлового потоку в об'ємі напівпровідника.

Досліджуються процеси створення гетеросистем з внутрішніми електростатичними полями для керування потоками НЗ в напівпровіднику і наробки центрів для зміни напівпровідникових властивостей кристалу. Процес формування гетеросистем при радіаційній обробці матеріалу складається з трьох частин:

1. Розупорядкування атомів решітки в монокристалічному кремнії (c-Si) на всю його глибину за рахунок радіації.

2. Гідрогенування розупорядкованої структури c-Si внаслідок радіаційного стимулювання міграції водню в об'ємі напівпровідника.

3. Ядерне легування (трансмутація) Si<Al> фотоядерними гамма-нейтрон і гамма-протон реакціями.

Утворення розупорядкованих областей в кремнії відбувається при опроміненні високоенергетичними частинками, коли первинно вибитий атом набуває енергії Е  кеВ. Для електронного опромінення первинна енергія частинок повинна складати більше 10 МеВ. Розупорядковані області являють собою локальне скупчення дефектів розміром 100ё1000 Е, які оточені шаром просторового заряду, що блокує потоки носія заряду. При енергії віддачі атомів менше 5 кеВ в кристал вводяться тільки точкові дефекти. Опромінення кремнію здійснюється інтенсивними пучками електронів з енергіями і 10 МеВ.

Гідрогенування c-Si-матриці, необхідне для стабілізації аморфної фази і нейтралізації рекомбінаційних центрів, відбувається при опроміненні напівпровідника у воднево-гелієвій плазмі. У такому гідрогенованому матеріалі час нейтралізації радіаційних дефектів і утворення с-Si:Н структур залежить від температури відпалу. Формування с-Si<Al> структур проводиться методом ядерного мікролегування на пучку гальмових гамма-квантів з енергією більше 25 МеВ.

Синтез захисного алмазного покриття здійснюється CVD-методом у щільній водневій НВЧ-плазмі. Отримане алмазне покриття за своїми властивостями подібне до природного алмазу і характеризується високою міцністю, теплопровідністю, широкою величиною забороненої зони, оптичною прозорістю, хімічною стабільністю та радіаційною стійкістю.

Формування УФ-“вікна” на поверхні кремнієвого ФЕ здійснюється з використанням НВЧ-плазмотрона резонаторного типу. Перевага такого плазмотрона на відміну від плазмотронів RF-типу полягає в можливості одержання чистого, високощільного, з регульованою температурою потоку водневої плазми.

Зниження температури синтезу poly-DC, необхідного для нанесення покриттів на ФЕ, відбувається за рахунок сенсибілізування киснем реакції синтезу.

Сполучення методу радіаційно-індукованого розупорядкування структури монокристалічного кремнію, CVD-методу синтезу полікристалічного алмазного покриття і лазерного випромінювання дозволяє розробити нові технології для створення кремнієвих фотоперетворювачів з високою конверсійною ефективністю в широкому діапазоні довжин хвиль сонячного випромінювання. Радіаційна, зарядова, температурна і механічна захищеність кремнієвих фотоелементів дозволить значно збільшити їхній ресурс роботи в умовах космічного простору.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена задача по створенню методів та обладнання для формування інтенсивних пучків позитронів, поляризованих та неполяризованих електронів в лінійних резонансних прискорювачах електронів і для радіаційно-плазмових технологій.

Проведено теоретичні та експериментальні дослідження по вдосконаленню способів генерації позитронів, одержання поляризованих і неполяризованих електронів для створення багатопучкового інжектора прискорювача ЛПЕ-2000 ННЦ ХФТІ та використання прискорених пучків і радіаційних технологій для вирішення фундаментальних і прикладних задач.

Основні результати та висновки дисертаційної роботи:

1. Створена система одержання інтенсивного пучка позитронів з енергією до 200 МеВ. Створені пристрої для фокусування пучка електронів на конвертор з енергією 150ё200 МеВ і соленоїдальна магнітна система з напруженістю поля від 12 кГс до 2,5 кГс на довжині ~ 7,63 м, які забезпечують виконання умов для генерації позитронів і трансформації фазового об'єму пучка на вихід позитронного джерела.

2. У результаті розробки фазообертача великої прохідної НВЧ-потужності та установлення його в лінію збудження клістронів переведення прискорювача з електронного в позитронний режим здійснюється практично без втрати пучкового часу.

3. Внаслідок часткової реконструкції позитронної системи створено канал транспортування позитронів на вихід ЛПЕ-2000 і отримано пучок з коефіцієнтом конверсії електронів в позитрони 2.10-4 та інтенсивністю 1.10-8 А, що задовольняє вимоги фізичних експериментів по дослідженню взаємодії високоенергетичних позитронів з монокристалами.

4. Розроблено метод ударної іонізації поляризованих атомів водню пучком неполяризованих електронів. Теоретично обгрунтована та експериментально перевірена можливість створення джерела поляризованих електронів для прискорювача ЛПЕ-2000 методом витягування поляризованих електронів з плазмового катода, утвореного при іонізації атомів водню з електронною поляризацією. Ступінь поляризації вільних електронів наближається до електронної поляризації атомів водню, одержаних методом Штерна-Герлаха, і може досягати ~ 100%, що дає змогу при їх прискоренні до високих енергій одержати пучок гамма-квантів з циркулярною поляризацією для ядерно-фізичних досліджень.

5. Розроблена технологія створення джерела поляризованих електронів методом ударної іонізації, яка забезпечує одержання струму пучка електронів в сотні міліамперів з поляризацією ~ 100%. Джерело може функціонувати в умовах вакууму ~ 1.10-7 Торр, що є недосяжним для джерел з GaAsP-катодами, які використовуються в провідних науково-дослідних центрах. Таким чином, дана технологія дозволяє отримати пучок поляризованих електронів в умовах вакууму ~ 1.10-7 Торр, характерного для систем "теплих" прискорювачів.

6. Досліджено процеси дисоціації в суцільнометалевому НВЧ-резонаторі та пригнічення поверхневої рекомбінації атомів водню за рахунок інжекції повільних електронів в електричне поле резонатора. Даний спосіб, що не має аналогів в практиці, дозволяє створювати джерела пучків атомів з високою інтенсивністю та збільшеним ресурсом їхньої роботи.

7. Розроблено датчики потоків атомів водню з максимальною чутливістю ~ 106 атомів за секунду, які базуються на вимірюванні енергії, що виділяється при їхній рекомбінації.

8. Розроблено методи аморфно-кристалічних перетворень і воднево-стимульованої аморфізації в об'ємній монокристалічній матриці на велику глибину з радіаційною обробкою кремнієвих матеріалів електронами з енергією і 10 МеВ в воднево-гелієвій плазмі. Ці методи дають змогу сформувати внутрішні електростатичні поля для керування потоками носіїв заряду в об'ємі напівпровідника.

9. Розроблена технологія об'ємного легування кремнієвого напівпровідника за рахунок ядерної трансмутації Si<Al> пучком гамма-квантів з енергією ~ 30 МеВ, що дає змогу відновити акцепторну провідність в гідрогенованому кремнієвому напівпровіднику.

10. Досліджені умови формування щільної водневої НВЧ-плазми в резонаторі з Е011–типом коливань на частоті 2450 МГц для синтезу алмазних покриттів без вмісту домішок для виробництва напівпровідникових матеріалів.

11. Запропоновані аморфно-кристалічні інтерфейс структури та захисне алмазне покриття в Si-фотоелементах дозволяють забезпечити високу ефективність і довготривалу працездатність фотоелементів сонячних батарей протягом експлуатації в екстремальних умовах Землі й космічного простору.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ :

1. Гришаєв І.О., Єфімов В.П., Касілов В.І., Фісун А.М. Вихід позитронів з товстих мішеней // УФЖ. -1968. -Т.13, №11. - С.1926-1928.

2. Гришаев И.А., Ефимов В.П., Касилов В.И., Коваленко Г.Д., Мороховский В.Л. О некоторых особенностях взаимодействия электронов и позитронов высоких энергий с кристаллами // УФЖ. -1971. -Т.16, №9. -С.1548-1550.

3. Гришаєв І.О., Єфімов В.П., Касілов В.І., Нога В.І., Ранюк Ю.М., Сорокін П.В., Фісун А.М. Дезинтеграція важких ядер електронами і позитронами // УФЖ .- 969. - Т.14, №11. - С.1818-1820.

4. Ефимов В.П., Закутин В.В., Шендерович А.М. Некоторые новые возможности получения пучка поляризованных электронов // ЖТФ. -1992. -Т.62, №11. - С.127-137.

5. Агранович В.Л., Гетьман В.А., Ефимов В.П., Карнаухов И.М., Кузьменко В.С., Семисалов И.Л. Спектрометр со скрещенными электрическим и магнитным полями для изменения направления вектора поляризации пучка электронов // ПТЭ. -1983. -№5. -С.13-15.

6. Агранович В.Л., Белоглазов В.И., Ефимов В.П., Кузьменко В.С. Система управления ловушкой источника поляризованных электронов // ПТЭ. -1985. -№3. -С.25-27.

7. YefimovStrelnitskiYefimovInterface Structures, Diamond Coatings and Their Application // Telecommunications and Radio Engineering. -2001. -Vol.55(4). -P.84-93.

8. Довбня А.Н., Ефимов В.П., Ефимов С.В. Применение пучковых технологий в разработке фотоэлементов солнечных батарей космических объектов // ВАНТ. -Сер.: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). -Харьков. -1997. - Вып.1(28). - С.58-64.

9. DovbnyaYefimovYefimovRadiation transformation of photovoltage materials structure // ВАНТ. -Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. -Харьков. -1999. -Вып.№1(73), 2(74). -С.143-147.

10. DovbnyaYefimovDyominRadiative Process of Amorphization and Hydrogenation in Monocrystalline Silicon // ВАНТ. -Сер.: Ядерно-физические исследования. -Харьков. -2001. - Вып.5(39). -С.214-216.

11. Довбня А.Н., Ефимов В.П., Ефимов С.В., Красноголовец М.А. Формирование структуры монокристаллических Si-гетерофотоэлементов пучковыми технологиями // ВАНТ. -Сер.: Ядерно-физические исследования .-Харьков. -1997. - Вып.4,5(31,32). -С.193-195.

12. Довбня А.Н., Ефимов В.П., Ефимов С.В. Радиационное преобразование структуры фотовольтаических материалов // ВАНТ. -Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. -Харьков. -1998. -T.2. -Вып.№1(67), 2(68). -С.148-149.

13. DovbnyaYefimovYefimovSleptsovPhotoconverters with Hetero-interface Structure Powerful Electrical Systems // ВАНТ. -Сер.: Ядерно-физические исследования.-Харьков.-1999.-Вып.3(34). -С.113-114.

14. Пат. 15566 Україна, МКВ Н05Н7/00. Пристрій для отримання пучка поляризованих електронів: Пат. 15566 Україна, МКВ Н05Н7/00/ В.П. Єфімов, В.В. Закутін, В.П. Ромасько, О.М. Шендерович (Україна); ННЦ ХФТІ. - 96240271; Заявл. 29.10.93; Опубл. 30.06.97; Бюл.№3. -1с.

15. Способ получения атомарного пучка водорода: А.С. 1688468 СССР, МКИ Н05Н3/00/ В.И. Белоглазов, В.П. Ефимов, Л.Н. Сдобнова, А.М. Шендерович, Б.В. Якимов (СССР).-№4624381/21; Заявл. 26.12.88; Опубл. 30.10.91, Бюл.№40. -1с.

16. Пат. 19793 Україна, МКВ G01N15/02. Пристрій для вимірювання інтенсивності потоку атомів газу у вакуумі: Пат. 19793 Україна, МКВ G01N15/02/ В.П. Єфімов, О.М. Шендерович (Україна); ННЦ ХФТІ. -96240267; Заявл. 29.10.93; Опубл. 25.12.97; Бюл.№6. -1с.

17. Пат. 2069938 Р.Ф., МКИ Н05Н7/00. Устройство для получения пучка поляризованных электронов: Пат. 2069938 Р.Ф., МКИ Н05Н7/00/ В.П. Ефимов, В.В. Закутин, И.А. Ильичев, В.П. Ромасько, А.М. Шендерович (Україна); ННЦ ХФТИ. -4934047/25; Заявл. 06.05.91; Опубл. 27.11.96; Бюл.№33. -1с.

18. Способ получения пучка поляризованных электронов: А.С. 1709559 СССР, МКИ Н05Н6/00/ В.П. Ефимов, В.В. Закутин, В.Ф. Покас, В.П. Ромасько, А.М. Шендерович (СССР). - №4833336/21; Заявлено 01.06.90; Опубл. 30.01.92, Бюл.№4. -1с.

19. Способ получения импульсных пучков поляризованных электронов: А.С. 1564739 СССР, МКИ Н05Н7/00/ В.П. Ефимов, А.М. Шендерович (СССР). - №4275980/24-21; Заявлено 21.07.87; Опубл. 15.05.90, Бюл.№18. -1с.

20. Способ получения импульсных пучков поляризованных электронов: А.С. 1670825 СССР, МКИ Н05Н7/00/ В.П. Ефимов, В.В. Закутин, И.Е. Кулешов, А.М. Шендерович (СССР). - №4458942/21; Заявлено 12.07.88; Опубл. 15.08.91,