ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. КАРАЗІНА

Журенко Віталій Павлович

УДК 533.9

НЕРІВНОВАЖНІ РОЗПОДІЛИ ЕЛЕКТРОНІВ У ТВЕРДОТІЛЬНІЙ

ПЛАЗМІ ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ БЕЗПОСЕРЕДНЬОГО

ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ

01.04.08. – фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків-2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат фізико-математичних наук Кононенко Сергій Ігнатович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри фізики плазми.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук Ханкіна Світлана Ісаківна, Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, м. Харків, старший науковий співробітник.

доктор фізико-математичних наук, професор Корнілов Євген Олександрович, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, начальник відділу.

Провідна установа:

Інститут ядерних досліджень НАН України,

відділ фізики плазми, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “18” червня 2004 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитися в Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, майдан Свободи, 4.

Автореферат розісланий “17” травня 2004 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________________ Письменецький С.О.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останнім часом значну увагу привертають фізичні явища, що відбуваються у твердотільній плазмі, зокрема при взаємодії з нею пучків заряджених частинок. Ці питання стосуються також нерівноважних станів різних фізичних систем, у яких спостерігаються степеневі чи близькі до них розподіли частинок за енергіями. Зростаючий інтерес до цієї проблеми пов'язаний з розробкою і широким використанням потужних джерел частинок та енергії, а також з розвитком термоядерної програми. Завдяки тому що плазма твердих тіл за інших рівних умов більш стійка порівняно з газовою, вона є дуже привабливим середовищем для вивчення нерівноважних станів. Наприклад, у випадку напівпровідникової плазми існує можливість змінювати її параметри в широких межах. Одним з можливих варіантів створення нерівноважності у твердотільній плазмі є проходження пучків швидких іонів. Швидкий іон, який рухається у твердому тілі, уздовж свого шляху збуджує електронну підсистему твердого тіла, створюючи плазмовий канал з поперечним розміром, що перевищує дебаєвський радіус екранування. За великої швидкості іона втрати його енергії завдяки вищезгаданому процесу непружної взаємодії з атомами середовища є домінуючими, а в процесах пружних зіткнень витрачається незначна частина кінетичної енергії іона. У цій ситуації, завдяки наявності джерела й стоку в імпульсному просторі, у плазмі твердого тіла формується стаціонарна нерівноважна степенева функція розподілу електронів за енергіями. У випадку, коли джерело і стік досить інтенсивні, створені нерівноважні розподіли електронів можуть привести до виникнення аномалій в емісійних і провідних властивостях, а також до зміни дисперсійних і термодинамічних характеристик середовища. Використовуючи як джерело нерівноважності потоки частинок, що виникають у реакціях синтезу і поділу, аномальні емісійні властивості твердотільної плазми можна використовувати для створення нових джерел струму і перетворювачів з поліпшеними параметрами порівняно з існуючими пристроями (наприклад, тепловими перетворювачами), заснованими на інших фізичних принципах.

Слід зазначити, що попри існування цілого ряду теоретичних робіт, присвячених дослідженням нерівноважних розподілів частинок у твердотільній плазмі, на сьогоднішній день дана тема залишається недостатньо розробленою в експериментальному плані. Крім того, існуючі експериментальні дослідження цих явищ стосуються здебільшого металів, а дані щодо напівпровідників у літературі відсутні.

З позицій вищезазначеного, вивчення питання формування нерівноважних розподілів електронів є важливим для розуміння фізичних властивостей, які притаманні плазмі металів і напівпровідників, що перебуває під впливом потоків іонів, також для практичного використання твердотільних нерівноважних систем для створення нових автономних джерел електричної енергії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі фізики плазми Харківського національного університету ім. В.Н. Каразина Міністерства освіти і науки. Обраний напрям досліджень дисертаційної роботи є частиною фундаментальної науково-дослідної роботи, що виконувалася на кафедрі по держбюджетній темі № : “Фундаментальні дослідження плазмово-пучкових систем з метою розробки на їх основі нових наукоємних технологій” (2000-2002, № державної реєстрації 0100U003293), а також по держбюджетній темі № : “Комплексні дослідження пучків заряджених частинок та їх взаємодії з речовиною для створення новітніх технологій” (2003-2005, № державної реєстрації 0103U004200).

Мета даної дисертаційної роботи полягає у виявленні особливостей формування нерівноважних функцій розподілів електронів при взаємодії швидких легких іонів із плазмою напівпровідників і металів та з’ясуванні можливостей створення з використанням цих розподілів перетворювачів енергії ядерних частинок в електричну.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Ш Провести експериментальні дослідження нерівноважних функцій розподілів електронів за енергіями, що формуються в плазмі напівпровідників і металів при проходженні пучків іонів водню і гелію з різними енергіями.

Ш Проаналізувати роль різних механізмів дисипації енергії іона, зокрема, вплив плазмонного каналу дисипації на формування нерівноважного розподілу у твердотільній плазмі. Експериментально дослідити анізотропію втрат енергії _частинок у плазмі металів.

Ш Провести експериментальні дослідження і числове моделювання електрофізичних параметрів моделі бінарної комірки вторинно-емісійного радіоізотопного джерела струму.

Об'єктом дисертаційного дослідження є плазма напівпровідників і металів при проходженні швидких легких іонів.

Предмет дослідження – функції розподілу електронів за енергіями і можливість використання цих розподілів для здійснення безпосереднього перетворення енергії.

Методи дослідження. Основним при розв’язанні поставлених задач у ході експериментального вивчення був метод виміру інтегральних і диференціальних характеристик емісії нерівноважних електронів, що вийшли з твердотільної плазми при проходженні іонів. Функції розподілу електронів за енергіями у твердотільній плазмі відновлювалися за експериментально виміряними енергетичними спектрами вторинної іонно-електронної емісії, які були отримані за допомогою електростатичного сферичного енергоаналізатора з гальмуючим полем. Для вивчення анізотропного характеру втрат енергії іона проводилися виміри коефіцієнтів вторинної іонно-електронної емісії на простріл і на відбиття методом повного збору емітованих електронів за допомогою електричного поля та електрометричних вимірів струму емісії. Дослідження електрофізичних параметрів бінарної комірки також проводилися шляхом електрометричних вимірів.

Наукова новизна отриманих результатів. Рівень новизни отриманих результатів визначається такими положеннями, що виносяться на захист:

1. Вперше експериментально досліджено нерівноважні функції розподілу електронів, що формуються у плазмі деяких напівпровідників при проходженні пучків високоенергетичних іонів H+ і He+, і показано, що вони мають степеневий характер.

2. Уперше виявлено, що нерівноважні функції розподілу електронів за енергіями в плазмі напівпровідників мають один показник степеня на інтервалі енергій електронів 5_ еВ на відміну від плазми металів, де спостерігаються дві степеневі ділянки з різними показниками степеня.

3. Експериментально показано, що дисипація енергії _частинок у плазмі металів має анізотропний характер. Зокрема, енергія, передана іоном електронам, які після зіткнень рухаються по ходу пучка, значно перевищує таку для електронів, що рухаються у зворотному напрямку. Цей результат було отримано, застосувавши уперше методику виміру коефіцієнтів вторинної іонно-електронної емісії на простріл і на відбиття при одній і тій же енергії іона, що налітає.

4. Досліджено роль збудження плазмових коливань у дисипації енергії іона. Показано, що даний механізм дисипації може суттєво впливати на формування функції розподілу електронів у плазмі металу, особливо у випадку проходження пучків молекулярних іонів.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в дисертаційній роботі експериментальні результати нерівноважних функцій розподілу електронів і каналів дисипації енергії іонів поглиблюють існуючі уявлення про процеси взаємодії швидких легких іонів із твердотільною плазмою. Крім того, вони можуть бути корисними при вивченні нестійкостей і хвильових процесів у твердотільній плазмі за наявності в ній пучків швидких іонів. Оскільки середовище, що перебуває в нерівноважних умовах і в якому спостерігаються степеневі розподіли електронів за енергіями, може проявляти аномальні емісійні властивості, то їх застосування дає можливість створювати принципово нові джерела електричної енергії, холодні катоди й інші пристрої, що перетворюють енергію радіоактивного розпаду в енергію електронного потоку емісії. Одним з таких пристроїв є вторинно-емісійного радіоізотопного джерела струму. Результати експериментального дослідження і числового моделювання електрофізичних параметрів моделі бінарної комірки цього пристрою, а також дослідження нерівноважних розподілів електронів у різних матеріалах надають цінну інформацію, що може бути використана при підборі емітерів і оптимізації робочих параметрів цього джерела струму.

Особистий внесок здобувача полягає в підготовці і проведенні ряду експериментів, обробці й обговоренні отриманих результатів, у підготовці й оформленні матеріалів публікацій і доповідей для висвітлення на наукових конференціях і семінарах. Особистий внесок здобувача в публікаціях за темою дисертації такий.

У роботі [1] здобувачем було експериментально отримано коефіцієнт анізотропії енергетичних втрат швидкого іона в плазмі металів, проведено оцінку розподілу енергії швидкого іона по каналам дисипації його енергії в плазмі металів. Здобувач брав участь в аналізі й обговоренні результатів експериментів з атомарними і молекулярними іонами водню.

У роботі [2] здобувачем було проведено підготовку експериментальної установки до вимірювання енергетичних розподілів електронів. Безпосередньо брав участь у експериментах на прискорювачі, а також в обговоренні отриманих результатів. Автором проведено математичну обробку отриманих експериментальних даних.

У роботі [3] здобувачем були проведені експериментальні дослідження вторинно-емісійних властивостей матеріалів і сумарного електронного виходу бінарної комірки, отримані експериментальні і теоретичні залежності потужності струму бінарної комірки від напруги.

У роботі [4] автором були підготовлені вихідні дані для математичного моделювання вторинно-емісійних процесів, що відбуваються при проходженні швидких -частинок в бінарній комірці, і проведено математичний аналіз отриманих результатів.

Внесок здобувача в роботи, що склали тези доповідей.

У роботі [5] здобувачем були проведені експерименти з метою дослідження анізотропного характеру втрат енергії швидкого іона в речовині.

У роботі [6] автор брав участь у підготовці і проведенні експерименту з метою дослідження енергетичних розподілів електронів для нержавіючої сталі при проходженні пучків іонів водню і гелію, провів математичну обробку отриманих експериментальних результатів.

Апробація результатів дослідження. Основні результати дисертації доповідалися на таких наукових конференціях і семінарах: VII Міждержавний семінар “Плазмова електроніка і нові методи прискорення” (2000, Харків, Україна), XXVIII Звенигородська конференція з фізики плазми й КТС (2001, Звенигород, Росія), І конференція молодих учених “Тобі, Харківщино, – пошук молодих” (2002, Харків, Україна), Third International Workshop and School “Plasma Physics, Diagnostics and Plasma Related Applications” (2003, Kudowa Zdroj, Poland), VIII Міждержавний семінар “Плазмова електроніка і нові методи прискорення” (2003, Харків, Україна). На останніх трьох з вищезгаданих конференцій і семінарів матеріали доповідалися здобувачем.

Публікації. Основні матеріали дисертаційного дослідження опубліковано в 4 статтях у наукових фахових журналах і 2 тезах, надрукованих у збірниках тез доповідей конференцій і семінарів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаної літератури (119 позицій на 13 сторінках). Зміст дисертаційного дослідження викладено на 128 сторінках, робота містить 21 рисунок, 2 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, визначається об’єкт дослідження, мета і завдання дисертації, характеризується стан вивчення названої проблеми, визначається наукова новизна результатів та можливості їх практичного використання, відображено особистий внесок здобувача в опубліковані разом зі співавторами наукові праці, подано інформацію про апробацію результатів дисертації, описано структуру й обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі представлено огляд літератури, що стосується тематики дисертаційного дослідження, розглянуто сучасний стан експериментальних і теоретичних досліджень функцій розподілів частинок, що формуються у твердотільній плазмі в нерівноважних умовах, особливо при проходженні пучків іонів. Приділено увагу роботам, які присвячені дослідженням механізмів дисипації енергії швидкого іона у твердотільній плазмі. Розглянуто вторинну іонно-електронну емісію, вивчення енергетичних спектрів якої дає можливість отримати інформацію про функції розподілів електронів, що формуються в плазмі твердого тіла.

Другий розділ “Експериментальні установки і методики вимірів” присвячений опису двох експериментальних установок і методик проведення вимірів. У підрозділі .1 описана установка зі сферичним енергоаналізатором з гальмуючим полем, на якій проводилися дослідження нерівноважних функцій розподілу електронів, що формуються у плазмі металів і напівпровідників при проходженні швидких легких іонів. В основу дослідження було покладено застосовуваний вже раніше метод відновлення явного виду функції розподілу електронів у твердотільній плазмі за обмірюваними енергетичними спектрами вторинної іонно-електронної емісії (ВІЕЕ). Експерименти було проведено на прискорювачі Ван де Графа з пучками іонів H+ і He+ з енергією від 1,00 до 2,25 МеВ із кроком 0,25 МеВ. Усередині вакуумної камери розташовувався аналізатор, що складався з двох напівсферичних колекторів з радіусом 100 мм і мішені з діаметром 10 мм, що закріплювалася на тримачі зі спеціальним резистивним шаром.

Товщина мішеней значно перевищувала довжину пробігу використовуваних іонів у речовині мішеней. Пучок іонів з прискорювача, сколімований за допомогою системи діафрагм, падав на мішень. Нерівноважний плазмовий канал, що формувався внаслідок втрат енергії іоном, мав розміри значно перевищуючі радіус Дебая для електронів. Частина нерівноважних електронів мала змогу покинути мішень і з її поверхні відбувалася ВІЕЕ на відбиття. Площина мішені була перпендикулярною до осі пучка. Діаметр пучка на мішені складав 3 мм. Густина іонного струму на мішені була не вищою за 30 мкА/см2. Гальмуюче електричне поле створювалося між сферичним колектором і мішенню за допомогою генератора напруги, що змінювалась в інтервалі від 0 до 255 В з кроком в 1 В. Розподіл поля усередині енергоаналізатора був близький до сферичного. В ході математичної обробки експериментальних даних визначалися показники степеня s енергетичних функцій розподілів електронів. У випадку, коли функція розподілу степенева f(E)E-s, де ЕF++eU – повна енергія електронів у твердотільній плазмі, – робота виходу, EF – енергія Фермі, U – гальмуючий потенціал, похідна струму емісії електронів по гальмуючому потенціалу для сферичного енергоаналізатора може бути представлена, як: dI/dU(EF++eU)s+1, де B – константа. У подвійному логарифмічному масштабі крива, описувана цією залежністю, являє собою пряму з тангенсом кута нахилу, рівним s+1, що дозволяє легко визначати показник степеня шуканої степеневої функції розподілу.

Експерименти з дослідження дисипації енергії швидким іоном, що рухається у твердотільній плазмі, і вторинно-емісійних характеристик бінарної комірки вторинно-емісійного радіоізотопного джерела струму проводилися на установці з радіоізотопним джерелом _частинок, що описана в підрозділі .2. У вакуумній камері розміщалися джерело первинних частинок, мішень і масивний колектор. Потік первинних частинок створювався серійним радіоізотопним джерелом типу МИР3-А з ізотопом Pu239. Джерело випромінювало потік _частинок з енергією 5,15 МеВ. Як мішені використовувалися тонкі фольги товщиною, що не перевищувала довжину пробігу _частинок у даній речовині.

Потік -частинок, пронизуючи мішень, викликав кінетичну ВІЕЕ з її зовнішньої поверхні (так звана емісія на простріл) і з лицьової поверхні плоского змінного колектора (емісія на відбиття). При дослідженні анізотропного характеру втрат енергії _частинок у плазмі металів виміри коефіцієнтів ВІЕЕ на простріл і відбиття здійснювалися методом повного збору електричним полем емітованих електронів й електрометричних вимірів струму емісії. Дослідження електрофізичних параметрів бінарної комірки також проводилися шляхом електрометричних вимірів.

Всі експерименти проводилися в умовах тиску залишкових газів у вакуумних камерах не більше 210-4 Па. Поверхні досліджуваних мішеней очищалися хімічно.

У третьому розділі “Дисипація енергії швидкою зарядженою частинкою у твердотільній плазмі” розглядаються механізми дисипації енергії швидким атомарним чи молекулярним іоном, що рухається у твердотільній плазмі зі швидкістю, яка перевищує швидкість будь-якого електрона середовища надалі іон з такою швидкістю називатимемо швидким.. За такої швидкості кінетична енергія іона в основному передається в електронну підсистему речовини (пружні втрати енергії нехтовно малі). Таким чином з’являється велика кількість електронів, швидкість яких значно перевищує теплову (нерівноважних) через процеси іонізації атомів середовища, збудження колективних коливань електронної густини (плазмонів), які передають свою енергію окремим електронам, та ін. Нерівноважні електрони в треку іона через співударяння один з одним та з рівноважними електронами формують деяку функцію розподілу. Ця функція буде істотно нерівноважною, оскільки в цій ситуації відмінні від нуля потоки в імпульсному просторі через наявність джерела (іонізація) і стоку (емісія) енергії частинок [7]. В цьому розділі проаналізовані можливі механізми передачі енергії швидким іоном електронам у твердотільній плазмі, завдяки яким відбувається формування нерівноважного розподілу: 1) утворення в близьких (лобових) зіткненнях _електронів зі швидкістю, що відповідає максимальній передачі імпульсу v cos (v – швидкість іона, що бомбардує,  – кут, що відраховується від напрямку руху іона), а також захоплених полем іона (конвойних) електронів з veP; напрямок руху електронів даної групи збігається з напрямком іона, що налітає; 2) далекі зіткнення, що можуть призводити до безпосереднього виникнення низькоенергетичних електронів за рахунок зіткнень з малими переданими імпульсами і до збудження плазмових коливань електронної густини (плазмонів) з подальшою передачею енергії окремим електронам.

У підрозділі .1 представлені результати експериментальних досліджень анізотропного характеру втрат енергії _частинок у плазмі металів, що були вперше проведені методом виміру коефіцієнтів ВІЕЕ на простріл і відбиття при одній енергії налітаючої частинки на установці з радіоізотопним джерелом. Під анізотропією мається на увазі два виділених напрямки: по ходу руху іона (інтервал кутів від 0 до /2, де відраховується від напрямку руху нормально падаючого іона) і проти руху ( від /2 до ). Кількість електронів, що емітована, пропорційна середнім питомим втратам іона у шарі, з якого вони виходять. Середні питомі втрати іона в речовині в кожній точці можна представити у вигляді суми втрат, пов'язаних з передачею енергії електронам, які внаслідок цього рухаються в напрямку первинного іона (dE/dx)F і в протилежному напрямку (dE/dx)B. Коефіцієнти ВІЕЕ в напрямку руху іона F і у зворотному напрямку B пропорційні, відповідно, величинам (dE/dx)F і (dE/dx)B. Таким чином, дослідження ВІЕЕ на відбиття і на простріл з поверхонь двох однакових мішеней (для однієї виміряється B, а для іншої – F) при однаковій енергії іонів, що налітають, дає можливість вивчити анізотропію втрат іона.

Виміри були проведені для пар колектор – мішень, виготовлених з алюмінію, міді й нікелю. Мішені являли собою фольги товщиною 5,6 мкм (Al), 2,01 мкм (Cu) і 0,27 мкм (Ni), що менше довжини пробігу -частинок з даною енергією в речовині мішені. У результаті було з’ясовано, що коефіцієнт анізотропії R F B, який характеризує відношення втрат енергії по ходу руху частинки й у зворотному напрямку, не більше, ніж на 10відрізняється від 1,7. Представлені в літературі експериментальні дані R для інших матеріалів і легких іонів добре узгоджується з результатами, отриманими в нашому експерименті. Це дозволяє припустити, що у випадку швидких легких іонів величина R становить близько 1,7 для різних матеріалів. Анізотропія, що спостерігається пов'язана з наявністю конвойних і _електронів, що емітовані переважно по ходу руху іона. Частку енергії, передану цим електронам, можна визначити як: R  , де  F – B,  F B, що в нашому випадку складає від 22 до 30

У підрозділі .2 аналізується розподіл енергії, втраченої швидким іоном, серед різних груп утворених електронів. В енергетичному розподілі електронів можна виділити такі групи електронів: 1) повільні з енергією Ep електрони (Ep – енергія плазмових коливань), утворені як за рахунок плазмових коливань, так і в безпосередніх далеких зіткненнях; 2) електрони середніх енергій, утворені тільки в результаті безпосередніх далеких зіткнень; 3) швидкі конвойні і _електрони. Повільним електронам першої групи відповідає низькоенергетична частина енергетичного розподілу, верхня границя якого визначається енергією об’ємного плазмона. З метою оцінки розподілу енергії серед вищеописаних груп електронів було проаналізовано функцію розподілу електронів за енергіями для берилію [8], яку було відновлено за експериментально виміряним енергетичним спектром електронів емісії, індукованої з берилієвої фольги на простріл при опроміненні її з тильної сторони ізотропним потоком _частинок з енергією 4,9 МеВ. Розподіл можна умовно розділити на дві області, границя між якими визначається енергією об'ємного плазмона Ер=18,9 еВ у берилії, – електрони першої і другої груп відповідно. Оскільки число емітованих електронів пропорційно питомим енергетичним втратам первинної частинки, то можна оцінити енергетичний внесок іона в кожну з груп електронів. Проінтегрувавши окремо ці дві області спектра N(E), можна визначити кількість електронів першої N1 і другий N2 груп частинок: , , де E – енергія електронів у вакуумі, E*  еВ. Відносний енергетичний внесок електронів першої K110 і другої груп частинок K220 (N0 =1 +2 – повне число емітованих частинок) складає 0,63 і 0,37 відповідно. З урахуванням того, що приблизно четверта частина енергії іона передається конвойним і _електронам (див. підрозділ .1), частка втраченої енергії, що йде на утворення повільних електронів (Ep) і яку можна визначити як: Eпов E1  –) у нашому випадку складає від 45 до 50повних непружних втрат іона в речовині E. Оскільки ця частка повинна бути розподілена між двома рівноцінними каналами дисипації (безпосередні далекі зіткнення і плазмони) [9], то можна зробити висновок, що на збудження плазмонів витрачається помітна частина енергії іона, що рухається в плазмі металу.

У підрозділі .3 представлені отримані здобувачем результати аналізу раніше проведених на кафедрі експериментів з дослідження енергетичних розподілів електронів, емітованих на простріл з поверхонь тонких мішеней Ag, Cu, Ni при бомбардуванні пучками атомарних H1+ і молекулярних H2+ іонів з енергією 1 МеВ і 2 МеВ відповідно [10]. Розподіли були отримані за допомогою малоапертурного спектрометра із гальмуючим потенціалом, що був розташований під кутом 40 до іонного пучка. Товщина мішеней складала: Ag – 2,0 мкм, Cu – 2,1 мкм, Ni – 1,1 мкм. Аналіз результатів експериментів показав, що розподіли апроксимуються степеневою залежністю від енергії виду f(E)E-s. Для визначення розходжень в енергетичних розподілах нерівноважних електронів при проходженні молекулярних й атомарних іонів, обчислювався диференціальний коефіцієнт , де (E) – диференціальний електронний вихід.

Особливості, на які варто звернути увагу, – це наявність максимуму на кривій в області 20 еВ і ділянки з R(E) < 1 для енергій електронів менше 10 еВ Енергія вторинних електронів, що відповідає максимуму на кривій R(E), зменшується, а амплітуда кривих зростає з ростом питомих енергетичних втрат іона dЕ/dx.

Наявність максимуму може бути пов'язана з великими втратами молекулярного іона на збудження коливань кільватерної густини заряду за рахунок скорельованого розльоту фрагментів молекули, що утворилися в результаті її розвалу. Оскільки енергія плазмонів має фіксовану величину для конкретної речовини, цим втратам відповідає визначена область електронного спектра. Зважаючи на вищезазначене, доходимо висновку, що максимум може мати плазмонну природу. Наявність ділянки R(E) < 1 в області малих енергій електронів пояснюється зменшенням ролі безпосередніх зіткнень з малими переданими імпульсами молекулярного іона порівняно з атомарним. По-перше, для двохатомної молекули передній іон екранує від зіткнень другий. По-друге, під час руху заднього іона молекули в кільватерному сліді переднього може мати місце додаткове екранування електронами середовища.

У четвертому розділі “Експериментальні дослідження нерівноважних функцій розподілів електронів у твердотільній плазмі” представлені результати експериментів з вивчення нерівноважних функцій розподілів електронів за енергіями в плазмі напівпровідників і металів при проходженні пучків швидких іонів H+ і He+. В такій ситуації функція розподілу електронів буде визначатися переважно електрон-електронними зіткненнями, оскільки час релаксації енергії електрона за рахунок електрон-електронних співударянь значно менший за час релаксації завдяки електрон-фононним процесам [11]. При цьому густина нерівноважних електронів, що створюється іоном і характеризує інтенсивність джерела, достатня для формування нерівноважної степеневої функції розподілу електронів.

Експерименти проводилися з мішенями, виготовленими з германію, арсеніду галію, телуриду кадмію, титану, срібла, нержавіючої сталі (12Х18Н10Т). Крім того, як мішень використовувався сурм'яно-цезієвий катод, що являв собою тонкий сурм'яно-цезієвий шар, нанесений на масивну нікелеву підкладку. Товщина мішеней перевищувала довжину пробігу іонів у даних речовинах.

У підрозділі .1 представлені результати експериментально вимірюваних за допомогою сферичного енергоаналізатора розподілів електронів за енергіями. Побудовані в подвійному логарифмічному масштабі залежності dІ/dU від (EF++eU) для енергій електронів у вакуумі від 5 до 100 еВ добре описуються лінійними функціями. Це вказує на те, що функції розподілів електронів, що формувалися в даних умовах у плазмі напівпровідників і металів, мають нерівноважний характер і можуть бути описані степеневою залежністю від енергії виду f(E)E. Така залежність мала місце для всіх енергій використовуваних іонів H+ і He+. На рис. і 2 представлені в подвійному логарифмічному масштабі типові функції розподілу нерівноважних електронів для напівпровідника і металу у випадку проходження іонів He+ з енергією 1,25 МеВ.

Як видно з рис. , на розглянутому інтервалі енергій електронів експериментальні точки добре укладаються на одну пряму. Наявність однієї ділянки функції розподілу спостерігалося для всіх досліджуваних напівпровідників. Представлені отримані в результаті математичної обробки експериментальних даних показники степеня функцій розподілів електронів. Показники степеня для всіх напівпровідників відрізняються один від одного не більше ніж на 10і слабо залежать від енергії іонів, що налітають. Для плазми металів і сурм'яно-цезієвого катода функції розподілу за енергіями мають кусочно-степеневий характер (рис. ). Визначено дві лінійних ділянки в інтервалах енергій електронів 530 еВ і 30100 еВ, яким відповідають різні показники степеня s1  і 2.

Спостережувана кусочно-степенева залежність функції розподілу нерівноважних електронів у плазмі металів, а саме, наявність двох інтервалів може бути пов'язана, на нашу думку, із двома різними механізмами передачі енергії швидким іоном, що рухається, електронній підсистемі: 1) збудженням плазмонів з подальшою іонізацією атомів речовини в полях плазмових коливань; 2) непружними зіткненнями, що призводять до безпосередньої іонізації. Енергія електронів, що виникають у результаті іонізації за рахунок першого механізму, не може перевищувати енергію плазмона в речовині EP. Для напівпровідників енергія плазмонів, що поширюються на вільних електронах провідності, є значно меншою від потенціалу іонізації атомів речовини. Цей факт може бути причиною того, що функція розподілу в напівпровідниковій плазмі має в даному випадку один показник степеня на всьому досліджуваному інтервалі енергій електронів.

У підрозділі .2 звернена увага на залежність показника степеня s1 на першому енергетичному інтервалі і середньої енергії електронів функції розподілу для плазми металів від енергії іона гелію (питомих енергетичних втрат іона). Іншими словами, функція розподілу не є універсальною, тобто вона залежить від джерела і стоку. Імовірно, потужність джерела нерівноважних частинок в імпульсному просторі визначається саме питомими енергетичними втратами іона. З ростом енергії (питомих енергетичних втрат) іона абсолютне значення s1 зменшується (зростає). На рис. приведена спостережувана залежність s1 від енергії у випадку налітаючих іонів He+.

Така залежність показника степеня призводить до того, що в функції розподілу відбувається зміна співвідношення між низькоенергетичними і високоенергетичними електронами на користь останніх. Іншими словами, при збільшенні (зменшенні) енергії (питомих енергетичних втрат) іона середня енергія електронів у розподілі зміщується у бік великих енергій (рис. ). Кількість нерівноважних електронів з енергіями більшими, ніж енергія об'ємного плазмона в даній речовині, зростає для великих швидкостей іона. Отже, відбувається перерозподіл втрат енергії між каналами дисипації, у результаті якого плазмонний механізм стає менш ефективним порівняно з механізмом втрат енергії в безпосередніх зіткненнях.

П’ятий розділ “Використання стаціонарних нерівноважних розподілів електронів” присвячений результатам експериментальних досліджень і математичного моделювання вторинно-емісійних процесів у моделі бінарної комірки пристрою, робота якого заснована на використанні вищезгаданих аномальних емісійних властивостей речовини для безпосереднього перетворення ядерної енергії в електричну енергію потоку емісії електронів за рахунок формування степеневих розподілів електронів при проходженні _частинок.

У підрозділі .1 розглянуто запропоноване рядом авторів вторинно-емісійне радіоізотопне джерело струму (ВЕРІДС) [12], що є альтернативою існуючим типам автономних радіоізотопних нетеплових перетворювачів. Основним елементом емітера є одна пара тонких шарів із двох різних матеріалів, що бомбардується _частинками, випромінюваними ізотопом, – так звана бінарна комірка. Перетворення енергії ядерної частинки в електричну відбувається в цій комірці. При проходженні _частинки крізь обидва шари відбувається ВІЕЕ з обох поверхонь кожного шару. За рахунок різниці коефіцієнтів ВІЕЕ на одному із шарів утворюється нестача зарядів, а на іншому – надлишок. Коефіцієнт перетворення однієї пари пластин 1 можна записати у вигляді: 11 _ 2)0/, де 0 – середня енергія електронів емісії, а  – енергія іона.

У підрозділі .2 представлені результати експериментального дослідження електрофізичних параметрів моделі бінарної комірки. Експерименти проходили на установці з радіоізотопним джерелом _частинок. Моделлю комірки служила система мішень – колектор. Експерименти проводилися для двох мішеней Al і Be товщиною 5,6 і 20 мкм відповідно, що менше довжини пробігу _частинок з даною енергією в матеріалі мішені. Колекторами були масивні пластинки з міді і срібла, а також колектор у вигляді набору з 33 циліндрів Фарадея, кожний з який являв собою мідну трубку діаметром 10 мм і довжиною 100 мм.

Для двох комірок, що складалися з алюмінієвої мішені й мідного колектора, а також колектора у вигляді набору циліндрів Фарадея, були виміряні вольтамперні характеристики (ВАХ). Як видно з рис. , на відміну від ВАХ для набору циліндрів Фарадея, аналогічна крива для мідного колектора характеризується наявністю максимуму в області напруг (1520) В. Це пояснюється тим фактом, що електрони з високоенергетичного хвоста іонно-електронного розподілу, потрапляючи на протилежну пластину бінарної комірки, викликають вторинну електронну емісію (ВЕЕ) з металевих поверхонь.

Оскільки пристрій, що розглядається, є джерелом струму, то для моделі бінарної комірки було проведено теоретичний розрахунок та експериментальні дослідження потужності, що виділяється в навантаженні. Використовуючи відповідну плоскому випадку (гальмуюче електричне поле має тільки z-компоненту) формулу залежності струму електронів ВІЕЕ від гальмуючого потенціалу, на прикладі міді було показано, що для потужності спостерігається максимум. Отримане оптимальне значення напруги Uтеор  В. Використовувана залежність описує ідеалізовану ситуацію, коли при прольоті -частинки один з тонких шарів комірки емітує електрони ВІЕЕ, а інший шар тільки акумулює ці електрони (не враховується ВЕЕ). Тому реальне значення Uексп може виявитися значно меншим, що і було продемонстровано експериментально на прикладі двох комірок.

Для моделі бінарної комірки алюміній – мідь було виміряно відповідні значення електронних виходів : для алюмінієвої мішені – на простріл, для мідного колектора – на відбиття. Вони склали 11,6 і 8,5 відповідно. Крім того, для цієї комірки було виміряно надлишковий заряд експ,0, що виникає при проходженні _частинки, як відношення струму, що протікає в комірці при заземленій мішені, до первинного струму _частинок. Знак надлишкового заряду вказує на те, що потік емітованих електронів з поверхні мідного шару перевищував потік з алюмінієвого, хоча виміряні значення свідчать про зворотне. Така істотна зміна зарядового балансу в комірці, аж до зміни його знака на протилежний, пов'язана саме з наявністю ВЕЕ.

В підрозділі .3 для додаткової перевірки впливу вищезгаданого третинного ефекту на процеси обміну електронами в бінарній комірці для пари алюміній – мідь було проведено математичне моделювання надлишкового заряду  Cu Cu _ Al _ Al, де  – коефіцієнт ВЕЕ, а також енергетичного спектра електронів ВЕЕ з обох шарів комірки. Розглядалися поверхні, звернені одна до одної. Діапазон енергій вторинних електронів складав від 1 до 100 еВ. Розрахунки проводилися на одну _частинку. Нерівноважні степеневі розподіли електронів ВІЕЕ за енергіями для цих матеріалів задавалися аналітично з урахуванням виміряних нами значень (див. вище) і показників степеня, наведених у літературі. Дані по ВЕЕ також були взяті з літератури (типовий енергетичний спектр, залежності коефіцієнтів ВЕЕ від енергії налітаючих електронів). Моделювання показало, що при проходженні _частинки виникає надлишковий заряд ,05 електронів на одну _частинку, що узгоджується з виміряним значенням експ. Аналіз отриманих спектрів ВЕЕ з поверхонь шарів бінарної комірки вказав на те, що істотним виявляється процес істинно вторинної емісії, а пружно відбиті електрони роблять незначний внесок.

ВИСНОВКИ

У дисертації досягнута мета роботи, яка полягала у виявленні особливостей формування нерівноважних функцій розподілів електронів при взаємодії швидких легких іонів із плазмою напівпровідників і металів і з’ясуванні можливості створення з використанням цих розподілів джерел електрики. При розв’язанні поставлених задач інформація про процеси, що відбуваються в треку іона, була отримана методом дослідження вторинної іонно-електронної емісії. Результати роботи представляють інтерес з точки зору отримання фундаментальних знань про процеси взаємодії пучків швидких легких іонів із твердотільною плазмою і використання степеневих функцій розподілів електронів, що формуються в ній за цих нерівноважних умов, для створення пристроїв безпосереднього перетворення енергії _частинок в електричну енергію.

Основні наукові висновки дисертаційного дослідження:

1. Нерівноважні функції розподілів електронів, що формуються у плазмі напівпровідників (Ge, GaAs і CdTe) при проходженні пучків швидких іонів H+ і He+, мають степеневу залежність від енергії. При цьому визначено один показник степеня в інтервалі енергій нерівноважних електронів 5100 еВ.

2. Функції розподілів електронів за енергіями, що формуються в аналогічних умовах у плазмі металів (Ag, Ti і нержавіюча сталь), мають кусочно-степеневий характер з різними показниками степеня на енергетичних інтервалах 530 і 30100 еВ. Наявність двох степеневих ділянок у розподілах на відміну від напівпровідників зв’язується з двома механізмами передачі енергії від швидкого іона електронам середовища: безпосередніми зіткненнями і через плазмові коливання, що збуджуються іоном. Плазмони, що розповсюджуються на електронах провідності в напівпровідниках, не роблять внеску у формування функції розподілу електронів тому, що їх енергія значно нижча за потенціали іонізації атомів речовини.

3. Встановлено, що показник степеня на першому енергетичному інтервалі нерівноважної функції розподілу електронів у плазмі металів залежить від енергії (питомих енергетичних втрат) іона гелію, що налітає. З ростом енергії іона величина показника степеня зменшується.

4. Показано, що збуджувані іоном плазмові коливання (плазмони) в металах роблять істотний внесок у дисипацію енергії швидких іонів і, отже, у формування нерівноважних функцій розподілів електронів, особливо у випадку молекулярних іонів внаслідок скорельованого розльоту фрагментів молекули.

5. Показано, що для швидких -частинок, які рухаються в плазмі металу, дисипація енергії у процесах взаємодії з електронною підсистемою має анізотропний характер. Експериментально встановлено, що втрати енергії, пов'язані з передачею частини енергії електронам середовища, які після зіткнень рухаються в напрямку іона, значно перевищують такі для електронів, що рухаються у зворотному напрямку. Різниця у втратах, що спостерігається, обумовлена передачею частини енергії іона швидким захопленим полем іона (конвойним) електронам і _електронам, що мають відповідні імпульси.

6. Проведено експериментальні дослідження моделі бінарної комірки пристрою, робота якого основана на можливості використання аномальних емісійних властивостей твердого тіла, спричинених наявністю нерівноважних функцій розподілів електронів. Установлено, що електрична потужність, яка виділяється в навантаженні, має максимум. Виявлено, що третинні ефекти з обох шарів бінарної комірки вторинно-емісійного радіоізотопного джерела струму значно впливають на зарядовий баланс і потужність, що виділяється в навантаженні. Експериментальні результати підтверджуються математичним моделюванням процесів зарядового обміну між двома поверхнями різних металів при бомбардуванні _частинками.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Журенко В.П., Кононенко С.И., Карась В.И., Муратов В.И. Диссипация энергии быстрой заряженной частицей в твердотельной плазме // Физика плазмы. – 2003. – Т. , №2. – С. – 156.

2. ZhurenkoKononenkoKalantaryanKolesnikMuratov V.I. Nonequilibrium electron distribution functions induced by fast ions in semiconductor plasma // Вопросы атомной науки и техники Сер. “Плазменная электроника и новые методы ускорения”. – 2003. – №4. – С. – 151.

3. Карась В.І., Кононенко С.І., Кононенко О.С., Журенко В.П., Муратов В.І. Дослідження кінетичної електронної емісії для створення джерела струму нового типу // Доповіді НАНУ. – 2002. – №7. – С. – 87.

4. Журенко В.П., Кононенко А.С., Кононенко С.И., Муратов В.И. Математическое моделирование вторично-эмиссионных процессов, индуцированных быстрыми ионами // Вісник Харківського університету Сер. фіз. “Ядра, частинки, поля”. – 2002. – №548, вип. (17). – С. – 95.

5. Журенко В.П., Карась В.И., Кононенко С.И., Муратов В.И. Вторичная ион-электронная эмиссия с обеих поверхностей тонких металлических пленок // Тезисы докладов XXVIII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. – 2001. – С. .

6. ZhurenkoKononenkoKalantaryanKolesnikMuratov V.I. Swift light ion induced electron emission from stainless steel // Programme Abstracts, Third International Workshop and School “Plasma Physics, Diagnostics and Plasma Related Applications”. – 2003. – P. .

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

7. Карась В.И., Моисеев С.С., Новиков В.Е. Неравновесные стационарные распределения частиц в твердотельной плазме // ЖЭТФ. - 1976. - Т. , №4(10). - С. .

8. Батракин Е. Н., Залюбовский И. И., Карась В. И. и др. Экспериментальные исследования энергетического спектра вторичных электронов, возникающих при прохождении -частиц через тонкие пленки // Поверхность. - 1986. - № . - С. .

9. Калашников Н.П., Ремизович В.С., Рязанов М.И. Столкновения быстрых заряженных частиц в твердых телах. - М.: Атомиздат, 1980. - 272 с.

10. KalantaryanKaras’Kononenko etc. Plasmon effect in ion beam passage trough thin metal films // Proc. XX ICPIG Contr. papers. – Piza (Italy). – 1991. - V.6. - P. .

11. Балебанов В.М., Карась В.И., Карась И.В. и др. Неравновесные стационарные распределения электронов с потоком по спектру в твердотельной плазме и их использование // Физика плазмы. - 1998. - Т. ,