авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Ионно-индуцированные процессы и методы исследования поверхностного слоя при высокодозном облучении металлов и углеграфитовых материалов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БОРИСОВ Анатолий Михайлович

ИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ

ВЫСОКОДОЗНОМ ОБЛУЧЕНИИ МЕТАЛЛОВ И

УГЛЕГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность

01.04.08 - Физика плазмы

01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

Ав то ре фе ра т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "МАТИ" - Российском государ ственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского.

Научный консультант доктор физико-математических наук Е.С.Машкова

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, А.Ф.Тулинов профессор (Физический факультет МГУ) Доктор физико-математических наук Ю.В.Мартыненко (Российский научный центр «Курчатовский институт») Доктор технических наук, В.В.Слепцов профессор (МАТИ)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Защита состоится «03» июня 2005 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д501.001.77 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19 - корпус, ауд. 2-

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке НИИЯФ МГУ

Автореферат разослан «26» апреля 2005г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001. д.ф.-м.н., профессор С.И.СТРАХОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Взаимодействие плазмы, ионных, атомарных и молекулярных потоков с материалами является одним из актуальных направлений исследований современной фундаментальной и приклад ной науки. В связи с развитием ионно-плазменных технологий решаются фундаментальные проблемы радиационных повреждений в материалах [1,2], физико-химические проблемы модификации свойств поверхности материалов и синтеза новых материалов [3,4]. Закономерности рассея ния, распыления и вторичных эмиссий при ионно-лучевом воздействии на материалы находят широкое применение для анализа поверхностного слоя материалов, включая in situ анализ и контроль ионно-лучевых и ионно-плазменных технологических процессов [5-7]. Потенциальные возможности ионно-лучевых аналитических методов определяются раз витием физических основ процессов взаимодействия ионов с вещест вом, разработкой методик измерения, обработки и интерпретации полу чаемых данных. В этом широком направлении научных исследований выделяются проблемы фундаментального характера, решение которых стимулируется практическими приложениями.

Несмотря на большой арсенал средств и методов элементного ана лиза, количественный анализ таких важных элементов в материалах, как углерод, азот и кислород до сих пор представляет собой сложную зада чу. Традиционный комплекс химических и физических методов элемент ного анализа предусматривает, как правило, наличие эталонных образ цов, разрушение самих изделий в процессе исследования. Значитель ные потенциальные возможности неразрушающего анализа имеют ион но-лучевые методы при использовании условий повышенной чувстви тельности к C, N, O. Исследование и реализация таких условий анализа открывает новые возможности исследования поверхностных слоев ма териалов на основе карбидов, нитридов и оксидов, термодиффузионных процессов цементации, азотирования и окисления.

Имплантация ионов азота, наряду с традиционными методами диф фузионного азотирования, является важным методом обработки метал лов и сплавов. Актуальными для его развития являются исследования процессов накопления модифицирующей примеси, структуро- и фазооб разования. В последние годы ведутся активные исследования новых материалов на основе бинарной системы C N, в частности, исследова ния по синтезу кристаллического нитрида углерода C3 N4, который, как было предсказано теоретически, обладает механическими свойства ми, сравнимыми с алмазом или даже превосходящими их [8]. В связи с этим актуальны вопросы исследования закономерностей высокодозного облучения углеродных материалов ионами азота, в том числе, законо мерностей распыления и ионно-электронной эмиссии, профилей распре деления внедренного азота, структуры измененного поверхностного слоя. Эти же вопросы представляют научный и практический интерес в связи широким применением углеграфитовых материалов в ионно плазменной технике (плазменные ускорители и движители, защитные экраны и диверторные пластины термоядерных устройств и т.п.), где первостепенными являются факторы эрозии материала, развитие рель ефа поверхности, вторично-эмиссионные явления [9,10].

Экспериментальным исследованиям ионно-индуцированных процес сов при высокодозном облучении металлов и углеграфитовых материа лов и развитию ионно-пучковых методов исследования поверхностного слоя материалов посвящена данная диссертационная работа.

Цели и задачи исследований. Целью работы является выявление фундаментальных закономерностей высокодозного ионного облучения углеграфитовых материалов, металлов и сплавов, аналитических воз можностей ионно-электронной эмиссии для in situ диагностики и монито рирования процессов ионного облучения, условий использования ионно рассеивательной спектрометрии для элементного анализа с повышенной чувствительностью к углероду, азоту и кислороду, создание соответст вующего аппаратурного и методического обеспечения и применение но вых методик спектрометрии для исследований поверхностных слоев ма териалов на основе карбидов, нитридов и оксидов, образующихся в ион но-плазменных и термодиффузионных процессах азотирования и окси дирования. Были сформулированы следующие задачи исследований:



1. Создание комплекса методик, устройств и установок для экспери ментального исследования ионно-индуцированных и термоактивируемых процессов, обуславливающих модификацию поверхностных слоев мате риалов.

2. Исследование структуры и свойств измененного поверхностного слоя материалов в результате воздействия ионного облучения, плаз менных потоков и термодиффузионных процессов с использованием разработанных в процессе выполнения диссертационной работы мето дик и известных методов исследования материалов таких, как металло графия, рентгенография, электронография, спектрометрия резерфор довского обратного рассеяния (РОР), растровая электронная микроско пия (РЭМ), спектрометрия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

3. Исследование поверхностного слоя материалов на основе карби дов, нитридов и оксидов металлов, образующихся в ионно-плазменных и термодиффузионных процессах азотирования и оксидирования (вакуум но-дуговое осаждение, магнетронное распыление, плазменно электролитическое оксидирование и др.).

4. Исследование закономерностей высокодозной ионной импланта ции в металлы и углеграфитовые материалы, прежде всего, в отношении накопления азота в металлах и углеграфитовых материалах, влияния имплантации азота на трибологические свойства сталей, а также при использовании технологических ионных имплантеров.

5. Исследование закономерностей распыления углеграфитовых ма териалов при высокодозном облучении ионами азота.

6. Исследование закономерностей ионно-электронной эмиссии твер дых тел под воздействием атомарных и молекулярных ионов азота и ионов инертных газов с энергиями в десятки кэВ и возможностей приме нения этих закономерностей для анализа радиационных нарушений в твердом теле, in situ контроля и диагностики процесса облучения и со стояния облучаемой поверхности.

Научная новизна работы. Наиболее существенные научные резуль таты, полученные в диссертации впервые, состоят в следующем:

Разработана методика измерений и экспериментально получены эф фективные дифференциальные сечения обратного рассеяния протонов околобарьерных энергий (5 – 7.8 МэВ) ядрами элементов N, O, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Nb и Mo в мишенях с естественным содержанием изотопов. Измеренные сечения положены в основу базы данных метода спектрометрии ядерного обратного рассеяния (ЯОР) протонов для без эталонного неразрушающего элементного анализа материалов с повы шенной чувствительностью к углероду, азоту и кислороду.

Предложено и реализовано использование метода спектрометрии ЯОР протонов околобарьерных энергий для исследования процессов плазменно-электролитического оксидирования, химико-термической и ионно-плазменной обработки металлов и твердых сплавов, для исследо вания износостойких покрытий на основе оксидов, нитридов и карбидов металлов. Впервые обнаружено формирование специфической морфо логии керамикоподобного слоя с включениями неоксидированного алю миния при плазменно-электролитическом оксидировании алюминиевых сплавов, установлен аномальный характер кинетики начальной стадии термодиффузионного азотирования в аммиаке переходных металлов Fe, Mo и W.

Экспериментально и с использованием результатов компьютерного моделирования получены количественные характеристики распыления поликристаллических графитов различных марок при высокодозном об лучении молекулярными ионами азота энергии порядка десятков кэВ для широкого (0 – 80о) интервала углов падения ионов. Показано, что расхо ждения эксперимента и рассчитанных для гладкой поверхности графита значений коэффициента физического (столкновительного) распыления устраняются путем учета микротопографии ионно-индуцированного рельефа в виде распределений локальных углов падения ионов, полу чаемых с помощью метода гониофотометрии отраженного света.

Впервые обнаружено, что радиационное разупорядочение структуры углеграфитовых материалов приводит к скачкообразной температурной зависимости ионно-электронной эмиссии, отражающей ионно индуцированные структурные переходы в облучаемом материале. Экс периментально показано и теоретически обосновано, что при разупоря дочении структуры твердого тела уменьшается длина свободного пробе га вторичных электронов, что приводит к скачкообразному уменьшению коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии.

Обнаружена сверхтонкая структура в спектрах ЭПР модифицирован ного слоя графитов, свидетельствующая об образовании при высокодоз ном облучении графитов ионами азота химических связей между углеро дом и азотом. Установлено, что при температурах, близких к комнатной, в облученном слое поликристаллических графитов (МПГ-8, POCO-AXF 5Q) парамагнитные дефекты являются аналогичными дефектам К-типа в Si3N4 и свидетельствуют об образовании включений нитрида углерода C3N4.

Основная часть результатов получена в работе в результате экспе риментальных исследований взаимодействия ионных пучков с поверхно стью твердого тела. Ионно-пучковые методы модификации и анализа материалов применены в диссертации для решения ряда новых задач и показали высокую эффективность. Суть научного направления диссер тационной работы состоит в развитии экспериментальных ионно пучковых методов для исследования ионно-индуцированных и термоак тивируемых процессов, обуславливающих модификацию поверхностных слоев металлов и углеграфитовых материалов.

Практическая ценность работы. Апробированный в ходе решения ряда научных и практических задач метод спектрометрии ЯОР протонов является эффективным методом анализа структуры и состава поверхно стного слоя материалов, особенно в случаях, когда требуется повышен ная чувствительность к таким важным структурообразующим элементам, как углерод, азот и кислород (химико-термическая обработка металлов и сплавов, анодирование и микродуговое оксидирование вентильных ме таллов и сплавов, разработка и контроль процессов нанесения покрытий на основе карбидов, нитридов и оксидов, исследование процессов кор розии). Установленные закономерности процессов термодиффузионного азотирования и ионной имплантации важны при разработке новых тех нологических процессов модификации поверхности металлов и сплавов.

Выявленные закономерности распыления углеграфитовых материалов и ионно-электронной эмиссии при ионной бомбардировке важны для ре шения проблем радиационной стойкости материалов в условиях высоко дозного облучения и переменных температур, их необходимо учитывать при создании углерод-азотных поверхностных слоев и тонких пленок.

Предложенный метод определения флюенса полиэнергетической ион ной имплантации с использованием ионно-электронной эмиссии может найти применение в бессепарационных технологических имплантерах.

Оригинальность и новизна работы подтверждена авторскими свидетель ствами и патентами [11-13].

Достоверность основных положений и выводов обеспечивается использованием современной аппаратуры, надежных и независимых методов исследования, использованием тестированных компьютерных программ моделирования взаимодействия атомных частиц с твердым телом, сравнением и согласием экспериментальных результатов с лите ратурными данными, полученными при сопоставимых условиях.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методики, устройства и установки для экспериментального иссле дования ионно-индуцированных и термически активируемых процессов, обуславливающих модификацию поверхностных слов материалов, вклю чая спектрометрический комплекс на циклотроне НИИЯФ МГУ, модерни зированную приемную камеру масс-монохроматора НИИЯФ МГУ, ионно лучевую установку МИМ-50 и стенд гониофотометрии отраженного ла зерного излучения в МАТИ.

2. Методика и результаты измерений эффективных дифференциаль ных сечений обратного рассеяния протонов околобарьерных энергий ( 7.8 МэВ) ядрами элементов N, O, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Nb, Mo в мишенях с естественным содержанием изотопов.

3. Количественные данные по влиянию технологических параметров модификации и синтеза материалов на состав и структуру поверхност ных слоев металлов, твердых сплавов, углерод-азотных материалов и износостойких покрытий на основе нитридов и карбидов металлов, полу ченные с использованием метода спектрометрии ЯОР протонов. Вывод о том, что при термодиффузионном азотировании в аммиаке кинетика на чальной стадии азотирования переходных металлов Fe, Mo и W являет ся аномальной;

вывод о том, что при азотирования титана имеет место цикличность формирования - и -нитридных слоев;

вывод о том, что при плазменно-электролитическом оксидировании алюминиевых сплавов может формироваться специфическая морфология керамикоподобного слоя с включениями неоксидированного алюминия.

3. Результаты исследования профилей концентрации и дозы имплан тированного азота в зависимости от флюенса облучения ионами N+ и N2+ энергии 15 – 35 кэВ нитридообразующих металлов (Mo, Nb, Ta, W) и уг леграфитовых материалов;

профилей имплантированных примесей при бессепарационной имплантации ионами металлов. Выводы о том, что при имплантации в металлы азота при температуре Т 0.4 Tпл стацио нарное состояние соответствует образованию в поверхностном модифи цированном слое стехиометрических нитридов МеN;

что в углеграфито вых материалах средняя концентрация азота ( 25 ат.%) существенно меньше концентрации в гипотетическом нитриде углерода С3N4;

вывод о том, что аналитическая модель высокодозной имплантации, учитываю щая распыление, может служить основой для прогнозирования концен трационных профилей при полиэнергетической имплантации ионов ме таллов в материалы.

4. Результаты исследования воздействия ионной имплантации на из носостойкость хромистой стали;

вывод о том, что оксидный слой, обра зующийся при трибологическом воздействии, может препятствовать аут диффузии имплантированного азота из материала, в результате чего повышенная износостойкость сохраняется на глубинах существенно превышающих глубину имплантированного слоя.

5. Результаты измерений коэффициента распыления и исследований ионно-индуцированной микротопографии поверхности при высокодозном облучении молекулярными ионами азота энергии 30 кэВ поликристалли ческих графитов различных марок в широком интервале углов падения ионов на мишень. Вывод о том, что учет микротопографии ионно индуцированного рельефа в виде распределений локальных углов паде ния ионов, измеренных с помощью метода гониофотометрии отраженно го света, устраняет расхождения эксперимента и рассчитанных при по мощи компьютерного моделирования для гладкой поверхности графита значений коэффициента столкновительного распыления.

6. Результаты исследования ионно-индуцированных изменений кри сталлической структуры и микротопографии поверхности углеграфито вых материалов при высокодозном ионном облучении в зависимости от температуры, при которой производится облучение. Выводы о том, что высокодозное облучение как ионами N2+, так и Ar с энергиями в десятки + кэВ при температурах, близких к комнатной, приводит к значительному разупорядочению кристаллической структуры материалов, при повы шенных температурах облучения ( 250oC) структура высокоориентиро ванного пирографита и поликристаллических графитов является близкой к структуре необлученных материалов, в стеклоуглероде возрастает сте пень упорядоченности.

7. Результаты исследования структуры точечных (электронных) па рамагнитных дефектов в углерод-азотных слоях, образующихся при вы сокодозном облучении углеграфитовых материалов молекулярными ио нами азота с энергиями в десятки кэВ. Вывод о том, что метод ЭПР при анализе парамагнитных дефектов комплексов C – N позволяет иденти фицировать химические связи углерод-азот;

вывод о том, что при темпе ратурах, близких к комнатной, в облученном слое графитов марок МПГ- и POCO-AXF-5Q парамагнитные дефекты являются аналогичными де фектам К-типа в Si3N4 и свидетельствуют об образовании включений нитрида углерода C3N4.

8. Закономерности кинетической ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ) под воздействием атомарных и молекулярных ионов азота и ионов инертных газов, возможности применения этих закономерностей для анализа радиационных нарушений в твердом теле, in situ контроля и ди агностики ионного облучения и состояния облучаемой поверхности. Экс периментальные и теоретические оценки молекулярного эффекта ИЭЭ + для ионов N2. Вывод о том, что при разупорядочении структуры твердо го тела, вызываемом ионной бомбардировкой, может уменьшаться дли на свободного пробега вторичных электронов, что приводит к скачкооб разному уменьшению коэффициента ИЭЭ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на российских и международных научных конференциях, совещаниях и семинарах: XIV, XV, XX, XXIII, XXV – XXXIV Международных конферен циях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Мо сква, 1984, 1985, 1990, 1993, 1995-2004), IX-XVI Международных конфе ренциях "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1989, 1991, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003), X Всесоюзной конференции "Дина мика разреженных газов" (Москва, 1989), XIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), Всесоюзном совещании семинаре "Диагностика поверхности ионными пучками" (Одесса, 1990), Российских научно-технических конференциях «Новые материалы и тех нологии» (Москва, 1993, 1995, 1997, 2000, 2002), International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Mate rials Using Particle Beams (Ukraine, Sumy, 1993, 1996), 4 5 European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (Germany, Zurich, 1995;

Netherlands, Eindhoven, 1997), XV Intermational Conference on Cyclotrons and their Aplications (France, Caen, 1998), 6 European Particle Accelerator Conference (Sweden, Stockholm, 1998), 11,14 International Conference on Ion Beam Analysis (Hungary, Balatonfured, 1993;

Germany, Dresden, 1999), 1 International Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials (Tomsk, 2000), IX International Workshop on "Ion Beam Surface Diagnostics" (Ukraine, Zaporizhzhya, 2000), V-VI Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Н. Новгород, 2000, 2002), 7 Russian-Japanese In ternal Symposium "On interaction of fast charged particles with solids" (Н.





Новгород, 2000), 19 21 International Conferences on Atomic Collisions in Solids (ICACS-19 France, Paris, 2001;

ICACS-20 India Toshali Sands, Puri, 2003;

ICACS-21 Italy, Genova, 2004). III Республиканской конфе ренции по физической электронике (Ташкент, 2002), 1 и 2 Всероссийской научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и по крытия» (Москва, 2002, 2003), 6 Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (Москва, 2003), XXI – XXX Гагаринских чтениях (Москва, МАТИ, 1995-2004), меж отраслевом семинаре по взаимодействию плазмы с поверхностью (Мо сква, МИФИ, 2001, 2002, 2004), научных семинарах НИИЯФ МГУ.

Работа выполнялась по планам госбюджетных НИР МАТИ (1985 2004), а также в рамках соглашения о научном сотрудничестве между МАТИ и НИИЯФ МГУ (1995-2004), в рамках грантов министерства обра зования РФ: «Разработка научных основ модификации поверхности пре цизионных деталей приборов концентрированными потоками высоких энергий» (1996-1997), «Разработка эффективного ядерно-физического метода исследования новых материалов и процессов материалообра ботки» (1997-1998);

гранта Москвы «Разработка научных основ количе ственного элементного анализа с использованием ядерного обратного рассеяния» (2000г.), гранта РФФИ 00-03-32404 «Структура и свойства бинарных С-N систем в ионно-плазменных процессах» (2000-2002). Ре зультаты работы вошли в курсы лекций, читаемых автором студентам, бакалаврам и магистрам МАТИ, студентам физического факультета МГУ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены автором либо при его непосредственном участии на всех эта пах исследований в составе исследовательских групп в НИИЯФ МГУ и МАТИ, либо им лично. Автору диссертации принадлежат постановка большинства задач, решение которых составляют положения, выноси мые на защиту, методические и технические решения по модернизации масс-монохроматора НИИЯФ МГУ и спектрометрического комплекса на циклотроне НИИЯФ МГУ. Определяющим является его вклад в создание установки ионно-лучевой установки МИМ-50 в МАТИ, разработку стенда и методики гониофотометрии отраженного лазерного излучения для ис следования ионно-индуцированного рельефа поверхности, разработку компьютерной программы NBS для анализа данных спектрометрии об ратного рассеяния. Автору принадлежат также предложения по практи ческому использованию ионно-электронной эмиссии, количественные оценки влияния длины свободного пробега вторичных электронов на угловые зависимости ионно-электронной эмиссии. На основе этих разра боток под руководством автора или с его участием проведены многочис ленные эксперименты и теоретические расчеты по исследованию по верхностного слоя материалов методом спектрометрии ЯОР, ионно индуцированных процессов при высокодозном ионном облучении метал лов и углеграфитовых материалов, анализ и обобщение полученных данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 304 стр. Диссертация содержит 125 рисунков, таблиц, список литературных источников включает 308 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, формули руются цели, задачи исследования, основные результаты и положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическое значе ние полученных результатов, приводится структура диссертации.

Глава 1 посвящена описанию техники и методики эксперименталь ных исследований, а также методам теоретического анализа и компью терного моделирования ионно-индуцированных и термоактивируемых процессов в поверхностных слоях материалов.

Раздел 1.1 содержит описание экспериментальных ионно-лучевых установок. Значительная часть экспериментов проводились на высоко производительных масс-монохроматорах секторного типа с симметрич ным расположением источника и коллектора ионов относительного от клоняющего электромагнита – масс-монохроматоре НИИЯФ МГУ и соз данной в МАТИ под руководством автора ионно-лучевой установке МИМ 50. Масс-монохроматор НИИЯФ МГУ позволяет получать сепарирован ные по массам пучки ионов газов с энергией от 5 до 35 кэВ. Поперечное сечение ионного пучка ~0.3 см, плотность тока ионов в фокусе приемной + камеры для ионов Ar энергии 30 кэВ ~2 мА/см, угловой разброс ионов не более ±1°. Приблизительно такими же параметрами характеризуются ионные пучки на установке МИМ-50, на которой проводили облучение как сепарированными, так и несепарированными по массам ионными пучка ми с энергией до 50 кэВ. Описаны конструкции экспериментальных уст ройств в приемных камерах установок, использованных для изучения угловых, температурных и энергетических закономерностей процессов имплантации, распыления и ионно-электронной эмиссии. В работе ис пользовался также бессепарационный ионный имплантер ИМП-60/ МАТИ, позволяющий получать широкоапертурные, диаметром ~ 20 см, импульсные пучки ионов металлов. Длительность импульсов ~300 мкс, ток ионов 0.1 1А, частота следования до 50 Гц, максимальное значение ускоряющего напряжения 50 кВ.

Раздел 1.2 содержит краткое описание и характеристики серийного оборудования ионно-плазменного нанесения покрытий, опытно промышленного оборудования плазменно-электролитического оксидиро вания МАТИ и экспериментальной установки термодиффузионного азо тирования НИИЯФ МГУ, используемых в работе для получения модифи цированных поверхностных слоев материалов.

В разделе 1.3 подробно описывается созданный с участием автора экспериментальный спектрометрический комплекс на циклотроне НИИЯФ МГУ, на котором решались задачи спектрометрии ЯОР протонов для аналитических целей.

В разделе 1.4 приводится перечень оборудования и методик, ис пользованных в работе для исследования поверхностных слоев мате риалов. Для элементного анализа использовался спектрометрический комплекс на ускорителе ЭГ-8 НИИЯФ МГУ, на котором проводили спек трометрию РОР, а также спектрометрию атомов отдачи и нерезерфор довского обратного рассеяния протонов с энергией до 2.5 МэВ [5]. Ана лиз кристаллической структуры проводили методами дифракции быст рых электронов на отражение на электронографе ЭМР-102 и рентгенов ской дифрактометрии. Топографию поверхности исследовали на растро вом электронном микроскопе типа Stereoscan 240. Точечные электрон ные (парамагнитные) дефекты исследовали на модифицированном спек трометре РЭ-1306 НИИЯФ МГУ. Металлографический анализ и измере ние микротвердости выполняли на металлографическом комплексе фирмы "Leitz". Для испытания материалов на износостойкость использо вали машину трения 2168УМТ. При исследовании шероховатых поверх ностей наряду с электронно-оптическими методами использовали метод гониофотометрии отраженного света, позволяющий получать количест венные характеристики шероховатой поверхности. Метод реализован на экспериментальном стенде на базе серийного лазерного голографиче ского стола (Нe-Ne лазер ЛГН-215, = 0.63 мкм).

Раздел 1.5 посвящен описанию методов теоретического анализа и компьютерного моделирования, использованных в ходе выполнения ра боты. Приводятся краткие сведения о моделях и теоретических подхо дах, используемых в задачах высокодозного распыления, формирования ионно-индуцированного рельефа, кинетики и динамики накопления им плантированной примеси и радиационных повреждений и др. В работе использовали широко распространенную программу моделирования движения ионов в веществе SRIM (версия TRIM-98) [3]. Взаимодействие ионов азота с графитами исследовали также путем анализа результатов компьютерного моделирования, выполненного доктором В. Экштайном из Института физики плазмы им. Макса Планка, Германия (Мax-Planck Institut fr Plasmaphysik, Garching, Germany), с помощью программы TRIM.SP (версия trvmc 95).

Во второй главе решаются задачи, необходимые для применения в исследованиях поверхностных слоев материалов спектрометрии ядерно го обратного рассеяния (ЯОР) протонов околобарьерных (5-8 МэВ) энер гий.

В разделе 2.1 обосновываются преимущества и обсуждаются про блемы спектрометрии ЯОР для исследования материалов. Безэталон ный неразрушающий анализ концентрационных профилей элементов с использованием ионных пучков проводят методами спектрометрии РОР, ядерного (нерезерфордовского) обратного рассеяния, измерения выхода ядерных реакций. Анализ на основе ядерных реакций требует индивиду ального для каждого исследуемого элемента подбора типа зондирующих частиц и их энергии. У методов РОР и ЯОР этих недостатков нет. Одна ко, метод РОР имеет низкую чувствительность к легким элементам в матрице из тяжелых элементов. В методе ЯОР используются -частицы и протоны околобарьерных энергий, когда их взаимодействие с ядрами существенно отличается от кулоновского. При этом повышается чувстви тельность метода к легким элементам за счет резонансов в энергетиче ской зависимости дифференциального сечения упругого рассеяния (Е).

Так, широкие перекрывающиеся резонансы функции возбуждения упру гого рассеяния протонов на ядрах углерода, азота и кислорода обеспе чивают повышенную чувствительность метода ЯОР для этих элементов, начиная с энергии протонов около 2 МэВ [5]. С повышением энергии про тонов чувствительность метода ЯОР возрастает. Однако, аналитическое применение метода ЯОР протонов энергии 5 8 МэВ сдерживалось, прежде всего, отсутствием данных о сечениях (Е) для большого числа элементов.

В разделе 2.2 приведены результаты исследования закономерностей в энергетических спектрах протонов околобарьерных энергий, обратно о рассеянных (угол рассеяния 160 ) на одно- и двухкомпонентных мишенях либо с однородным по объему мишени составом, либо на двухслойных мишенях. Теоретически и экспериментально показано, что форма парци ального спектра ЯОР для данного элемента является практически оди наковой для этого элемента в одно- и двухкомпонентных мишенях.

Это обстоятельство использовано в описанной в разделе 2.3 методи ке измерений энергетических зависимостей дифференциальных сечений ЯОР протонов (E). Зависимости (E) в относительных единицах полу чали с помощью преобразования спектров ЯОР для одноэлементных мишеней. Нормировочный множитель определяли с помощью “внутренних” стандартов. В двухэлементных стехиометрических мишенях стандартом служил один из элементов, для которого сечение (E) было определено ранее. В двухслойных мишенях стандартом служила фольга из Ta, для которого рассеяние протонов при энергиях 5 8 МэВ является резерфордовским. Проверку методики проводили для углерода с извест ной из литературы зависимостью (E). В работе измерены эффективные сечения обратного рассеяния протонов энергии 5.5 – 7.8 МэВ ядрами элементов N, O, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Nb, Mo в мишенях с есте ственным содержанием изотопов. Данные (E) оформлены в виде элек тронных таблиц, совместимых с базами данных, используемых в компь ютерных программах моделирования спектров обратного рассеяния.

В разделе 2.4 обсуждаются аналитические и компьютерные методы извлечения информации о концентрационных профилях элементов из спектров ЯОР. При анализе тонких модифицированных слоев примесь проявляется в спектрах в виде узкого пика, по площади которого рассчи тывается содержание примеси. В ряде случаев возможно прямое преоб разование разностных спектров ЯОР для исследуемого и эталонного образцов в профиль распределения примесных элементов по глубине.

Наиболее универсальным является метод компьютерного моделирова ния. В работе использовали разработанную под руководством автора программу NBS, протестированную с помощью известной программы RUMP, и позволяющую подбирать концентрационные профили элемен тов в мишени, при которых достигается наилучшее согласие эксперимен тального и расчетного спектров обратного рассеяния.

Таким образом, в результате проделанной работы освоен новый энергетический диапазон протонов (5 8 МэВ) для исследования мате риалов методами обратного рассеяния, существенно расширяющий круг решаемых материаловедческих задач.

В главе 3 метод спектрометрии ЯОР протонов используется для ре шения актуальных материаловедческих задач, связанных с формирова нием нитридов, карбидов и оксидов в неравновесных ионно-плазменных процессах на поверхности материалов.

В разделе 3.1 приведены результаты исследования высокотемпера турного окисления и термодиффузионного азотирования (ТДА) в аммиа ке ряда переходных металлов. Показано, что спектрометрия ЯОР прото нов позволяет эффективно изучать процессы взаимодействия кислорода с поверхностью металлов и сплавов путем анализа концентрационных профилей кислорода на глубинах до 50 мкм. Установлено, в частности, что диффузионное насыщение ванадиевого сплава при температурах 800 и 1000 °С в диапазоне давлений кислорода от 1.6 до 30 Па лимити руется величиной потока кислорода на поверхность. ТДА широко ис пользуют в качестве метода химико-термической обработки поверхности металлов и сплавов для повышения износостойкости и коррозионной стойкости сталей, кислотостойкости и износостойкости титановых спла вов. Традиционными методами исследования фазового состава, толщи ны слоев нитридов и диффузной зоны являются методы рентгеновской дифрактометрии. В диссертационной работе эти характеристики иссле дованы также с помощью метода ЯОР. Выявлены и обсуждаются кине тические особенности ТДА в аммиаке армко-железа, технического титана ВТ1-0, тугоплавких металлов Nb, Мо, Ta и W. Азотирование образцов ма териалов проводили при температурах 600 1100оС с длительностью ТДА от 15 до 480 минут. При ТДА армко-железа и титана обнаружены релаксационные и циклические процессы формирования нитридных сло ев. Найдено, что кинетика азотирования, а также влияние на нее темпера туры для металлов V группы (Nb и Та) и VI группы (Мо и W) качественно различны. Для Nb и Та, нитриды которого являются тугоплавкими, на блюдаются обычные для химико-термических процессов закономерности роста диффузионных слоев. Для Мо и W обнаружены аномалии как в кинетике, так и температурных зависимостях ТДА. При этом установле но, что аномальное замедление роста нитридного слоя в Мо связано с формированием тонкого поверхностного слоя с повышенной концентра цией азота.

В разделе 3.2 приводятся результаты исследований керамикоподоб ных поверхностных слоев на алюминиевых, магниевых и титановых сплавах, полученных с помощью плазменно-электролитического оксиди рования (ПЭО). Метод позволяет получать толстые (до 400 мкм) керами коподобные покрытия, которые характеризуются высокой износостойко стью и твердостью, термостойкостью и электроизоляционными свойст вами. В диссертационной работе для исследования таких покрытий впервые применены методы РОР и ЯОР. Их совместное использование позволило сочетать высокое разрешение по глубине метода РОР и по вышенную чувствительность к кислороду метода ЯОР при значительно большей, чем при РОР общей глубине анализа. Метод ЯОР дал возмож ность получить данные о толщине и распределении по глубине основных компонентов покрытий оксидов алюминия, магния и кремния. Установ лено, что в покрытии на алюминиевом сплаве наблюдается поверхност ный слой со 100% концентрацией оксида алюминия и промежуточный слой на границе покрытие металл, где спад концентрации с глубиной может быть немонотонным. Анализ ситуации привел к предположению, что в покрытиях существует поверхностный (оксид) и переходный (смесь оксида и металла основы) слои. Металлографический анализ попереч ных шлифов покрытий подтвердил наличие в оксидном слое изолиро ванных металлических включений. Предложена модель процесса ПЭО, в которой образование металлических включений в покрытии находит свое объяснение в рамках представлений о ПЭО, как процессе воздействия на материал мигрирующих по поверхности микродуговых разрядов.

В разделе 3.3 приводятся результаты исследования покрытий на ос нове нитридов CrN и TiN, используемых в производстве деталей машин и различного инструмента в качестве прочных и износостойких покрытий.

Наиболее важными при аттестации таких покрытий являются толщина и показатель стехиометрии нитридов. В работе получены количественные данные о влиянии технологических параметров нанесения покрытий ме тодами вакуумно-дугового осаждения и магнетронного распыления на элементный состав и толщину CrN и TiN покрытий.

Раздел 3.4 посвящен исследованиям поверхностного слоя твердых сплавов на основе карбида вольфрама (WC) с кобальтовой связкой. Со держание углерода может существенно изменяться в технологии твер дых сплавов, не весь углерод может оказаться связанным. Кислород, оказывая отрицательное влияние на свойства твердых сплавов, являет ся наиболее трудно устраняемой и одной из наиболее сложно опреде ляемых обычными аналитическими методами примесей. С помощью ме тода ЯОР выявлены причины деградации свойств твердых сплавов ВК при их эксплуатации, связанные с окислением поверхностного слоя. Бла годаря хорошему разделению пиков в спектрах ЯОР для элементов, входящих в покрытия твердых сплавов типа МА3 (Al2O3 + Ti(CN)+ TiN), метод ЯОР позволяет надежно определять не только наличие элементов в покрытии, но и его структуру.

В разделе 3.5 приведены результаты исследования углерод-азотных материалов, получаемых в экспериментах по синтезу нитрида углерода.

В диссертационной работе для таких исследований впервые использо вано сочетание методов РОР и ЯОР, спектрометрии быстрых атомов отдачи, ЭПР и дифракции быстрых отраженных электронов. Исследова ны несколько типов углерод-азотных материалов: спрессованные образ цы высокоазотистых углеродных материалов, полученные на химиче ском факультете МГУ;

тонкие пленки, полученные там же лазерно электроразрядным методом;

тонкие пленки и углерод-азотные поверхно стные слои, получаемые при высокодозном облучении ионами азота уг леграфитовых материалов. Установлено, что химические методы разло жения и очистки продуктов роданидов ртути Hg(CNS)2 и цинка Zn(CNS) позволяют получать аморфное вещество, более чем на 80 ат.% обога щенное углеродом и азотом с отношением N:C, близким к значению 1. для нитрида углерода C3N4. Основными примесями вещества являются кислород и водород. Вещество предполагается использовать в качестве исходного материала для синтеза кристаллического -C3N4. В углерод азотных пленках, получаемых лазерно-электроразрядным методом, от ношение N:C изменяется в зависимости от давления азота в реакцион ной камере от 0.6 до 0.9. Обнаруживаемые при этом значительные кон центрации примесей водорода и кислорода указывают на необходимость мониторирования состава пленок при совершенствовании метода. Прак тически беспримесные углерод-азотные пленки с концентрацией азота от 5 до 15 ат.% в зависимости от геометрии распыления образуются при высокодозном распылении графитов пучком ионов азота. С помощью ЭПР получены прямые свидетельства о наличии химической связи и ближайшем окружении атомов углерода. В частности, в пленках обнару жены парамагнитные дефекты, аналогичные дефектам К-типа в Si3N4, что свидетельствует об образовании включений нитрида углерода C3N4.

Глава 4 посвящена исследованиям высокодозной ионной импланта ции в металлы и углеграфитовые материалы.

В разделе 4.1 обсуждаются проблемы модификации свойств мате риалов при высокодозной ионной имплантации и обосновывается акту альность решаемых в диссертации задач: зависимости профилей кон центрации и дозы имплантированного азота от флюенса облучения для нитридообразующих металлов и углеграфитовых материалов;

исследо вание профилей концентрации примесей при бессепарационной имплан тации с использованием вакуумно-дуговых ионных источников;

воздей ствие ионной имплантации на износостойкость стали.

В разделе 4.2 представлены результаты исследования зависимостей дозы D имплантированного азота в поверхностном слое нитридообра зующих металлов (Nb, Mo, Ta, W) от флюенса F ионного облучения в условиях, когда диффузионные процессы в облучаемых металлах по давлены (Т 0.4Тпл). Это приводит при достаточно больших флюенсах F к стационарному профилю концентрации имплантированной примеси с + предельной величиной дозы Dст примеси. Имплантацию ионов азота N энергии 35 кэВ в металлические образцы Nb, Mo, Ta, W с F от 110 до 17 - 1510 см проводили на установке МИМ-50. Для измерения зависимо стей D(F) использовали метод ЯОР. Установлено, что начальный участок кривых D(F) близок к линейному D F. При F 41017см-2 рост D замед ляется, зависимость D(F) выходит на плато. Значения дозы Dст варьи руются от 2.71017 до 3.71017 ат/см2 в зависимости от сорта металла.

Полученные данные представляют интерес как для технологических це лей, так и для проверки моделей и компьютерных программ моделиро вания высокодозной имплантации. В частности, полученные данные со ответствуют механизму образования в поверхностных слое стехиомет рических нитридов [4].

Раздел 4.3 посвящен исследованиям профилей концентрации им плантированного азота в поликристаллических графитах различных ма рок, пирографитах и стеклоуглеродах. Актуальность исследований в большой степени обусловлена тем, что ионную имплантацию пытаются использовать для синтеза нитрида углерода. Эволюция профиля концен трации имплантированного азота в зависимости от флюенса F ионного облучения детально изучена для графита МПГ-6 с использованием ме тода РОР. Облучение производили ионами N+ с энергией 35 кэВ на уста новке МИМ-50. Температура мишеней в процессе облучения не превы шала 90°С. Установлены три характерных интервала значений флюенса 17 - F. При F 2.510 см по мере облучения наблюдается увеличение кон центрации азота в мишени (до 22 ат.%). Полуширина профиля распре деления азота в мишени при этом практически не изменяется. При про межуточных флюенсах F увеличивается полуширина распределения азота при неизменном значении его максимальной концентрации. При достаточно больших флюенсах (F 81017 см-2) достигается стационар ное куполообразное распределение с концентрацией азота в максимуме 22 ат.% и полушириной, более чем в два раза превышающей расчетное значение. Стационарная концентрация имплантированного азота зави сит от вида и сорта углеграфитового материала. Для поликристалличе ских графитов МПГ-ЛТ, МПГ-8 (НИИграфит, Москва) и РОСО-AXF-5Q (США) при высокодозном облучении ионами N2+ энергии 30 кэВ макси мальная концентрация имплантированного азота составила 19, 20 и ат.% соответственно, для стеклоуглеродов – ~14 ат.%. Принято считать, что при высокодозной имплантации в тех случаях, когда накопление им плантированной примеси в основном определяется распылением, ее концентрация n = n0/Y, где: n0 – атомная концентрация матрицы, Y – ко эффициент распыления [4]. В исследованных случаях оценка по приве денной формуле приводит к завышению концентрации азота более чем в три раза. Следовательно, при имплантации азота в графиты предельная концентрация азота в мишени ограничена не только распылением, а и другими ионно-индуцированными процессами. При повышенной темпе ратуре облучаемых мишеней (400–500оС) полуширина профиля азота увеличивается, а концентрация уменьшается примерно в 2 раза.

В разделе 4.4 обсуждаются особенности ионной имплантации, про водимой на беcсепарационных технологических имплантерах с вакуум но-дуговыми (ВДИ) импульсными ионными источниками, имеющими сложный состав ионного пучка как по зарядности ионов, так и их энерги ям. Энергия однозарядных ионов Е0 определяется ускоряющим напря жением. Энергии многозарядных ионов являются кратными энергии од нозарядных. Такого рода полиэнергетическую имплантацию при больших флюенсах облучения проводили на имплантере ИМП-60/2. Полученные с помощью метода РОР профили концентрации имплантированных эле ментов (Al, Ti, Cr, Cu, Nb, Pb) в графитовой (МПГ-6) мишени рассмотрены в рамках аналитической модели высокодозной ионной имплантации [4] с учетом полиэнерегетического состава пучка. Установленное при этом удовлетворительное согласие экспериментально полученных данных с расчетами, как в отношении концентрационных профилей, так и дозы имплантации свидетельствует о возможности использования данной модели для прогнозирования результатов ионной имплантации на бес сепарационных имплантерах с ВДИ-источниками.

В разделе 4.5 приводятся результаты исследования трибологическо го поведения хромистой стали 30X13, из которой изготавливают меди цинский, в том числе микрохирургический инструмент, детали точной механики. Износ измеряли на машине трения 2168 УМТ по схеме «диск палец» весовым методом при нагрузке 100Н и частоте вращения контр тела 250 об/мин. Облучение образцов проводили на установке МИМ- несепарированным пучком азота, содержащем более 60% атомарных и молекулярных ионов азота (45% N2+ и 23% N ), и для сравнения пучком + ионов аргона при ускоряющем напряжении 30 кВ. Флюенс облучения ~21017см-2. Установлено, что имплантация аргона практически не влияет на износостойкость, а имплантация азота повышает ее в 2 2,5 раза.

При этом глубина, на которой наблюдается повышение износостойкости, составляет не менее 40 мкм, что более чем на два порядка величины + превышает максимальный проективный пробег ионов (N ) в материале (эффект дальнодействия). Показано, что образующийся в процессе из носа динамически равновесный поверхностный оксидный слой может препятствовать аутдиффузии имплантированного азота и быть ответст венным за наблюдаемый эффект дальнодействия.

Глава 5 посвящена исследованиям закономерностей распыления по ликристаллических графитов при высокодозном облучении молекуляр ными ионами азота с энергиями в десятки кэВ.

В разделе 5.1 обосновывается актуальность таких исследований. Уг леграфитовые материалы (поликристаллические графиты, пирографиты, стеклоуглерод и углерод-углеродные композиты) широко используют в конструкциях атомных реакторов, термоядерных и ионно-плазменных устройств, для защиты оболочек аэрокосмических средств. В связи с этим необходимы исследования изменений свойств материалов в ре зультате воздействия потоков ионов и атомов при различных условиях облучения и температурных режимах. Вместе с тем, в литературе мало данных экспериментальных исследований взаимодействия ионов азота с этими материалами.

В разделе 5.2 приведены особенности методики экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. Облучение мишеней в виде прямоугольных пластин поликристаллических графитов марок МПГ ЛТ, МПГ-8 и POCO–AXF–5Q проводили ионами N2+ энергии 30 кэВ на масс-монохроматоре НИИЯФ МГУ. Мишени устанавливали в держателе, позволяющем варьировать углы падения 0 ионов на мишень от 0 до 89о, а также изменять температуру мишеней от комнатной до 1000оС. Подго товка образцов включала абразивную полировку поверхности, ультра звуковую очистку, промывку в этаноле и вакуумный отжиг. Коэффициент распыления Y определяли по потере веса мишени и флюенсу F облуче ния в предположении диссоциации молекулярного азота при его взаимо действии с поверхностью. Приводимые в диссертации значения Y соот ветствуют динамически равновесному состоянию облучаемых мишеней.

Для in situ контроля перехода поверхностного слоя облучаемой мишени к его стационарному состоянию, когда его элементный состав и структура перестают изменяться с ростом флюенса F, в процессе облучения изме ряли коэффициент ионно-электронной эмиссии. Установлено, что ста билизация электронной эмиссии с увеличением флюенса F облучения 19 - наступает при F 10 см. Такого же порядка величины флюенсы тре буются для стабилизации коэффициента Y высокодозного распыления.

Исследования мишеней как до, так и после облучения включали: эле ментный анализ методами РОР и спектрометрии быстрых атомов отда чи;

структурный анализ с использованием рентгеновской дифракции и электронографии, анализ топографии поверхности при помощи РЭМ и гониофотометрии отраженного света;

анализ дефектов электронной структуры методом ЭПР.

В разделе 5.3 приведены и сопоставляются данные об угловых зави симостях коэффициента распыления Y(0), полученные в результате измерений и компьютерного моделирования с помощью программы TRIM.SP. Температура мишеней во время облучения была близкой к комнатной. Установлено, что по мере увеличения угла 0 падения ионов на мишень коэффициент распыления Y возрастает от 0.4 при нормаль ном падении ионов до ~ 2 ат./ат.ион при 0 = 80о для графита МПГ-ЛТ и от 0.6 до 3 ат./ат.ион для графита POCO–AXF–5Q. Значения Y для POCO–AXF–5Q оказались более чем в полтора раза более высокими, чем для МПГ-ЛТ как при нормальном падении, так и больших углах па дения, однако при 0 = 600 коэффициенты распыления оказались близ кими для всех исследованных сортов графитов, включая графит марки МПГ-8. Расчетная зависимость YTRIM(0) по результатам компьютерного о моделирования для гладкой поверхности вплоть до 0 80 является о более сильной, чем 1/cos0, при 0 82 кривая YTRIM (0) проходит через максимум. Такой вид зависимости Y(0) типичен для столкновительного распыления и отражает наблюдаемый в эксперименте ход кривой Y(0).

Сопоставление с данными эксперимента показывает, однако, что зави симость YTRIM(0) является более сильной, так что при 0 60о наблюда ется пересечение экспериментальной и расчетной угловых зависимостей Y(0). Варьирование плотности мишени, энергии связи поверхностных атомов, потенциала взаимодействия, учет наличия в мишени импланти рованного азота не приводит к устранению расхождений между резуль татами моделирования и эксперимента. Отмеченный характер расхож дений эксперимента и моделирования для гладкой поверхности наблю дали ранее при распылении графитов ионами аргона и изотопов водоро да, при этом в качестве основной причины расхождений рассматривали исходную или образовавшуюся в процессе ионного облучения шерохо ватость поверхности.

В разделе 5.4 приведены результаты исследования ионно-индуциро ванной микротопографии поверхности и ее влияния на коэффициент распыления. На микроснимках шлифов исследованных графитов до об лучения наблюдаются поры и графитированные частицы. Высокодозное ионное облучение приводит к кардинальному изменению исходной топо графии. Основными элементами рельефа становятся типичные для фи зического распыления поликристаллических материалов конусообразные образования и столбчатые наклонные структуры с коническими верши нами. Исследование микротопографии поверхности проводили с помо щью метода гониофоторметрии отраженного света. При фотосъемке пространственного распределения отраженного света луч He-Ne лазера направляли по нормали к поверхности образцов, ось цилиндрической фотокамеры при этом перпендикулярна плоскости падения ионов. Уста новлено, что ионно-индуцированный рельеф приводит к значительному диффузному рассеянию света, азимутально симметричному только при 0 = 0. В рамках модели диффузного рассеяния света шероховатыми поверхностями получены распределения f() локальных углов наклона микрорельефа относительно базовой поверхности в плоскости падения лазерного луча. Для графита МПГ-ЛТ найдено, что при облучении по нормали к поверхности развивается рельеф с широким и практически симметричным относительно базовой поверхности куполообразным рас пределением локальных углов наклона. При наклонном падении ионов (0 = 30 50о) распределения f() становятся несимметричными относи тельно = 0 и имеют не один пик при 1 = 0, как в случае облучения по нормали к поверхности, а два при углах 1 и 2. Положение одного из о пиков соответствует базовой поверхности 1 0, тогда как положение о о второго пика зависит от угла падения ионов 2 70 0. При 0 двухпиковая структура распределений f() не разрешается, доминируют узкие распределения f(), положение максимума 2 которых смещается с о увеличением угла падения к = 0.

В расчетах и компьютерном моделировании распыления шерохова той поверхности одним из основных факторов, обуславливающих разли чия в распылении гладкой и шероховатой поверхности, является рас пределение w() локальных углов падения бомбардирующих ионов.

Для гребневидной модели рельефа ( = + 0) распределение w() свя зано с распределением f() локальных углов наклона соотношением w() f()cos()/cos. За коэффициент распыления шероховатой по верхности в расчетах мы принимали среднее значение YTRIM(), где в качестве YTRIM() использовали расчетные данные для гладкой поверх ности. Найдено, что проведенный учет ионно-индуцированной микрото пографии существенно устраняет расхождения экспериментальной и рассчитанной для гладкой поверхности угловых зависимостей Y(0).

В целом, при энергиях молекулярных ионов азота в десятки кэВ как значения коэффициентов распыления Y, так и ход угловых зависимостей Y(0) в эксперименте являются близкими к результатам расчетов физи ческого (столкновительного) распыления графита.

Глава 6 посвящена исследованиям ионно-индуцированных структур ных изменений в углеграфитовых материалах, происходящих при высо кодозном ионном облучении и температуре мишеней 20 500оС. Иссле дованы материалы с существенно различной степенью упорядоченности структуры: высокоориентированный пирографит марки УПВ-1Т, поликри сталлические графиты марок МПГ-ЛТ, МПГ-8 и РОСО-AXF-5Q и рентге ноаморфный стеклоуглерод марки СУ-2000.

В разделе 6.1 рассматриваются известные из литературы особенно сти радиационного воздействия на углеграфитовые материалы. Как и в других твердых телах первичные радиационные дефекты в кристалличе ской решетке графитов – смещенные атомы и вакансии, обусловлены каскадным механизмом атомных смещений. Смещенные атомы и вакан сии в зависимости от температуры облучаемой мишени частично реком бинируют, или остаются в виде точечных дефектов, или образуют более сложные дефекты – кластеры смещенных атомов и вакансий. В слоистой структуре углеграфитовых материалов, которые выделяют в отдельный класс материалов в исследованиях радиационных повреждений, пре имущественно происходит двумерная диффузия смещенных атомов в пространстве между атомными плоскостями графита [2]. Степень радиа ционных нарушений зависит от температуры, при которой производится облучение материала. Значительные изменения физических свойств, обусловленных радиационными нарушениями, наблюдаются при темпе ратурах, близких к комнатной.

В разделе 6.2 анализируются результаты измерений температурных зависимостей коэффициента ионно-электронной эмиссии (Т) при высо кодозном ионном облучении углеграфитовых материалов. Известно, что процессы, происходящие при взаимодействии ионов с твердым телом, такие, например, как рассеяние ионов, распыление, ионно-электронная эмиссия, ионно-фотонная эмиссия, чувствительны к степени упорядо ченности твердого тела. В частности, измерение температурных зависи мостей (Т) используют для контроля отжига радиационных нарушений в полупроводниковых материалах. К тому же известно, что величина для металлов практически не зависит от температуры мишени, если только в исследованном температурном интервале не происходит какой-либо структурно-фазовый переход [7]. Исследование температурных зависи мостей (Т) для изученных типов углеграфитовых материалов при высо кодозном облучении их по нормали к поверхности мишени молекуляр ными ионами азота показали, что с ростом температуры наблюдается о ступенчатое увеличение при некотором значении Та от 50 до 250 С в зависимости от сорта и марки материала. Ступенчатое увеличение на блюдали также при облучении как атомарными ионами N+, так и ионами Ar+. Можно было предположить, что скачки на температурных зависимо стях (Т) соответствуют температурам Та ионно-индуцированных струк турных переходов в поверхностном слое углеграфитовых материалов.

В разделе 6.3 приведены результаты исследований методом ди фракции быстрых электронов на отражение ионно-индуцированных из менений кристаллической структуры поверхностного слоя углеграфито вых материалов. Для пирографита УПВ-1Т картина дифракции до облу чения практически соответствует монокристаллическому графиту. Для поликристаллических графитов электронограммы показывают характер ную для поликристаллических материалов систему дифракционных ко лец. На электронограммах для стеклоуглерода наблюдаются широкие слабоконтрастные диффузные гало, соответствующие наиболее интен сивным кольцам на электронограммах для поликристаллических графи тов. Для облученных образцов было установлено, что картина дифрак ции зависит от температуры, при которой производилось облучение. Вы сокодозное облучение ионами N2+ по нормали к поверхности УПВ-1Т при комнатной температуре приводит к аморфным гало на электронограм мах, свидетельствующих о сильном разупорядочении кристаллической структуры. На электронограммах при повышенных температурах T Та наблюдаются три размытых кольца, соответствующие поликристалличе скому графиту. Для поликристаллических графитов при комнатной тем пературе облучения наблюдаются диффузные гало, типичные для аморфных материалов, т.е. ионное облучение приводит к радиационно му разупорядочению поверхностного слоя. При T Та наблюдаются сис темы дифракционных колец, близкие к таковым для необлученных гра фитов. Для стеклоуглерода облучение приводит к изменению степени упорядченности структуры модифицированного слоя, что проявляется в изменении контрастности диффузных гало.

Результаты сравнительных исследований микротопографии поверх ности, развивающейся при ионном облучении при различных температу рах мишеней, представлены в разделе 6.4. Исследования с помощью РЭМ проводили для тех же типов углеграфитовых материалов при высо кодозном облучении ионами N2+ энергии 30 кэВ по нормали к поверхно сти образцов. Исходная гладкая поверхность пирографита УПВ-1Т после облучения при температурах, близких к комнатной, становится гребне видной с гладкими и пологими стенками гребней. Его облучение при по вышенных температурах T Та приводит к формированию острых кону сообразных топографических элементов высотой ~ 1 мкм, которые, сра стаясь друг с другом, образуют системы гребней с крутыми слоисто изъязвленными стенками. Для поликристаллических графитов, а также для стеклоуглерода при температурах облучения, близких к комнатной, наблюдаются линзообразные кратеры с гладкими стенками размером 0. - 0.5 мкм в поперечнике, образующие при пересечении острые кромки и конусообразные вершины. При T Та рельеф становится существенно более развитым за счет наноразмерной слоистой структуры стенок ямок травления. Для стеклоуглерода при T Та стенки кратеров и хребтов изъязвлены ямками, образующими губчатую структуру субмикронного масштаба и отражающую глобулярно-ячеистую структуру материала.

В разделе 6.5 представлены результаты исследования точечных па рамагнитных дефектов в модифицированном высокодозным ионным облучением поверхностном слое поликристаллических графитов. Спек тры ЭПР в виде первой производной линии поглощения мощности СВЧ регистрировались при комнатной температуре и 77 К. Спектры ЭПР гра фитов до облучения представляют собой синглетную слабо асимметрич ную линию с g-фактором 2.01 и шириной между экстремумами производ ной H = 1.2 – 1.4 мТ. Для углерода в различном состоянии (черные угли, сажа, активированный уголь, тонкие аморфные пленки а-С, полученные разными методами) спектры ЭПР представляют собой синглетные линии с g = 2.0027 – 2.0029 и H = 0.3 – 0.4 мТ. ЭПР-анализ поверхностных слоев поликристаллических графитов, испытавших воздействие высоко дозного облучения ионами N2+ азота энергии 30 кэВ, обнаружил наличие различных типов парамагнитных дефектов. При температурах облуче ния, близких к комнатной, т.е. при значительном радиационном разупо рядочении структуры, найдены как дефекты, типичные для углерода, так и дефекты, ассоциирующиеся со взаимодействием атомов углерода с атомами азота, количество которых зависит от марки графита. Так, для графита МПГ-ЛТ в спектрах ЭПР обнаружена сверхтонкая структура (СТС), обусловленная взаимодействием неспаренного спина углерода с двумя эквивалентными ядрами N и содержащая 5 компонент. Для гра фитов МПГ-8 и POCO-AXF-5Q обнаружена семикомпонентная СТС, обу словленная взаимодействием неспаренного спина электрона, локализо ванного на углероде, с тремя эквивалентными ядрами 14N, что может быть приписано образованию дефектов СN3, аналогичных дефектам К типа в Si3N4, и наличие которых свидетельствует об образовании вклю чений нитрида углерода C3N4. При повышенных температурах облуче ния, когда кристаллическая структура модифицированного слоя близка к структуре необлученных графитов, в нем образуются дефекты, принад лежащие лишь графитоподобным фазам. Существование связей между азотом и углеродом в углерод-азотных материалах устанавливается различными методами (рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией, при помощи ядерного магнитного резонанса, комбинационным рассеяни ем). Однако в ряде случаев выводы о структуре и геометрии связей яв ляются неоднозначными. Наличие СТС в спектрах ЭПР позволяет одно значно ответить на вопрос о числе атомов азота, с которыми связан уг лерод в той или иной ситуации.

Глава 7 посвящена решению ряда вопросов теории и практики при менения кинетической ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ) для монито ринга ионно-лучевого воздействия на материалы.

В разделе 7.1 приводятся основные закономерности и выводы тео рии ИЭЭ, а также краткий обзор работ, в которых это явление использо валось для исследования состояния облучаемой поверхности материа лов. ИЭЭ обусловлена процессами ионизации и возбуждения атомов твердого тела и бомбардирующих частиц при парных столкновениях в процессе движения ионов в твердом теле и имеет порог по кинетической энергии (скорости vп). Наиболее разработанной для энергий ионов в де сятки кэВ является теория Парилиса-Кишиневского [7] для металлов, согласно которой коэффициент ИЭЭ под действием атомарных ионов =еw, (1) где: - атомная плотность мишени, -длина пробега вторичных элек тронов в твёрдом теле, w – вероятность выхода электронов, е(v)– сече ние ионизации в парных атомных столкновениях налетающего иона ско рости v и атома мишени. При vп v vс, где vп (13)107 см/с, vс - ско рость связанных электронов в твердом теле е(v) v. В теоретическом анализе основной вопрос заключается в том, какие электроны являются преобладающим источником эмиссии, каковы эффективные механизмы их возбуждения и транспортировки к поверхности в той или иной ситуа ции. Для аналитических целей актуальными являются вопросы влияния на ИЭЭ радиационных повреждений и других изменений характеристик поверхности, вызываемых ионным облучением.

В разделе 7.2 представлены результаты исследования неаддитивно сти ИЭЭ при облучении молекулярными ионами. Снижение выхода (в расчёте на один атом) при бомбардировке твёрдого тела молекулярными ионами и кластерами замечено во многих электронных процессах: ион но-электронной и ионно-ионной эмиссии, люминесценции, неупругом распылении. Для так называемого «молекулярного эффекта» ИЭЭ ко эффициент n, как правило, меньше суммы коэффициентов 1, измерен ных при той же скорости для n атомов, составляющих молекулу или кла стер. Мерой эффекта считают отношение Rn = n/n1. Для объяснения эффектов неаддитивности Е.С.Парилисом предложен механизм вымета ния (sweeping-out) электронов головными атомами молекул или класте ров, уменьшающий эффективность последующих столкновений. Приме нительно к ионно-электронной эмиссии эффективность процесса опре деляется соотношением между размерами молекулы (радиус rn) и сече нием ионизации e:

Rn(v) = [1 - (1 - e(v) /rn )n ] / (n e(v) /rn ).

2 (2) В диссертационной работе неаддитивность ИЭЭ экспериментально изу чена для трех поликристаллических мишеней: графита, хрома и золота при бомбардировке атомными и молекулярными ионами N+ и N2+ с энер гией 15 – 34 кэв. Установлено, что зависимости 1(v) проявляют линей ную зависимость с порогом vп, предсказываемым теорией кинетической эмиссии. Эффект неаддитивности ИЭЭ проявляется в том, что 2 21. В изученном интервале энергий Rn уменьшается со скоростью v, что объ ясняется увеличением сечения e(v) с увеличением скорости иона и, соответственно, неупругих потерь энергии бомбардирующей частицей (dE/dx)e. Для графита R2 0.9. Для хрома и золота значения R2 близки к данным для графита, однако экспериментально найденное уменьшение R2(v) со скоростью для хрома является более сильным, чем для углеро да и чем предсказывается теорией эффекта.

Раздел 7.3 посвящен анализу влияния на величину коэффициента радиационных нарушений, вызываемых ионным облучением. Рассмот рен вопрос, изменение каких параметров, входящих в формулу (1), оп ределяет ступенчатый характер температурных зависимостей (Т), ис пользованных в диссертационной работе для безинерционного in situ мониторинга изменений структуры углеграфитовых материалов. В тео рии ИЭЭ, где металлы рассматривали как неупорядоченные системы, этот вопрос не обсуждался. Анализ зависимостей (Т) при различных углах падения ионов N2+ на поверхность графита МПГ-8 показал, что увеличение угла падения приводит к изменению их поведения. Ступен чатый характер увеличения с ростом температуры при Та 200оС трансформируется: на зависимости (Т) появляется широкий купол с о максимумом при Tp 130 С. Были проанализированы угловые зависимо сти cos0, в которых значения взяты из результатов измерений (Т) при трех температурах облучения 40, 130 и 250oC. Форма зависимостей cos0, а именно слабая зависимость cos0 при углах падения ионов вплоть до некоторого критического значения с, переходящая при 0 с к быстрому уменьшению, является характерной для кинетической ионно электронной эмиссии при энергиях ионов порядка десятков кэВ и связа на, в частности, с тем что глубина (Recos0), на которой происходит воз буждение электронов в столкновении бомбардирующей частицы c ато мами мишени, становится меньше длины пробега вторичных электронов. При Recos0 значение стремится к предельному значению lim е(v) Re w. Для качественного сопоставления с экспериментом ис пользовали аппроксимацию угловой зависимости cos при и ис су e (v0 )лw г(и) cosи =, (3) при и ис су e (v0 )Re w cos и где угол с определяется равенством Re cosс =.

Экспериментально найденный ход зависимостей cos0 качественно соответствует аппроксимации (3), если предположить, что при увеличе нии температуры Т, при которой производится облучение, в области T = Ta увеличивается длина пробега вторичных электронов, а глубина Re при температурах 40 и 250оС одинакова, тогда как при промежуточной температуре Тр она несколько увеличивается. Таким образом, ступенча тые изменения зависимости (Т) можно связывать с изменением длины пробега вторичных электронов. Увеличение с температурой обуслав ливается уменьшением эффективного сечения рассеяния электронов на атомных остовах при упорядочении кристаллической структуры твердого тела в результате отжига радиационных нарушений, создаваемых высо кодозным ионным облучением.

В разделе 7.4 приводятся результаты исследования ИЭЭ металлов при сопоставимых потоках на поверхность разреженного газа и быстрых ионов. Сильная зависимость ИЭЭ от покрытия поверхности адсорбиро ванными атомами газов представляет значительный интерес для диаг ностики поверхности ионными пучками. Актуальным является вопрос о влиянии типа адсорбата на ИЭЭ. В диссертационной работе экспери ментально изучены закономерности ИЭЭ в процессе динамической очи стки поликристаллических металлов Fe, Ni, Cu, Mo и сплава Fe-Ni (36% Ni, 64% Fe) бомбардировкой ионами аргона с энергиями 30 40 кэВ по сле фиксированных экспозиций от 1 до 510 Л в кислороде, аргоне и остаточном газе вакуумной камеры. Кроме того, измеряли установив шиеся коэффициенты при различных соотношениях на поверхность потоков разреженного газа и быстрых ионов. Установлено, что адсорб ция газов может приводить как к повышенной, так и пониженной ИЭЭ, по сравнению с динамически чистой поверхностью мишеней. После экспо зиции мишеней в остаточном газе, содержащем в основном молекулы Н2О, NH3, СО, СnНm, наблюдали повышенную ИЭЭ, а после экспозиции мишеней в кислороде наблюдали пониженную ИЭЭ. В процессе очистки поверхности эмиссия электронов экспоненциально приближается к уров ню, соответствующему чистой поверхности металлов.

В разделе 7.5 рассмотрены возможности применения ИЭЭ для опре деления флюенса облучения полиэнергетическим пучком ионов, генери руемых вакуумно-дуговым ионным источником (ВДИ). Флюенс ионного облучения обычно определяют посредством измерения заряда Q ионов, прошедших в цилиндр Фарадея. В бессепарационных ионных импланте рах с ВДИисточниками, генерирующими многозарядные ионы, измере ния заряда Q недостаточно для определения флюенса облучения. Необ ходимы также данные о зарядовом составе пучка ионов q. Прямые из мерения q требуют масс-сепарации ионного пучка и выполняются на специальных стендах. При использовании ВДИ для технологических це лей флюенс ионного облучения оценивают косвенно F = Q/q, где сред ний заряд ионного пучка q определяют по данным стендовых измере ний q. Возможность определения флюенса F посредством измерений ионного тока Ii и тока вторичных электронов Ie следует из того, что в ин тервале энергий десятков кэВ эффективный коэффициент ИЭЭ = Ie/Ii = 1 q1/2/ q 1 / q1/2. (4) Отсюда может быть найден средний заряд q, необходимый для рас чета флюенса F. Апробация метода проведена на имплантере ИМП-60/ на пучках ионов хрома и меди. Установлено, что отношение токов Ie/Ii изменяется как от импульса к импульсу, так и в пределах одного импуль са ионного тока. Эти изменения свидетельствуют об изменении зарядо вого состава ионного пучка в процессе работы ионного источника. Сред ний заряд в пучке ионов меди, рассчитанный согласно соотношению (4), колеблется от 1.5 до 3.4, что соответствует литературным данным по генерации ионов меди вакуумной дугой. Таким образом, измерения ИЭЭ позволяют не только определять флюенс ионного облучения, но и кон тролировать динамику работы ВДИ-источника.

Заключение содержит перечень основных результатов и выводов, полученных в диссертации.

Диссертационная работа посвящена решению ряда важных проблем физики взаимодействия плазмы, ионных, атомарных и молекулярных потоков с материалами, связанных с развитием ионно-пучковых методов для мониторинга, исследования и модификации поверхностного слоя металлов и углеграфитовых материалов, обусловленной ионно индуцированными и термоактивируемыми процессами.

Наиболее существенные научные результаты работы состоят в сле дующем.

1. На основе сравнительного анализа ядерного обратного рассеяния (ЯОР) протонов околобарьерных энергий одно- и двухкомпонентными мишенями разработана методика и измерены (для угла рассеяния 1600) эффективные дифференциальные сечения ЯОР протонов энергии 5. 7.8 МэВ ядрами элементов N, O, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Nb, Mo в мишенях с естественным содержанием изотопов. Полученные данные служат в настоящее время базой для элементного анализа материалов методом спектрометрии ЯОР протонов околобарьерных энергий. Иссле дованный энергетический интервал характеризуется повышенной чувст вительностью метода ЯОР протонов к легким элементам и глубиной анализа материалов до ~100 мкм.

2. Спектрометрия ЯОР протонов впервые использована для исследо вания процессов нанесения износостойких покрытий на основе нитридов и карбидов металлов методами вакуумно-дугового осаждения и магне тронного распыления, термической обработки, термодиффузионного азотирования и плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов, синтеза углерод-азотных материалов. Найдено, что при тер модиффузионном азотировании в аммиаке металлов кинетика началь ной стадии азотирования переходных металлов Fe, Mo и W является аномальной, при азотирования титана имеет место цикличность форми рования - и -нитридных слоев, при плазменно-электролитическом ок сидировании алюминиевых сплавов может формироваться специфиче ская морфология керамикоподобного слоя с включениями неоксидиро ванного алюминия.

3. С целью экспериментального исследования ионно-индуцированных и термически активируемых процессов, обуславливающих модификацию поверхностных слоев твердых тел, разработаны и усовершенствованы методики, установки и устройства для высокодозного ионного облучения и анализа материалов. В частности, в МАТИ создана модульная ионно лучевая установка МИМ-50, разработан стенд гониофотометрии отра женного лазерного излучения для количественного анализа микротопо граифии поверхности, модернизированы приемная камера масс монохроматора НИИЯФ МГУ и спектрометрический комплекс на цикло троне НИИЯФ МГУ.

4. Для температур Т 0.4 Tпл., когда термическая диффузия в мате риалах незначительна, измерены профили концентрации и доза имплан + + тированного азота в зависимости от флюенса облучения ионами N и N энергии 15 – 35 кэВ нитридообразующих металлов и углеграфитовых материалов. Установлено, что при имплантации азота в металлы ста ционарное состояние по элементному составу соответствует образова нию в поверхностном слое стехиометрических нитридов. В углеграфито вых материалах различных типов и марок средняя концентрация азота не превышает 25 ат.%, что существенно ниже концентрации в гипотети ческом нитриде углерода -С3N4. Показано, что при бессепарационной имплантации ионами металлов, генерируемых вакуумно-дуговым ион ным источником, основой для прогнозирования концентрационных про филей в материалах может служить аналитическая модель полиэнерге тической высокодозной имплантации, учитывающая ионно-лучевое рас пыление.

5. Исследовано воздействие ионной имплантации на износостойкость хромистой стали. Установлено, что высокодозная имплантация ионов азота увеличивает износостойкость стали 30Х13 в условиях сухого тре ния более чем в 2 раза на глубинах, более чем на два порядка величины превышающих глубину имплантированного слоя. Предположено, что оксидный слой, образующийся при трибологическом воздействии, пре пятствует аутдиффузии имплантированного азота из материала и, тем самым, обуславливает наблюдаемый эффект дальнодействия.

6. Впервые экспериментально и с использованием компьютерного моделирования исследованы угловые зависимости коэффициента рас пыления поликристаллических графитов различных (отечественных и зарубежных) марок при высокодозном облучении молекулярными иона ми азота энергии порядка десятков кэВ. Показано, что учет ионно индуцированной микротопографии поверхности в виде распределений локальных углов падения ионов, получаемых с помощью метода гонио фотометрии отраженного света, устраняет расхождения эксперимента и рассчитанных для гладкой поверхности графита значений коэффициента физического (столкновительного) распыления.

7. Исследованы ионно-индуцированные структурные изменения в уг леграфитовых материалах (высокоориентированный пирографит, поли кристаллические графиты и стеклоуглероды) при высокодозном облуче нии ионами N2+ и Ar+ с энергией 30 кэВ. Впервые обнаружено, что радиа ционное разупорядочение углеграфитовых материалов приводит к скач кообразной температурной зависимости ионно-электронной эмиссии, отражающей ионно-индуцированные структурные переходы в облучае мом материале. При температурах, близких к комнатной, ионное облуче ние приводит к значительному разупорядочению кристаллической струк туры материалов, при повышенных температурах облучения структура высокоориентированного пирографита и поликристаллических графитов является близкой к структуре необлученных материалов, в стеклоугле роде наблюдается некоторое упорядочение его изначальной структуры.

8. Предложен и применен комплекс методов исследований бинарной системы C N в поисковых работах по синтезу нитрида углерода C N4, включающий методы спектрометрии резерфордовского и ядерного обратного рассеяния протонов энергии 2-8 МэВ, спектрометрию быстрых атомов отдачи, методы ЭПР и дифракции быстрых отраженных электро нов, ионно-электронной эмиссии для in situ диагностики ионно-лучевых методов синтеза. В спектрах ЭПР графитов, облученных ионами азота, впервые обнаружена сверхтонкая структура (СТС), свидетельствующая о образовании химических связей между углеродом и азотом. Число ком понент СТС, определяющее число атомов азота, связанных с углеродом, зависит от марки графита и температуры облучения. В частности, при температурах, близких к комнатной, в поверхностном слое некоторых марок поликристаллических графитов обнаружены парамагнитные де фекты, аналогичные дефектам К-типа в Si3N4, что свидетельствует об образовании включений нитрида углерода C3N4.

9. Экспериментально исследованы закономерности кинетической ионно-электронной эмиссии металлов и углеграфитовых материалов под воздействием атомарных и молекулярных ионов азота и ионов инертных газов с энергиями в десятки кэВ и проанализированы возможности при менения этих закономерностей для анализа радиационных нарушений в материалах, in situ контроля и диагностики ионного облучения и состоя ния облучаемой поверхности. Экспериментально показано и теоретиче ски обосновано, что при радиационном разупорядочении структуры угле графитовых материалов уменьшается длина свободного пробега вто ричных электронов, что приводит к уменьшению коэффициента ионно электронной эмиссии.

Основные результаты работы опубликованы в статьях [14 73].

ЛИТЕРАТУРА 1. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М.: Мир, 1971.-367 с.

2. Ehrhart P., Schilling W., Ullmaier H. Radiation Damage in Crystals // Encyclopedia of Applied Physics - 1996. - v.15. - p.429-457.

3. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел: Сб. статей 1986 – 1987гг.: Пер. с англ./ Сост. Е.С.Машкова. – М.: Мир, 1989. – 349с.

4. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. - 216 с.

5. Бурдель К.К., Чеченин Н.Г. Спектрометрия обратного рассеяния при исследова нии поверхности твердых тел // Итоги науки и техники. Сер. Пучки заряженных частиц и твердое тело. Т.1. - М.:ВИНИТИ, 1990. - с.35-93.

6. Фелдман Л. Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. - М.: Мир, 1989. 344с.

7. Parilis E.S., Kishinevsky L.M., Turaev N.Yu., Baklitzky B.E., Umarov F.F., Verleger V.Kh., Nizhnaya S.L., Bitensky I.S. Atomic сollisions on solid surfaces. Amsterdam: North-Holland, 1993. - 663 p.

8. Liu A.Y., Cohen M.L. Structural properties and electronic structure of low compressibility materials: Si34 and hypothetical С34 // Phys.Rev. - 1990. v.B41. - p. 10727-10734.

9. Гусева М.И., Мартыненко Ю.В. Взаимодействие частиц плазмы с поверхностью // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. Т. 11. - М.: ВИНИТИ, 1989. - С.

150-190.

10. Federichi G., Skinner C.H., Brooks J.N. et al /Plasma-Material Iinteractions in Cur rent Tokamaks and their Implications for Next-Step Fusion Reactors. IPP – Report 9/128. 2001.

11. А.с. №1816963 / "Способ определения шероховатости поверхности" Борисов А.М., Крит Б.Л., Лузин В.П., Паволоцкий А.Б., Цвелев А.В. Заявл.

12.04.1991, №4943726.

12. "Способ очистки и активации порошков" А.М.Борисов, И.Ю.Краснов, Б.Л.Крит, В.П.Лузин, А.Б.Паволоцкий. Решение на выдачу а.с. 10.02.1992 по заявке № 4926959/02 от 14.04.91.

13. Патент № 2112086 РФ по МКИ C 25 D 11/00. Способ нанесения электролити ческого покрытия на поверхности металлов и сплавов и электролитическое покрытие. Борисов А.М., Крит Б.Л., Людин В.Б. Суминов И.В., Эпельфельд А.В.

// Б.И. - 1998. - № 15.

14. Borisov A.M., Ermakov S.V., Nguyen Mac Ha, Romanovsky E.A., Saidov B.M. Al lowance for multiple scattering in proton energy spectra // Radiation Effects - 1984. v.83. - p. 305-309.

15. Борисов А.М., Семенов Б.Н. Управляемый стабилизатор тока для электромаг нита ФЛ-1 // ПТЭ - 1989. - №1. - c.159-160.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.