На правах рукописи

Телегин Алексей Михайлович

Воздействие высокоскоростных пылевых частиц

на пленочные структуры металл – диэлектрик – металл

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Самара - 2012

Работа выполнена на кафедре радиотехники и медицинских диагностических систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)” (СГАУ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сёмкин Николай Данилович

Официальные оппоненты:

Павельев Владимир Сергеевич, доктор физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)”, заведующий кафедрой наноинженерии;

Цаплин Сергей Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Самарский государственный университет”, кафедра физики твердого тела и неравновесных систем, доцент.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцина федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова.

Защита состоится 18 мая 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 17 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор В. Г. Шахов

Общая характеристика работы

В диссертации теоретически и экспериментально исследуются поведение пленочных МДМ – структур в условиях воздействия высокоскоростных пылевых частиц.

Актуальность проблемы В твердых телах под высоким давлением, создаваемым высокоскоростным ударом, наблюдаются самые разнообразные явления: вспышка, ионизации, химические превращения в твердых телах, изменение проводимости и запрещенной зоны ударносжатых полупроводников и диэлектриков. Создание физико – математических моделей, описывающие такие эффекты представляет собой достаточно трудоемкую задачу, требующую проведения дорогостоящих экспериментов.

В работе рассмотрены физические эффекты в ударносжатых пленочных структурах “металл – диэлектрик – металл” (МДМ). По изменению проводимости ударносжатых МДМ – структур можно в частности судить о протекающих в них физико-химических процессах. Знание зависимости изменения проводимости от давления для различных материалов позволяет создавать датчики давления, контролировать процесс обработки материалов в экстремальных условиях.

Исследование в области физики высокого давления началось с начала века с работ Дж. Кантона по исследованию сжимаемости воды. В настоящее время работы ведутся в академических и промышленных лабораториях всего мира, причем уровень давлений возрастает, и достигаются все более важные результаты.

Важный вклад в этой области внесли П.В.Бриджмен, Л.В.Альтшулер, Я.Б.Зельдович, Р.Ф.Трунин, Г.И.Канель, В.Е.Фортов, Ф.А.Баум, Л.П.Орленко, К.П.Станюкович, Л.С.Новиков, С.Д.Гилев и др.

Работа выполнена в рамках АВЦП “Развитие научного потенциала высшей школы”.

Целью диссертационной работы является исследование ударносжатых и пробиваемых пленочных МДМ-структур на основе полиметилметакрилата в условиях воздействия высокоскоростных пылевых частиц и разработки рекомендаций к проектированию датчиковой аппаратуры.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

1) На основе использования теория ударных волн получить зависимости электропроводности ударносжатых и пробиваемых МДМ – структур из полиметилметакрилата от параметров высокоскоростных микрочастиц;

высокоскоростной микрочастицы на процессы образования вторичных заряженных частиц;

3) Провести экспериментальное исследование процессов взаимодействия высокоскоростных пылевых частиц с пленочной МДМ – структурой;

4) Разработать рекомендации к проектированию датчиков для определения параметров микрометеороидов (масса частиц 1015 1011 г, скорость частиц 1 30 км/с) на основе пленочных МДМ – структур.

Методы исследования базируются на использовании теории ударных волн, электродинамики, термодинамики, применении теории вероятности и аппарата дифференциального и интегрального исчисления. Математическое моделирование выполнено с использованием машинных методов вычисления.

Достоверность полученных результатов подтверждается базированием теоретических расчетов на теории ударных волн, а также соответствие этих расчетов экспериментальным данным.

Научная новизна 1) На основе использования теории ударных волн разработан метод регистрации параметров (массы, скорости или энергии) высокоскоростных пылевых микронных и субмикронных частиц в диапазоне энергий 1011 104 Дж путем оценки сопротивления ударносжатых и пробиваемых пленочных МДМ – структур;

2) Получено на основе решения уравнения кинетики разлета ударной плазмы в пленочной МДМ-структуре приближенное аналитическое выражение, учитывающее влияние параметров высокоскоростных микрочастиц на изменение степени ионизации компонент плазмы;

экспериментальное исследование зависимостей сопротивления пленочной МДМ – структуры от параметров ударника (в диапазоне масс (1 1,5) 10 14 г и (2,5 5) 10 14 г и скоростей 1 - 10 км/с), которые качественно совпадают с расчетными зависимостями. Эксперименты подтвердили, что количество образовавшихся ионов при высокоскоростном взаимодействии возрастает примерно в 10 раз при увеличении напряжения на МДМ –структуре от 0 В до 50 В, а интенсивность светового потока линейно связана с напряжением на обкладках МДМ –структуры в диапазоне скоростей 1 - 5 км/с. В режиме стационарного свечения ударносжатого канала МДМ –структуры сквозной ток через пленку из полметилметакрилата толщиной 1 мкм при изменении напряжения от 100 В до 350 В менялся от 0,1 мА до 2,5 мА;

4) На основе проведенных исследований МДМ - структуры разработан датчик для определения параметров микрометеороидов (масса частиц 1015 1011 г, скорость частиц 1 30 км/с), в качестве диэлектрика использовался полиметилметакрилат, площадь чувствительной поверхности датчика 290 300 см.

Практическая значимость работы Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при исследовании характеристик материалов в условиях высоких ударных давлений и в задачах разработки пленочных датчиков микрометеороидов и космического мусора. Получен акт внедрения результатов диссертационной работы, которые были использованы при разработке конструкторской документации на датчики «Метеор», установленные на малом космическом аппарате «АИСТ» (совместная разработка СГАУ и ЦСКБ - Прогресс).

Выносятся на защиту 1) Метод расчета сопротивления ударносжатой и пробиваемой МДМ – структуры в зависимости от параметров высокоскоростных микрочастиц;

2) Аналитическое выражение, связывающее изменение степени ионизации компонент плазмы от времени при различных параметрах ударяющей высокоскоростной микрочастицы;

3) Результаты ударных экспериментов с МДМ – структурой на основе использования электростатического ускорителя;

4) Примеры практического использования МДМ-структур в качестве датчиков микрометеороидов.

Апробация научных результатов Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международные конференции “Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках”(2008, 2011), Международные научно-технические конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (2008, 2009,2010,2011),Международная «Металлофизика,механика материалов наноструктур и процессов деформирования.

Металлодеформ-2009» (2009), Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества”(2009), VIII Всероссийской научнопрактической конференция c международным участием “Молодежь и современные информационные технологии” (2010), 1-й Всероссийская школа-семинар по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети “Функциональные наноматериалы для космической техники” (2010), Региональная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос (2011), II Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы ракетно-космической техники” (2011), Всероссийская научно – техническая конференция Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций(2011), 10th International Space Conference on “Protection of Materials and Structures from the Space Environment” (2011).

Личный вклад автора.

Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно.

Публикации по теме диссертации По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, из них 16 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 3 патента РФ и 18 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы (170 наименований) и 1 приложения. Работа изложена на 185 страницах и содержит 83 рисунка и 4 таблицы.

Во ведении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель и задачи, показана научная новизна полученных результатов, приводятся положения, выносимые на защиту, изложено краткое содержание диссертационной работы.

В 1 главе приведен обзор исследований физических явлений, наблюдаемых в твердых телах под высоким динамическим или статическим давлением.

Во 2 главе рассмотрены математические модели проводимости, ударной вспышки, стационарного свечения, ионообразования пленочной МДМ – структуры при ударном нагружении.

Приложенное к МДМ – структуре электрическое поле существенно влияет на процессы, происходящие при ударном взаимодействии. Так как толщина диэлектрика в таких структурах колеблется от десятков нанометров до нескольких микрон, то даже небольшое прикладываемое напряжение (от 10В до 400В) создает большую напряженность поля. При ударном воздействии на МДМ – структуру напряженность электрического поля может приблизиться к напряженности пробоя диэлектрика, также за счет прикладываемого электрического поля происходит локальный разогрев диэлектрика в месте воздействия высокоскоростных частиц, что может вызвать тепловой пробой рассматриваемой структуры и привести к усилению наблюдаемых эффектов образования плазмы и ударной вспышки.

При высокоскоростном соударении твердых микрочастиц с пленочной МДМ– структурой возникают несколько режимов ее функционирования:

1) режим, когда частица проникает только в верхнюю обкладку;

2) режим, когда остатки частицы застревают в диэлектрике;

3) режим сквозного пробивания тонкой МДМ - структуры.

Для определения проводимости ударносжатых диэлектриков МДМструктуры как функции времени и параметров частицы решается система уравнений гидродинамики с использованием уравнений состояния для металла и диэлектрика.

1 – верхняя металлическая обкладка следовательно, параметры частицы.

конденсатора, 2 – диэлектрик, 3 – нижняя На рисунке 1 представлено металлическая обкладка конденсатора, 4 – схематическое изображение МДМ – измеритель проводимости диэлектрика структуры.

Рисунок 1 - Схематическое изображение МДМ - структуры где 0 - удельная проводимость диэлектрика при нормальных условиях (температура 20С, и давление 105 Па), а E - текущая ширина запрещенной зоны для полиметилметакрилата (ПММА).

С учетом уравнений состояния диэлектрика, законов сохранения на фронте ударной волны и эмпирического выражения для кратера от высокоскоростного соударения получено выражение для сопротивления МДМ структуры на основе полиметилметакрилата:

где T = исходная плотность среды и ударника; Е- энергия ударника;

R[Ом] Рисунок 2 - Зависимость сопротивления Энергия, запасенная в объеме диэлектрики за время взаимодействия:

ударной волны.

Сопротивление пробиваемой МДМ – структуры можно вычислить согласно выражению:

верхней обкладки МДМ - структуры.

1 – W =5 км/с; 2 –W =7 км/с; 3 –W = км/с Рисунок 3 - Зависимость сопротивления (пробиваемый случай) где xe, xk - степень ионизации электронов и ионов k – го элемента; A, C – const; t – безразмерное время, нормированное на t 0 = 10 R у 1 + у / м W, где R у - радиус ударника, ударника; n(t ) = n0 / t 3 - концентрация плазмы, где n0 - начальная концентрация плазмы; J k - потенциал ионизации k – го элемента; T (t ) = T0 t - температура плазмы, где T0 - начальная температура плазмы.

При времени t1 >t0 нарушается ионизационное равновесие. При t0 t1 скоростью ионизации из-за сильной экспоненциальной зависимости можно пренебречь по сравнению со скоростью рекомбинации:

хk1 при t=t1 определяются из уравнений Саха для n1=n(t1), T1=T(t1).

составляющих:

где µ e - подвижность электронов, µ k - подвижность ионов k – элемента.

Полученные выше выражения описывают приближенную модель инерциального разлета плазменного сгустка за счет газодинамических сил. Данную модель следует дополнить данными о влиянии внешнего электрического поля на процесс разлета плазменного облака.

С электронной составляющей проводимости связано явление токового разогрева плазмы. Под действием электрического поля заряженные частицы (электроны и ионы) повышают свою кинетическую энергию, при этом ионы, обладающие массой mi>> me, можно считать практически неподвижными. В ряде случаев плазма может быть представлена как смесь электронной и ионной жидкостей. Сила трения электронной жидкости об ионную вызывает разогрев плазмы. Скорость нагрева электронов за счет работы силы трения определяется из уравнения.

За счет разности величин коэффициентов теплопроводности электронной и ионной жидкостей, ионная жидкость повышает свою температуру в me раз медленнее. Рост температуры плазмы за счет токового разогрева следует учитывать при решении задачи газокинетического разлета плазмы, полная температура которой может быть представлена как сумма двух компонент:

Рисунок 4 – График зависимости изменения значения интегральных зарядов при различных напряжениях на первых стадиях расширения Температура T плазменного сгустка, при которой плазма становится оптически тонкой, равна:

где a = у / М - коэффициент пропорциональности, W - скорость ударника, G0 коэффициент пропорциональности, у, м плотность ударника и мишени соответственно. При этом предполагается, что плазма излучает как абсолютно черное тело, то есть в соответствии с законом Планка. Начальный размер плазменного сгустка R0. Характерное время t 0 образования плазменного сгустка:

Законы расширения и охлаждения примем в виде:

Выражение для интенсивности вспышки I = 4 R02 T04 (t 0 / t )2, где = 5,67 10 8 Вт /( м 2 K 4 ) – постоянная Стефана – Больцмана.

Тогда энергия вспышки можно вычислить E = I (t )dt = 4 R02 T04 t 0.

Под действием электрического поля происходит более быстрый разогрев плазмы, что приводит к увеличению начальной температуры плазмы, так же под действием приложенного поля происходит более быстрое расширение плазмоида за счет ускорения в электрическом поле МДМ – структуры образовавшихся ионов.

Тогда примем начальную температуру равной T.

При проведении экспериментов с использованием электростатического ускорителя был обнаружен режим включенной в цепь постоянного напряжения ударносжатой МДМ-структуры, при котором возникает стационарное свечение ударносжатого участка органического диэлектрика, подвергнутого ударному воздействию алюминиевых частиц диаметром d = 0,1 10 6 0,5 10 6 м в диапазоне скоростей 3000 – 12000 м / с и хромовых частиц d = 1 10 6 20 10 6 м, W м / с. Свечение является стабильным во времени, наблюдается визуально в течение нескольких часов и более, а его интенсивность свечения полиметилметакрилата линейно связана с величиной поданного на МДМ-структуру постоянного электрического поля. Было предположено, что в основе свечения лежит явление электролюминесценции.

Исследование стационарного теплообмена в ударносжатой МДМ - структуре в режиме стационарного свечения, как и любой метод исследования теплофизических свойств различных классов материалов, основано на решении дифференциального уравнения теплопроводности при определенных начальных и граничных условиях.

Исследуемый процесс является стационарным, то есть отсутствует временная зависимость. Уравнение теплопроводности можно записать в виде:

где 2T - температурный поток, E - напряженность электрического поля, r коэффициент теплопроводности материала, (r, t ) – проводимость материала.

Результаты решения уравнения теплопроводности представлено на рисунке 5.

Вычисления проводились для следующей модели конденсаторной структуры: толщина верхней обкладки (алюминий) d1 =1 мкм, толщина диэлектрического слоя (полиметилметакрилат) d2=1 мкм.

1 – z=0; 2 – z=0,1мкм;

3 – z=0,2 мкм;

4 – z=0,3 мкм; 5 – z=0,4мкм;

6 – z=0,5мкм; 7 – z=0,6 мкм;

8 – z=0,7 мкм; 9 – z=0,8мкм;

10 – z=0,9 мкм; 11 – 1 мкм.

Рисунок 5– Зависимость температуры электропроводности, ионообразования, светящегося канала от радиуса и ударной вспышки в пленочной МДМ – координат z (напряжение на МДМ – структуре на основе полиметилметакрилата и На рисунке 6 приведена блок схема экспериментальной установки. На рисунке 7 приведена фотография линейного ускорителя для моделирования высокоскоростных частиц, который был разработан в Институте космического приборостроения СГАУ.

В одном из экспериментов производили облучение на ускорителе МДМП – структуры (металл - верхняя обкладка толщиной 0,1 мкм, диэлектрикполиметилметакрилат толщиной 1,2-1,4 мкм, нижняя медная обкладка толщиной 50 мкм, люминофор, стеклянная подложка). В данном эксперименте наблюдалось стационарное свечение ударносжатой МДМ – структуры.

При ударе частицы происходит частичный пробой ударносжатой области диэлектрика, являющейся функцией напряжения на конденсаторе. Наблюдается интенсивный выход ионов водорода, образующихся в результате автоэлектронной эмиссии в диэлектрике. Происходит частичный разрыв химических связей в диэлектрике, в результате чего ударно-сжатый канал становится металлоорганическим соединением, в котором атомы водорода замещены атомами металла (алюминия, калия, натрия).

Часть выделяющейся энергии в канале проводимости идет на его разогрев и на излучение, другая часть энергии отводится на нижнюю (медную) обкладку конденсатора. В результате чего поддерживается тепловое равновесие. При напряжении Uc=400 В (толщина диэлектрика ~1 мкм) происходит пробой. При толщине диэлектрика 2-2,5 мкм в том же диапазоне масс и скоростей частиц было обнаружено стационарное свечение канала проводимости лишь в течение 4-7 с даже при напряжении Uc =400-450 В.

1-электростатический ускоритель, 2–блок колец Фарадея, 3 - усилители, 4-8 - люминесцентно- скорость частиц: 1 15 км / с ;

конденсаторный датчик, 9,11 - ФЭУ, 11, 10 - ВЭУ, 12 - осциллографы, 13 - времяпролетный массРисунок 7 - Ускоритель для спектрометр Рисунок 6– Блок – схема экспериментальной установки 4 - ln( I скв ) = 0,0129 U 3,606 ; 5 – теоретические значения U ФЭУ = 0,029 U 1, ФЭУ от приложенного напряжения в режиме стационарного свечения Рисунок 9 – Зависимость напряжения с ФЭУ 1 – Осциллограмма с колец Фарадея;

от напряжения на конденсаторе Рисунок 11 - Многослойная структура конденсатора можно определить характер Диэлектрические пленки из полиметилметакрилата толщиной 12 мкм были получены методом полимеризации в высокочастотном разряде.

Материал ударника Al, массой (1 1,5) 10 14 г: 1 – Экспериментальное значение сопротивления; 2 – Сопротивление, посчитанное численным методом;3 – Сопротивление, посчитанное по аналитической модели; Материал ударника Al, массой (2,5 5) 10 14 г:

4 – Экспериментальное значение сопротивления; 5 – Сопротивление, посчитанное численным методом;6 – Сопротивление, посчитанное по аналитической модели Рисунок 12 – Зависимость сопротивления диэлектрика от скорости частицы Согласно экспериментальным данным (рисунок 13) увеличение напряжения приводит к увеличению образовавшихся ионов. Экспериментальные данные подтвердили, что с помощью электрического поля, приложенного к МДМ – структуре, можно увеличить выход ионов. Спектры ионов сняты с помощью времяпролетного масс-спектрометра.

Рисунок 13 – Спектры при различных напряжениях на МДМ – структуре Рисунок 14 - Зависимость амплитуды с ударно-сжатого конденсатора от скорости На рисунке 14 представлена зависимость амплитуды с ударносжатого конденсатора от скорости пылевой частицы, которая подтверждает взаимосвязь напряжения на выходе МДМ – структуры от массы и скорости ударника в простом виде: U C = C m W у, где С,, - const, полученные экспериментально для конкретного случая.