О. Б. АНАНЬИН, Д. В. ЛАВРУХИН, А. П. МЕЛЕХОВ, В. Б. ОШУРКО
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ЗАРЯДКА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРА ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИНТЕНСИВНЫМ МЯГКИМ РЕНТГЕНОВСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ С РАЗНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ПОТОКА
В данной работе описаны результаты экспериментов по воздействию мягкого рентгеновского излучения с разной плотностью потока на полиэтилен. Рассмотрен процесс накопления положительного заряда на поверхности. Сделаны числовые оценки электрических полей.
Введение. В процессе облучения полимерных образцов интенсивным мягким рентгеновский излучением (МРИ) с плотностью потока порядка 100 КВт/см2 происходит выход большого числа фотоэлектронов, поэтому на поверхности возникает нескомпенсированный положительный заряд. Коллекторные измерения показывают, что часть образовавшихся ионов может покинуть поверхность [1, 3]. Представляется интересным сравнить в эксперименте величины «остаточного заряда» при различных плотностях потока МРИ.
1. Источник интенсивного излучения МРИ диапазона. Эксперименты по взаимодействию МРИ с полимерами проводились в условиях высокого вакуума (не хуже 5×10–5 Тор). Схема лазерно-плазменного (ЛП) источника коротковолнового излучения показана на рис. 1.
Для создания ЛП используется твердотельный лазер на алюминате иттрия с энергией ≤ 0,7 Дж и частотой следования импульсов до 5 Гц. Высокая интенсивность МРИ достигается за счет использования волноводного концентратора, одновременно защищающего образцы от воздействия разлетающихся частиц лазерной плазмы и фокусирующего коротковолновое излучение в пятно диаметром порядка 2 мм.
Интегральный коэффициент конверсии энергии лазерного излучения в энергию рентгеновского излучения на выходе концентратора зависит от материала мишени и составляет величину порядка 10–4. Параметры импульсного рентгеновского излучения: длительность импульсов t ~ 20 нс; частота следования 5 Гц; плотность потока ~ 100 КВт/см2; спектральный диапазон 10–200 эВ (максимум в области 80–100 эВ).
2. Диагностические методики. В данной работе для регистрации эффективного заряда поверхности полимера после облучения использовался электроскоп (рис. 2,а). Выход заряженных частиц с поверхности измерялся с помощью сферы (рис. 2,б). Эти методики описаны в работах [1, 3, 4].
3. Результаты экспериментов. В качестве образцов использовалась полиэтиленовая пленка (ПЭ) толщиной 12–16 мкм. Интенсивность коротковолнового излучения на выходе источника снижалась путем ослабления формирующего плазму лазерного излучения.
С помощью сферы был измерен выход положительных ионов с поверхности нескольких образцов ПЭ при разной плотности потока МРИ. Результаты эксперимента показаны на рис. 3.
Из рис. 3 видно, что по мере увеличения плотности потока излучения наблюдается замедление роста числа ионов. Наблюдаемая нелинейность вполне может быть связана с усилением конкурирующего процесса – рекомбинации ионов. Соответственно, можно ожидать изменения числа остающихся на поверхности ионов с ростом плотности потока МРИ.
Рис. 2. Диагностические методики: а – электроскоп, где 1 – металлический держатель образца; 2 – образец в виде тонкой пленки; 3 – модулятор электрического поля (заземленный металлический диск с отверстиями); 4 – измерительный электрод; б – сфера (коллектор) для регистрации частиц, где 1 – пучок МРИ; 2 – внешняя сфера; 3 – внутренняя сфера (держатель образца); 4 – образец в виде тонкой пленки
Для экспериментальной оценки числа ионов на поверхности была проведена серия экспериментов по измерению остаточного заряда ПЭ. Доза облучения в серии поддерживалась неизменной (0,3 Дж/см2), а плотность потока варьировалась в диапазоне 20¸100 КВт/см2. После набора дозы каждый образец выдерживался в вакууме порядка получаса, далее он извлекался из камеры и устанавливался в электроскоп. И в процессе облучения и в момент измерения заряда металлический держатель образца был соединен с землей. Полученные результаты приведены на рис. 4.
Рис. 3. Выход положительных ионов с поверхности полиэтилена при разной плотности потока МРИ. Потенциал держателя образца +100 В | Рис. 4. Зависимость заряда поверхности ПЭ от плотности потока МРИ при фиксированной дозе |
Видно, что не смотря на изменение плотности потока МРИ более чем в 5 раз, в пределах 15 % погрешности зависимость величины эффективного заряда поверхности от параметров излучения отсутствует.
Скорее всего, отсутствие зависимости от плотности потока в данном эксперименте связано с другими условиями протекания вторичных физико-химических процессов на поверхности облучаемого образца. Необходимо учитывать и влияние потенциала подложки. В самом деле, для коллекторной регистрации ионов требуется прикладывать к подложке положительный потенциал; при работе с электроскопом подложка заземляется. К сожалению, экспериментальная проверка данной гипотезы пока не завершена.
Полученные с помощью электроскопа данные позволяют сделать численные оценки параметров электрического поля Esurf и jsurf , а также добавочной энергии dEi , которую может приобрести связанный ион в поле соседей. Отметим, что для заземленной подложки следует принять во внимание наведенный на ней заряд противоположного знака, поэтому заряженный образец с точки зрения электростатики представляет собой двойной электрический слой:
Esurf ~ 2k · Q · d / a3 £ 2 · 105 В/м;
jsurf ~ Esurf· · a £ 200 В;
dEi ~ Esurf · raa £ 9 · 10–5 эВ,
где k = 9 ·109 – электрическая постоянная; d – толщина ПЭ пленки (20 мкм); a – радиус облученной области (1 мм); Q – эффективный заряд поверхности; raa – среднее расстояние между мономерами в молекуле ПЭ (0,4 нм).
Для оценки сверху «мгновенный» заряд поверхности Q, приобретаемый в течение одного импульса МРИ, был заменен полным зарядом поверхности, измеренным по окончании облучения (после порядка 102 имп.).
Видно, что величина dEi слишком мала, чтобы ион смог разорвать связь с поверхностью (химической или физической природы) даже при гораздо большей, чем была использована в экспериментах, плотности потока МРИ. Таким образом, взрывное разрушение полимера с выходом большого числа ионов, наблюдаемое при плотностях потока порядка 1 МВт/см2 [1], вероятно, реализуется за счет более сложного механизма, чем чистое кулоновское отталкивание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , , и др. // Инженерная физика. 2001. №3. С. 62.
2. , , // Химическая физика. 2008. Т. 27. №9. С. 43.
3. , , // Научная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов. Т. 1–5. Физика твердого тела. М.: МИФИ, 2007. С. 55.
4. , , // Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов. Т. 3–6. Физика конденсированного состояния вещества. М.: МИФИ, 2008. С. 5.
