Медная мишень

Оптическая диагностика in situ для
мониторинга состояния поверхности
приемников ионных пучков
Докладчик – Куклин К.Н.
Руководитель – Иванов И.А.
Введение
Блистеринг – образование
пузырей на поверхностях,
облучаемых пучками ионов
водорода и гелия.
Блистеринг характеризуется
появлением на поверхности
вздутий с характерным размером
1-5 мкм. Увеличение дозы
облучения приводит к вскрытию
и последующему отрыву крышек
блистеров. В некоторых случаях
вместо (или наряду) с
появлением пузырей происходит
отшелушивание поверхностного
слоя (флекинг).
10 mm
Имплантационный стенд
Цель работы
Создание диагностики позволяющей наблюдать за
процессом появления блистеров непосредственно во
время эксперимента.
Изучение формирования блистеров на поверхности меди
в зависимости от ее температуры и энергии протонного
пучка.
Принципиальная схема наблюдения блистеринга
во время облучения мишени

Луч лазера

 ( ) 2 

I  1  A   1  exp  
2
 


рассеянный свет
δ шероховатость поверхности
Aλ- коэффициент черноты
отраженный свет
 (4 ) 2 
R  (1  A )  exp 

2

10 mm


Диагностика основывается на эффекте возрастания интенсивности диффузного
рассеянного света от изучаемой поверхности и уменьшении интенсивности зеркально
отраженного света из-за увеличению шероховатости поверхности.
Принципиальная схема наблюдения блистеринга
во время облучения мишени

Луч лазера
Лампа
цифровая видеокамера
рассеянный свет
фотодиод 3
цифровая фотокамера
отраженный свет
фотодиод 2
Оптическая схема наблюдения блистеринга
во время облучения мишени
1.5 m
фотодиод 2
лампа
фотодиод 3
с объективом
3
линза
цифровая
видеокамера
2
цифровая
фотокамера
He-Ne
лазер
1
стекло
фотодиод 1
мишень
Линза
Фотодиод 2
Фотодиод 3
He-Ne лазер
Цифровая
фотокамера
Цифровая
видеокамера
Фотодиод 1
Медная мишень - калибровка
Энергия протонов - 100 keV, температура мишени - 296 K
Фото #2
Рассеянный свет
интенсивность, о.е.
Фото #1
300
Cu, 100keV, 296Kс
200
100
Граница
блистеринга
0
0
1
Доза,
Эксперимент 1
Эксперимент 2
2
1018 см-2
3
• При облучении протонами порог блистеринга не наблюдался.
• Критическая доза – определена как доза, соответствующая половине максимума
рассеянного света.
Медная мишень
Эксперимент 1, Cu 298K, 100 keV,
0.25·1018 см-2
Фото #1
10 mm
Эксперимент 2, Cu 297K, 100 keV,
2.5·1018 см-2
Фото #2
10 mm
Медная мишень, 100keV, 296K
05.11.11
диффузно рассеянный
свет
0.25·1018 см-2
0,5 см
диффузно рассеянный
свет (лазер)
Медная мишень, 100keV, 296K
диффузно рассеянный
свет
0.5·1018 см-2
0,5 см
диффузно рассеянный
свет (лазер)
Медная мишень, 100keV, 296K
диффузно рассеянный
свет
1·1018 см-2
0,5 см
диффузно рассеянный
свет (лазер)
Медная мишень, 100keV, 296K
диффузно рассеянный
свет
2.5·1018 см-2
0,5 см
диффузно рассеянный
свет (лазер)
Интенсивность, о.е.
Diffuse reflected visible light
measured by CCD camera
300
Cu, 100keV, 296K
200
100
Граница
блистеринга
0
0
Интенсивность, о.е.
Медная мишень
1
Доза, 1018 см-2
11.11. 05
Энергия протонов - 100 keV,
температура мишени - 296 K
Эксперимент 1
Эксперимент 2
2
3
12000
Cu, 100keV, 366K
11000
22.11.05
Энергия протонов - 100 keV,
температура мишени - 366 K
10000
Граница
блистеринга
9000
8000
7000
0
1
Доза, 1018 см-2
2
3
Интенсивность, о.е.
Diffuse reflected visible light
measured by CCD camera
300
Cu, 100keV, 296K
200
100
Граница
блистеринга
0
0
10000
Интенсивность, о.е.
Медная мишень
1
Доза, 1018 см-2
11.11.05
Энергия протонов - 100 keV,
температура мишени - 296 K
Эксперимент 1
Эксперимент 2
2
3
Cu, 200keV,296K
8000
Граница
блистеринга
6000
29.11.05
Энергия протонов - 200 keV,
температура мишени - 296 K
4000
2000
0
0
1
Доза, 1018 см-2
2
3
Медная мишень
Граница блистеринга, 1018 см-2
10
Мишень T = 300 K
Мишень T = 370 K
1
0.1
0
40
80
120
Энергия протонов, keV
160
200
Медная мишень
Медная мишень
05.12.07 Cu 190 keV, 368K, 11,4·1018 cm-2
Медная мишень
05.11.10 Cu 100,2 keV, 297K, 15·1018 cm-2
Выводы
1.Создана диагностика позволяющая наблюдать за
процессом появления блистеров непосредственно во
время эксперимента.
2.Показано, что при облучении протонами процесс
образования блистеров носит не пороговый характер.
3.С помощью диагностики определена характерная доза
образования блистеров для меди в зависимости от
энергии протонного пучка и температуры мишени.
Спасибо за внимание
Медная мишень Surface of cooper was
turned by diamond
cutter.
Regular structure of blisters is observed.
05.12.07 Cu 190 keV, 368K, 11,4 1018 cm-2
Медная мишень Surface of cooper was
Regular structure of blisters is observed.
turned by diamond
cutter.
05.12.07 Cu 190 keV, 368K, 11,4 1018 cm-2
Медная мишень
05.11.10 Cu 100,2 keV, 297K, 1,5 1018 cm-2
Медная мишень
Flacking is obseved
05.12.07 Cu 95,6 keV, 296K, 2,4 1018 cm-2
Медная мишень
05.12.07, Cu,
200keV, 366K
Intensity, a.u.
12000
Diffuse reflected on 90` laser light, CCD camera
Blistering
threshold
8000
4000
Diffuse reflected on 7` laser light Photodiode 3
0
0
4
8
Fluence, 1018 cm-2
12
Blistering threshold depends on proton energy and on target temperature.
The critical fluence of blisters formation increases from ~0.4•1018 cm-2 (T=296K, 100keV)
up to 1019 cm-2 (T=366K, 200keV).
Введение
Блистеринг – образование
пузырей на поверхностях
облучаемых пучками ионов
водорода и гелия.
Блистеринг характеризуется
появлением на поверхности
регулярной структуры вздутий с
характерным размером 1-5 мкм.
Увеличение дозы облучения
приводит к вскрытию и
последующему отрыву крышек
блистеров. В некоторых случаях
вместо (или наряду) с
появлением пузырей происходит
отшелушивание поверхностного
слоя (флекинг).
10 mm
Зависимость величины диффузного максимума от
угла падения и от величины шероховатости
поверхности (δ)
I д. м .
lg
I0
4
-2
3
2
-3
1
-4
0
20 40
60
80
1 - δ=0,75мкм
2 - δ=1,25мкм
3 - δ=2,86мкм
4 - δ=5,40мкм
λ = 630 нм
А.С. Топорец – Отражение света
шероховатой поверхностью
//ОМП, 1979, №1