close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Воздействие высокоскоростных пылевых частиц на пленочные структуры металл – диэлектрик – металл

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Телегин Алексей Михайлович Шифр научной специальности: 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики Шифр диссертационного совета: Д 212.215.01 Название организации: Самарский государственный аэрокосмический университет им.С.П
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
диссертационного совета Д 212.215.01 при
бюджетном образовательном учреждении
образования Самарский государственный
имени академика С.П. Королева» (СГАУ)
Московское шоссе, 34.
10.00 часов на заседании
федеральном государственном
высшего профессионального
аэрокосмический университет
по адресу: 443086, г. Самара,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.
Автореферат разослан 17 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, профессор
2
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 18
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;
2)
Получить
зависимости,
учитывающие
влияние
параметров
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 10−15 ÷ 10−11 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.
3
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 10−11 ÷ 10−4 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;
3)
С
помощью
электростатического
ускорителя
проведено
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 10−15 ÷ 10−11 г,
скорость
частиц
в
качестве
диэлектрика
использовался
1÷ 30 км/с),
полиметилметакрилат, площадь чувствительной
поверхности датчика
2
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.
4
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
научно-техническая
конференция
«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.
Содержание работы
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
5
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.
При толщине верхней обкладки
МДМ – структуры большей размера
частицы
кратер
при
ударе
механически не разрушает материал
диэлектрика, но ударная волна, за
счет сжатия и последующего
нагрева,
приводит
к
кратковременному увеличению его
проводимости.
При
этом
предварительно
заряженный
конденсатор частично разряжается
через канал проводимости. Измеряя
остаточное
напряжение
на
конденсаторе
можно
оценить
интенсивность ударной волны и,
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
Закон
изменения
МДМ - структуры
электропроводности ударносжатой
МДМ – структуры берётся в виде:
σ = σ 0 ⋅ exp (− ∆E (2 ⋅ kT (t ) )) ,
где σ 0 - удельная проводимость диэлектрика при нормальных условиях
(температура 20ºС, 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:
R (t ) =
h+ H
∫
h
dz
,
rk rk
dxdy
∫0 ∫0 3,15 ⋅10 −3 ⋅ exp 104 / T
(
6
)
1, 77 ⋅10 −3 ⋅ ρ 02 ⋅ E 0,2 ⋅ t −1,6 ( x 2 + y 2 + z 2 )
где T =
λ10 ρ 02 0,2
ρ 01
1 +
λ0 ρ 01 ρ 02 E 0,2t −1,6 ( x 2 + y 2 + z
0,4
λ10 ρ 02 0,2
ρ 01
1 +
λ0 ρ 01 3
)
0,5
, ρ02 , ρ01 – соответственно
2 0,5
0,4
+ 5,38 ⋅109
исходная плотность среды и ударника; Е- энергия ударника;
R[Ом]
x,
y,
z
пространственные
–
ρ02
ρ
= λ ;1 − 01 = λ1 ; при
ρ2
ρ1
давлении p0 величины λ и λ1
принимают значения λ0 и λ10 ; t –
5
10
координаты; 1 −
4
4
10
3
3
текущее время.
На рисунке 2 представлена
10
зависимость сопротивления МДМ –
структуры
во времени при разных
1
параметрах
ударника,
согласно
10
которому
увеличение
энергии
высокоскоростной частицы приводит
1
к
уменьшению
сопротивления
диэлектрика.
0,1
0
20
40
60
80
100
120
140 150
Рассмотрим случай пробивания
t , нс
1 − E = 1,25 ⋅ 10 −3 Дж ;
2 − E = 1 ⋅10 −4 Дж ; МДМ – структуры высокоскоростной
частицей.
В течение времени
3 − E = 1 ⋅10 −5 Дж ; 4 − E = 1 ⋅10 −6 Дж
взаимодействия
частицы
с
10
2
2
Рисунок 2 - Зависимость сопротивления
ударносжатого диэлектрика от времени при диэлектриком
различных энергиях ударника
t0 =
h ⋅ (1 + ρ у / ρ м )
W0
происходит подкачка кинетической
энергии со стороны частицы.
Энергия, запасенная в объеме диэлектрики за время взаимодействия:
W0
1
E= 2 1+ ρ у / ρ м
2
ρ ⋅ π ⋅ h ⋅ 3 ⋅ (r ) 2 − 3 ⋅ D ⋅ t ⋅ (r ) + ( D ⋅ t ) 2 ,
x
0
x
0
м 3
[
]
где ρ у , ρ м - плотность ударника и мишени, D =
W
λ ρ λ0 ⋅ 1 + 10 02 λ0 ρ 01 -скорость
ударной волны.
Сопротивление пробиваемой МДМ – структуры можно вычислить согласно
выражению:
(
где
(
)
−1
σ ⋅ exp( − ∆E /(2kT ))
π ( D ⋅ t + rx ) 2 − rx2 π ⋅ rx2
⋅
R = R0 ⋅ 1 + 0
−1−
Sg
π ( D ⋅ t + rx ) 2 − rx2 σ 0 ⋅ exp( − ∆E /(2kT0 ))
E
T = T0 +
, S g - площадь
π ⋅h
2
2
K ⋅ ρм ⋅
⋅ 3 ⋅ (rx + D ⋅ t ) − 3 ⋅ D ⋅ t 0 ⋅ (rx + D ⋅ t ) + ( D ⋅ t 0 )
3
[
)
]
верхней обкладки МДМ - структуры.
7
1 – W =5 км/с; 2 –W =7 км/с; 3 –W =10
км/с
Рисунок 3 - Зависимость сопротивления
МДМ-структуры
от
времени
при
изменении
скорости
ударника
(пробиваемый случай)
На рисунке 3 представлена
зависимость сопротивления МДМ –
структуры во времени при разных
параметрах ударника (пробиваемый
случай).
При
высокоскоростном
взаимодействии пылевой частицы с
МДМ-структурой
( 5 ÷ 15 км/с)
помимо
ударного
сжатия
ее
происходит
ударная
ионизация
материала ударника и мишени, то есть
образуется
облако
проводящей
плазмы, которая в процессе разлета,
имея
высокую
начальную
проводимость,
может
закоротить
обкладки конденсаторного датчика.
Система уравнений, описывающая
кинетику ионизации и рекомбинации в
разлетающемся сгустке, имеет вид:
J
dxk
A ⋅ C ⋅ t0 ⋅ n(t )
= (1 − xk ) ⋅ xe ⋅
⋅ exp − k
3
dt
T (t )
T0
xk xe2 n 2 (t ) At0
−
,
9
2
T (t )
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 + ρ у / ρ м W , где R у - радиус
ρ у - плотность ударника, ρ м - плотность мишени, W – скорость
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 <t < t1,
значения степеней определяются приближенно по уравнениям Саха для n=n(t),
T=T(t). При t>t1 скоростью ионизации из-за сильной экспоненциальной
зависимости можно пренебречь по сравнению со скоростью рекомбинации:
dxk
x x e n (t ) At0
,
=− k
9
dt
2
T (t )
2
2
2
x k1 r t − 1 x k (t ) = r ⋅
⋅ 1 + x e1 x e1 t −
1
2
1
,
T 9 / 2 ⋅ t 1/ 2 2
где r = 0 3/ 21 2 ,
2 ⋅ A ⋅ t 0 ⋅ n0 хk1 при t=t1 определяются из уравнений Саха для n1=n(t1), T1=T(t1).
Проводимость плазмы складывается из электронной
составляющих:
и
ионной
k max
σ = σ e + σ i = e ⋅ ne ⋅ µ e + ∑ nk ⋅ µ k ,
k =1
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.
8
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.
3
dT
⋅ ne ⋅ e = σ e ⋅ E 2 .
2
dt
За счет разности величин коэффициентов теплопроводности электронной и
ионной жидкостей, ионная жидкость повышает свою температуру в
mi
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:
TΣ = T0 + Te .
Как видно из рисунка 4
увеличение напряжения на
обкладках
конденсатора
приводит к разогреву плазмы
за
счет
внесения
дополнительной энергии, что
в свою очередь приводит к
образованию большего числа
ионов.
Рассмотрим
простую
аналитическую
модель
расчета параметров световой ударной вспышки. На
Рисунок 4 – График зависимости изменения значения
интегральных зарядов при различных напряжениях на первых стадиях расширения
обкладках конденсатора
плазменного сгустка из-за
своей высокой плотности
плазма будет непрозрачна
для видимого света.
Температура T плазменного сгустка, при которой плазма становится
оптически тонкой, равна:
T0 = G0 ⋅
W
W
= G0 ⋅
,
1+ a
1+ ρ у / ρМ
где a = ρ у / ρ М - коэффициент пропорциональности, W - скорость ударника, G0 коэффициент пропорциональности, ρ у , ρм − 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:
9
R0 = 10 ⋅ RУ ,
t0 =
R0
⋅ (1 + a ) , где RУ - радиус ударника.
W
Законы расширения и охлаждения примем в виде:
T = T0 ⋅ (t o t ) , R = R0 ⋅ (t t o ) .
Выражение для интенсивности вспышки I = 4πσ ⋅ R02 ⋅ T04 ⋅ (t 0 / t )2 ,
где σ = 5,67 ⋅10 −8 Вт /( м 2 ⋅ K 4 ) – постоянная Стефана – Больцмана.
∞
Тогда энергия вспышки можно вычислить E = ∫ I (t )dt = 4πσ ⋅ R02 ⋅ T04 ⋅ t 0 .
t0
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 TΣ .
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≤ 2000
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:
r
σ (r , t )E 2
∇ T =−
,
λ
2
где ∇ 2T - температурный поток, E напряженность электрического поля, λ r
коэффициент теплопроводности материала, σ (r , t ) – проводимость материала.
∆E
−
r
σ 0 e 2 kT , ρ < ρ 0
σ (r , t ) = 0 , ρ > ρ 0
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.
10
Машинный эксперимент показал, что
температура светящегося канала сильно
зависит от его размеров. Чем больше радиус
светового пятна, тем температура ниже,
причем внутри канала наблюдается резкое
падение температуры в направлении к
медной подложке. Вычисления проводились
для случаев, когда к исследуемому образцу
прикладывается напряжение 100 В и 200 В.
Установлено, что характер зависимости не
изменяется от напряжения, меняется только
абсолютный уровень температуры. По
горизонтальной оси температура почти не
меняется, разница появляется в 4-м знаке.
1 – z=0; 2 – z=0,1мкм;
В 3 главе приведено описание
3 – z=0,2 мкм;
экспериментального
оборудования
и
4 – z=0,3 мкм; 5 – z=0,4мкм;
методика
проведения
ударных
6 – z=0,5мкм; 7 – z=0,6 мкм;
экспериментов.
8 – z=0,7 мкм; 9 – z=0,8мкм;
Экспериментально изучены явления
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
структуре 100 В)
влияние на них энергии, запасенной в
конденсаторе.
Приведена
методика
обработки результатов экспериментов.
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.
11
1-электростатический ускоритель, 2–блок колец
Фарадея, 3 - усилители, 4-8 - люминесцентноконденсаторный датчик, 9,11 - ФЭУ, 11, 10 - ВЭУ,
12 - осциллографы, 13 - времяпролетный массспектрометр
Рисунок 6– Блок – схема экспериментальной
установки
Основные характеристики:
Эффективное ускоряющее
напряжение: ~735 кВ;
скорость частиц: 1 ÷ 15 км / с ;
масса частиц: 10−12 ÷ 10 −15 г
Рисунок 7 - Ускоритель для
моделирования
высокоскоростных частиц
На
рисунке
8
показана
экспериментальная
зависимость
сквозного тока I скв через МДМ –
структуру
и
напряжения
фотоэлектронного умножителя U ФЭ ,
от подаваемого на нее напряжения U
в режиме стационарного свечения
Согласно
рисунку
8
теоретические значения напряжения
для
ФЭУ
имеют
такую
же
зависимость от напряжения на
.
конденсаторе, как и в эксперименте.
1 - U ФЭУ = 0,027 ⋅ U − 2,36 ; 2 - U ФЭУ = 0,024 ⋅ U − 1,4 ;
При взаимодействии частицы с МДМ 3 - ln( I скв ) = 0,0129 ⋅ U − 3,252 ;
структурой
исследовалась
4 - ln( I скв ) = 0,0129 ⋅ U − 3,606 ; 5 – теоретические
зависимость напряжения с ФЭУ от
значения U ФЭУ = 0,029 ⋅ U − 1,2
напряжения на конденсаторе (рисунок
Рисунок
8Зависимость
сквозного
тока 9).
ударносжатой МДМ – структуры и напряжения с
На рисунке 10 представлена
ФЭУ от приложенного напряжения в режиме
осциллограмма ударной вспышки,
стационарного свечения
анализируя которую можно видеть,
что задний фронт импульса (2) сильно
изрезан, что связано с различными
процессами, протекающими в ударной
плазме.
12
Рисунок 9 – Зависимость напряжения с ФЭУ 1 – Осциллограмма с колец Фарадея;
2 – Сигнал вспышки с ФЭУ
от напряжения на конденсаторе
Рисунок 10 – Осциллограммы с выводов
многопараметрического детектора
На
рисунке
12
представлены
результаты эксперимента с многослойной
структурой (рисунок 11). Металлические
пленки толщиной 1÷2 мкм наносили в
вакууме методом испарения.
Проведенные
эксперименты
с
многослойными
структурами
металлдиэлектрик-металл показывают, что путем
измерения
напряжения
с
каждого
Рисунок 11 - Многослойная структура конденсатора можно определить характер
затухания ударных волн по координате.
Диэлектрические пленки из полиметилметакрилата толщиной 1÷2 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 –
13
структуре, можно увеличить выход ионов. Спектры ионов сняты с помощью
времяпролетного масс-спектрометра.
Рисунок 13 – Спектры при различных напряжениях на МДМ – структуре
1 − U c / m = 8 ⋅ 106 ⋅ W 1,8 ; R 2 = 0,462 ; 2 − U c / m = 1 ⋅ 106 ⋅ W 0,9 ; R 2 = 0,123 ;
3 − U c / m = 6 ⋅106 ⋅ W 1,57 ; R 2 = 0,666 ; 4 − U c / m = 2 ⋅ 106 ⋅ W 1,32 ; R 2 = 0,288
Рисунок 14 - Зависимость амплитуды с ударно-сжатого конденсатора от скорости
пылевой частицы
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 αy ⋅ W уβ , где С , α , β - const, полученные экспериментально для
конкретного случая.
В 4 главе приведена методика изготовления МДМ – структуры на основе
ПММА. Приведены примеры применения МДМ – структур в качестве датчиков
микрометеороидов и частиц космического мусора. Также рассмотрен
ионизационно – конденсаторный датчик МЕТЕОР, который установлен на малом
космическом аппарате АИСТ.
В заключении
перечислены основные результаты, полученные в
диссертационной работе.
1. На основе полученных аналитических зависимостей для сопротивления
тонкопленочной МДМ- структуры в режиме ударного сжатия и сквозного
пробивания показано, что при соударении микрочастиц с пленочной МДМ –
структурой на основе полиметилметакрилата сопротивление ударносжатого канала
является функцией энергии микрочастицы и меняется на 5÷8 порядков. Разработан
14
метод регистрации параметров (массы, скорости или энергии) высокоскоростных
пылевых микронных и субмикронных частиц в диапазоне энергий 10−11 ÷ 10−4 Дж
на основе оценки сопротивления ударносжатых и пробиваемых пленочных МДМ –
структур.
2. На основе решения уравнения кинетики ударной плазмы в пленке МДМструктуры получено приближенное аналитическое выражение, связывающее
изменение степени ионизации компонент плазмы от времени при различных
параметрах ударяющей высокоскоростной микрочастицы.
3. На электростатическом ускорителе получены экспериментальные
зависимости 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. Экспериментально
подтверждено, что количество образовавшихся ионов при высокоскоростном
взаимодействии возрастает примерно в 10 раз при увеличении напряжения от 0В до
50В, а интенсивность светового потока линейно связана с напряжением на
обкладках МДМ –структуры в диапазоне скоростей 1 - 5км/с. В режиме
стационарного свечения сквозной ток через пленку из полиметилметакрилата
толщиной 1мкм изменялся от 0,1мА до 2,5мА при изменении напряжения от 100В
до 350В.
4. Разработан датчик для определения параметров микрометеороидов (масса
частиц 10−15 ÷ 10−11 г, скорость частиц 1÷ 30 км/с), основанный на пленочной МДМ –
структуре (площадь поверхности 290 ÷ 300 см 2 , толщина пленки 0,5 ÷ 2 мкм ) из
полиметилметакрилата; точность измерения по энергии частицы составляет 25%.
Основные результаты опубликованы в следующих работах:
Статьи в реферируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК
1. Семкин, Н.Д. Взаимодействие высокоскоростных пылевых частиц с пленочной МДМструктурой [Текст] / Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, Н.Л. Богоявленский, А.М. Телегин, М.В.
Изюмов // Метрология. - 2009. - №1 - С.28-47.
2. Семкин, Н.Д. Детектор микрометеороидов и техногенных частиц на основе пленочных
структур металл-диэлектрик – металл [Текст] / Н.Д. Семкин, А.М.Телегин,
М.В.Изюмов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2008. –Т.11№4. - С.79-88.
3. Семкин, Н.Д. Использование открытых элементов космического аппарата в качестве
датчиков микрометеоритов и космического мусора [Текст] / Н.Д. Семкин,
А.М.Телегин, М.В.Изюмов//Прикладная физика. - 2010. -№4. - С.131-136.
4. Семкин, Н.Д.Моделирование частиц космического мусора с помощью
электромагнитного
и электроплазменного ускорителя
[Текст]
/ Н.Д. Семкин,
К.Е.Воронов, А.М. Телегин, К.И. Сухачев, М.В. Изюмов // Физика волновых процессов и
радиотехнические системы. - 2011. – Т.14. -№1. - С.79-85.
5. Семкин, Н.Д. Бортовая оптическая система сбора информации об объектах
космического мусора [Текст]
/ Н.Д. Семкин, Е.Ю. Барышев, А.М. Телегин //
Авиакосмическое приборостроение. - 2009. – №7. - С.11-17.
6. Семкин, Н.Д. Оптическая система сбора информации о пылевой компоненте
космического аппарата и объектах космического мусора [Текст] / Н.Д. Семкин, Е.Ю.
Барышев, А.М. Телегин // Прикладная физика. - 2010. – №1. - С.94-99.
7. Семкин, Н.Д. Проводимость и ионообразование в ударносжатых пленочных структурах
в условиях воздействия высокоскоростных пылевых частиц [Текст] / Н.Д. Семкин,
А.М.Телегин, Р.А. Помельников // Физика волновых процессов и радиотехнические
системы.- 2009. –Т.12- №4. - С.92-95.
15
8. Семкин, Н.Д. Математическая модель проводимости ударносжатых пленочных МДМ –
структур в условиях воздействия высокоскоростных пылевых частиц [Текст]
/
Н.Д.Семкин, А.М. Телегин// Физика волновых процессов и радиотехнические системы.2010. –Т.13- №4. - С.75-79.
9. Семкин, Н.Д. Ударно-сжатые структуры металл-диэлектрик-металл в условиях
воздействия высокоскоростных пылевых частиц [Текст] / Н.Д.Семкин, А.М.Телегин //
ЖТФ.- 2011. –Т.81- №7. - С.88-93.
10. Семкин, Н.Д. Детекторы физико-химических характеристик микрометеороидов на
основе пленочных МДМ-структур [Текст]/Н.Д.Семкин, А.М.Телегин// Перспективные
материалы.- 2011. – №3. - С.22-28.
11. Семкин, Н.Д. Конденсаторный детектор для анализа параметров микрометеороидов на
основе органических пленок [Текст] / Н.Д.Семкин, А.М. Телегин, К.Е.Воронов//Датчики
и системы.- 2011. – №7. - С. 18-24.
12. Семкин, Н.Д. Метод обработки информации об элементном составе микрометеороидов
[Текст]
/ Семкин Н.Д.,
А.М. Телегин, И.В.Пияков,
Р.А. Помельников,
Д.В.Родин//Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2011. –Т.14 №2. - С.78-83.
13. Семкин, Н.Д. Алгоритм расчета элементного состава в пылеударном массспектрометре с учетом шумов [Текст] / Н.Д. Семкин, А.М. Телегин, И.В.Пияков,
К.И. Сухачев // Прикладная физика. - 2011. – №6. - С.155-160.
14. Семкин, Н.Д. Моделирование воздействия потока высокоскоростных частиц на
материалы и элементы конструкции космического аппарата [Текст] / Н.Д. Семкин,
М.П.Калаев, А.М.Телегин// Вестник Самарского государственного аэрокосмического
университета имени академика С.П.Королева (национального исследовательского
университета).- 2011. - №7(31). - С.9-15.
15. Телегин, А.М. Обзор исследований проводимости диэлектриков и полупроводников
под высоким давлением [Текст] / А.М.Телегин, М.П.Калаев, Н.Д. Семкин // Вестник
Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика
С.П.Королева(национального исследовательского университета).-2011.- №7(31).-С.97-106.
16. Семкин, Н.Д. Проводимость диэлектриков и полупроводников под высоким давлением
волновых
процессов
и
[Текст]
/ Н.Д. Семкин, А.М. Телегин // Физика
радиотехнические системы.- 2011. –Т.14- №4. - С.92-102.
Патенты и авторские свидетельства
17. Патент на полезную модель 78956 Российская федерация, МПК GO1T3/04. Устройство
регистрации параметров микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы [Текст]/
Н.Д. Семкин, А.М.Телегин, М.В. Изюмов, К.Е.Воронов, К.И. Вергунец.; заявитель и
патентообладатель СГАУ.- №2008127121/22; заявл. 03.07.08; опубл. 10.12.08, Бюл. №34. –
3с.: ил.
18. Патент на изобретение 2418305 Российская федерация, МПК GO1T1/185.
Устройство контроля герметичности элементов конструкции космического аппарата
(КА). [Текст] / Н.Д. Семкин, А.М.Телегин, К.И. Вергунец, М.П. Калаев,
М.В.Изюмов.; заявитель и патентообладатель СГАУ. -№2010100285/28; заявл. 11.01.10;
опубл. 10.05.11, Бюл.№13. – 4с.: ил.
19. Патент на изобретение 2423726 Российская федерация, МПК GO1T5/00. Детектор
вектора скорости микрометеороидов [Текст] / Н.Д. Семкин, А.М. Телегин, К.И. Вергунец,
М.П. Калаев, М.В. Изюмов.; заявитель и патентообладатель СГАУ. - №2010100553/28;
заявл. 11.01.10; опубл. 10.07.11, Бюл. №19. – 6с.: 2ил.
_____________________________
Подписано в печать 30.03.2012
Формат 60 x 84 1/16. Тираж 100 экз.
Отпечатано с готового оригинал-макета
СГАУ 443086, Самара, Московское шоссе, 34
16
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
102
Размер файла
877 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа