Способ изготовления тонкопленочной углеродной мишени

 

Использование: изготовление тонкопленочных конверторов зарядового состава пучков частиц, используемых в тандемных ускорителях и атомных зондах. Сущность изобретения: на стеклянную подложку, покрытую поверхностно-активным веществом, охлажденным до температуры жидкого азота, напыляют углерод в виде ускоренных до высоких энергий нейтральных атомов от 20 до 100 эВ в присутствии инертного газа при низком парциальном давлении, подложку затем удаляют, а полученную свободную пленку переносят на держатель мишени. В качестве инертного газа можно использовать криптон или аргон. Изобретение позволяет повысить механическую прочность мишени, снизить энергетический порог пропускания частиц, увеличить ресурс работы мишени под пучком. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности изготовлению тонкопленочных конверторов зарядового состава пучков частиц, используемых в тандемных ускорителях и атомных зондах.

Известен способ изготовления тонкопленочных углеродных мишеней, в котором используют термическое напыление из дуги между двумя графитовыми электродами на подложку из хлористого натрия, которую затем удаляют растворением в воде, а полученную свободную пленку переносят на держатель мишени [1] Недостатком способа является невысокая механическая прочность полученных мишеней, что обусловлено, в частности, низкой (менее 0,5 эВ) энергией термически распыляемых частиц, и соответственно малой плотностью их "упаковки" в процессе образования пленки, а также слабой адгезией пленки к поверхности держателя. Кроме того, при напылении из дуги, часть вещества распыляется в виде микрочастиц, которые, бомбардируя пленку, могут образовывать в ней отверстия.

Последнего недостатка лишен известный способ изготовления тонкопленочных мишеней, в котором для получения пленки используют распыление углерода электронным пучком [2] Однако этому методу свойственны все другие, указанные выше, недостатки термического распыления, что ограничивает возможности создания эффективных тонкопленочных мишеней с высокой механической прочностью и длительным ресурсом.

Известен способ (прототип) изготовления тонкопленочных мишеней, при котором для повышения механической прочности пленки, за счет увеличения энергии распыляемых ионов углерода, их ускоряют до энергии около 100 эВ, подавая на подложку соответствующий электрический потенциал (3).

Однако этот известный способ не позволяет использовать диэлектрические подложки, которые заряжаются в процессе напыления из-за попадания на них ионов. Зарядка подложки приводит к ухудшению качества пленки.

Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности мишени, снижение, за счет уменьшения толщины пленки, энергетического порога пропускания частиц, а также увеличение ресурса работы мишени под пучком.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления тонкопленочных мишеней, заключающемся в напылении углерода на подложку, которую затем удаляют, а полученную свободную пленку переносят на держатель мишени, удаляемую подложку выбирают из поверхностно-активного вещества, которое охлаждают до температуры жидкого азота, а углерод напыляют в виде ускоренных до энергии в спектральном диапазоне 20 100 эВ нейтральных атомов в присутствии инертного газа. Подложка из поверхностно-активного вещества может быть приготовлена нанесением на стеклянную пластинку спиртового раствора олеиновокислого калия или бетаинмоногидрата. В качестве инертного газа обычно используют аргон или криптон при парциальном давлении 10^-2 10^-5 Па.

Напыление углерода в виде нейтральных атомов исключает электрическую зарядку поверхности напыляемыми частицами, что позволяет использовать в качестве подложки диэлектрики, в частности поверхностно-активные вещества, улучшающие адгезию пленки к поверхности держателя и, соответственно, повышающие ударо- и вибропрочность мишени в целом. Как показали исследования, высокая энергия напыляемых атомов, в сочетании с низкой температурой подложки обеспечивают, в присутствии инертного газа с указанным давлением, формирование устойчивой к радиационным повреждениям пленки с аморфной структурой, повышенной по сравнению с обычной углеродной пленкой плотностью "упаковки" атомов и существенно увеличенной прочностью на растяжение, приблизительно в 10 раз превосходящей прочность естественного алмаза. Как показывает эксперимент, указанный спектральный диапазон энергий распыляемых атомов является оптимальным, поскольку в этих условиях, с одной стороны, обеспечивается достаточно плотная "упаковка" атомов на подложке, а, с другой стороны, исключаются вызываемые быстрыми атомами радиационные повреждения в напыляемой пленке. Выбор рабочего диапазона давлений рабочего газа обусловлен необходимостью эффективного распыления углерода в разряде при минимальном рассеянии распыленных атомов на остаточном газе.

Для этого (пример N 1), стеклянную пластинку, покрытую спиртовым раствором оленовокислого калия, который после испарения спирта образует подложку толщиной 1, 15 мк, помещают в сверхвысоковакуумную установку с давлением остаточного газа не выше 10^-6 Па и закрепляют на поддерживаемом при температуре жидкого азота основании. Далее, в камеру напускают криптон с парциальным давлением 10^-2 Па и в разряде Пеннинга с магнитным полем 700 Гс производят катодное распыление углерода, который в этих условиях осаждается на подложку в виде нейтральных атомов с энергией в спектральном диапазоне от 20 до 100 эВ. Высокая энергия атомов углерода обусловлена в этих условиях эффективной передачей энергии образующихся в разряде тяжелых ионов инертного газа распыляемым частицам. Толщину пленки регулируют временем распыления, которое составляет 5 мин при толщине 10 ангстрем и 50 мин при 100 ангстремах. Для получения свободной пленки пластинку с напыленным углеродом помещают в ванну с дистиллированной водой, где в течение 20 30 минут происходит растворение подложки, после чего отделившаяся пленка всплывает на поверхности. Затем под пленку подводят держатель мишени в виде никелевой сетки, обычно с размером ячейки 250х250 мк и выпускают воду из ванны, в результате чего пленка оказывается на сетке и после высыхания прочно с ней сцепляется.

В некоторых случаях (пример 2) процедуру напыления осуществляют так же, как в примере 1, однако в качестве поверхностно-активного вещества используют бетаинмоногидрат, а распыление ведут в присутствии аргона, давление которого выбирают 10^-5 Па. В этом режиме получают пленки, толщиной более 100 ангстрем, которые закрепляют на держателе в виде диафрагмы диаметром 10^-15 мм.

В другом случае (пример 3) процедуру ведут так же, как в примере 1, за исключением процесса распыления. В данном случае используют распыление углеродной мишени пучком ионов аргона с энергией в диапазоне 2 5 эВ (4), полученных с помощью ионного источника, работающего при парциальном давлении аргона 10^-5 Па, в результате чего происходит распыление углерода и осаждение его в виде нейтральных атомов с энергией в спектральном диапазоне 20 100 эВ с получением углеродной пленки толщиной более 1000 ангстрем.

Формула изобретения

1. Способ изготовления тонкопленочных углеродных мишеней, заключающийся в напылении углерода на подложку, отделении полученной пленки углерода от подложки и перенесении ее на задержатель мишени, отличающийся тем, что используют подложку, выполненную из поверхностно-активного вещества, которую охлаждают до температуры жидкого азота, при этом углерод напыляют на подложку в виде потока нейтральных атомов с энергией 20 100 эВ в среде инертного газа при его парциальном давлении 10^-5 10^-2 Па.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют подложку, которую изготавливают путем нанесения на стеклянную пластинку спиртового раствора олеиновокислого калия или бетаинмоногидрата.

3. Способ по п.п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют криптон или аргон.