Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.cosmos.ru/conf/mss09/MSS-09_files/pap-rus-1.doc Дата изменения: Tue Jun 30 01:37:28 2009 Дата индексирования: Tue Oct 2 17:59:41 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: arp 220

НЕРАВНОВЕСНЫЕ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ,
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

С.И.Кононенко

Харьковский Национальный Университет им. В.Н.Каразина
E-mail : kononenko@htuni.kharkov.ua

Аннотация. Приведены экспериментальные результаты исследо-вания
неравновесных функций распределения электронов в твер-дотельной плазме.
Изучалась вторичная электронная эмиссия, индуцированная быстрыми легкими
ионами. Показано, что функция распределения неравновесных электронов имеет
сте-пенной характер. Для исследованных металлов функция рас-пределения
имеет два степенных участка с различными пока-зателями степени. Для
полупроводниковых материалов излома на функции распределения не
наблюдается. Различия связываются с плазмонами, возбуждаемыми в среде
свободных электронов в треке иона. Рассматривается возможность применить
неравно-весные степенные распределения электронов для прямого преоб-
разования энергии ядерных частиц в электрическую.

1. Введение

Наиболее многочисленной компонентой вторичного излу-чения являются
электроны. Энергетические спектры вторичной ионно-электронной эмиссии
(ВИЭЭ) несут на себе отпечаток неравновесных распределений, сформированных
в треке иона. Последнее указывает на то, что, измеряя энергетические
спектры ВИЭЭ, можно восстановить неравновесное распределение электронов, в
частности, установить его функциональную зави-симость [1]. Поскольку
экспериментальные методики иссле-дования ВИЭЭ хорошо разработаны и
известны, то она успешно может применяться как канал получения информации о
функциях распределения, формируемых в твердотельной плазме.
Возможность существования степенных стационарных решений кинетического
уравнения для частиц, показана впервые А.В. Кацем, В.М. Конторовичем,
В.Е. Новиковым и С.С. Мои-сеевым [2]. Для формирования универсальных
стационарных неравновесных распределений частиц необходимо наличие в
импульсном пространстве источника и стока частиц или энергии, которые
обеспечивают постоянный по спектру поток частиц или энергии. Такая ситуация
реализуется в треке быстрого иона, причем роль источника играет ионизация
атомов среды, а стоком является эмиссия.
В настоящее время считается экспериментально доказанным осуществимость
степенных неравновесных распределений (СНР) в плазме металлов при
прохождении быстрых ионов [3-6]. Как показано в теоретической работе [7],
для полупроводниковой плазмы в областях энергий (E - EF) > EF может
существовать степенное распределение, отвечающее постоянному потоку энергии
или частиц в импульсном пространстве. Причем распределение формируется как
за счет соударений с электронами, принадлежащими интервалу (E - EF) > EF,
так и за счет соударений с равновесными электронами.
Формирование неравновесных распределений в полупроводниковой среде
экспериментально не изучено, и, в связи с этим, для полноты картины
целесообразно было провести такие исследования. Нами впервые
экспериментально изучается вопрос формирования неравновесных функций
распределений электронов по энергиям в полупроводниковой плазме при
прохождении пучков быстрых ионов водорода и гелия. Кроме того, приводятся
результаты измерения функций распределения электронов в плазме ряда
металлов и анализируются возможные причины отличия наблюдаемых
распределений от таковых, формируемых в полупроводниковой плазме. Метод
исследования основан на возможности восстановления неравновесных функций
распре-делений электронов по измеренным энергетическим спектрам
кинетической ионно-электронной эмиссии.
Наличие большого числа высокоэнергетичных электронов дает возможность
эффективно преобразовать кинетическую энергию иона (ядерной частицы) в
электрическую.

2. Функции распределения неравновесных электронов

Исследования неравновесных функций распределения, формируемых в
твердотельной плазме полупроводников и металлов при прохождении пучков
ионов водорода и гелия, проводились на экспериментальной установке со
сферическим энергоанализатором, подробно описанной в [8]. Измерения
энергетических спектров кинетической ВИЭЭ такого типа анализатором со
сферическим распределением тормозящего электрического поля позволяют
восстановить явный вид функции распределения электронов по энергиям.
Эксперименты проводились с мишенями, изготовленными из германия,
арсенида галлия, теллурида кадмия, титана, серебра, нержавеющей стали
(12Х18Н10Т). Толщина мишеней превышала длину пробега ионов в данных
веществах. Все мишени имели высокую чистоту материала, а их поверхности
предварительно очищались химическим способом. Кроме того, в качестве мишени
использовался сурьмяно-цезиевый катод, который представлял собой тонкий
сурьмяно-цезиевый слой, нанесенный на массивную никелевую подложку. Толщина
слоя превышала глубину, с которой могли выйти неравновесные электроны из
данного вещества в вакуум.
| |На рис.1 |
|[pic] |представ-лена в |
| |двойном |
| |лога-рифмическом|
| |масш-табе |
| |типичная |
| |функ-ция |
| |распределения |
| |неравновесных |
| |элек-тронов для |
| |арсенида галлия |
| |в случае |
| |про-хождения его|
| |иона-ми He+ с |
| |энергией |
| |1,25 МэВ. Как |
| |видно из |
| |графика, |
| |экспе-риментальн|
| |ые точки хорошо |
| |укладываю-тся на|
| |одну прямую, |
|Рис.1. Функция распределения | |
|неравно-весных электронов для | |
|арсенида галлия, формируемая при| |
|прохождении пучка ионов He+ с | |
|энергией 1,25 МэВ. | |


которой соответствует показатель степени s = 2,9 на рассматривае-мом
интервале энергий электронов в вакууме 5(100 эВ. Наличие одного участка
функции распределения наблюдалось для всех исследуемых полупроводников. (
Типичная функция распределения, формируемая в титане при прохождении
пучков ионов He+ с энергией 1,25 МэВ, представлена в двойном
логарифмическом масштабе на рис.2. Как
| |видно из |
|[pic] |рисунка, |
| |функция |
| |распреде-ления |
| |имеет |
| |кусоч-но-степен|
| |ной хара-ктер. |
| |На |
| |экспери-менталь|
| |ной кривой |
| |наблюдалось два|
| |линейных |
| |участка в |
| |интервалах |
| |энер-гий |
| |электронов Е |
| |5(30 эВ и для Е|
| |30(100 эВ, |
| |кото-рым |
| |соответствуют |
| |различные |
| |показа-тели |
| |степени s : |
| |s1 = 3,3 и |
| |s2 = 2,6. |
| | |
|Рис.2 Функция распределения | |
|неравно-весных электронов для | |
|титана, форми-руемая при | |
|прохождении пучков ионов He+ с | |
|энергией 1,25 МэВ. | |


Кусочно-степенной характер функций распределений электронов наблюдался
также для плазмы остальных исследованных металлов

| |и |
|[pic] |сурьмяно-цезиево|
| |-го катода при |
| |про-хождении |
| |ионов H+ и He+. |
| |При этом |
| |зна-чение |
| |энергии, |
| |опре-деляющей |
| |верхнюю границу |
| |первого и нижнюю|
| |второго |
| |ин-тервалов, |
| |варьирова-лось |
| |незначительно. |
| |Анализ |
| |статистичес-кого|
| |набора экспери- |
| |ментальных |
| |данных по СНР в |
| |плазме ме-таллов|
| |позволил сде- |
|Рис3. Зависимость показателя | |
|степени на первом энергетическом | |
|интервале s1 от энергии ионов He+| |
|для различных метал-лов. | |

лать вывод о том, что в случае ионов гелия наблюдается зависимость
показателя степени s1 на первом энергетическом интервале от энергии
налетающего иона, а именно, с ростом энергии (удельных энергетических
потерь) иона абсолютное значение s1 уменьшается (возрастает). На рис.3
приведена наблю-даемая зависимость s1 от энергии налетающих ионов He+.

3. Выводы

В работе представлены результаты формирования неравновесной функции
распределения в плазме полупроводников при облучении ионами. Показано, что
в этом случае электронные распределения имеют степенную асимптотику с одним
пока-зателем степени. Такая ситуация связывается с низкой энергией
плазменных колебаний, распространяющихся на электронах проводимости.
Проведенные экспериментальные исследования функций распределений
электронов, формируемых в твердотельной плазме металлов и сурьмяно-
цезиевого катода при облучении их пучками быстрых легких ионов, показали,
что во всех проведенных экспериментах с ионами H+ и He+ неравновесные
функции распределений в исследуемом диапазоне энергий электронов от 5 до
100 эВ носят кусочно-степенной характер. Полученные функции распределения
имеют два участка, соответствующие различным показателям степени в
энергетических интервалах 5(30 эВ и 30(100 эВ. Показатели степени, по-
видимому, зависят от энергии (удельных ионизационных потерь) быстрых ионов,
что и наблюдается для протонов на первом энергетическом интервале.

Авторы считают своим долгом отметить вклад профессора Моисеева С.С., по
инициативе которого были начаты эти работы, состоявший в постоянном
интересе, который он проявлял к этим работам. Авторы благодарят персонал
ускорителя ВГ-5 ННЦ ХФТИ и лично Мищенко В.М. за создание условий для
работы.
Работа поддержана Научно-технологическим центром в Украине проект
?1862.

Литература

1. В.М.Балебанов, В.И.Карась, И.В.Карась, С.И.Кононенко,
С.С.Моисеев, В.И.Муратов, О.Ю.Нагучев. // Физика плазмы,
1998, т.24, ? 9, с.789.
2. А.В.Кац, В.М.Конторович, С.С.Моисеев, В.Е.Новиков.
// Письма в ЖЭТФ, 1975, т.21, ?1, с.13.
3. В.А.Бабенко, Н.П.Галушко, И.И.Залюбовский, В.И.Карась,
С.И.Кононенко, С.С.Моисеев, В.И.Муратов.//ЖТФ, 1980,
т.50, ? 4, с.848.
4. Е.Н.Батракин, И.И.Залюбовский, В.И.Карась, С.И.Кононенко,
В.Н.Мельник, С.С.Моисеев, В.И.Муратов. // ЖЭТФ, 1985,
т.89, ? 3(9), с.1098.
5. Е.Н.Батракин, И.И.Залюбовский, В.И.Карась, С.И.Кононен-
ко, С.С.Моисеев, В.И.Муратов.//Поверхность, 1986, ? 12, с.82.
6. Е.Н.Батракин, С.И.Кононенко, В.И.Муратов. // УФЖ, 1985,
т.30, ? 8, с.1185.
7. Карась В.И., Потапенко И.Ф. // Физика плазмы, 2002, т.28,
? 10, с.908.
8. С.И.Кононенко, В.М.Балебанов, В.П.Журенко, О.В.Калантарь-
ян, В.И.Карась, В.Т.Колесник, В.И.Муратов, В.Е.Новиков,
И.Ф.Потапенко, Р.З.Сагдеев. //Физика плазмы, 2004, т.30, ? 8,
с.722.