Все науки. №8, 2022. Международный научный журнал

Использованная литература

1. Руми Р. Ф. Использование новых методов наноструктур позволяющие увеличивать монохромотичность пучка при ускорении. Все науки. – №7. Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2022. – С. 15—25.

2. Алиев И. Х., Каримов Б. Х. Курс физики ускорителей заряженных частиц. Учебное пособие. – [б.м.]: Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2022. – 203 с.

3. Алиев И. Х. Новые параметры по ядерным реакциям для осуществления на ускорителе заряженных частиц типа ЛЦУ-ЭПД-300. Проект «Электрон». Монография. – [б.м.]: Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2022. – 498 с.

4. Алиев И. Х., Шарофутдинов Ф. М. Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект «Электрон». Монография. – [б.м.]: Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2021. – 594 с.

5. Алиев И. Х. Об одной эвристической идее о возникновении новой энергетической технологии получения энергии из резонансных ядерных реакций. Все науки. – №1. Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2022. – С. 13—18.

6. Каримов Б. Х. Общее представление ускорителя ЛЦУ-ЭПД-20. Все науки. – №1. Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2022. – С. 18—23.

7. Жалолов Б. Р. Реализация и научные публикации по проекту «Электрон». Все науки. – №1. Научная школа «Электрон», Издательские решения. Ридеро, 2022. – С. 23—28.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ γ-РАДИАЦИИ И ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА КИНЕТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛИ-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

УДК 548

Юсупова Дильфуза Аминовна

Кандидат физико-математических наук, доцент физико-технического факультета Ферганского государственного университета

Ферганский государственный университет, Фергана, Узбекистан

Аннотация: В работе приведены результаты исследования влияния лазерного излучения на кинетические характеристики поликристалли-ческих пленок узкозонных полупроводников халькогенидов свинца и висмута. Приведены результаты измерений проводимости, концентрации дырок и коэффициента термоЭДС в пленках под воздействием лазерных импульсов.

Ключевые слова: поликристаллическая пленка, лазерное излучение, халькогениды свинца и висмута, проводимость, концентрация носителей, коэффициент термо-ЭДС.

Abstract: The paper presents the results of a study of the effect of laser radiation on the kinetic characteristics of polycrystalline films of narrow-band semiconductors of lead and bismuth chalcogenides. The results of measurements of conductivity, hole concentration and thermal EMF coefficient in films under the influence of laser pulses are presented.

Keywords: polycrystalline film, laser radiation, lead and bismuth chalcogenides, conductivity, carrier concentration, thermo-EMF coefficient.

Лазерная обработка, нанесённых на подложку тонких пленок применяется для формирования пленочных элементов, широко используемых в приборостроении и микроэлектронике. Лазерная обработка тонких пленок отличается высокой точностью и локальностью, бесконтактностью, хорошей управляемостью и в большинстве случаев достаточной производительностью. В современной технологии полупроводниковых приборов все большое значение приобретают методы обработки материалов c использованием ионизирующих излучений [1]. Особое внимание уделяется модификации свойств слоев под действием коротких лазерных импульсов, когда наряду с обыкновенным тепловым разогревом пленок, возможно влияние факторов, имеющих нетепловую природу.

Физические механизмы действия лазерного излучения на тонкие пленки во многом аналогичны действию излучения на массивные материалы, но обладают некоторыми особенностями.

В настоящей работе приведены результаты исследований влияния g-радиации и лазерного облучения на кинетических коэффициенты поликристаллических плёнок узкозонных полупроводников. Объектами исследований явились поликристаллические слои халькогенидов свинца и висмута и их соединения полученных термовакуумной конденсацией в различных технологических условиях. Подложками служили кварц, полиимид (ПМ-1) и слюда. Толщина полученных плёнок составляла 0,3¸4 мкм. Облучение плёнок производилось g-квантами Со⁶⁰ и промышленным лазером ГИГ-1М (D=15Дж, t_имп=50 нс) на воздухе и в вакууме. Проведены измерения электропроводности, коэффицента Холла и термоэдс.

Проведенные электронно-микроскопические исследования показали, что с ростом температуры конденсации размер кристаллитов увеличивается. При воздействии лазерных импульсов плёнок Pb_0.8Sn_0.2Te конденсированных при температуре Т_с=373 К обнаружено, что при энергиях облучения W> 0.15Дж/см² наблюдается нарушение адгезии конденсата с подложкой. В этой связи энергии облучения были меньше указанной величины.

Надо отметить, что эти энергии также меньше энергии расчетного значения поговой энергии плавления плёнок при лазерной обработке в наносекундном диапазоне, которая составляет 02Дж/см² [1].

В данной работе приведены исследования влияния лазерного отжига (ЛО) на кинетические свойства поликристаллических пленок Рb_0.8Sn_0.2Te, полученных на полиимидной и слюдяной подложках термовакуумной технологией при различных температурах конденсации [2]. Облучение проводили в режиме модулированной добротности промышленным лазером с рубиновым излучателем (l= 0,69 мкм, t_имп=50 нс). Плотность энергии в лазерном импульсе регулировали путем фокусировки светового пучка. Измерялись кинетические коэффициенты пленок от числа воздействия лазерного импульса. Одновременно изучались структура исходных и облученных пленок с помощью растровой электронной микроскопии.

Измерены проводимость s, концентрация носителей р_н и коэффициент термоэдс a в зависимости от числа лазерных импульсов пленок конденсированных при разных температурах подложки. Результаты проведенных исследований показали, что при повышении Т_с проводимость пленок s увеличивается, а коэффициент термоэдс a уменьшается. При воздействии лазерных импульсов в пленках наблюдается спад s и a.

Электронно-микроскопические исследования пленок показали, что при повышении Т_с от 300К до 600К размер кристаллитов увеличивается от (5—6) 10² до 10^4 оА и в этих пленках с повышением Т_с наблюдается увеличение s и уменьшение a.

Заметные структурные изменения при ЛО наблюдались в пленках полученных на слюде при Тс=570К, т.е. при более высоких температурах конденсации. Здесь обнаруживается рост монокристальных фрагментов, размер которых во много раз превышал размеры кристаллитов в исходных необлученных конденсатах.

Процессами, ответственными за кристаллизационные явления, на наш взгляд, являются частичное плавление конденсатов при лазерном облучении (частичное, так как энергия в импульсе меньше порога плавления) и ударная кристаллизация (ускоренная кристаллизация в твердой фазе).

Приведён характер изменения концентрации дырок в пленках Вi₂Sb_xTe₃ при g-облучение (источник Со⁶⁰, интенсивность 10³Р/с) в свежеосажденных плёнках и плёнке, предварительно отожженной на воздухе при 420 К в течении 3 часов, у которой концентрация дырок до отжига совпадала с исходной концентрацией дырок.

Были отмечены следующие закономерности:

1. В образцах с исходными значениями концентрации дырок р ~ 8 10¹⁸см^-3, g – облучение приводит к их монотоннному увеличению с выходом при Ф_g> 10⁸Р на насыщение (кривая 1); при 10¹⁹ <p <(2—4) x 10¹⁹ см^-3 концентрация дырок при облучении уменьшается. При Ф_g»10⁸ Р наблюдается незначительное увеличение и в дальнейшем принимает постоянное значение (кривая 2). Постоянному значению в обоих случаях соответствует одна и та же концентрация дырок р» 9 х 10¹⁸ см^-3 (штриховая линия на рисунке).

2. При р> 5х10¹⁹ см^-3 с ростом Ф_g наблюдается уменьшение концентрации со снижением интенсивности процесса по мере увеличения Ф_g (кривая 3); в таких же плёнках после термоотжига, приводящего к уменьшению концентрации, процесс снижения концентрации с ростом Ф_g также замедляется.

Для объяснения наблюдаемых явлений необходимо принять следующее. В технологических режимах, обеспечивающих высокую концентрацию дырок, наряду с антиструктурными дефектами в плёнках образуются вакансии теллура [3]. При g-облучении за изменения в концентрации дырок ответственны два прцесса:

а) радиационно-стимулированная диффузия антиструктурных атомов по вакансаниям с вытеснением последних на стоки – границы кристаллитов и дислокации;

б) вытеснение атомов теллура в междоузлия.

Интенсивность первого процесса пропорциональна концентрации вакансий и энергетически выгодней относительно второго процесса. Первый процесс сопровождается уменьшением числа акцепторов, а второй – увеличением, поэтому в зависимости от исходной концентрации вакансий теллура в плёнках и возможны два типа изменений в концентрации дырок при g-облучение, что наблюдается экспериментально. Выход зависимости р (Ф_g) на насыщение соответствует установлению равновесия в протекании обоих процессов.

Список использованной литературы

1. К.Э.Онаркулов, М.М.Ахмедов, Д.А.Юсупова, Р. Т. Расулов, Б. Дулиев Кинетические процессы в тонких пленках халькогенидов висмута и свинца под воздействием g- и лазерного облучения. Узбекский физический журнал, V 4, №2, 2002 г. C. 113—116

2. С.Х.Шамирзаев, Д.А.Юсупова. Исследование электрофизических свойств поликристаллических плёнок теллуридов висмута-сурьмы, содержащих наногранулыю Хозирги замон физикасининг долзарб муаммолари. Республика илмий конференцияси материаллари тўплами Термиз 1- май, 2013 й.45—46 б.

3. Д.А.Юсупова. Изучение электрофизических свойств нанокристаллических пленок Bi2Te3 – Sb2Te3. «Интеграция наук» Международный научно-практический журнал. Москва Выпуск №4 (19) (июнь, 2018), с 52—54

ПЕРВАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

УДК 29.01.09

Абдурахмонов Султонали Мукарамович

Кандидат физико-математических наук, доцент факультета систем компьютерного проектирования Ферганского политехнического института

Ферганский политехнический институт, Фергана, Узбекистан

Аннотация. История ускорительной техники берёт своё начало ещё во времена самых первых исследований в области изучения строения вещества, и, хотя вопрос о строении материи был поставлен ещё в глубокой древности, его активное развитие начинается лишь чуть ранее открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Самые первые попытки в области увеличения энергии генерируемых частиц были приложены ещё во времена первых трубок Крукса, в которых обеспечивался высокий вакуум, что позволяло обеспечить вылет приличного потока электронов под действием термоэлектронной эмиссии.

Ключевые слова: история, ускорители заряженных частиц, линейные ускорители, циклотроны, опыты Резерфорда.

Annotation. The history of accelerator technology dates back to the time of the very first research in the field of studying the structure of matter, and although the question of the structure of matter was raised in ancient times, its active development begins only a little earlier than the discovery of radioactivity by Henri Becquerel. The very first attempts in the field of increasing the energy of the generated particles were made back in the days of the first Crookes tubes, in which a high vacuum was provided, which made it possible to ensure the departure of a decent flow of electrons under the influence of thermoelectronic emission.

Keywords: history, charged particle accelerators, linear accelerators, cyclotrons, Rutherford experiments.

Но если исходить из самого начала, то в истории ускорителей можно найти немало выдающихся изобретений, новых и ярких физических идей, в некоторых случаях, имеющих характер научного открытия. Однако развитие методов ускорения заряженных частиц и стремление ко всё большим энергиям никогда не были самоцелью и обязательно подчинялись в основном, логике развития ядерной физики и возникшей из неё физики высоких энергий.

Ранее проводимые исследования и постройки в области ускорительной физики можно изобразить при помощи диаграммы, таким образом в существовании объективных закономерностей развития ускорительной техники просто и наглядно убеждает такая зависимость от времени максимальной энергии, достигнутой в лабораторных условиях. В логарифмическом масштабе эта зависимость отражается прямой линией, на которую с некоторыми оговорками попадают и существующие установки, и проектируемые машины. То есть, энергия искусственно ускоренных элементарных частиц экспоненциально возрастает на порядок каждые семь-восемь лет, что отражает объективную закономерность развития науки и физики высоких энергий. При всей важности новых идей в физике ускорителей нельзя отметить, что заметных изломов на этой прямо их появление не вызвало и не привело к подобному случае, наличия каких-либо явных отклонений.

Вероятно, первые соображения о получении искусственно ускоренных частиц появились вместе с зарождением экспериментальной ядерной физики после исторических опытов Э. Резерфорда в 1919 г., хотя к этому времени уже существовали высоковольтные рентгеновские трубки и установки для получения «канальных лучей», в определённой степени, заслуживающие названия ускорителей. Возможности высоковольтной техники того времени, и энергия альфа-частиц естественных радиоактивных изотопов, с которыми ускорители были призваны конкурировать, определяли и ближайшую цель – получение частиц с энергией порядка нескольких МэВ. Впрочем, были, конечно, ясны и принципиальные преимущества ускорителей – возможность ускорения протонов, иных элементарных частиц, а также направленность и большая интенсивность пучка, эквивалентная десяткам и сотням килограмм естественных радиоактивных препаратов. Интересно, что в 20-е годы было высказано довольно много идей ускорения до большой энергии, опередивших своё время и воплощённых в конкретных установках лишь по прошествии многих лет.

Тем не менее, первая искусственная ядерная реакция – расщепление ядра лития протонами с энергией 700 кэВ – была осуществлена сотрудниками Резерфорда Дж. Кокрофтом и Э. Уотсоном в 1931 году и сразу же повторена в нескольких лабораториях. Эту дату и можно считать началом истории ускорителей.

Установка Кокрофта-Уолтона состояла из двух основных элементов – генератора высокого напряжения и ускорительной трубки. Оба они в техническом отношении претерпели в дальнейшем существенные модификации. Одним из основных этапов в развитии электростатических ускорителей было изобретение в 1929 году Р. Ван-де-Граафом из Пристонского университета в США генератора высокого напряжения с механическим переносом заряда. Повышение энергии в этих машинах сдерживалось в основном электрической прочностью опорных изоляторов и ускорительной трубки, по применение принудительного распределения потенциала позволило вскоре получить энергию 2,5 МэВ. В СССР в 1938 году в Харькове был запущен электростатических ускоритель на 3,6 МэВ. Важно также отметить, что к концу 50-х годов ускорительная трубка серийного электростатического ускорителя выдерживала уже на порядок больше, а именно 16 МВ.

Тем не менее, ограниченные возможности метода электростатического ускорения были очевидны, а развитие физики ядра настоятельно требовало перехода к энергиям порядка десятка МэВ, сравнимой со средней энергией связи нуклона в ядре. Поэтому качественно новым этапов в развитии ускорителей следует считать появление резонансных методов, не требующих высоких напряжений. Первые идеи такого рода были высказаны, как показывают исследования, шведским учёным Изингом в 1924 году, но не привели к созданию работоспособной модели. Линейным вариантом резонансного ускорителя занимался также шведский физик Р. Видерое, внёсший вклад и для разработки бетатрона. В их схемах не было никаких принципиальных недостатков, но увы, лишь отсутствие в конце 20-х годов мощных коротковолновых генераторов не позволило осуществить их на практике. Выше уже упоминалось об обилии появившихся в то время идей, к большому сожалению, не нашедших технического воплощения. В этой связи следует упомянуть и имя американского инженера Дж. Слепяна, в патентах которого можно найти прообразы некоторых будущих ускорителей, в том числе известного бетатрона и линейного резонансного ускорителя.

На реальную основу резонансное ускорение было поставлено в работах Э. Лоуренса, проводившихся в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли. Практически одновременно в 1930—1932 гг. в этой лаборатории появились работающие модели циклотрона – первого циклического ускорителя, в создании которого важную роль сыграл М. Ливингстон, и линейного резонансного ускорителя с трубками дрейфа (Д. Слоан). Однако линейные системы вскоре отошли на второй план из-за недостаточного развития техники СВЧ по сравнению с циклотроном, который уже начал поистине своё большое триумфальное шествие.

Уже в 1935 году была получена энергия альфа-частиц, равная 11 МэВ и впервые превысившая максимальную энергию естественных радиоактивных изотопов, а в 1938 году был запущен циклотрон с диаметром полюсов 1,52 м, на котором были получены альфа-частицы с энергией 32 МэВ. Перед началом второй мировой войны было начато сооружение циклотрона для дейтронов на энергию 100 МэВ. Первый циклотрон в Европе был запущен в Ленинграде в 1936 году в Радиевом институте на энергию 6 МэВ.

Говоря же об общей роли циклотрона в развитии ядерной физики, то её трудно переоценить. Особенно важным этапом стало ускорение в циклотроне дейтронов, сначала из-за того интереса, который представляет дейтрон как простейшая ядерная система, а затем из-за открывшихся возможностей генерации интенсивных потоков нейтронов с помощью легко идущих реакций типа (d-n), то есть дейтрон-нейтронных реакций. Значение последнего указанного обстоятельства не требует комментариев, поскольку благодаря ему были впоследствии получены точные количественные сведения о сечениях реакции захвата и деления, ибо реакции с нейтронами привлекли в дальнейшем большое внимание за счёт урановой технологии.

Проблема ускорения электронов стояла несколько особняком и не могла быть решена на пути развития циклотрона, принципиально не пригодного для ускорения релятивистских частиц. Линейные же ускорители пережили своё настоящее второе рождение лишь после второй мировой воны в связи с бурным развитием техники генерации СВЧ-колебаний для целей радиолокации. Однако в 1940 году Д. Керстом в США был запущен циклический индукционный, то есть не резонансный ускоритель – бетатрон на 2,3 МэВ, основная идея которого содержалась в патентах Слепяна. Близко к созданию бетатрона подошёл Видерое, впервые сформулировавший так называемое бетатронное условие, позволяющее сохранить при ускорении радиус орбиты почти постоянным, что оказалось важным с практической точки зрения. Кроме того, в начале 40-х годов были чётко выяснены условия устойчивости движения электронов в бетатроне, что имело принципиальное значение. Дело в том, что ускоряющее электрическое поле в бетатроне в практических условиях оказывается очень малым и для достижения одной и той же энергии частица вместо сотен метров, как в циклотроне, должна пройти полный путь в тысячи километров, на котором, естественно, сильно сказываются даже малые возмущения движения.

Работа Керста была повторена, хотя и не сразу, в нескольких лабораториях, в том числе и в СССР, и бетатрон вскоре стал надёжным и простым источником тормозного излучения, используемым в физики фотоядерных реакций и в технике. Однако главный недостаток циклотрона – небольшое ускоряющее поле, почти неизбежно следующий из нерезонансного характера ускорения, он и определял максимальную энергию на уровне 100 МэВ, когда же крупнейший бетатрон Иллинойского университета в США давал энергию 300 МэВ. Принципиальный характер этого ограничения связан с магнитотормозным или точнее синхротронным излучением частиц, двигающихся по окружности в самой вакуумной камере.

Теория синхротронного излучения, развитая в начале 40-х годов и хорошо подтверждённая экспериментально, указывала на неизбежное возрастание с энергией радиационных потерь, которые не могли быть восполнены относительно малым ускоряющим полем бетатрона. Таким образом, в начале 40-х годов сложилась внешне тупиковая ситуация: казалось, что резонансные методы достигли своего потолка, связанного с релятивистскими эффектами, а нерезонансные сталкивались с непреодолимыми техническими трудностями. В то же время переход в диапазон энергий порядка сотен МэВ был необходим в связи с появлением новой отрасли науки – физики элементарных частиц и требованиями генерации недавно открытых мезонов, когда же энергия покоя μ-мезона составляет 106 МэВ, а π-мезона целых 140 МэВ. Новый качественный этап в истории ускорителей связан с именем В. И. Векслера, работавшего тогда в ФИАН имени П. Н. Лебедева.

В 1944 году В. И. Векслер сформулировал свой знаменитый принцип автофазировки, согласно которому резонансное ускорение может быть продлено до сколь угодно больших энергий при весьма умеренных требованиях к параметрам ускоряющего поля. Этот принцип независимо был открыт в США Э. Мак-Милланом в 1945 году. Интересно отметить, что принцип автофазировки использует те самые эффекты зависимости частоты обращения от энергии, которые казались препятствием для повышения энергии частиц в циклотроне. Кроме того, применение основной идеи В. И. Векслера оказалось необходимым для более глубокого понимания работы и линейного резонансного ускорителя, а впоследствии и ряда других физических приборов, где существенно взаимодействие между образуемой в системе электромагнитной волной и ускоряемыми заряжёнными частицами.

Таким образом представляется начальный этап развитие ускорительной техники, с началом собственного зарождения, разделения на несколько видов и образованием первым физико-математических теорий, которые уже нашли свою реализацию. В дальнейшем в при помощи 2 дополнительных тем по истории ускорительной техники будет полностью рассмотрен вопрос о последующих проведённых работах до сегодняшнего дня, после чего можно будет переходить непосредственно к описанию конструкции самих ускорителей и их математического аппарата.