Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 274-277

ВВЕДЕНИЕ

Один из методов увеличения пространственного разрешения сцинтилляционных экранов с сохранением их чувствительности заключается в их структурировании, а именно в разбиении сцинтилляционного экрана на отдельные ячейки, оптически не связанные между собой. Существуют различные методы получения таких экранов, например, метод, заключающийся в создании матрицы ячеек и последующем заполнении их люминофором [1]. Недостатком этого метода является сложность заполнения ячеек с большим аспектным отношением. Также известен метод, заключающийся в разделении сцинтилляционного слоя на пиксели посредством лазерной абляции [2]. Его недостатком является ограниченная производительность. Такие экраны обычно имеют не больше 20 × 20 ячеек. Поскольку все эти методы имеют свои недостатки, создание новых методов структурирования сцинтилляционных экранов является актуальной задачей.

Ранее изучена радиационно-индуцированная абляция некоторых материалов под действием рентгеновского излучения, предварительно нагретых до определенной температуры. Так можно формировать профиль в слоях оксида и нитрида кремния [3]. В работе [4] вышеуказанным методом на источнике синхротронного излучения (СИ) AURORA (Япония) в кристалле хлорида натрия были получены микроструктуры с глубиной 1 мм и аспектным отношением 50. Поскольку ионные кристаллы хлорида натрия и иодида цезия обладают довольно близкими физическими характеристиками, в частности, температура при давлении насыщенных паров 1 Па составляет 653 и 523°C соответственно [5], было предложено использовать вышеуказанный подход для получения высокоаспектных микроструктур в сцинтилляционных кристаллах иодида цезия, допированного таллием (CsI:Tl) на источнике СИ ВЭПП-3.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для экспериментального изучения абляции использовались монокристаллы CsI:Tl размером 15 × 15 мм и толщиной 4 мм, полированные с одной стороны. Образцы располагались на медном держателе, нагретом до фиксированной температуры и облучались синхротронным излучением через щель шириной 100 мкм и длиной 20 мм, ориентированную перпендикулярно медианной плоскости, причем щель несимметрично расположена относительно медианной плоскости по вертикальной оси. Ножи щели выполнены из листа тантала толщиной 2 мм, что минимизирует облучение в теневых областях.

Облучение проводилось на канале “0” вывода излучения из источника СИ ВЭПП-3 [6, 7]. Энергия электронов в накопителе составляла 2 ГэВ, магнитное поле в точке излучения 2 Тл, расстояние от источника СИ до экспериментального объема 19 м, ток электронов варьировался в диапазоне 60–100 мА.

Экспериментальный объем, в котором проводили облучение, отделен от источника СИ бериллиевыми фольгами общей толщиной 100 мкм. Спектр излучения приведен на рис. 1. Вследствие распределения мощности падающего СИ в направлении, перпендикулярном медианной плоскости, мощность излучения вдоль щели меняется. Расчетное распределение мощности вдоль щели приведено на рис. 2.

Рис. 1.

Расчетная спектральная мощность падающего излучения в экспериментальном объеме в медианной плоскости при токе в накопителе 100 мА.

Рис. 2.

Расчетное распределение мощности падающего СИ вдоль щели при токе в накопителе 100 мА.

Доза облучения была задана одинаковой для всех образцов и составляла 14.9 кДж ⋅ см^–2 падающего излучения в медианной плоскости.

Образцы облучались через щель при разных температурах держателя, значения которой для разных образцов составляли 440, 420, 410, 400, 390 и 380°С.

Полученные микроструктуры исследовали в сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N и в оптическом микроскопе VHX-6000. Распределение глубины профиля, полученного на фронтальной полированной стороне образцов иодида цезия, было измерено с помощью интерференционного микроскопа МНП-2.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На всех образцах в облучаемой области наблюдается удаление материала, причем дно получившегося профиля оплавлено (рис. 3). При температурах держателя 440 и 420°С удаление иодида цезия произошло не только в области попадания прямого пучка на образец, но и в области оптической тени. При этом на всех образцах угол наклона боковой стенки, совпадающей с границей зоны облучения, близок к 90 градусам.

Рис. 3.

Электронно-микроскопическое изображение участка образца CsI:Tl после облучения через щель. Угол наблюдения 45°.

Для объяснения наблюдаемого явления абляции, измеренная глубина профиля в зависимости от координаты вдоль щели сопоставлена с распределением падающей мощности СИ (рис. 4). Наблюдается хорошая корреляция глубины с падающей мощностью, причем скорость удаления материала не зависит от спектра излучения, по крайней мере, в указанном диапазоне спектра.

Рис. 4.

Распределения глубины профиля h и мощности падающего излучения P от координаты при различной температуре образцов.

Зависимость глубины профиля от координаты для разных образцов приведена для сравнения на графике (рис. 5). Максимальная достигнутая глубина составила 50 мкм при длительности облучения 84 мин, что дает максимальную среднюю скорость абляции около 0.6 мкм ⋅ мин^–1. Видно, что глубина коррелирует с длительностью экспозиции и не коррелирует со скоростью набора дозы и температурой держателя.

Рис. 5.

Измеренное распределение глубины профиля при разных температурах держателя образцов.

Результаты расчета температуры на поверхности образца в облученной области по длине щели представлены на рис. 6, как и глубина полученного профиля.

Рис. 6.

Распределение глубины полученного профиля и расчетной температуры на поверхности для образца с температурой держателя 400°С.

Из рис. 6 видно, что эффективное удаление материала происходит при температурах, значительно ниже температуры плавления материала при стандартных условиях, поэтому можно сделать вывод о наблюдаемой при вышеуказанных внешних условиях деструкции и удалении материала при одновременном воздействии нагрева и ионизирующего излучения. Для получения детальной информации о процессе предполагается продолжить исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют, что при облучении образцов CsI:Tl синхротронным излучением высокой мощности происходит процесс термической радиационно-индуцированной абляции. Достигнута скорость удаления материала около 0.6 мкм ⋅ мин^–1 в медианной плоскости. Следует отметить, что источник СИ AURORA генерирует мягкое излучение с максимумом излучаемой мощности, лежащим в ультрафиолетовом диапазоне спектра, которое поглощается в приповерхностных монослоях и стимулирует десорбцию материала из них. В противоположность этому, в наших экспериментах глубина поглощения излучения имеет порядок 10 мкм, т.е. фотохимические реакции и фазовое превращение материала протекают в слое соответствующей толщины.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП “СЦСТИ” на базе ВЭПП-3/ВЭПП-4М/НЛСЭ ИЯФ СО РАН, поддержанного Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI62117X0012).