Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 8, стр. 1155-1161

ВВЕДЕНИЕ

Радиационная стойкость многопроволочных пропорциональных камер (МПК) в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК) сегодня остается актуальной темой. Это вызвано, почти, десятикратным ростом светимости коллайдера, запланированным после его реконструкции. Поэтому обеспечение стабильности МПК на следующие 10 лет работы БАК при ожидаемом скачке тока ионизации и уже наблюдаемых появлениях спонтанного самоподдерживающегося тока (Мальтер-эффект (МЭ)) [1] стали ключевой мотивацией исследований.

Спонтанные токи, возникая в МПК, в десятки раз превышают по величине ток от столкновений пучков протонов в коллайдере и достигают 30–40 мкА [2]. Это затрудняет работу регистрирующей электроники и перегружает ее ложными срабатываниями. При этом ток МЭ, локализованный в точке на катоде, вызывает ускоренное старение анодных проволочек, находящихся рядом.

Цель исследования поверхности катода многопроволочной пропорциональной камеры − установление причины возникновения токов МЭ для выработки методов их подавления.

ОБРАЗЦЫ КАТОДА МПК

Для изучения был выбран модуль пропорциональных камер мюонного детектора эксперимента LHCb − тип M5R4_FIR037 [2], проработавший на БАК длительное время (Т ≈ 3.2 · 10⁷ с). В этом модуле, состоящем из четырех регистрирующих плоскостей (Gap А, B, C, D) МПК, только плоскость Gap D регулярно демонстрировала спонтанные самоподдерживающиеся токи. Поэтому именно из этой плоскости были взяты образцы катода, которые представляют собой диски c радиусом 23 мм и высотой 1мм.

В результате работы на БАК с рабочей газовой смесью Ar(40%)/CO₂(55%)/CF₄(5%) анодные проволочки МПК в модуле M5R4_FIR037 аккумулировали заряд Q ~ 1 мКл · см^–1 (или ~2.5 мКл · см^–2). После демонтажа из мюонного детектора этот модуль исследовался дополнительно на облучательном стенде GIF++ [3] с использованием газовой смеси Ar(40%)/CO₂(58%)/CF₄(2%). В результате на проволочках был дополнительно аккумулирован заряд Q₁ ~ 0.5 мКл · см^–1.

Необходимо отметить, что заряд Q₁ был набран за очень короткое время (ток в регистрирующих плоскостях МПК был выше на два порядка, чем во время работы в составе мюонного детектора). При этом содержание CF₄ в рабочей смеси составило 2%, а проток газа через объем был понижен на 30%. Несмотря на ужесточившиеся условия испытаний, новых зон спонтанной эмиссии электронов в МПК не было обнаружено. Имевшаяся уже зона МЭ сохранилась на прежнем месте.

На одну из плоскостей МПК − Gap А при работе на коллайдере (и на стенде) не подавалось высокое напряжение. Но, как и все остальные, эта плоскость находилась под облучением заряженными частицами с интенсивностью R ∼ 350 Гц · см^–2. В Gap А из-за отсутствия электрического поля катоды не подвергались плазмо-химическому воздействию продуктов диссоциации компонент газовой смеси. Поэтому образцы, взятые на этой плоскости, называются далее по тексту контрольными. Они использовались для сравнения с образцами из Gap D, которые испытали весь комплекс радиационного и плазмохимического воздействия. Интегральный флюэнс облучения плоскостей МПК составил F ≈ 5 ⋅ 10¹³ МИП-частиц. В итоге, доза на медной фольге катода (толщина 35 мкм), расчитанная с помощью программного пакета GEANT4, оказалась на уровне D ≈ 1.3 Гр.

Для выделения зоны генерации токов МЭ в МПК на стенде GIF++ при облучении были измерены счета загрузки объединенных в группы анодных проволочек Gap D. В результате, зона генерации была локализована по группе проволочек с аномально высоким счетом. Далее по тексту образцы катода, взятые вдоль этих проволочек, обозначены как МЭ-образцы, а вне зоны высокого счета обозначены, как БМЭ-образцы.

На рис. 1, вверху, показаны снимки катодных плоскостей M5R4_FIR037 после разборки. Слева – снимки плоскостей Gap А и Gap D. Справа – схема расположения образцов на катоде. МЭ-образцы брались последовательно вдоль оси Y длиной 30 см, параллельной анодным проволочкам, с максимально высоким счетом. БМЭ-образцы также взяты вдоль оси Y, но со смещением от зоны спонтанных токов на ~20 см. Визуальный осмотр модуля МПК после разборки показал, что катоды всех плоскостей МПК, кроме Gap А, подвержены значительному окислению, нижний снимок на рис. 1. Но, поскольку МЭ наблюдался только на плоскости Gap D, можно предположить, что процессы окисления и восстановления меди все же не являются достаточной причиной для возникновения эмиссионных токов на катоде [4, 5]. Хотя известно, что островковый характер окисления медной поверхности с образованием Cu₂O в электрическом поле E ≥ 50 кВ · см^–1, с большой вероятностью приводит к возникновению эмиссионных токов [6].

Рис. 1.

Слева фотоснимки катодных плоскостей Gap А и Gap D после разборки MПК. Справа – схема расположения образцов (кружки) на катоде.

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования морфологии поверхности образцов катода проводились методом атомно-силовой микроскопии на СЗМ “Solver Next” ОАО “НТ-МДТ”, г. Зеленоград. Поверхности сканировались кантилеверами серии NSG10/ТiN в полуконтактной моде (tapping-mode) − режимы топографии и фазы; в контактной моде – режим токовой спектроскопии на воздухе при нормальных условиях.

Элементный анализ поверхности образцов проводился на установке “Микрозонд” комплекса Микрозонд – ЭГП-10 методом обратного резерфордовского рассеяния (Rutherford backscattering spectroscopy – RBS). При исследовании комплекс Микрозонд – ЭГП-10 работал в следующем режиме: энергия пучка – 4 МэВ; ток протонов на образцах – 0.01 нА; размер пучка на образце – 30 × × 30 мкм. Площадь сканирования – 300 × 300 мкм.

Фазовый состав изучаемых образцов определялся на рентгеновском дифрактометре “Shimadzu XRD-7000” с использованием излучения медного анода (длина волны 1.542 A), V = 40 кВ, I = 30 мА.

Анализ состава микрочастиц и микроструктурированных объектов проведен методом Рамановской спектроскопи. Для этого использовался Раман-микроскоп РамМикс M532^®, совмещающий возможности Раман-анализатора EnSpectr R532^® Scientific Edition и микроскопа Olympus CX-41.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Структурные исследования

Анализ структуры поверхности образцов, взятых с различных участков катода на плоскости Gap D, показал неравномерность протекания процессов радиационного старения. На рис. 2а, вверху, показан скан поверхности контрольного образца − плоскость Gap А. Далее на рис. 2б, 2в показаны сканы БМЭ-образцов № 2 и № 3 – плоскости Gap D. Поверхность контрольного образца имеет слабо структурированный волокнистый рельеф с зонами разупорядоченности (технологические дефекты) и единичными пиками. Первичные дефекты наиболее вероятно образуются на катоде при склейке медной фольги со стеклопластиком в процессе производства.

Рис. 2.

АСМ-скан поверхности образцов с размером поля сканирования 30 × 30 мкм: контрольный (а); БМЭ_№ 1 (б); БМЭ_№ 2 (в); МЭ_№ 5 (г); МЭ_№ 8 (д); МЭ_№ 10 (е).

Помимо радиационного воздействия, поверхность образцов БМЭ и МЭ подвергалась воздействию продуктов диссоциативной ионизации молекул газовой смеси − радикалов O^•, F^•, CFn^•, CO^• (^• − количество непарных электронов на внешней оболочке), которая происходит в МПК у анодных проволочек [7]. В результате, на катодах сформировался иной, по сравнению с контрольным образцом, морфологический тип поверхности − террасные структуры с выделенными ячейками. Как видно на рис. 2б и 2в, помимо образования террасных структур, для БМЭ-образцов характерно появление областей расслоения.

Внизу, на рис. 2г, 2д и 2е, показаны АСМ-сканы МЭ-образцов № 5, № 8 и № 10. Здесь большая часть поверхности подвержена значительной эрозии. Общим для этих образцов являются террасные структуры, подобные тем, что обнаружены у БМЭ-образцов. На рис. 2г, 2д и 2е они выделены белыми овалами. Изменения морфологии поверхности МЭ-образцов обусловлены такими радиационными дефектами, как блистеры, кратеры, а также мелкодисперсные структуры, характерные для оксида меди Cu₂O. На рис. 2г и 2д эти структуры хорошо видны. Здесь на поверхности присутствуют вспенивание, вызванное множеством мелких блистеров (рис. 2г), и кратерообразование (рис. 2д) без зон оплавления.

Зоны структурно-фазовых переходов − окисления и оплавления хорошо видны на рис. 2е. Наблюдаемый эффект сглаживания из-за оплавления распределен по всей площади изображения 30 × 30 мкм, что, по-видимому, вызвано термическим воздействием токов эмиссии высокой плотности на медную фольгу катода. Оплавление поверхности может происходить в медной фольге также и вдоль траекторий быстрых заряженных частиц, вызывающих каскады и субкаскады движущихся вакансий и межузельных атомов. Однако, подобные эффекты при сравнительно малой интенсивности облучения (R ∼ 350 Гц · см^–2) должны носить точечно локализованный характер [8].

Вместе с тем, из-за абсорбции медью из газовой смеси молекул, содержащих кислород, углерод и фтор, на поверхности катода происходит рост островков диэлектрического оксида Cu₂O [2, 6] и формирование наноуглеродных и фторуглеродных пленок [9–11]. Для подобных образований в электрическом поле возможна точечная эмиссия электронов, способная разогреть поверхность до температуры плавления. Неоднородность распределения точек эмиссии на катоде может быть вызвана турбулентностью газового потока в узком (5 мм) зазоре МПК вблизи входа и выхода газовой смеси [2].

На рис. 3 приведены результаты анализа основных характеристик поверхности образцов: шероховатости (S, нм) и перепадов высоты пиков (Δh, нм). Данные для четырех МЭ-образцов и трех БМЭ-образцов представлены в зависимости от их координат вдоль оси Y. Причем, на МЭ-образцах № 7, № 9 и № 10 (Y ≈ 6 см, Y ≈ 15 см и Y ≈ ≈ 32 см, соответственно) поверхность исследована в нескольких точках.

Рис. 3.

Распределение шероховатости S (а) и высоты пиков Δh (б) на поверхности МЭ-образцов (♦) и БМЭ-образцов (■) вдоль осей Y, расположенных, как в зоне спонтанных токов, так и вне ее.

На контрольном образце величина шероховатости составила S ∼ 90 –100 нм, а разброс высот пиков в разных точках составил Δh ∼ 1100–1200 нм, что довольно близко к значениями этих величин на рис. 3. Здесь, на плоскости Gap D, в зонах с эмиссией и без эмиссии электронов, неровность поверхности по сравнению с контрольным образцом выше: шероховатость колеблется в диапазоне S ~ 100–140 нм, а разброс высот пиков Δh ~ 1300–1450 нм. По-видимому, это следствие плазмо-химического и радиационного воздействия на медную фольгу, которое обычно приводит к окислению на границах кристаллитов и выносу материала с поверхности [4].

Заметное сглаживание поверхности произошло только в образце МЭ_№ 7 (рис. 1, Y ~ 6 см), где шероховатость и высота пиков уменьшились точечно до S ~ 70–100 нм и Δh ~ 1000–1250 нм и стали сопоставимы с контрольным образцом. По-видимому, именно в области, где был взят образец МЭ_№ 7, происходила эмиссия электронов, вызвавшая локальный разогрев фольги до температуры плавления и выгорание пиков, сформированных радиационной эрозией [9, 10]. Подтверждением этого предположения стал анализ в зоне образования пор образца МЭ_№ 7. Оценка количества пор (n) на двух полях (30 × 30 мкм) АСМ-сканирования различается в образце почти вдвое, возрастая с n = 768 до n = 1327. Это говорит о высокой неоднородности эрозии поверхности по механизму блистеринга. В поле с наиболее интенсивным порообразованием АСМ-сканирование показало формирование губчатой поверхности, где дальнейшее образование блистеров уже не возможно [12].

В ходе исследований при помощи АСМ были выявлены новые для газоразрядных детекторов структурные эффекты, которые могут быть источником спонтанной эмиссии электронов в МПК. Оказалось, что во впадинах и межструктурных пространствах медной фольги МЭ-образцов образуются наноразмерные углеродные пленки. На рис. 4, вверху, представлен фрагмент АСМ-изображения МЭ_образца № 8 с графитоподобной пленкой толщиной ∼20 нм. Пленка расположена во впадине на поверхности и имеет характерную структуру, схожую с изображением нанографитных пленок, полученных в лабораторных условиях методом конденсации углерода из газовой фазы [10]. Внизу, на рис. 4, представлена вольт-амперная (ВАХ) характеристика, снятая в области образования нанографитной пленки. Красные точки − ВАХ при нарастании напряжения (U ) от –10 до +10 В. Синие точки − ВАХ при понижении напряжения от +10 до –10 В. Наблюдаемый гистерезис тока демонстрирует механизм резистивных переключений, типичный для многих наноуглеродных образований. Пороговая величина напряженности поля для эмиссии электронов в подобных структурах составляет Е_t ∼ ∼ 10 кВ ⋅ см^–1 [13, 14].

Рис. 4.

Вверху: АСМ-скан МЭ_8, размер поля 90 × ×90 мкм, вставка размер 1.5 × 1.5 мкм. Внизу: вольт-амперная (ВАХ) характеристика, снятая в области нанографитной пленки. Красные точки − ВАХ при нарастании напряжения (U ) от –10 до +10 В. Синие точки − ВАХ при понижении напряжения от +10 до ‒10 В.

В отличии от лабораторных экспериментов формирование наноуглеродной пленки на медной фольге катода МПК происходит неконтролируемо. Процесс происходит при атмосферном давлении в газовой смеси Ar/СО₂/СF₄, при длительном радиационном воздействии и плазмохимических реакциях с медью в электрическом поле МПК (Е_катод ≈ 5 кВ · см^–1) активных радикалов и ионов − продуктов диссоциации СО₂ и СF₄. На АСМ-сканах зоны с наноуглеродной пленкой наиболее часто встречаются у стенок кратеров.

Итак, структурный анализ образцов катода МПК показал, что для БМЭ-образцов характерна ячеистая структура с локальными зонами эрозии. В МЭ-образцах радиационная эрозия проявляется сильнее. Эти образцы структурно неоднородны, их поверхность сглажена в результате оплавления, здесь наблюдаются каскады мелких кратеров (рис. 2д), хорошо видны пористые зоны со множеством мелких пиков и блистеров. Именно на границах сглаженных участков с рыхлыми, дефектными областями и во впадинах между микроволокнами в МЭ-образцах обнаружены наноразмерные углеродные пленки. Наблюдаемые морфологические типы поверхности обусловлены структурно-фазовыми превращениями и термическими процессами, которые происходят на поверхности катода, как под действием заряженных частиц, так и в точечных зонах эмиссии электронов [10].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Присутствие фазы оксида Cu₂O на поверхности катода в МПК мюонного детектора LHCb находится в согласии с результатами исследований прототипов детектора. Так в работе [4] после лабораторных ресурсных испытаний прототипов МПК с газовой смесью Ar/CO₂/CF₄ также было установлено, что основной фазой поверхностных слоев образцов катода является Cu₂O.

Оксид меди является полупроводником p-типа и, как все полупроводниковые материалы, он чувствителен к наличию дефектов и микропримесей. Их присутствие приводит к возникновению локальных энергетических уровней в запрещенной зоне и изменению таких параметров, проводимости, как концентрация носителей и подвижность. Наличие микрогранул оксида Cu₂O на поверхности катода в электрическом поле МПК пороговой напряженностью E_t ≥ 50 кВ · см^–1, может быть причиной возникновения множества центров эмиссии электронов и фотонов с длиной волны λ ≈ 600 нм [6]. Но из-за поглощения электронов в материале катода уже на глубине ∼1 мкм эмиссия электронов в газовый объем детектора становится невозможна. Из опыта наблюдения МЭ в газоразрядных детекторах известно, что для появления токов эмиссии толщина диэлектрика на поверхности катода не должна превышать нескольких десятков нанометров [7]. То есть, спонтанные токи в МПК возможны из-за гранул Cu₂O, только если они образовались на поверхности катода в виде микропиков с аспектным фактором (отношение высоты к диаметру острия) электрического поля на катоде (Е_катод ≈ 5 кВ · см^–1) больше 10. Ток электронов через подобный микрообъект приводит к нагреву до температуры плавления (${{Т}_{{{\text{C}}{{{\text{u}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ = 1235°С). В результате с изменением электрохимических свойств материала эмиссия электронов прекратится.

Следующим возможным механизмом возникновения МЭ является эмиссия электронов нанографитными структурами. Полученные результаты демонстрируют конденсацию на катоде МПК углеродосодержащих и фторсодержащих молекул, образованных в газоразрядной плазме у анодной проволочки. Примером таких структур являются нанографитные пленки, образующие кристаллиты высотой 1–2 мкм. Из-за малых толщин аспектные отношения этих структур могут достигать 1000. Пороговое значение поля для эмиссии электронов нанографитными пленками составляет Е_t ∼ 10 кВ · см^–1. Такая напряженность поля легко достижима в зонах радиационных повреждений на катоде МПК [9–11, 13].

Присутствие фтора (∼5%) на поверхности катода, где находится и наноуглерод, может привести к формированию диэлектрических фторуглеродных соединений, которые являются стабильным источником эмиссионных токов [14]. Наблюдаемые в МПК наноструктуры трудно однозначно отнести к одной из многих моделей механизма низкопороговой эмиссии. Однако для установления причин МЭ в МПК важно, что, практически, все эти наноструктуры характеризуются явлением эмиссии электронов [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые поверхность катода МПК, после радиационного облучения в эксперименте LHCb на БАК, подвергнута комплексному исследованию для установления причин появления спонтанных самоподдерживающихся токов в детекторе. Методами АСМ, микрозонда, рентгеновской дифрактометрии и Рамановской спектроскопии на медной фольге катода обнаружены радиационная эрозия, сопровождаемая образованием оксида меди − Cu₂O, а также наноразмерных углеродных и фторуглеродных структур высокой резистивности.

Характерной особенностью углеродных и фторуглеродных наноструктур является низкопороговая эмиссия электронов. Величина порога напряженности электрического поля для наноструктур (Е_t ∼ 10 кВ · см^–1) в пять раз меньше, чем у Cu₂O, и в условиях радиационных повреждений меди она достижима на катоде. На этом основании углеродные и фторуглеродные наноструктуры выглядят наиболее реальным источником спонтанных токов в МПК.

Авторы благодарны сотрудникам ФГУП “РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров) за помощь в проведении исследований. При их активном участии был проведен весь комплекс исследований образцов. Мы также признательны за обсуждение материалов статьи ведущему научному сотруднику ФБГУ “ПИЯФ” К.Н. Ермакову. Результаты получены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 075-10-2021-115 от 13 октября 2021 г. (внутренний номер 15.СИН.21.0021).