Введение к работе
Актуальность темы. Регистрация полей и излучений различной природы является одной из актуальных задач многих областей современной физики и техники. Особую актуальность приобретает эта задача, когда требуется визуализировать быстропротекающие физические процессы, одновременно сопровождающиеся несколькими видами полей и/или излучений. Ярким примером являются процессы, протекающие при горении, взрывах, электрическом разряде в твердых, жидких или газообразных веществах. Благодаря многофакторности своего воздействия в настоящее время перечисленные процессы все чаще привлекаются для получения материалов и структур в них нанометрового масштаба с заданными свойствами. Наибольшее распространение в нанотехнологиях получили плазменные методы, особенно при напылении или травлении поверхности диэлектриков и полупроводников с помощью барьерного газового разряда (БГР). Кроме того, БГР нашел применение в плазмохимии для инициирования различных химических реакций, и прежде всего в получении озона, эксимерных лазерах, очистке сточных вод от нефтепродуктов, а также газоразрядных визуализа-торах инфракрасного и рентгеновского излучений, геометрических и электрических неоднородностей самих полупроводников, металлических изделий и руд металлов, полимерных и композиционных материалов, биологических объектов. В ряде прикладных и научных исследований для выявления деталей структуры БГР, его пространственных и яркостных характеристик кроме фотоэлектронных и цифровых средств регистрации информации используют галогенсеребряные (AgHal) [1] и несеребряные фотоматериалы [2, 3].
Из физики БГР известно, что в результате его горения всегда происходит изменение физико-химических свойств барьеров. В свою очередь это влияет на последующий характер течения газоразрядных процессов, т.е. имеет место взаимное влияние БГР и барьеров. Следовательно, конечный результат взаимодействия разряда с диэлектрическими или полупроводниковыми материалами определяется его начальными (стартовыми) условиями. Знание этих условий, а также первоначальных стадий процессов взаимодействия БГР с барьерами - актуальная задача использования данного вида разряда в перечисленных областях.
Получение достоверной информации о начальных процессах физико-химических изменений свойств барьеров под действием разряда возможно при условии, когда сам барьер будет выступать в роли регистрирующей среды. В силу быстротечности газоразрядных процессов (-10-10 s) и их реализации в электрических полях напряженностью от ~10 V/m и выше к таким средам предъявляется ряд требований: 1) обязательная необратимость физико-химических изменений в регистрирующей среде за время одиночного акта газоразрядного процесса, обеспечивающих их последующее усиление и фиксацию; 2) обязательное физико-химическое изменение в регистрирующей среде от каждой составляющей одиночного акта газоразрядного процесса (электрополевой, электромагнитной и пр.); 3) возможность непосредственного размещения средства регистрации в электрическом поле большой напряженности; 4) наличие выраженных диэлектрических и/или полупроводниковых свойств, обеспечиваю-
щих достаточную электрическую прочность регистрирующей среде за время газоразрядного процесса.
Практика показала, что в настоящее время перечисленным требованиям полностью удовлетворяют фотослои из микрокристаллов (МК) AgHal, нанесенные на диэлектрическую подложку, тогда как фотоэлектронные и цифровые средства уступают таким материалам по п. 2 и 3. Кроме того, за более 170-летнюю историю галогенсеребряной фотографии всесторонне исследованные свойства кристаллов AgHal и фоточувствительных слоев на их основе делают эти материалы модельными системами для выяснения механизмов действия на полупроводники и конденсированные среды такого специфического фактора воздействия, как БГР. Несмотря на техническую и технологическую простоту способа регистрации газоразрядных процессов с помощью AgHal-фотоматериалов, использование последних до сих пор не имеет научных основ, как и расшифровка зафиксированной на них информации, что в первую очередь связано с отсутствием знаний о физических процессах и их механизмах, протекающих в фотоэмульсионных МК AgHal под действием БГР, в том числе на начальной стадии.
Цель работы заключается в проведении комплексных исследований физических процессов взаимодействия БГР с AgHal-фотоматериалами, установлении их основных закономерностей на начальной стадии и разработке соответствующей феноменологической физико-математической модели этих процессов, а также в привлечении полученных результатов для неразрушающей газоразрядной диагностики изделий из различных материалов.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
-
исследовать физические закономерности импульсного пробоя воздуха атмосферного давления в разрядном промежутке микронной толщины как в однородном, так и неоднородном электрическом поле с AgHal-фотоматериалом на одном и обоих электродах; при данных условиях возбуждения БГР определить его временные, экспозиционные и спектрально-оптические характеристики излучения в ближнем ультрафиолетовом (УФ) и видимом диапазонах электромагнитного спектра, а также спектра акустических колебаний (АК); с учетом химического состава основных компонентов воздушной атмосферы (азота и кислорода) и полученных экспериментальных данных по физике импульсного БГР провести количественную оценку величин числа УФ фотонов, а также скоростей их генерации одиночной электронной лавиной за время ее прохождения газоразрядного промежутка при разнополярных импульсах напряжения;
-
с использованием проявляющих растворов разнокомпонентного химического состава определить ответную реакцию различных AgHal-фотоматериалов (как стандартных, так и специально изготовленных) на минимальное газоразрядное воздействие и по величинам интегральных оптических плотностей газоразрядных изображений (ГРИ) при определенных значениях газоразрядной экспозиции (ГРЭ) оценить их газоразрядную чувствительность (ГРЧ), сопоставив ее со светочувствительностью (СЧС) этих материалов.
-
исследовать влияние импульсного электрического поля микросекундной длительности и напряженностью в AgHal-фотослое до ~10 V/m на газоразрядно-фотографический процесс, выявив возможность формирования серебряных (Ag)
центров скрытого изображения (ЦСИ) и проявляемого в МК AgHal на электро-полевой стадии, т.е. до ионизации воздуха; опираясь на известные из химии магнитные и спиновые эффекты, с помощью магнитополевой обработки AgHal-фотоматериалов выявить в их МК «электрически неактивные» дефекты структуры, вовлекаемые в газоразрядно-фотографический процесс; установить влияние преобразованных импульсным магнитным полем (ИМП) Ag центров СЧС и вуали на формирование ГРИ; исследовать совместное действие одиночного ИМП и вспышки света с излучением в ближнем УФ диапазоне, включая действие различных сенсибилизаторов из ионов лантаноидов с различным магнитным моментом;
4) путем топографического разделения скрытого ГРИ (СГРИ) на глубинную и
поверхностную составляющие, влиянием на него блокираторов ионной прово
димости МК AgHal, а также на специально синтезированных AgHal-фотослоях с
различной эффективностью глубинных и поверхностных электронных ловушек
(центров чувствительности) исследовать при разнополярных импульсах высоко
го напряжения характер формирования изображений БГР, в том числе при усло
вии автоэмиссионных процессов с поверхности AgHal-фотослоя;
5) экспериментально смоделировать условия действия БГР на AgHal-
фотоматериалы путем их экспонирования парными световыми импульсами из
лучения ближнего УФ диапазона, синхронизированных с одиночным импульсом
электрического поля, создаваемого высоковольтным напряжением, как видео-,
так и радиоформы; при данных условиях исследовать возможность реализации
эффекта Ротштейна с вариацией полярности импульса, напряженности поля в
фотослое и периода следования световых вспышек за время действия электропо-
левого импульса;
-
на основе литературных данных и полученных экспериментальных результатов по выявленным закономерностям процессов взаимодействия импульсного БГР с AgHal-фотоматериалами разработать их феноменологическую физико-математическую модель; с ее помощью провести численный расчет увеличения ГРИ за время действия одиночного электрополевого импульса микросекундной длительности и фотоэлектронных процессов в разноразмерных МК AgHal как нано-, так и микрометрового масштабов; в последнем случае при различной освещенности МК оценить кинетику изменения концентраций ионов серебра, их вакансий, фотоэлектронов и фотодырок в импульсном и переменном импульсном электрическом поле;
-
используя экспериментальные результаты по взаимодействию импульсного БГР с AgHal-фотоматериалами и физико-математического моделирования протекающих при этом процессов, исследовать возможность их практического применения в различных научно-технических областях: технике высоких напряжений (ТВН) и физике БГР на предмет выявления газоразрядных процессов, одновременно протекающих в каждом из слоев многослойной высоковольтной изоляции, а также для документальной фиксации внутренней структуры электронных лавин и стримеров разряда; физике ионных полупроводников на полимерной основе, для визуализации их структуры при переходе из диэлектрического в полупроводниковое состояние; неразрушающем контроле мостовых металлоконструкций для выявления различного рода дефектов, скрытых под слоями ла-
кокрасочных покрытий; технико-криминалистической экспертизе различных документов на бумажных носителях на предмет их подлинности. Научная новизна данной работы заключается в следующем.
-
Разработана феноменологическая физико-математическая модель начальных процессов взаимодействия лавинного БГР с фотоэмульсионными МК AgHal нано- и микрометрового масштаба величинами 3-10 и 10 т. Из модели следует, что на электрополевой стадии под действием одиночного импульса микросекундной длительности (7-10 и 1,3 10 s) происходит только смещение ионов Ag и их вакансий в разные стороны кристалла. Причем наиболее эффективно этот процесс протекает для Ag , обладающих большей подвижностью по сравнению с их вакансиями. Освещение МК AgHal, в частности от БГР, кардинально меняет ситуацию с участием всех электрически заряженных частиц, так как приводит к рекомбинации возникающих электронно-дырочных пар с ионами Ag и их вакансиями. Показано, что кинетика протекания этого процесса за время действия электрополевого импульса видеоформы определяется характером его нарастания и спада (длительностями переднего и заднего фронтов импульса), размерами кристалла, напряженностью поля в нем и освещенностью, а в случае действия радиоимпульса переменного электрического поля - еще частотой его изменения, интенсифицируя электронно-ионную и вакансионно-дырочную рекомбинацию и указывая на реализацию эффекта Ротштейна.
-
Установлено, что импульсное электрическое поле напряженностью в AgHal-фотослое ~10 V/m и суммарной длительностью импульсов до 1,3-10 s не образует в фотоэмульсионных МК проявляемых центров электрополевого изображения (ЭПИ). Однако даже одиночный электропо левой импульс длительностью 7-10 s оказывает существенное влияние на газоразрядно-фотографический процесс, выражающееся в увеличении интегральной оптической плотности ГРИ. При этом выявлено отсутствие каких-либо изображений в случае автоэмиссионных процессов с поверхности AgHal-фотоматериалов, покрывающих электроды газоразрядной системы конденсатора.
-
Химическим способом разделения ГРИ на глубинную и поверхностную составляющие, а также блокировкой подвижности поверхностных ионов Ag в МК AgHal различных размеров и характером их сенсибилизации доказано, что при импульсах отрицательной полярности изображения БГР преимущественно формируются на поверхности МК AgHal, на этот процесс оказывает существенное влияние их поверхностная сенсибилизация, а также любые другие факторы, воздействующие на поверхность МК AgHal. При импульсах положительной полярности на формирование ГРИ кроме поверхностной сенсибилизации МК влияет еще и глубинная, поскольку в этом случае Ag центры изображений БГР создаются как на поверхности, так и в глубине фотоэмульсионных МК AgHal.
-
На разнотипных AgHal-фотоматериалах в импульсном и переменном импульсном электрическом поле доказана реализация эффекта Ротштейна при дву-химпульсном световом воздействии. Выявлены отличительные черты этого эффекта от его реализации при одноимпульсном световом и электрополевом воздействии на AgHal-фотоматериалы. Экспериментально определена зависимость эффекта Ротштейна от напряженности поля в МК AgHal и полярности создаю-
щего его напряжения, моментов возникновения (синхронизации) световых вспышек за время изменения электрополевого импульса, а также периода их следования, что согласуется с физико-математической моделью. Для переменного электрического поля частотами 1 kHz, 10 kHz и 77 kHz установлено, что с увеличением частоты, начиная с ее величины ~10 kHz, поле способно влиять не только на центры СЧС в МК AgHal, но и на центры вуали, что соответствует условию отсутствия компенсации внешнего поля в кристаллике внутренним.
-
Установлено, что в фотоэмульсионных МК AgHal существуют латентные «электрически неактивные» дефекты их структуры, участвующие в газоразряд-но-фотографическом процессе и способные к выявлению при магнитополевом воздействии. Это воздействие проявляется в преобразовании Ag центров СЧС предварительно обработанных ИМП AgHal-фотоматериалов и затем экспонированных БГР. Показано, что предварительная обработка свежеизготовленного фотоматериала серией из 250 ИМП напряженностью 0,42 Т и длительностью 0,12 s приводит к уменьшению интегральной оптической плотности ГРИ, а для «состарившейся» в течение восьми лет - к ее небольшому увеличению по сравнению с контрольным вариантом (без обработки ИМП).
-
При газоразрядной визуализации структуры полимерных полупроводников с ионной проводимостью - полимерных ионообменных мембран (ИОМ), находящихся в набухшем состоянии, у них впервые обнаружена низкоинтенсивная электролюминесценция (ЭЛ), вносящая вклад в яркость свечения БГР и непосредственно выявленная прямым фотографическим и фотоэлектронным методами. Установлена неоднородность структуры ЭЛ у ИОМ и показана зависимость ее яркостных и временных характеристик от концентрации и природы ионов, омывающих мембраны электролитов, амплитуды и длительности приложенного напряжения.
-
Продемонстрирована возможность визуализации на AgHal-фотоматериалах внутренней структуры электронных лавин и стримеров БГР, а также на примере металлических элементов мостовых конструкций - неразрушающая диагностика скрытых под лакокрасочными покрытиями (толщиной до 3,5-10 т) дефектов -трещин, раковин и химической коррозии. Показаны преимущества AgHal-фотографирования по сравнению с ГРИ, получаемыми с помощью электролюминофоров через разрядно-оптические устройства. Проведена теоретическая оценка возможности использования БГР для диагностики различных документов на бумажных носителях при их технико-криминалистической экспертизе, получившая экспериментальное подтверждение на примере подлинных и поддельных денежных купюр различного достоинства, а также рукописных текстов с разновременно сделанными записями одними и теми же чернилами, что документально зафиксировано на AgHal-фотоматериалах при газоразрядном фотографировании (ГРФ) документов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Феноменологическая физико-математическая модель начальных процессов взаимодействия лавинного БГР с фотоэмульсионными МК AgHal нано- и микрометрового масштаба величинами 3 10 ' и 10 т, и следующие из нее утверждения, что на электрополевой стадии под действием одиночного импульса микросекундной длительности (7-10 и 1,3 10 s) происходит только смещение
ионов Ag и их вакансий в разные стороны кристалла с наибольшей эффективностью протекания этого процесса для ионов Ag как обладающих большей подвижностью по сравнению с их вакансиями. При освещении МК AgHal, в частности от БГР, в кристаллах происходят кардинальные изменения с участием всех электрически заряженных частиц, приводящих к электронно-ионной и ваканси-онно-дырочной рекомбинациям. Доказательство того, что кинетика протекания этих процессов за время действия электрополевого импульса видеоформы определяется характером его нарастания и спада (длительностями переднего и заднего фронтов импульса, величинами 2,5-10 и 4,5-10 s соответственно), размерами кристалла, напряженностью поля в нем и освещенностью, а в случае действия импульса переменного электрического поля - еще частотой его изменения, интенсифицируя электронно-ионную и вакансионно-дырочную рекомбинацию и указывая на реализацию эффекта Ротштейна.
-
Отсутствие образования в фотоэмульсионных МК AgHal проявляемых центров ЭПИ под действием только импульсного электрического поля напряженно-стью в AgHal-фотослое ~10 V/m и суммарной длительностью импульсов до 1,3 10 s. Доказательство того, что даже одиночный электрополевой импульс длительностью 7-10 s оказывает существенное влияние на газоразрядно-фотографический процесс, выражающееся в изменении исходной (не подвергавшейся электрополевому воздействию AgHal-фотоматериала) интегральной оптической плотности ГРИ. Причем для переменного электрического ПОЛЯ, начиная с его частоты ~10 kHz, при двухимпульсном световом воздействии на AgHal-фотоматериал это влияние способно распространяться не только на центры СЧС в МК AgHal, но и на центры вуали, что соответствует условию отсутствия компенсации внешнего поля в кристаллике внутренним.
-
Утверждение, что при импульсах отрицательной полярности (указанных характеристик) изображения БГР преимущественно формируются на поверхности МК AgHal и на этот процесс оказывает существенное влияние их поверхностная химическая сенсибилизация, а также любые другие факторы, воздействующие на поверхность МК AgHal (например, блокираторы ионной проводимости). При импульсах положительной полярности на формирование ГРИ кроме поверхностной сенсибилизации МК влияет еще и глубинная, поскольку в этом случае Ag центры изображений БГР создаются как на поверхности, так и в глубине фотоэмульсионных МК AgHal.
-
Доказательство реализации эффекта Ротштейна при взаимодействии БГР с разнотипными AgHal-фотоматериалами в импульсном и переменном импульсном электрическом поле (указанных характеристик) и утверждение того, что в данных условиях этот эффект может реализовываться как при одно-, так и многократном световом экспонировании, синхронно с действием одиночного элек-трополевого импульса, а также зависимости эффекта Ротштейна от напряженности поля в фотоэмульсионных МК AgHal, направления его силовых линий (полярности создающего поле напряжения), периода следования световых вспышек, соответствующих моментам их возникновения (синхронизации) за время изменения электрополевого импульса.
-
Существование в фотоэмульсионных МК AgHal латентных «электрически неактивных» дефектов их структуры (различных видов дефектов кристаллической решетки МК с компенсированным электрическим зарядом), участвующих в газоразрядно-фотографическом процессе и способных к выявлению при магни-тополевом воздействии, которое проявляется в преобразовании Ag центров СЧС, предварительно обработанных 250 ИМП напряженностью 0,42 Т и длительностью 0,12 s AgHal-фотоматериалов и затем экспонированных БГР, и обнаруживаемых по существенному различию интегральной оптической плотности ГРИ между свежеизготовленными и «состарившимися» в течение восьми лет фотоматериалами по сравнению с их контрольным вариантом (без обработки ИМП).
-
Открытие низкоинтенсивной ЭЛ (~10 -10 cd/m ) у полимерных полупроводников с ионной проводимостью - полимерных ИОМ, находящихся в набухшем состоянии, при газоразрядной визуализации их структуры, а также демонстрация зависимости яркостных и временных параметров обнаруженного явления от концентрации и природы ионов, омывающих мембраны электролитов, амплитуды и длительности приложенного напряжения с помощью прямых фотографических и фотоэлектронных средств регистрации.
-
Возможность визуализации на AgHal-фотоматериалах внутренней структуры электронных лавин и стримеров БГР и неразрушающей газоразрядной диагностики скрытых под лакокрасочными покрытиями (толщиной до 3,5-10 т) дефектов - трещин, раковин и химической коррозии на примере металлических элементов мостовых конструкций, демонстрация преимуществ AgHal-фотографирования этих дефектов по сравнению с разрядно-оптическими изображениями, получаемыми с помощью электролюминофоров, а также возможности использования БГР для диагностики различных документов на бумажных носителях при их технико-криминалистической экспертизе, включая рукописные тексты с разновременно сделанными записями одними и теми же чернилами.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов в физике низкотемпературной плазмы, взаимодействующей с конденсированными средами различного типа проводимости при их травлении или создании разнородных структур в них нанометрового масштаба (нанотехно-логии), и ТВН при оценке срока службы высоковольтной изоляции, а также при физико-математическом описании любого газоразрядно-фотографического процесса, протекающего как в AgHal-фотоматериалах, так и несеребряных; в научной и прикладной фотографии, в частности, в фотохимической промышленности при создании специальных фотографических материалов для одновременной и непосредственной регистрации нескольких видов полей и/или излучений; в физике полупроводниковых и диэлектрических материалов для одновременного возбуждения в них различных видов люминесценции с помощью БГР как многофакторно-воздействующей системы; в неразрушающем контроле полимерных и композиционных материалов, а также различных документов на бумажных носителях при их технико-криминалистической экспертизе.
Достоверность полученных в диссертации результатов достигнута путем использования известных и широко используемых в научной фотографии, физике БГР, твердых полупроводниковых и диэлектрических материалов методов и
средств их изучения, а также приемов физико-математического описания. Результаты разработанной физико-математической модели начальных процессов взаимодействия БГР с AgHal-фотоматериалами полностью согласуются с экспериментальными и литературными данными по изучению эффекта Ротштейна на названных материалах.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, постановке цели и задач, их теоретическом и экспериментальном решении, а также в разработке феноменологической физико-математической модели процессов взаимодействия БГР с фотоэмульсионными МК AgHal. Научному консультанту принадлежат обсуждение полученных в работе результатов и консультации по композиции диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Кирлиановских чтениях «Кирлиан-2000» (г. Краснодар, 1998 г.), VT Международной конференции «Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Математические модели и информационные технологии» (г. Краснодар, 2001 г.), IX Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (г. Дубна, 2002 г.), I Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика газоразрядной фотографии» (г. Краснодар, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Процессы и явления в конденсированных средах» (г. Краснодар, 2005 г.), XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Новосибирск, 2006 г.), VIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2006 г.), IX Международной научной конференции «Пространство, время, тяготение» (Санкт-Петербург, 2006 г.), Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (г. Новосибирск, 2006 г.), XIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Ростов-на-Дону-Таганрог, 2007 г.), XIV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Уфа, 2008 г.), Всероссийской дистанционной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной физики» (г. Краснодар, 2008 г.), XI Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2009 г.), XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Волгоград, 2010 г.), XII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2010 г.), Научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике НИЯУ МИФИ-2011 (г. Москва, 2011 г.), XVII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2011 г.), Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2011 г.), XIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2011 г.), VII Международной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (г. Новосибирск, 2011 г.), VIII Международной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (г. Новосибирск, 2011 г.), XIV Международной научно-практической конференции «Наука и современность-2011» (г. Новосибирск,
2011 г.), I Международной научно-практической конференции «Научные итоги 2011 года: достижения, проекты, гипотезы» (г. Новосибирск, 2011 г.), Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике (г. Москва, 2012 г.), XVI Международной научно-практической конференции «Наука и современ-ность-2012» (г. Новосибирск, 2012 г.), X Молодежной Международной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (г. Новосибирск, 2012 г.), Всероссийской заочной научно-практической конференции «Современные проблемы физики, биофизики и информационных технологий» (г. Краснодар, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации издано шестьдесят три работы, из них одна монография и восемнадцать статей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации для опубликования результатов диссертационных исследований.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка цитированной литературы, содержащей 314 наименований. Работа содержит 321 страницу основного текста, включающего 34 таблицы и 80 рисунков, и приложения - дополнительно на 8 страницах.
