Введение к работе
В диссертации теоретически и экспериментально исследуются поведение пленочных МДМ - структур в условиях воздействия высокоскоростных пылевых частиц.
Актуальность проблемы
В твердых телах под высоким давлением, создаваемым высокоскоростным ударом, наблюдаются самые разнообразные явления: вспышка, ионизации, химические превращения в твердых телах, изменение проводимости и запрещенной зоны ударносжатых полупроводников и диэлектриков. Создание физико - математических моделей, описывающие такие эффекты представляет собой достаточно трудоемкую задачу, требующую проведения дорогостоящих экспериментов.
В работе рассмотрены физические эффекты в ударносжатых пленочных структурах "металл - диэлектрик - металл" (МДМ). По изменению проводимости ударносжатых МДМ - структур можно в частности судить о протекающих в них физико-химических процессах. Знание зависимости изменения проводимости от давления для различных материалов позволяет создавать датчики давления, контролировать процесс обработки материалов в экстремальных условиях.
Исследование в области физики высокого давления началось с начала 18 века с работ Дж. Кантона по исследованию сжимаемости воды. В настоящее время работы ведутся в академических и промышленных лабораториях всего мира, причем уровень давлений возрастает, и достигаются все более важные результаты. Важный вклад в этой области внесли П.В.Бриджмен, Л.В.Альтшулер, Я.Б.Зельдович, Р.Ф.Трунин, Г.И.Канель, В.Е.Фортов, Ф.А.Баум, Л.П.Орленко, К.П.Станюкович, Л.С.Новиков, С.Д.Гилев и др.
Работа выполнена в рамках АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы".
Целью диссертационной работы является исследование ударносжатых и пробиваемых пленочных МДМ-структур на основе полиметилметакрилата в условиях воздействия высокоскоростных пылевых частиц и разработки рекомендаций к проектированию датчиковой аппаратуры.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
1) На основе использования теория ударных волн получить зависимости
электропроводности ударносжатых и пробиваемых МДМ - структур из
полиметилметакрилата от параметров высокоскоростных микрочастиц;
2) Получить зависимости, учитывающие влияние параметров
высокоскоростной микрочастицы на процессы образования вторичных заряженных
частиц;
Провести экспериментальное исследование процессов взаимодействия высокоскоростных пылевых частиц с пленочной МДМ - структурой;
Разработать рекомендации к проектированию датчиков для определения параметров микрометеороидов (масса частиц 10~15-ПО-11 г, скорость частиц 1-^30 км/с) на основе пленочных МДМ - структур.
Методы исследования базируются на использовании теории ударных волн, электродинамики, термодинамики, применении теории вероятности и аппарата дифференциального и интегрального исчисления. Математическое моделирование выполнено с использованием машинных методов вычисления.
Достоверность полученных результатов подтверждается базированием теоретических расчетов на теории ударных волн, а также соответствие этих расчетов экспериментальным данным.
Научная новизна
1) На основе использования теории ударных волн разработан метод
регистрации параметров (массы, скорости или энергии) высокоскоростных
пылевых микронных и субмикронных частиц в диапазоне энергий 10 п -НО~4Дж
путем оценки сопротивления ударносжатых и пробиваемых пленочных МДМ -
структур;
2) Получено на основе решения уравнения кинетики разлета ударной плазмы
в пленочной МДМ-структуре приближенное аналитическое выражение,
учитывающее влияние параметров высокоскоростных микрочастиц на изменение
степени ионизации компонент плазмы;
3) С помощью электростатического ускорителя проведено
экспериментальное исследование зависимостей сопротивления пленочной МДМ -
структуры от параметров ударника (в диапазоне масс (1 -1,5) 10 14 г и (2,5 - 5) 10 14 г
и скоростей 1 - 10 км/с), которые качественно совпадают с расчетными
зависимостями. Эксперименты подтвердили, что количество образовавшихся
ионов при высокоскоростном взаимодействии возрастает примерно в 10 раз при
увеличении напряжения на МДМ -структуре от 0 В до 50 В, а интенсивность
светового потока линейно связана с напряжением на обкладках МДМ -структуры в
диапазоне скоростей 1-5 км/с. В режиме стационарного свечения ударносжатого
канала МДМ -структуры сквозной ток через пленку из полметилметакрилата
толщиной 1 мкм при изменении напряжения от 100 В до 350 В менялся от 0,1 мА
до 2,5 мА;
4) На основе проведенных исследований МДМ - структуры разработан
датчик для определения параметров микрометеороидов (масса частиц 10 15 -ПО"11 г,
скорость частиц 1^-30 км/с), в качестве диэлектрика использовался
полиметилметакрилат, площадь чувствительной поверхности датчика
290 ^300 см2.
Практическая значимость работы
Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при исследовании характеристик материалов в условиях высоких ударных давлений и в задачах разработки пленочных датчиков микрометеороидов и космического мусора. Получен акт внедрения результатов диссертационной работы, которые были использованы при разработке конструкторской документации на датчики «Метеор», установленные на малом космическом аппарате «АИСТ» (совместная разработка СГАУ и ЦСКБ - Прогресс).
Выносятся на защиту
Метод расчета сопротивления ударносжатой и пробиваемой МДМ -структуры в зависимости от параметров высокоскоростных микрочастиц;
Аналитическое выражение, связывающее изменение степени ионизации компонент плазмы от времени при различных параметрах ударяющей высокоскоростной микрочастицы;
Результаты ударных экспериментов с МДМ - структурой на основе использования электростатического ускорителя;
4) Примеры практического использования МДМ-структур в качестве
датчиков микрометеороидов.
Апробация научных результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
следующих конференциях: Международные конференции "Научные и
технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и
малых спутниках" (2008, 2011), Международные научно-технические
конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (2008,
2009,2010,2011),Международная научно-техническая конференция
«Металлофизика,механика материалов наноструктур и процессов деформирования. Металлодеформ-2009» (2009), Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества"(2009), VIII Всероссийской научно-практической конференция с международным участием "Молодежь и современные информационные технологии" (2010), 1-й Всероссийская школа-семинар по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети "Функциональные наноматериалы для космической техники" (2010), Региональная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос (2011), II Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" (2011), Всероссийская научно - техническая конференция Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций(2011), 10і International Space Conference on "Protection of Materials and Structures from the Space Environment" (2011).
Личный вклад автора.
Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, из них 16 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 3 патента РФ и 18 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации
