2C0VX5MU5 XX vaküUmist ČASOPIS ZA VAKUUMSKO ZNANOST, TEHNIKO > IN TEHNOLOGIJE, VAKUUMSKO METALURGIJO, TANKE PLASTI, V. POVRŠINE IN FIZIKO PLAZME Ту.п. Model JSPM-5200 VSEBINA ČLANKI_ * Trideset let spektroskopije Augerjevih elektronov v Sloveniji (Anton Zalar)........................................................4 * Na~rtovanje in izdelava ultravisokovakuumskega kriostata s helijevo kopeljo za vrsti~no tunelsko mikroskopijo (Erik Zupani~, Rok @itko, Albert Prodan, Igor Mu{evi~)................................................................14 * Uporaba dentalnih zlitin za proteti~ne nadomestke in implantate (Edita Blaževi~, Ingrid Milo{ev)........................20 * Osnove fizike kisikove plazme (Uro{ Cvelbar, Miran Mozeti~) ..........................................................................24 * Uporaba piezoelektri~ne kremenove mikrotehtnice (Matjaž Fin{gar, Ingrid Milo{ev)............................................34 * Pospe{evalniki in tanke plasti v senci (jugo)slovenske A-bombe (ob 55-letnici poimenovanja Instituta "Jožef Stefan" dne 24. 5. 1952) (Stanislav Južni~)..........................................................................................................43 DRUŠTVENE NOVICE * Poro~ilo o pomembnej{ih aktivnostih DVTS v obdobju od 2003 do 2007 (Janez Setina)................... 53 SPONZORJI VAKUUMISTA: - Ministrstvo za visoko šolstvo, znanost in tehnologijo - PFEIFFER Vacuum Austria GmbH Obvestilo Naročnike Vakuumista prosimo, da čim prej poravnate naročnino za leto 2007. Cena {tevilk, kolikor jih bo iz{lo v letu, je 20,00 EUR (4792,80 SIT). VAKUUMIST Izdaja Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije Glavni in odgovorni urednik: dr. Peter Panjan Uredniški odbor: dr. Miha Čekada, mag. Andrej Demšar, dr. Jože Gasperič (urednik za področje vakuumske tehnike in sistemov), dr. Bojan Jenko, dr. Monika Jenko (urednica za področje vakuumske metalurgije), dr. Stanislav Južnič, dr. Janez Kovač, dr. Ingrid Milošev, dr. Miran Mozetič, dr. Vinko Nemanič, dr. Boris Orel, mag. Andrej Pregelj, dr. Janez Setina, dr. Alenka Vesel in dr. Anton Zalar Tehnični urednik: Miro Pečar Lektor: dr. Jože Gasperič Korektor: dr. Miha Čekada Naslov: Uredništvo Vakuumista, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Teslova 30, 1000 Ljubljana, tel. (01) 477 66 00 Elektronska pošta: DVTS.group@guest.arnes.si Domača stran DVTS: http://www2.arnes.si/~ljdvts/ Vakuumist on-line: http://www2.arnes.si/~ljdvts/slo/arhiv.htm Številka transakcijskega računa pri NLB: 02083-0014712647 Oblikovanje naslovne strani: Ignac Kofol Tisk: Littera picta, d. o. o., Rožna dolina, c. IV/32-36, 1000 Ljubljana Naklada: 400 izvodov Menjalni tečaj: 1 EUR = 239,64 SIT TRIDESET LET SPEKTROSKOPIJE AUGERJEVIH ELEKTRONOV V SLOVENIJI Anton Zalar Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana POVZETEK Prvi spektrometer Augerjevih elektronov v Sloveniji je bil postavljen aprila leta 1977 v Oddelku za tehnologijo vakuumskih materialov in tankih plasti, ki ga je vodil prof. dr. Evgen Kansky na Inštitutu za elektroniko in vakuumsko tehniko v Ljubljani. Navedeni so osnovni podatki o spektrometru podjetja Physical Electronics Ind. z oznako SAM, PHI Model 545A, in dograditve, ki so bile potrebne za preiskavo vzorcev s področja optoelek-tronike, elektronike, metalurgije in tankih plasti. Z leti se je raziskovalna skupina specializirala za profilno analizo AES tankih plasti in večplastnih struktur, zato je optimizacija te preiskovalne metode podrobneje razložena. Opisan je razvoj profilne analize med vrtenjem vzorca, ki jo je skupina razvila in patentirala. Tehnika, razvita v začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja, omogoča znatno izboljšavo globinske ločljivosti, zato se danes uporablja za profilno analizo v kombinaciji z ionskim jedkanjem in metodami AES, XPS, in SIMS. Omenjene so moderne smeri razvoja profilne analize, ki obsegajo instrumentalne izboljšave in teoretičen izračun koncentracijskih profilov z modeli TRIM in MRI. Navedene so vse raziskovalne skupine in njihovi spektrometri Augerjevih elektronov, ki so v uporabi v Sloveniji. Thirty years of Auger electron spectroscopy in Slovenia ABSTRACT The very first Auger electron spectrometer in Slovenia was installed 30 years ago, in april 1977, in the Department for vacuum materials and thin-film technologies, headed by Prof. Dr. Evgen Kansky at the Institute for electronics and vacuum technique (IEVT) in Ljubljana. The specifications and some improvements of the scanning Auger microprobe PHI Model 545A, installed in the Laboratory of surface and thin film analysis are described. The most important achievements of the research group which performed Auger electron spectroscopy (AES) for surface and thin film analysis of materials used for optoelectronics, electronics, metalurgy and thin-film technologies are given. Through the years the research group specialised in AES depth profiling of thin films and multilayer structures. The optimisation of sputtering parameters for optimal depth resolution of depth profiles is discussed. The development of rotation mechanisms used for depth profiling during sample rotation is described. The new technique patented by the group in 1985 reduces sputtering-induced roughness and ion beam angle-dependent effects which contributes to a more real and accurate depth profiling. An outlook on future trends includes instrumental developments and theoretical profile simulations methods, like TRIM and MRI. The activities of other laboratories in Slovenia which are equipped with Auger electron spectrometers are indicated too. 1 UVOD Letos, aprila 2007, je minilo trideset let, odkar smo na takratnem Inštitutu za elektroniko in vakuumsko tehniko (IEVT) v Ljubljani postavili spektrometer Augerjevih elektronov in naredili prve preiskave površin trdnih snovi. Pobudnik in organizator za nakup instrumenta ameriškega podjetja Physical Electronics Ind. vrste SAM, PHI Model 545A, (slika 1) je bil prof. dr. Evgen Kansky, univ. dipl. inž. kem., ki je bil na IEVT vodja Oddelka za tehnologijo vakuumskih materialov in tankih plasti. Prof. Kansky je z največjo raziskovalno skupino na IEVT delal na področjih optoelektronike, površin trdnih snovi in tankih plasti. Raziskave so bile namenjene podpori novim tehnologijam in razvoju nekaterih izdelkov, kot so fotokatode, spoji steklo-kovina in keramika-kovina, različni uporovni elementi, ki so temeljili na tanko-plastnih tehnologijah, in drugi sestavni deli za elektroniko in optoelektroniko. Kot razgledan in dobro informiran znanstvenik je prof. Kansky ugotovil, daje za razvoj novih tehnologij nujno potrebno poznati sestavo in strukturo površin materialov, iz katerih so bili narejeni novi izdelki.(1) V začetku sedemdesetih let prejšnjega stoletja so prišli na trg prvi komercialni spektrometri za preiskavo površin materialov s spektroskopijo Augerjevih elektronov (AES), spektroskopijo fotoelektronov, vzbujenih z rentgenskimi žarki (XPS = ESCA), in z masno spektroskopijo sekundarnih ionov (SIMS). Po več poskusih zbiranja finančnih sredstev je prof. Kanskemu v sodelovanju z Vojnotehničnim inštitutom v Beogradu uspelo zbrati dovolj sredstev za nakup spektrometra Augerjevih elektronov, ki je bil prvi v takratni Jugoslaviji, šele nekaj let kasneje pa so tovrstne naprave kupili in postavili tudi v Beogradu (1982) in Zagrebu (1984). Dokler je bila raziskovalna oprema za analizo površin na začetni razvojni stopnji in razmeroma draga, smo na IEVT razvoj na tem področju spremljali Slika 1: Vrstični analizator Augerjevih elektronov ameriškga podjetja Physical Electronics Ind., SAM, PHI Model 545A, instaliran na IEVT aprila 1977: vakuumska posoda s spektrometrom (levo) in elektronika s prebiranjem člankov v tujih revijah. Že od leta 1973 dalje pa smo bili zaradi zahtev raziskovalnega dela in razvoja tehnoloških procesov prisiljeni svoje vzorce preiskovati v tujih laboratorijih. Sodelavka Melita Murko-Jezovšek, univ. dipl. inž. kem., je v okviru svojega magistrskega dela jezičke hermetičnih kontaktnikov z metodo AES preiskovala pri prof. F. Viehböcku na Tehniški visoki šoli na Dunaju, avtor tega članka (A. Z.) pa sem od leta 1973 redni gost v Laboratoriju za analizo površin, ki ga je takrat vodil prof. S. Hofmann na inštitutu Max-Planck-Institut für Metallforschung (MPI) v Stuttgartu. Iz tega obdobja so tudi naše prve objave.(1-5) V tujini pridobljeno znanje nam je omogočilo, da smo bili na IEVT usposobljeni analizirati površine trdnih snovi z metodo AES že spomladi leta 1977, takoj po nakupu in postavitvi vrstičnega (rastrskega) mikroanalizatorja na Augerjeve elektrone v Laboratoriju za analizo površin in tankih plasti. V njem je bil v istem obdobju postavljen še vrstični elektronski mikroskop JEOL JSM 35 z dodatki za elektronsko mikroanalizo (EDXS in WDXS). 2 OSNOVNI PODATKI O SPEKTROMETRU IN DOGRADITVE NAPRAVE Fizikalno-kemijske osnove spektroskopije Auger-jevih elektronov so bile že večkrat navedene v tujih knjigah in domačih objavah.(6-9) Tukaj želim poudariti, da je bil nabavljeni spektrometer za takratne čase najmodernejši in je omogočal točkovno, linijsko in profilno analizo vzorcev ter slike sestave površin, izdelane z Augerjevimi elektroni. Energija primarnega elektronskega curka je bila nastavljiva od 1 keV do 10 keV, od nje pa je bila odvisna velikost analizirane površine, ki je bila določena s premerom elektronskega curka. Ta je bil približno 3 pm za elektrone z energijo 10 keV in okrog 40 pm pri delu s 3 keV, s čimer je bila omejena lateralna ločljivost slik, izdelanih s sekundarnimi ali Augerjevimi elektroni. Energijska ločljivost spektrometra je bila nastavljiva od 0,3 % do 1,2 %. Ionska puška je omogočala uporabo ionov Ar+ z energijo od 1 keV do 5 keV. V odvisnosti od vrstičenja (rastriranja) ionskega curka na površini od 10 mm x 10 mm do nekaj kvadratnih milimetrov smo dosegali hitrosti ionskega jedkanja od nekaj desetink nanometrov na minuto do 10 nm/min. Na nosilec vzorcev je bilo mogoče pritrditi do 12 vzorcev, za namestitev posameznega vzorca pred analizator s cilindričnim zrcalom pa je bil z mikro-metrskimi vijaki omogočen premik v treh smereh. Za zamenjavo vzorcev je bilo potrebno vsakokratno odpiranje vakuumskega sistema spektrometra in s tem izpostavitev notranjosti sten vakuumske posode okoliški atmosferi. Po zapiranju sistema smo za doseganje ultravisokega vakuuma potrebovali dva do tri dni. Več podrobnosti o spektrometru je mogoče dobiti v že navedenih objavah.(8,9) Po prvem letu obratovanja, ko je imel spektrometer še garancijo, so ga serviserji matičnega podjetja Phisical Electronics Ind., ki so prihajali iz evropske podružnice iz Münchna, popravljali samo še nekajkrat. Pri prvih servisih je bilo vedno prisotnih več sodelavcev IEVT na čelu z vodjem oddelka prof. Kanskim. Pri teh popravilih smo pridobili toliko znanja, da zadnjih 25 let z občasnimi telefonskimi nasveti serviserjev in ob pomoči domačih elek-tronikov popravila opravljamo sami. Pri prvih večjih popravilih, kot je npr. menjava katode elektronske puške, sta v prvih letih sodelovala Bogdan Podgornik in Rasto Zavašnik, univ. dipl. inž. fiz. Leta 1979 seje skupini v laboratoriju pridružil Borut Praček, univ. dipl. inž. met., ki je od mene postopoma prevzel operaterska dela na spektrometru. Skupina se je nato leta 1995 kadrovsko ojačala s prihodom mladega raziskovalca Janeza Kovača, univ. dipl. inž. fiz., ki je imel že bogato predznanje s področja analitike površin, saj je pred tem več let delal v Trstu, v Labo-ratorio Tecnologie Avanzate Superfici e Catalisi (TASC). Popravila na spektrometru, ki so zaradi njegove starosti razmeroma pogosta, v zadnjih letih opravljata dr. Janez Kovač in Borut Praček, pri mehanskih delih sodeluje še Janez Trtnik, občasno pa potrebujemo tudi pomoč elektronikov. Na spektrometru je bilo v tridesetih letih delovanja opravljenih več izboljšav in dograditev, zato ga lahko uporabljamo še danes. Za preiskave fotokatodnih plasti, ki jih je vodil prof. Kansky, smo morali preprečiti migracijo alkalij z analiznega mesta vzorca zaradi difuzije, povzročene z ogrevanjem s primarnim elektronskim curkom. Celico s formirano fotokatodno plastjo smo zataljeno v steklo vgradili na nosilec vzorca spektrometra. Tik pred analizo v ultravisokem vakuumu je bila odstranjena rahlo zažagana steklena inkapsulacija z žarečo volframovo zanko, nato pa je AES-analiza potekala med hlajenjem vzorca s tekočim dušikom pri temperaturi okrog 82 K. Žal teh preiskav nismo smeli objavljati, ker so bile napravljene v okviru projekta za posebnega naročnika, JLA. Drug tip preiskav, ki je potekal pri povišani temperaturi, pa je zahteval vgradnjo posebnih držal, na katerih so bili vzorci, ki smo jih ogrevali z električnim tokom skozi prevodnice na vakuumski posodi spektrometra. Tako smo med pregrevanjem na temperaturo okrog 600 °C preiskovali končno fazo čiščenja površine polprevodniškega monokristala p-GaAs/Zn.(10) Za spajanje optoelektronskih komponent se uporabljajo posebne spajke brez topila, katerih tekoča površina mora biti čista in čim manj oksidirana. Prof. Kansky je s svojo skupino konstruiral poseben, električno ogrevan nosilec vzorcev iz traku Mo, ki je omogočal preiskavo tekočih spajk na osnovi In in InSn.(11,12) Na tem zanimivem področju je delala Monika Jenko, univ. dipl. inž. met., ki je kasneje preiskovala tudi segregacijo na površini neorientirane elektro-pločevine.(13,14) Že kmalu po nakupu spektrometra smo ugotovili, da je njegova velika pomanjkljivost v tem, da ni bil povezan z računalnikom, ker takšne izvedbe leta 1977 še niso bile razvite in komercialno dosegljive. Posebej zamudno je bilo kvantitativno vrednotenje velikega števila analogno izrisanih spektrov, dobljenih med profilno analizo AES. Bojan Jenko, univ. dipl. inž. el., in Krste Jovanoski, univ. dipl. inž. rač., sta že v letih 1979/80 spektrometer Augerjevih elektronov direktno povezala z računalnikom PDP 11/34.(15,16) Povezala sta analogni izhod spektrometra z analognim vhodom računalnika, signal (spekter) pa sta nato z A/D-pret-vornikom pretvorila v digitalno obliko. Na posnetem spektru je bilo mogoče identificirati do deset elementov. Razvili smo tudi program za kvantitativno vrednotenje spektrov, dobljenih med profilno analizo vzorcev, vendar pa smo podatke morali še vedno vnašati s tipkovnico. Nadaljnjo izboljšavo na tem področju sta napravila dr. Janez Kovač in mag. Tomo Bogataj, ko sta leta 1996 z vmesnikom, razvitim na IEVT, med spektrometrom in že bolj zmogljivim računalnikom omogočila avtomatsko zajemanje velikega števila spektrov, dobljenih med profilno analizo, in njihovo hitro kvantitativno vrednotenje. Kontrolni sistem je bil kasneje še dograjen, za boljše prepoznavanje vrhov v spektrih Augerjevih elektronov pa je bil razvit program za faktorsko analizo in linearno razstavljanje spektrov.(17) V našem laboratoriju smo se z leti še posebej specializirali za profilno analizo tankih plasti in na tem področju v svetovnem merilu dosegli tudi največje uspehe, zato bom to preiskovalno tehniko in z njo povezane izboljšave podrobneje obravnaval v naslednjem poglavju. 3 PROFILNA ANALIZA Profilna analiza tankih plasti se izvaja v kombinaciji z eno od metod za analizo površin, kot je AES (lahko tudi XPS ali SIMS), in ionskim jedkanjem vzorca. Curek pozitivnih ionov žlahtnega plina (največkrat uporabljamo Ar, lahko pa tudi kak drug plin) pri trku ob vzorec odstranjuje plasti atomov na površini, ki jih istočasno analiziramo. Za natančno preiskavo sprememb koncentracije elementov neposredno pod prostimi površinami ali na notranjih faznih mejah je bolje uporabiti ionsko jedkanje s prekinitvami v kratkih časovnih presledkih, čemur sledi f I ч: vporcvna *___L_ . osnovna /.lasi KCr \ plast NI Cr (Sx) l,411I(( .............. Hi 11 a) % 0 ( 1 :: g JO _ IS 20 ?.S Čas ionskega jedkanja (min) 30 3S Slika 2: profilni AES-diagram uporovne plasti NiCr, napršene na stekleno podlago, prekrito s prevodno plastjo Ni. Profil je zrisan z večkanalnim pisalnikom; intenziteta profila Cr je zaradi boljše preglednosti ojačana (5 krat). analiza in zapis spektra Augerjevih elektronov. Naš spektrometer je bil opremljen z večkanalnim točkovnim pisalnikom, ki je omogočal, da smo med profilno analizo zapisovali višino Augerjevih vrhov šestih elementov. Tako smo dobili v analizirani plasti relativno porazdelitev elementov v odvisnosti od časa ionskega jedkanja oziroma od debeline analizirane plasti, če je bila ta poznana (slika 2). S profilno analizo tankih plasti dobimo podatke o višini Augerjevih vrhov posameznih elementov I v odvisnosti od časa ionskega jedkanja t, torej velja, da je I = f(t). Med profilno analizo lahko registriramo spektre Augerjevih elektronov v izbranem energijskem območju ali pa merimo samo višine Augerjevih vrhov elementov, ki sestavljajo analizirani vzorec. S profilno analizo pa želimo ugotoviti porazdelitev koncentracije elementov c v odvisnosti od globine (debeline) analizirane plasti z, zato je potrebna pretvorba izmerjenih podatkov, da dobimo odvisnost c = f(z).(18,19) Za ta preračun je treba poznati odvisnost globine ionskega jedkanja od časa ionskega jedkanja z = f(t) in lokalno koncentracijo elementa c = f(I), ki jo dobimo z enim od znanih postopkov za kvantitativni izračun sestave analiziranega vzorca.(20-22) V primeru, da bi ionsko jedkanje potekalo enakomerno po celi debelini preiskovane tanke plasti, bi bil eksperimentalno izmerjeni koncentracijski profil enak dejanskemu. Žal pa z ionskim jedkanjem ne odstranjujemo posameznih atomskih plasti zaporedno, zato je za ugotovitev dejanskega koncentracijskega profila treba upoštevati več fizikalnih vplivov, ki povzročijo popačenje izmerjenega koncentracijskega profila. Naj na tem mestu omenim samo nekaj najpomembnejših, kot so sprememba topografije in sestave analizirane površine, povzročena z ionskim jedkanjem, vpliv izstopne globine Augerjevih elektronov, povratno sipanje primarnih elektronov in drugi.(18,19) Navedeni vplivi povzročajo navidezno razširitev merjenega profila, ki jo lahko matematično opišemo s funkcijo globinske ločljivosti. Merilo za natančnost izmerjenega koncentracijskega profila je globinska ločljivost Az.<18,19) Najbolj splošna in največkrat uporabljena definicija pravi, daje globinska ločljivost Az = 2<7, kar ustreza razdalji v območju ionskega jedkanja, v katerem se na idealno ostri fazni meji dveh tankih plasti A/B koncentracija elementa A spremeni od 84 % na 16 %. Pri tem je o standardni odklon v približku Gaussove funkcije ločljivosti, ki jo dobimo z odvodom izmerjenega koncentracijskega profila dI r--1 # / r r 1. peroxidase-independent 2. pero*[({ase.dependent lysasorne Slika 7: Vnetni proces (6) (labialni lok, peresa, vijaki) in akrilatne plošče (slika 4). Princip delovanja aktivnih snemnih plošč je, da lahko zobe z njimi samo nagibamo. Pri materialu žičnega elementa je zelo pomembna prožnost materiala (peresnost) in zato se navadno uporablja zlitna na osnovi niklja. Podjezični lok se kupi pri proizvajalcu, ki ga zobozdravnik prilagodi obliki čeljusti. Poleg snemnih se uporabljajo tudi fiksni ortodontski aparati. Bistvo takega aparata je, da lahko premikamo zobe iz nepravilnega v pravilni položaj v vseh smereh; to je tudi njegova največja prednost. Glavni deli fiksnega aparata so nosilec ("bracket", zvezdica), lepilo, žični lok in vez. Nosilci so izdelani iz različnih materialov: kovinski iz jekla, brezbarvni iz keramike ali kompozitni. 4 RAZISKAVE Dentalne zlitine poskušamo raziskovati tako, da čim bolj posnemamo naravno obnašanje v njihovem fiziološkem okolju. Z elektrokemijskimi meritvami raziskujemo korozijsko odpornost različnih dentalnih zlitin. Zanimive so zlitine na osnovi niklja, ki se poleg CoCr-zlitin največkrat uporabljajo za izdelavo snem-nih, ortodontskih in fiksnih protez. Meritve izvajamo v umetni slini pri temperaturi 37 °C. Sestava umetne sline je naslednja: 0,4 g NaCl, 0,4 g KCl, 0,795 g CaCl2-2H2O, 0,78 g NaHPO4-2H2O, 0,005 g Na2S-5H2O in 1,0 g sečnine.(2) Zaradi čim boljše simulacije naravnega fiziološkega okolja v umetno slino dodajamo razne dodatke, kot so fluoridni ioni, vodikov peroksid in mlečna kislina. Fluoridne ione dodajamo zato, ker se pojavljajo v fluoriranih zobnih pastah, gelih, tekočinah za izpiranje ustne votline (v koncentracijah do ~1500 ^g/g), s katerimi preprečujemo nastanek zobne gnilobe -kariesa. Pojavlja pa se tudi v vodi in v hrani. Vodikov peroksid se pojavlja v sredstvih za beljenje zob, proizvajajo pa ga tudi bakterije in levkociti med vnetnim procesom (slika 7). Encim v celični membrani reducira kisik v superoksidni anion (■O2-), ki pove~a nastanek hidroksidnega radikala (■OH), kisika (O2) in vodikovega peroksida (H2O2). Mle~no kislino pa dodajamo zato, ker jo proizvaja bakterija Streptococcus mitis, ki se nahaja v zobnih oblogah in povzro~a vnetje dlesni, prav tako pa nastaja tudi pri vnetnih procesih. Raziskave korozijskih lastnosti dentalnih zlitin izvajamo s cikli~no voltametrijo in potenciodinam-skimi meritvami, pri ~emer dolo~imo polarizacijsko upornost, korozijski potencial in gostoto korozijskega toka. Po elektrokemijskih meritvah lahko tudi analiziramo površino dentalnih zlitin s površinsko analiti~nimi metodami, da dolo~imo kemijske in morfološke spremembe na površini zlitine po izpostavitvi umetni slini. Rezultati raziskav korozijskih lastnosti dentalnih zlitin bodo predstavljeni v naslednjem prispevku. 5 SKLEPI Danes se v bioaplikacijske namene v zobotehniki uporablja ve~ vrst dentalnih zlitin. Plemenite zlitine (zlate, zlato-platinaste, zlato-paladijeve, srebrno-pala-dijeve) so zaradi boljše cenovne dostopnosti, dobrih obdelovalnih lastnosti in biokompatibilnosti za~ele nadomeš~ati neplemenite kovine in zlitine, kot so titan, in zlitine na osnovi kobalta in niklja. Zlitine neplemenitih kovin se v zobotehniki zelo dobro vedejo. Pri implantacijah se najve~ uporablja titan in njegove zlitine, saj so korozijsko odporne in organizem jih zelo redko zavrne. Za snemne in ortodontske proteze se najve~ uporabljajo zlitine na osnovi kobalta oziroma niklja. 6 ZAHVALA Avtorici se zahvaljujeta gospodu Domnu Pelku iz zobotehni~nega laboratorija Zob-Ex za veliko koristnih podatkov in demonstracijo postopka izdelave snemnih in fiksnih proteti~nih nadomestkov. 7 LITERATURA 1I. Kopa~, "Oskrba posameznega zoba in nadomeš~anje mankajo~ih zob", Vita 46, (2005), 12-13 2Z. Cai, H. Nakajima, N. Woldu, A. Berglund, M. Bergman, T. Okabe, "In vitro corrosion resistance of titanium made using different fabrication methods", Biomaterials, 20, ( 1999), 183-190. 3B. D. Ratner, A.S. Hoffman, F. J. Schoen, J. E. Lemons, "An Introduction to Materials in Medicine", Elsevier, 2. izdaja, London 2004. 4A.W. Batchelor, M. Chadrasekaran, "Biomedical Materials and Implants", Imperial College Press, London 2004 5G. Mabilleau, S. Bourdon, M. L. Joly-Guillou, R. Filmon, M. F. Basle, D. Chappard, "Influence of flouride, hydrogen peroxide and lactic acid on the corrosion resistance of commercially pure titanium", Acta Biomaterialia 2, (2006), 121-129 6I. Roitt, J. Brostoff, D. Male, "Immunology", Dianne Zack, 4. izdaja, London 1996 7www.en.zz-l.de 8www.ortodont.info OSNOVE FIZIKE KISIKOVE PLAZME Uroš Cvelbar, Miran Mozetič Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, 1QQQ Ljubljana, Slovenija POVZETEK V tem delu predstavljamo teoretične osnove fizike kisikove plazme, ki ni v termodinamskem ravnovesju in jo imenujemo procesna plazma. Opisan je nastanek te plazme, način modeliranja vedenja te plazme v sistemu, reakcije, ki potekajo v tej plazmi, in parametri, s katerimi te reakcije opisujemo. Parametre plazme lahko določamo predvsem z razelektritvijo, v kateri kisikovo plazmo generiramo s kinetično energijo prostih elektronov. Fundamentals of oxygen plasma physics ABSTRACT In this paper the theoretical background of oxygen plasma physics is given. The stress is on thermodynamically non-equilibrium plasma also called processing plasma. The creation of this plasma is described, different approaches to modelling this plasma, reactions inside and parameters that describe these reactions. Plasma parameters can be determinated also through different discharge types in which oxygen plasma is generated with appropriated kinetic energy of free electrons. 1 UVOD V naravi se plin navadno nahaja v termodinam-skem ravnovesju. Hitrostna porazdelitev molekul je Maxwell-Boltzmannova. Delež molekul, ki se nahajajo v različnih vzbujenih stanjih, je enolično odvisen od temperature plina in ga izračunamo iz porazdelitve:'1' ^ = Ce -n (1) rotacijskem vzbujenem stanju, molekul v vibracijskih vzbujenih stanjih je že manj, medtem ko je koncentracija disociiranih, ioniziranih in enoelektronsko vzbujenih stanj zanemarljivo majhna. Z naraščajočo temperaturo deleži različno vzbujenih molekul eksponentno naraščajo, vendar pa je še pri temperaturi 1QQQ K stopnja disociacije molekul krepko pod 10-1Q. Stopnjo disociacije okoli 1 % dobimo šele pri plinu s temperaturo 1QQQQ K. Plazma je stanje plina, v katerem je znatni del molekul disociiaran in ioniziran. Najbolj znan primer plazme v naravi je nevihtna strela, ki nastane kot posledica razelektritve med oblaki in zemljo. Umetno različne vrste plazem generiramo v laboratorijih. Prehod plina v stanje plazme lahko dosežemo na dva načina: • plin segrejemo do tako visoke temperature, da znatni del atomov razpade na pozitivne ione in elektrone, ali • plin namestimo v močno električno polje, tako da se prosti elektroni, ki so v vsakem primeru v plinu v majhnih gostotah, pospešijo in ob neprožnih trkih z atomi ali molekulami le-te ionizirajo. Tabela 1: Splošna delitev plazem glede na temperaturo; nizko-temperaturne in visokotemperaturne plazme, kjer primerjamo temperature elektronov Te, ionov Ti in nevtralnega plina T(8) kjer je na število delcev v nekem vzbujenem stanju, n število vseh delcev, WA aktivacijska energija, k Boltzmannova konstanta, T absolutna temperatura in C neka konstanta. Aktivacijska energija je odvisna od vrste vzbujenosti. Če nas na primer zanima delež molekul, ki se nahajajo v 4. vibracijskem vzbujenem stanju, je WA energijska razlika med osnovnim in 4. vibracijskim vzbujenim stanjem. Če nas zanima delež enkrat ioniziranih molekul, je WA ionizacijska energija molekule. Pri izračunu stopnje disociacije molekul je WA disociacijska energija in tako naprej. Značilna vrednost aktivacijske energije za vzbujanje rotacijskih stanj molekul permanentnih plinov je reda velikosti 1Q-3 eV, za vibracijska stanja reda 1Q-1 eV, enoelek-tronska vzbujena stanja nekaj elektronvoltov, disociacijska energija molekule je prav tako nekaj elektronvoltov, ionizacijska pa okoli 10 eV.(2) Za večkratno ionizacijo je potrebna energija reda 100 eV. Pri sobni temperaturi (300 K) je poprečna energija molekul kT iz enačbe (1) 0,026 eV. V ravnovesnem stanju se torej pretežni del molekul nahaja v nekem Nizkotemperaturna plazma Visokotempera-turna plazma Termična Te ~ Ti ~ T< 2-1Q4 K Neravnovesna Ti ~ T ~ 300 K Ti << Te < 105 K Ti ~ Te > 107 K obločne plazme pri normalnem tlaku nizkotlačne razelektritve fuzijske plazme Plazme v splošnem delimo na termično ravnovesne in neravnovesne plazme. Če je ionizacija molekul posledica visoke temperature plina, govorimo o termični plazmi, ker je plin v termodinamskem ravnovesju. Temperatura plina mora biti izredno visoka, če želimo imeti visoko stopnjo ionizacije atomov, molekule pa že pri nižjih temperaturah razpadejo na atome. Termične plazme so se in se še veliko uporabljajo pri procesiranju materialov v metalurgiji,(3) kemiji(4) in pri razgradnji ekološko nevarnih snovi,(5,6) uporabljajo pa se tudi kot medij za pridobivanje aktivnih delcev pri proizvodnji fulerenov in pri nanosu tankih plasti čvrsto vezanega ogljika.(7) Neravnovesno plazmo generiramo pri nizkem tlaku z različnimi vrstami razelektritev; tlečo, enosmerno z vročo katodo, visokofrekvenčno - radiofrekvenčno (RF) in W A kT mikrovalovno (MV) ali s kombinirano razelektritvijo. Pri višjih tlakih in atmosferskem tlaku poznamo {e druge načine, kot so koronske razelektritve, potencialne dielektrične razelektritve in plazemske bakle. V tem delu bomo obravnavali neravnovesno nizkotlačno plazmo, ki nastane z radiofrekvenčno ali mikrovalovno razelektritvijo. Za fizikalni opis potrebujemo modele, s katerimi lahko opišemo takšno stanje plina. Delce in njihovo vedenje opisujemo v splošnem s tremi modeli: s trajektorijami delcev, s hidrodinamskim približkom in s kinetično ter statistično teorijo. Model trajektorij uporabimo za simulacije trkov ionov s površino, hidrodinamski približek pa za izračun gibanja plina v reaktorju in ugotavljanje enakomernosti porazdelitve radikalov, predvsem nevtralnih atomov O. Kinetična ter statistična teorija pa nam rabita za splošno opisovanje procesov in parametrov plazme. Za razumevanje plazme in nastanek želenih vrst radikalov je treba poznati vse reakcije, ki tečejo znotraj razelektritve med samimi radikali ali elektroni in radikali. Te imenujemo homogene reakcije med delci. Uporaben tip razelektritve izberemo glede na vrsto radikalov, ki jih želimo imeti v plazmi, s katero obdelujemo površino. Nastanek določene vrste plazme je tesno povezan s plazemskimi parametri. Za enakomerno obdelavo vzorcev je pomembno poznati porazdelitve radikalov v komori, predvsem nevtralnih delcev, in model, ki opisuje njihovo gibanje. 2 TERMODINAMSKO NERAVNOVESNA PLAZMA Pri nizkotlačnih plazmah je razmeroma visoka stopnja ioniziranosti plina posledica ionizacije molekule ali atoma pri neprožnem trku hitrega elektrona z nevtralnim delcem. Gostota nabitih delcev v plazmi ni odvisna od temperature plina, ampak je mnogo velikostnih redov višja od tiste, ki jo izračunamo ob predpostavki, da je plin v termodinam-skem ravnovesju. Takšne plazme imenujemo termo-dinamsko neravnovesne plazme. Plin se torej nahaja v termodinamskem neravnovesnem stanju, kadar: • zasedenost različnih stanj molekul oz. delež le-teh (na/n) ni enolično odvisen od temperature; • je temperatura delcev v različnih stanjih različna; • delci nimajo Maxwell-Boltzmannove porazdelitve, tako da temperatura sploh ni definirana. Te plazme so kvazinevtralni sistemi delcev v obliki plina ali tekočinam podobnih mešanic prostih elektronov, ionov in nevtralnih delcev (atomov, molekul) s širokim razponom kinetične energije elektronov in/ali vseh drugih komponent plazme (od 0,2 eV pa tudi do 2 MeV na posamezen delec). V takih sistemih imajo velik vpliv na lastnosti delcev tudi nosilci naboja in njihove elektromagnetne interakcije. Nosilci naboja tvorijo v sistemu dve vrsti interakcije: • Coulombovo interakcijo med nosilci naboja, ki je posledica Coulombove sile v primeru velikih gostot nosilcev naboja (ne >> 1/AD3, def. AD enačba 5), kjer vsak nosilec naboja interagira z vsemi okoliškimi; • formiranje makroskopskega prostorskega naboja (v okviru kvazinevtralnega sistema delcev) kot posledica notranjih vplivov in sprememb gibanja nosilcev naboja v električnem polju teh prostorskih nabojev. 3 MODELIRANJE STANJA PLAZME Izhodišče za modeliranje stanja plazme so trije različni osnovni načini za opis sistema z več delci: trajektorije posameznih delcev, kinetična in statistična teorija ter hidrodinamski približek. Model trajektorij delcev je zasnovan na gibanju posameznih delcev pod vplivom Lorentzove sile. Električna in magnetna polja v plazmah obravnavamo kot dana in ne samo po konsistentnem načinu splošnega gibanja delcev. Z uporabo simulacij Monte Carlo lahko preučujemo tudi posamezne trajektorije delca v sistemu ob upoštevanju trkov. Ta tehnika je alternativa kinetični teoriji, uporabna je predvsem za simulacije interakcij ionov s površinami (SRIM).(9) Na osnovi kinematike je vsak delec plazme analiziran z upoštevanjem posebnih pogojev in splošne kinetične in statistične teorije nevtralnih plinov. Končni cilj je izračun prostorske in časovne odvisnosti distribucijskih funkcij delcev z reševanjem kinetičnih enačb. Za neravnovesne nizkotemperaturne plazme je najbolj pomembna Boltzmannova enačba za porazdelitev energije ali hitrosti elektronov. Totalni časovni odvod porazdelitvene funkcije je rezultat trkov delcev, vsebovan v tako imenovanem integralu trka, ki v splošnem opisuje različne trke elektronov (prožne, neprožne, deloma prožne, ipd.). Kinetična teorija se zato uporablja za obravnavo v večini primerov plazme, predvsem kadar imamo izredno neravnovesne pogoje ali odmike od maxwellske porazdelitvene funkcije. Model hidrodinamskega približka pa obravnava plazmo kot kontinuum in določa njene zanimive makroskopske lastnosti (gostoto, tok, tlak ipd.) iz enačbe ravnovesja števila, energije ter gibalne količine posamezne vrste delcev. Enačbe ravnovesja dobimo z integriranjem ustreznih kinetičnih enačb oz. z obravnavanjem Navier-Stokesove enačbe. Hidrodinamski približek se uporablja za opisovanje pretoka delcev v plazemskih sistemih. 4 PROCESI V PLAZMI IN PARAMETRI PLAZME Prehod plina v neravnovesno stanje dosežemo na več različnih načinov, najpogosteje tako, da pri nizkem tlaku skozenj spustimo električni tok. V normalnih razmerah plini ne prevajajo električnega toka, vendar pa lahko to prevajanje zagotovimo tako, da v plin injektiramo proste elektrone s primerno kinetično energijo. Ti prosti elektroni trkajo z molekulami plina. Trki so lahko prožni (elastični), neprožni (neelastični) ali nadprožni (superelastični). Pri prožnem trku dveh delcev se ohrani kinetična energija in gibalna količina sistema dveh delcev. Del kinetične energije, ki jo izgubi elektron pri prožnem trku z molekulo, je (10,11): AWk. _ 2m^(i- cos0) M (2) stična življenjska doba vzbujenega stanja je odvisna od vrste vzbujenosti in vrste molekule ter je pogosto reda 1 ps. Vendar izbirna pravila včasih takšen sevalni proces prepovedujejo. V tem primeru je življenjska doba vzbujenega stanja bistveno daljša. Za molekule kisika v prvem in drugem enoelektronsko vzbujenem stanju je kar 4 s oziroma 14 s.(12) Takšna stanja imenujemo metastabilna.(13) Iz kinetične teorije za pline lahko definiramo presek za trk o in prosto pot Ap v plazmi kot o = жr2 in Ap = (on)-1, če predpostavimo, da so delci nevtralnega plina toge krogle z radijem r in gostoto n. Povprečno število trkov na sekundo imenujemo frekvenca trka v. Povprečna hitrost kisikovih molekul v plinu je odvisna od njegove temperature in je pri maxwellskih plinih povprečna absolutna hitrost, torej: kjer je AWk sprememba kinetične energije elektrona, Wk kinetična energija elektrona pred trkom, me masa elektrona, M masa molekule in 0 sipalni kot. Sproščeno energijo prevzame molekula kot povečano kinetično energijo. Masa elektrona je vsaj tisočkrat manjša od mase molekule, zato lahko elektron pri prožnem trku z molekulo izgubi kvečjemu tisočinko svoje prvotne kinetične energije. Pri neprožnem trku se kinetična energija sistema obeh delcev ne ohrani, pač pa se del prvotne kinetične energije elektrona porabi za vzbujanje različnih stanj molekul. Pri tem se lahko število delcev ohrani ali pa ne. število delcev se ohrani pri prehodu molekule v višja rotacijska, vibracijska in enoelektronska stanja, ne ohrani pa se pri disociaciji in ionizaciji molekule. Pri nadprožnem trku pa se skupna kinetična energija sistema obeh delcev poveča na račun izgube notranje energije vzbujenega atoma, ki se pri tem deekscitira. Pri vzbujanju molekul in atomov v notranja stanja je izguba kinetične energije elektrona enaka vzbujalni energiji in je odvisna od vrste vzbujenosti ter vrste molekule. Za molekulo kisika so na primer rotacijska stanja pri energiji WR = WR0(/(/+1)), vibracijska pa pri energiji Wv = Wvo(V+1/2) - Wv1(V+1/2)2. Pri tem je Wro = 1,79-10-4 eV, Wvo = 0,196 eV, Wv1 = 1,5 meV.(2) Atomi imajo zgolj enoelektronska vzbujena stanja. Sipalni presek za vzbujanje določenih stanj je odvisen od kinetične energije elektrona. Pri energijskem pragu je nič, potem z naraščajočo energijo hitro naraste do največje vrednosti. Pri še večji energiji elektrona pa z naraščajočo energijo počasi upada. Sipalni presek za vzbujanje enoelektronskih stanj je največji pri kinetični energiji elektronov, večji kot 10 eV. Vzbujena stanja razpadejo na nižja vzbujena stanja ali osnovno stanje z električnim dipolnim sevanjem. Karakteri- u _ ( u ) _ Jun(u)du Jn(u)du 8 kT nM (3) kjer je M masa molekule, k Boltzmannova konstantna, z n(v) pa označimo Maxwell-Boltzmannovo porazdelitev delcev po hitrosti. Če je temperatura plina konstantna, je povprečna prosta pot obratno sorazmerna tlaku p v sistemu: A p _ kTp 4л/2: nr2 p ct p (4) kjer je ct konstanta, odvisna od plina, in je za molekularni kisik pri sobni T enaka 9,1-10-3 Jm-2, za atomarni pa 2,88-10-2 Jm-2. Če v plazmi ustvarimo električno polje, bodo nabiti delci polje zastrli. Reakcijo nabitih delcev za zmanjšanje tega pojava lokaliziranega polja imenujemo Debyevo senčenje, ki da plazmi kvazinevtralno karakteristiko. To se zgodi, če v plazmo potopimo kovinsko elektrodo in jo nabijemo negativno proti plinu v svoji okolici. V okolici elektrode se ustvari pozitivni prostorski naboj. Rešitev Poissonove enačbe pove, da potencial v okolici elektrode pada eksponentno: V = V0 e(-r/AD). Razdalja od elektrode, na kateri pade potencial na 1/e prvotne vrednosti, se imenuje Debyeva dolžina. Njeno vrednost izračunamo iz Poissonove enačbe: A D _ £q kTe (5) nen Pri tem je £0 influenčna konstanta, ne številčna gostota elektronov v plazmi, e0 osnovni naboj in k Boltzmannova konstanta. Te je temperatura elektronov. Če predpostavimo v plazmi pozitivni električni naboj q, bo naboj ustvaril električni potencial: Vo = 4п£0 d kjer je d oddaljenost od naboja. V plazmi je potencial pod vplivom plazme elektronov in ionov, zato dobimo njegovo vrednost z re{evanjem Poissonove ena~be: V2 V = - £n (6) elektronskih oscilacij imenujemo plazemska ali Langmuirjeva frekvenca p, ki je podana z ena~bo (15): m2 /Hz = . ne = 18.000nJ n me £0 (8) kjer je p skupna gostota naboja v plazmi podana z enačbo p = e(ni - ne) + qö(d), pri čemer je (3(d) Diracova funkcija in označuje točkovni naboj q. Značilna vrednost Debyejeve dolžine v nizkotlačni šibkoionizirani hladni plazmi s temperaturo elektronov 1 eV in gostoto 1016 m-3 je reda 0,1 mm. V enačbi smo torej predpostavili, da je energijska porazdelitev elektronov v plazmi Maxwell-Boltzmannova, ne = n exp (eV/kT). To ni nikdar res, vendar pa navadno drži, daje energijska porazdelitev elektronov v plazmi vsaj približno Maxwell-Boltzmannova ali pa ima takšno energijsko porazdelitev večina elektronov. Debyeva dolžina se zmanjša s povečano gostoto elektronov v plazmi. V plazmi so po definiciji prisotni hitri elektroni in počasni pozitivni ioni (termični ioni). Pri vključitvi razelektritve hitri elektroni hitro difundirajo proti steni posode in pustijo v plinu pozitivne ione. Plazma se torej nabije pozitivno proti steni posode. Po zgornjem razmisleku je debelina plasti, na kateri naraste potencial od potenciala stene posode do potenciala v plinu, reda velikosti Debyejeve dolžine. V stacionarnem stanju je napetost med steno in plinom tolikšna, da je tok elektronov na steno enak toku pozitivnih ionov. V grobem približku je ta napetost enaka:(14) V, - Vf = f ln—Ц- ^ (7) 2e0 2nx n kjer je Vs potencial v plinu, Vf potencial na steni, ^2 pa brezdimenzijska konstanta, ki je odvisna od razmerja med povprečno kinetično energijo elektronov in pozitivnih ionov. V limitnem primeru, ko gre razmerje proti neskončno, gre konstanta proti vrednosti 0,6. Velikost Vs - Vf imenujemo potencial plazme. Pogosto je stena posode, v kateri je plazma, ozemljena (Vf = 0). Značilna vrednost potenciala plazme v nizkotlačni šibkoionizirani plazmi je 10 V. Za razelektritev plina in nastanek plazme ter njene karakteristike je izjemno pomembna tudi frekvenca, s katero plazmo vzbujamo. Lokalne perturbacije iz nevtralnega stanja se lahko zgodijo tudi v prostorninah, manjših od Debyeve krogle, ki ima radij Debyeve valovne dolžine. Ker imajo elektroni manjšo maso od ionov, se tudi hitreje odzivajo na električne sile, ustvarjene s perturbacijami iz nevtralnega stanja plina. Ta odziv se vidi v obliki oscilacij, kjer frekvenco kjer izrazimo ne v m 3. Za tipično plazmo z gostoto elektronov 1016 m-3 je frekvenca plazme 9-108 Hz, kar je mnogo večja frekvenca od 13,56 ali 27,12 MHz, ki vzdržuje RF-plazmo. Iz enačb (5) in (8) lahko frekvenco plazme zapišemo tudi kot povezavo z Debyevo valovno dolžino oz.: k D m p = kT. m (9) kjer je v e povprečna termična hitrost elektronov v plazmi. Za vzdrževanje plazme v plinu moramo izpolniti vsaj dva osnovna pogoja: k D << L nn >> 1 (10) (11) kjer je L velikost posode in nD število delcev v Debye-vi krogli oz. nD = (4п/3)пДе>3. V hladnih plazmah je velikostni red nD od 104 do 107 elektronov v Debyevi krogli. Za nastanek plazme pa moramo zadovoljiti še tretjemu pogoju, povezanem s frekvenco trkov v plazmi. Če nabiti delci trkajo pogosto z nevtralnimi atomi, je njihovo gibanje bolj kontrolirano z navadnimi hidrodinamskimi silami kot z elektromagnetnimi silami. Pod takimi pogoji vedenje plina kot plazme ni zadoščeno. Če je povprečni čas med trki nabitih delcev z nevtralnimi atomi, mora biti produkt večji od 1 (mt > 1), da se nevtralni plin vede kot plazma. 5 REAKCIJE V KISIKOVI PLAZMI V plazmi nastali elektroni delujejo kot glavni posrednik pri prenosu energije iz zunanjega električnega polja v plin. Prenos energije poteka preko trkov med elektroni in molekulami plina. Prožni trki elektrona z molekulo povzročijo povišanje kinetične energije molekule. Pri neprožnih trkih se energija prenese v disociacijo in ionizacijo molekul ter v nastanek novih plazemskih vrst delcev, kot so prosti radikali, vzbujene metastabilne molekule in ioni. Vzporedno z nastajanjem novih plazemskih delcev tečejo procesi izgub le-teh. Elektrone izgubljamo zaradi difuzije na površine, ione pa še zaradi rekombinacij z elektroni v plinih in na površinah. Nevtralne radikale in atome izgubljamo tudi primarno z rekombinacijami preko homogenih reakcij v plazmi ali površinskih reakcij na stenah reaktorja. q Verjetnost za reakcijo med posameznimi vrstami delcev v plazmi je dolo~ena kot skupni efektivni presek reakcije oz. trka. Ker so lahko interakcije v plazmi razli~nih tipov, lahko vsak tip reakcije karak-teriziramo s specifi~nim presekom. Za reakcijo med delcema tipa a in tipa b je prosta pot za reakcijo Aab definirana kot povpre~na razdalja delca a, ki jo mora pre~kati do mesta trka skozi skupino delcev b. To zapi{emo kot: A ab =■ 1 (12) R r = n a V ab = n a (13) in ima enoto m-3 s1 (16), kjer je konstanta stopnje reakcije ali konstanta reakcije k = oabva. Osnovni podatek za izra~un pribitkov in izgub nastalih delcev v plazmi z elektronskimi trki je torej stopnja reakcije in presek za reakcijo, ki je v poenostavljeni obliki povezan z verjetnostjo za trk Pt delca a z drugim delcem b: Pt = 2 ^a П a O ab = 2 ra ^ 2 ra n a , —— R =kr (14) energija elektronov pa je odvisna od mo~i razelektritve, s katero generiramo plazmo. Najpogostejše reakcije v kisikovi plazmi z elektroni so: (15) (16) (17) (18) (19) kjer je aab presek za reakcijo in nb število delcev tipa b. Delec a, ki se giba s hitrostjo va, bo reagiral s skupino delcev b s stopnjo, ki je podana s frekvenco trka vab = Ma/Aab = va oab nb. Če je gostota delcev na, je stopnja reakcije Rr enaka: kjer je na gostota delcev a, ra radij mirujo~ega delca (brez gibanja in prekrivanja) ter vb hitrost, s katero se giblje delec b. Verjetnost za reakcijo oz. trk in vrednost a sta odvisni od temperature elektronov oz. njihove energije (slika 1 in tabela 3). Homogene reakcije med delci v plazmi. Kemijske reakcije v plazmi delimo na homogene in heterogene reakcije. Homogene reakcije potekajo med delci v plinski fazi kot posledica neprožnih trkov med elektroni in razli~nimi težkimi delci ali s trki med samimi težkimi delci. Heterogene reakcije pa potekajo med plazemskimi delci in površinami trdih snovi. Najverjetnejši procesi, ki potekajo v kisikovi plazmi, so vezani na trke elektronov z delci. Elektroni v plazmi dobijo energijo od zunanjega elektromagnetnega polja in jo prenesejo v plin. Ve~ina energije elektronov se prenese na težke delce z neprožnimi trki, ki sprožijo vrsto reakcij. Verjetnost, da pote~e dolo-~ena vrsta reakcije z elektronom, je podana s konstanto stopnje reakcije in karakteristi~nim presekom za trk. Ve~ teh reakcij je zapisanih v tabeli 3. Reakcije elektronov s kisikovimi radikali v plazmi, kot npr. disociacijska vezava, disociacija, vzbuditev in rekom-binacije molekularnih ionov so zelo odvisne od energije elektronov. To je pokazano tudi na sliki 1, (disociacijska vezava) e + O2 -> O- + O (disociacija) e + O2 -> 2O + e (vzbuditev) e + O -> e + O* (1D) (rekombinacija) e + O2+ -> 2O (ionizacija) e + O2 -> O2+ + 2e Te reakcije so odvisne od energije elektronov v plazmi. Za povpre~no energijo (temperaturo) elektronov 5 eV so izra~unane konstante stopenj reakcij za zgoraj navedene reakcije pri tej energiji; 1,610-15 m3s-1 za reakcijo (15), 1,910-15 m3 s-1 za (16), 7,5-10-15 m3 s-1 za (17), 9,8-10-15 m3 s-1 za (18) in 2,3-10-16 m3 s-1 za (19). Mnogo manjše so verjetnosti za reakcije ionizacije (e + O2 -> O + O+ + 2e) s konstanto stopnje reakcije 9,2-10-15 m3 s-1, vzbuditev molekule O2* 0Ag) z 8,9-10-16 m3 s-1 ali disociacijsko vezavo po (e + O2 -> O- + O++ e) z 7,4-10-20 m3 s-1. Za druge, manj pogoste reakcije v kisikovi plazmi lahko razberemo konstante stopenj reakcij za dane reakcije iz tabele 3.(16,18,19) Na sliki 1 so prikazani izmerjeni preseki za trk posameznih reakcij elektronov v kisikovi plazmi, ki ustrezajo pogostosti trkov oziroma verjetnosti za dano reakcijo. Če se omejimo na disociacijo in ionizacijo, ugotovimo, da je verjetnost za disociacijo pri pov-pre~ni energiji 5 eV večja kot za ionizacijo. Če se povpre~na energija elektronov poveča, se poveča tudi verjetnost za ionizacijo. Pri energiji 30 eV je delež ionizacijskih in disociacijskih trkov enak. Pri povišani energiji elektronov pa ionizacija prevlada. To je Slika 1: Presek za trk o(O2) v odvisnosti od energije elektronov v kisiku O2 (17) O ab n b povezano tudi z energijami, potrebnimi za disociacijo molekule O2, ki je 5,13 eV (tabela 2). Za njeno ionizacijo pa potrebujemo 12,2 eV. Če torej želimo imeti višjo stopnjo disociacije kot pa ionizacije, moramo imeti v kisikovi plazmi energije elektronov, nižje od 30 eV. Resonančno vzbujanje molekul kisika v vibracijska stanja je za zagotavljanje dovolj hladne plazme zelo nezaželeno, ker vibracijsko vzbujene molekule z veliko verjetnostjo prenašajo svojo notranjo energijo preko nadprožnih trkov z atomi na translacijsko energijo, kar pomeni dvig temperature plina. Idealna energija elektronov za doseganje plazme z visoko stopnjo disociacije je zato nad disociacijsko in pod ionizacijsko energijo. Tabela 2: Disociacijska energija Wd nekaterih vezi med atomi (20) Vez Wd/eV O-O 1,47 O=O 5,13 S=O 5,42 C-O 3,72 C=O 8,29 C = O 11,13 O-H 4,76 H-H 4,48 V plazmi potekajo tudi druge reakcije med delci, pri katerih ne sodelujejo elektroni. Te reakcije med težkimi delci so manj verjetne kot reakcije elektronov s težkimi delci. Pri tem je za te reakcije težje določiti konstante stopenj reakcij in jih opisati z modeli. Navadno za hladne plazme predpostavimo, da imajo težki delci maxwellsko porazdelitev pri sobni temperaturi T. Tu so najpogostejše reakcije med delci O, O2, O2+ in O-. Med najverjetnejše spada proces rekombinacije in prenosa naboja: (rekombinacija) O2+ + O- -> O2 + O (20) (prenos, naboja) O2+ + O2 -> O2 + O2+ (21) V tabeli 3 so navedene še druge reakcije s pripadajočimi konstantami stopenj reakcij od 10-16 m3 s-1 naprej. Vse prikazane reakcije potekajo v sistemu trkov dveh teles. Poznamo pa tudi reakcije v sistemu treh teles, ki pa so zapletene in mnogo manj verjetne. Njihove konstante stopenj reakcij imajo velikosti, nižje od 10-25 m3 s-1.(16) Pogostost posamezne reakcije je odvisna od vrste plina in razelektritve, v kateri reakcija poteka, in je odvisna od minimalne energije za to reakcijo. Za zagotovitev hladne kisikove plazme torej potrebujemo neravnovesno termodinamsko stanje, kjer prenos kinetične energije med posameznimi delci in elektroni v plazmi ni pogost. Plazma nastaja v nizkotlačnih razelektritvah, kjer termodinamskega ravnovesja med elektroni in težkimi delci ni mogoče doseči niti na lokaliziranem območju. Elektroni pri prožnih trkih predajajo težjim delcem le manjši del svoje energije (enačba 2). Temperatura elektronov (104-106 K oz. 1-100 eV) je zato mnogo večja od temperature težjih delcev in velja Te >> Ti >> Tp. V plazmah lahko dobimo želene reakcije med delci s spreminjanjem načina generiranja plazme, frekvence, tlaka in razelek-tritvene moči ter zgradbe reaktorske komore. 6 GENERIRANJE KISIKOVE PLAZME Neravnovesno plazmo ustvarimo tako, da vpuščamo plin v vakuumski sistem, katerega sestavni del je reaktorska komora, ki se nahaja v električnem polju. Pri tem uporabimo enosmerno ali visokofrekvenčno napetost. Za doseganje visokih stopenj ioniziranosti plazme pogosto uporabimo še magnetno polje, v katerem trajektorije delcev ukrivljamo in preprečujemo difuzijo v smeri, pravokotno na smer magnetnega polja. V industrijskih procesih in laboratorijih največkrat uporabljamo t. i. procesno plazmo (slika 2), ki jo odlikuje gostota elektronov med 1012 m-3 in 1018 m-3 in temperatura med 104 K in 106 K (med 1 eV in 100 eV). Neravnovesne plazme generiramo v različnih razelektritvah. Oglejmo si nekatere najpogostejše metode za generiranje procesne plazme, ki so predstavljene na sliki 2, in njihove najpomembnejše lastnosti.'22' 6.1 Tleča razelektritev Tleča razelektritev je ena najstarejših vrst razelektritev, ki jo ustvarjamo v plinu med dvema kovinskima elektrodama pri znižanem tlaku. Elektrodi navadno vežemo na enosmerno napetost velikosti 106 10s S 101 Šf 10'' o 10 c o £ 10 JU ® 1 n Ш10Г2 1СГ3 1 10: 10J 106 10® 10™ 1012 10" 1016 10,s Gostota elektronov. ne /m'3 Slika 2: Prikaz različnih vrst plazem v odvisnosti od temperature in gostote elektronov v njih(18) Tabela 3: Najpogostejše reakcije v hladni kisikovi plazmi, konstante stopnje reakcije (kr) in največji preseki za trk (CTmaks)- Reakcija e+O2, prenos gibalne količine Ionizacija_ 1. e + O2 ^ O2+ + 2e 2. e + O ^ O+ + 2e Disociacijska ionizacija 3. e + O2 ^ O+ + O +2e Disociacijska vezava 4. e + O2 ^ O- + O 5. e + O2 ^ O- + O+ + e 6. e + O3 ^ O2- + O Disociacija_ 7. e + O2 ^ 2O + e 3. e + O2+ ^ 2O Nastanek metastabilnega delca 9. e + O, ^ O2*(1Ag) + e 10. e + O ^ O' (1D)+ e Ostale reakcije z e 11. e + O- ^ O + 2e 12. e + O,'(1Ag) ^ e + O, 13. e + O, ('Ag) ^ O + O- 14. e + O' ('D) ^ e + O 15. e + O' ('D) ^ O+ + 2e Prenos naboja_ 16. O+ + O2 ^ O2+ + O 17. O2+ + O- ^ O + O2 .L O. W2 T W2 W3 t 19. O2+ + 2O2 ^ O4+ + O2 20. O- + O2 ^ O2- + O 21. O- + O3 ^ O3- + O 22. O2- + O^ O- + O2 23. O2- + O2 ^ O3- + O 24. O2- + O3 ^ O3- + O2 25. O3- + O2 ^ O2- + O3 26. O4- + O ^ O3- + O2 27. O4- + O2 ^ O2- + 2O2 Ločitev 28. O- + O ^ O2 + e 29. O- + O2 ^ O + O2 + e 30. O- + O2'('Ag) ^ O3 + e 31. O2- + O ^ O3 + e 32. O2- + O2 ^ 2O2 + e 33. O2- + O2('Ag) ^ 2O2 + e Deekscitacija 34. O2 ('Ag) + O2 ^ 2O2 35. O2'('Ag) + O ^ O2 + O 36. O' ('D) + O ^ 2O 37. O' ('D) + O2 ^ O2+ O Rekombinacija elektron-ion O 2O O + O2 2O2 Rekombinacija ion-ion O+ o; 38. e + 2 O+ O; 39. O-" O +" O2 + O2+ O3 O+ [.O; J [o; J Rekombinacija atomov 40. 2O + O2 ^ 2O2 41. 3O ^ O + O2 42. O + O3 ^ 2O2 k, /(m3 s ') 4,740 Te 2,3440-'5 Te1'"3 e-1 9,040 Te0-' e-1 L88-10-"6 T.'^e-' '^■Ш-'5 Te1'391 e-6,26/Te (" 7 1.10-17 T 0-5 e-17/Te "6) 10 6,86-10 e-1 2,2-10 Te 1,37-10 e-2 4,54■10-'5 e-' 5,47•10-' 2,0640 e-' 4,19■10-'5 Te-1,37 8,17■10-'5 e e A4/T,. (16) 9,0-10 TT e-1 2■10-" (300/T)' 2,6■10-'4 (300/T) 2,5■10-' 3,4■10-' 5,3■10-'6 °8> 5■10-'6 <'8> 440-' 440-' 640-' (1,9; 3; 5)■10-' 2,2■10-' 540-' 2■10-1 2,2■10-24 (300/T)"'8 <'6> (1; 7)■10-22<'6> 8,0■10-' (6,4; 7>10-" e-6 1,840 e-230 _^material ^maks/m 2,72■10-' 1,54■10-' 1,0■10-' 1,41■10-22 °8> 4,85■10-2" <'8> 2,25■10-' 3,0■10-' 8•10-' M0"" < 10-2 4■10-' 7■10-' 7■10-' < 10-1 < 10-1 T 0,324 e^s/Te ('6> 163/Te (16) ('8) (16) 2 43. O ^ stena ^ O okoli 103 V, zaporedno s plazmo pa vežemo upor za omejitev toka. Glavni vir primarnih elektronov, ki ustvarijo plazmo, je katodna elektronska emisija. Ta nastane kot posledica izbijanja elektronov iz katode zaradi bombardiranja površine katode z energijski ioni. Nastali elektroni se v močnem električnem polju ob katodi pospešijo in pomnožijo ob trkih z nevtralnimi molekulami in atomi plina. Razelektritev je stabilna, če je produkcija prostih elektronov ob katodi enaka izgubi elektronov na anodi, na stenah komore in v plazmi, torej imamo rekombinacijo nabitih delcev v plinu in na stenah reaktorske posode. Slabost takih razelektritev je erozija katode, ki jo povzroča razprševanje s pozitivnimi ioni. 6.2 Enosmerna razelektritev z vročo katodo Enosmerna razelektritev z vročo katodo se v primerjavi s tlečo razelektritvijo odlikuje predvsem po stabilnosti razelektritve in relativno nizki napetosti, ki je potrebna za vzdrževanje plazme. Plazmo pogosto generiramo v vakuumski posodi, ki je narejena iz nerjavečega jekla in pomeni ozemljeno anodo, namesto katode imamo vrsto tankih žic iz volframa s torijem ali podobnega materiala z visoko termično emisivnostjo elektronov. Napetost med anodo in katodo je reda velikosti nekaj 10 V, kar je 100-krat manj kot pri tleči razelektritvi. Izvir primarnih elektronov ob katodi je termična emisija, za katero je potrebna visoka temperatura. Tovrstni način gene-riranja plazme je primeren le za inertne in reduktivne pline, kot so žlahtni plini Ar, Xe, He, Ne ter dušik in vodik. Oksidativni plini, kot so kisik ali mešanice plinov, ki vsebujejo kisik, na površini katode kemijsko reagirajo z volframom in tvorijo volframov oksid, ki odpari v vakuumski sistem že pri temperaturi 800 K. 6.3 Radiofrekvenčna razelektritev Pomanjkljivost enosmernih razelektritev je v tem, da za vzdrževanje plazme zahtevajo ob katodi primarni vir prostih elektronov. Zahtevi po primarnih elektronih se izognemo z uporabo visokofrekvenčnih (VF) generatorjev za vzbujanje plazme. če imamo frekvenco nihanja električnega polja večjo od 1 MHz, v razelektritveni komori sploh ne potrebujemo elektrod. Radiofrekvenčni (RF) generator priključimo kapacitivno ali induktivno na reakcijsko vakuumsko komoro. Pri kapacitivni sklopitvi se nabiti delci pri znižanem tlaku pospešujejo v električnem polju med ploščama kondenzatorja, pri induktivni pa v inducira-nem polju v tuljavi. Vsi VF-generatorji delujejo v območju od 1 MHz do nekaj gigahertzov (GHz), RF-generatorji pa tipično delujejo s frekvenco 13,56 MHz ali 27,12 MHz, ki sta mednarodno predpisani industrijski frekvenci za RF-območje. Teorija vzbujanja plazme z električnim poljem temelji na gibanju delcev v tem polju. Če imamo električno polje z amplitudo E0 in frekvenco to, je jakost električnega polja enaka: E = E„ cos ot (22) Enačba gibanja za nabiti delec, ki se giblje v smeri električnega polja, je: mx = eE cos o t (23) kjer je m masa in e naboj delca. Hitrost in amplitudo delca izračunamo z zaporednim integriranjem enačbe (23): . eE 0 x= sin o t x= mo eE0 mo cos o t (24) (25) Kinetično energijo delca izračunamo iz zgornjih enačb kot (1/2)mx2. Iz izračuna za največjo hitrost in energijo elektronov ter ioniziranih atomov ugotovimo, da pozitivni ioni kisika praktično ne čutijo vpliva električnega polja. To velja za različne jakosti RF-polja s frekvenco 27,12 MHz. Amplituda nihanja ionov je precej manjša od njihove povprečne proste poti (tabela 4). Njihova hitrost je manjša od povprečne hitrosti termičnega gibanja, zato je tudi njihova kinetična energija manjša od povprečne energije termičnega gibanja. Ta pri sobni temperaturi znaša 1/25 eV (slika 3). Če so energije delcev manjše od termične energije gibanja molekul pri sobni temperaturi, njihovo pospeševanje zanemarimo. Plazma, ki nastaja pri RF-razelektritvi, je tako zelo ugodna za nastanek atomarnih in vzbujenih vrst delcev, saj pri frekvenci 27,12 MHz dobimo zelo močno pospešene elektrone, medtem ko se ioni skoraj ne pospešujejo. Tabela 4: Primerjava izračunanih karakteristik nihanja elektronov in pozitivno nabitih atomov v RF kiskovi plazmi. E0 x/m x/(m s 1) Wk,maks/eV Elektroni 10 6,06-10-5 1,03-104 3,02-10-4 102 6,06-10-4 1,03-105 3,02-10-2 103 6,06-10-3 1,03-106 3,02 104 6,06-10-2 1,03-107 3,02-102 Kisikovi ioni O+, O 10 2,03-10-9 0,345 1,04-10-8 102 2,03-10-8 3,45 1,04-10-6 103 2,03-10-7 34,5 1,04-10-4 104 2,03-10-6 3,45-102 1,04-10-3 V nizkotlačnih RF-plazmah pozitivni ioni ustvarijo oblak pozitivnega naboja. Ta s svojim potencialom preprečuje difuzijo elektronov proti stenam razelek-tritvene cevi in s tem izdatno rekombinacijo na površinah sten. Prav zaradi tega so plazme, ki jih generiramo v RF-razelektritvah, stabilnejše od plazem Tabela 5: Povzetek in primerjava značilnosti posameznih plazem za različne vrste razelektritev (16) Razelektritev DC RF MV MV/ECR Frekvenca 27,12 MHz 2,45 GHz 2,45 GHz Tlak /mbar 0,1-10 0,1-2 0,1-2 10-4-0,1 Gostota ionov /m-3 1011-1015 1015-1017 1016-1018 1016-1019 Stopnja ioniziranosti 10-7 10-5-0,01 10-4-0,1 10-2-0,9 Energija elektrona /eV 100 «1 «5 «5 Velikost disociacije nizka velika velika velika Plazemski potencial /V > 100 1-300 << 20 < 20 100 10000 1000000 1E8 1E10 Frekvenca, v (<вШ) / Hz Slika 3: Prikaz kinetične energije v odvisnosti od frekvence v = шИп, s katero vzbujamo elektrone e ali kisikove ione O+ pri treh različnih jakostih električnega polja E0 (1, 100 in 104) V/m. v enosmernih razelektritvah. Difuzija pozitivnih ionov na stene razelektritvene komore je zaradi majhne kinetične energije počasen proces, zato lahko z VF-poljem vzbujamo plazmo tudi pri nizkih tlakih, kjer je prosta pot elektronov istega velikostnega reda kot dimenzije razelektritvene komore. 6.4 Mikrovalovna razelektritev S povečanjem frekvence elektromagnetnega polja, s katerim vzbujamo plin oz. plazmo, do področja gigahertzov (GHz), postane amplituda nihanja elektronov vse manjša (25), kar velja tudi za hitrost elektronov (24). Prosti elektron, ki niha v električnem polju v vakuumu, ne more akumulirati energije, saj je fazni premik med frekvenco polja in elektrona n/2. Elektron lahko v polju pridobi dovolj energije le v primeru, ko se pri več zaporednih prožnih trkih s težkimi delci zaporedoma spreminja njegova smer gibanja, tako da kar najbolje izkoristi električno polje. Tak primer je mogoč le pri razmeroma visokih tlakih, ko je povprečna prosta pot elektronov približno enaka amplitudi nihanja v električnem polju. Pri frekvenci polja 1 GHz je amplituda nihanja elektronov reda velikosti 0,1 mm. Ker je pri tlaku 103 Pa prosta pot elektronov prav tako 0,1 mm, je pri tej frekvenci to optimalni tlak za vzbujanje plazme. Pri teh pogojih je difuzija nabitih delcev na stene razelektritvene komore zaradi visokega tlaka počasen proces. Mikrovalovne (MV) razelektritve zato pogosto uporabljamo v primerih, ko želimo v majhnem volumnu generirati gosto plazmo pri razmeroma visokem tlaku. 6.5 Razelektritev v elektronsko-ciklotronski resonanci (ECR) Razelektritev v elektronsko-ciklotronski resonanci ali ECR omogoča generiranje plazme pri nižjih tlakih kakor z RF-razelektritvijo, plazma pa ima tudi večjo gostoto elektronov ter primerno večjo stopnjo ioniziranosti. Pri teh plazmah dodamo visokofrekvenčnemu električnemu polju magnetno polje, kjer nabite delce izpostavimo vijačenju okoli magnetnih silnic z Larmorjevim radijem , 1 l2W, rL = mu ± /eB = — J- eB v m kjer je m masa nabitega delca in u ± hitrostna komponenta delca pravokotna na magnetno polje in njena pripadajoča energija W±. Karakteristični parameter takega sistema je ciklotronska frekvenca ali t. i. Larmorjeva frekvenca wc = eB/m. Ta frekvenca elektronov, definirana z m = me, je v magnetnem polju 0,0875 T enaka 2,45 GHz in če za vzbujanje uporabljamo mikrovalove s frekvenco 2,45 GHz, dosežemo resonanco, ki lahko vzdržuje ECR-plazmo pri nizkem tlaku (p << 200 Pa). Prednost take plazme je povečana ionizacija plina z magnetnim ujetjem, zato ECR-izvire uporabljamo na širokem nizkotlačnem območju (tabela 5). Z magnetnim poljem torej predvsem povečamo gostoto elektronov v plazmi. 6.6 Kombinirane razelektritve Pogosto se pri plazmah, ki se uporabljajo v industrijske namene, uporabljajo kombinacije zgoraj opisanih razelektritev. Vsaka razelektritev ima namreč svoje prednosti in pomanjkljivosti. Pogosto se v mikroelektroniki za jedkanje fotorezistov(17,23) upo-rabljajta kombinacija visokofrekvenčne in enosmerne razelektritve. Z visokofrekvenčno razelektritvijo ustvarimo plazme izbrane gostote, z enosmerno napetostjo pa poskrbimo za primerno velik padec napetosti tik ob podlagi in s tem za ravno pravo kinetično energijo pozitivnih ionov, s katerimi jedkamo površino. V tabeli 5 so prikazane nekatere osnovne značilnosti prej omenjenih plazem in nekateri njihovi parametri, ki prikazujejo razliko med posameznimi tipi razelektritve, s katerimi to plazmo generiramo. Navedene so DC-razelektritev v območju katode, induktivna RF-, MV- s surfatronom in ECR-razelek-tritev. Parametri se med seboj zelo razlikujejo tudi glede dodatnih razelektritvenih načinov, kot so sklopitev, ozemljitev, vložena energija ipd. 7 SKLEP Nastanek termodinamsko neravnovesnih procesnih plazem je večinoma posledica močnega električnega polja, v katerem se prosti elektroni v plinu pospešijo in ob neprožnih trkih z atomi ali molekulami ionizirajo. Plazmo v splošnem opisujemo s tremi tipi modelov: s trajektorijami delcev, kinetično ali statistično teorijo ali na osnovi hidrodinamskega približka plina. Pomembni parametri, s katerimi opišemo plazmo, so gostota in energija delcev v plazmi, povprečna prosta pot, Debyeva dolžina in potencial plazme. Reakcije v plazmi določajo predvsem nastali elektroni, ki delujejo kot posrednik pri prenosu energije iz zunanjega polja v plin. Pri neprožnih trkih nastajajo nove vrste plazemskih delcev. Nastanki novih vrst plazemskih delcev pa so določeni z energijami elektronov in delcev ter z verjetnostjo za trk teh delcev, določeno s presekom za trk ali konstantami stopnje reakcije. Prenos energije v plin zagotovimo s primernim električnim in/ali magnetnim poljem. To ustvarimo s tlečo razelektritvijo, enosmerno razelektritvijo z vročo katodo, RF-, MV- in ECR-razelek-tritvijo ter drugimi kombiniranimi razelektritvami. Najbolj reaktivno kisikovo plazmo, včasih imenovano tudi nizkotemperaturna kisikova plazma, ki se največkrat uporablja v proizvodnjih procesih, generiramo z RF- ali MV-razelektritvijo. Literatura 1J. Strnad. Fizika 3 - Posebna teorija relativnosti, kvantna fizika in atomi, vol. 3. Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije, Ljubljana, 1992 2K. P. Huber and G. Herzberg. Molecular Spectra and Molecular Structure, volume IV Constants of Diatomic Molecules. Van Nostrand Reinhold Comp., New York, 1979 3J. Szekely and D. Apelian. Plasma Processing and Synthesis of Materials. North Holland, New York, 1984 4M. Morvova, I. Morva, M. Janda, F. Hanic and P. Lukae. Combustion and carbonisation exhaust utilisation in electric discharge and its relation to prebiotic chemistry. International Journal of Mass Spectroscopy, 223(1-3):613-625, 2003 5A.B. Murphy and T. McAllister. Modeling of the physics and chemistry of thermal plasma waste destruction. Physics of Plasmas, 8(5):2565-2571, 2001 6T. Watanabe and S. Shimbara. Halogenated hydrocarbon decomposition by steam thermal plasmas. High Temperature Material Processes, 7(4):455-474, 2003 7D. Kolman, J. Heberlein, and E. Pfender. A three-dimensional two-phase model for thermal plasma chemical vapor deposition with liquid feedstock injection. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 18(1):73-89, 1998 8R. Hippler, S. Pfau, M. Schmidt, and K.H. Schoenbach. Low temperature plasma physics, Fundamental aspects and applications. Wiley-VCH, Berlin, 2001 9J. Ziegler. Srim - the stopping and range of ions in matter, 2003. Koda-Program 10I. Cadež, R.I. Hall, M. Landau, F. Pichou, and C. Schermann. The influence of a thin gold film on vibrational excitation of hydrogen molecules. Journal of Chemical Physics, 106:4745-4755, 1997 11M. Kurepa and B. Cobič. Fizika i tehnika vakuuma. Naučna knjiga, Beograd, 1988 12A. Ricard. Reactive plasmas. Societe Francaise du Vide, Paris, 1996 13M. Mozetič. Vakuumska znanost in tehnika. Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Ljubljana, 2004 14J.D. Swift and M.J.R. Schwar. Electrical probes for plasma diagnostic. Iliffe Gooks, London, 1969 15I.B. Chapman. Glow discharge processes - Sputtering and plasma etching. John Wiley and Sons, New York, 1980 16M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg. Principles of plasma discharges and materials processing. Wiley Interscience, Hoboken, New Jersey, ZDA, 2 edition, 2005 17E. Meeks and P. Ho. Modeling plasma chemistry for microelectronic manufacturing. Thin Solid Films, 365:334-347, 2000 18A. Grill. Cold Plasma in Material Fabrication. IEEE Press, Piscata-way, NJ, 1993 19E. Stoffels, W.W. Stoffels, and G.M.W. Kroesen. Plasma chemistry and surface processes of negative ions. Plasma Sources Science Technology, 10:311-317, 2001 20Bond energies and bond lengths, 2004 21A.V. Phelps. Tabulation of cross section and calculated transport and reaction coefficients for electron collisons with O2. Technical report, University of Colorado, Boulder, ZDA, 1985 22Miran Mozetič. Interakcije vodikove plazme s površinami trdih snovi. Doktorska disertacija, Univerza v Mariboru, Ljubljana, 1997 23Demetre J. Economou. Modeling and simulation of plasma etching reactors for microelectronics. Thin Solid Films, 365:348-367, 2000 UPORABA PIEZOELEKTRIČNE KREMENOVE MIKROTEHTNICE Matjaž Fin{gar, Ingrid Milo{ev Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana POVZETEK Tehnika kremenove mikrotehtnice je osnovana na nasprotnem piezoelektričnem efektu. Piezoelektrični material začne vibrirati pod vplivom radiofrekvenčnega električnega polja. Resonančna frekvenca piezoelektrika je določena z maso vibrirajočega telesa. Prvi, ki je predstavil uporabo kremenovega kristala za mikroteh-tanje, je bil nemški znanstvenik Sauerbrey. Pokazal je, da se pri majhnih nanosih plasti na kremenov kristal spremeni resonančna frekvenca, sprememba pa je linearno odvisna od mase. Applications of Piezoelectric Quartz Crystal Microbalance ABSTRACT Quartz crystal technique is based on converse piezoelectric effect. Piezoelectric material starts to vibrate with the application of the rf electric field. The resonant frequency of piezoelectric is determined by the total mass of the vibrating body. The first one who demonstrated usage of the quartz crystal for micro weighting purposes was German scientist Sauerbrey. He showed that the addition of low mass films on quartz crystal shifts resonant frequency. Frequency shift versus mass is linear depended. kvadratnih centimetrih, џ je razteznostni koeficient kremena (2,95 ■ 1011 g cm-1 s-2) i^p je gostota kremena (2,65 g cm-3). Iz enačbe (1) je razvidno, da se pri povečanju mase na površini elektrode zmanjša resonančna frekvenca. Tako je mogoče zaznati tudi spremembo mase 1 ng cm-2 (takrat ne govorimo več o kremenovi mikrotehtnici, ampak o kremenovi nanotehtnici - QCN (angl. Quartz Crystal Nanobalance). Tehnika EQCM je zelo uporabna pri študiju adsorpcijskih procesov, kar pa je zanimivo pri študiju inhibicije korozije zaradi visoke občutljivosti za spremembo mase. Tako lahko dobimo takojšnjo informacijo o masi inhibitorja, ki se je adsorbiral ali kako drugače vezal na elektrodo. Hkrati z opazovanjem spremembe mase na elektrodi lahko opazujemo elek-trokemijske procese pri eksperimentih s kontroliranim potencialom in kontroliranim tokom.(2) 1 UVOD Za tehniko kremenove mikrotehtnice se v literaturi najpogosteje uporablja izraz QCM (angl. Quartz Crystal Microbalance) in v povezavi z elektrokemijskimi meritvami EQCM (angl. Electrochemical Quartz Crystal Microbalance). Z metodo EQCM lahko simultano merimo elektrokemijske parametre in spremembo mase na elektrodi. Mikrotehtnica je sestavljena iz kremenovega kristala, ki ga obdajata dve elektrodi v obliki sendviča, pri čemer je ena elektroda izpostavljena merjenemu mediju, druga pa je v notranjosti nosilca kristala. Najpogosteje sta elektrodi iz platine ali zlata. Ti dve kovini sta eni izmed redkih, pri katerih lahko pripravimo in vzdržujemo čisto površino.(1) Naloga elektrod je, da inducirata izmenično električno polje, ki povzroči mehansko oscilacijo kremenovega kristala (piezoelektrični efekt). Že majhna sprememba mase na elektrodi, ki je izpostavljena mediju, povzroči motnjo v reso-nančni frekvenci. Sprememba frekvence A/ je za majhne mase povezana s spremembo mase Am po Sauerbreyevi enačbi: A/ = - 2Amn/02 Sj/üp (1) kjer je n večkratnik osnovne frekvence in predstavlja nadton (angl. overtone number), /0 je osnovna reso-nančna frekvenca kremenovega kristala (pred spremembo mase na elektrodi), S je ploščina elektrode v 2 TEORIJA KREMENOVE MIKROTEHTNICE Resonančno frekvenco mehanskega vibrirajočega sistema določa poleg nekaterih fizikalnih parametrov celotna masa vibrirajočega telesa. Pri dodajanju ali odvzemanju določene snovi na vibrirajočo telo se tako spreminja njegova resonančna frekvenca. Ob izpolnjevanju določenih pogojev lahko ta fenomen izkoriščamo za določevanje mase. Vibrirajoči sistem moramo na neki način vzbuditi, po navadi to dosežemo na električen način. Frekvenca merilnega sistema mora biti povezana z vibrirajočim sistemom brez motenj in precizno določena v določeni časovni periodi. Sprememba frekvence zaradi spremembe mase vibrirajočega sistema mora biti večja, kot je sprememba frekvence zaradi nestabilnosti sistema, torej mora biti sprememba resonančne frekvence zaradi zunanjih vplivov (fluktuacije temperature, tlaka, zunanje mehanske napetosti, prisotnosti električnega in magnetnega polja) majhna v primerjavi s spremembo frekvence zaradi nanosa mase na vibrira-jočem telesu. Da bi lahko ta sistem povezali v neko analitsko tehniko, mora biti odvisnost spremembe frekvence od spremembe mase znana. Večino teh zahtev izpolnjujejo piezoelektrične kremenove ploščice s specifično kristalografsko orientacijo. Ti resonatorji so po navadi majhni, kemijsko stabilni in nimajo izrazite temperaturne odvisnosti v določenem temperaturnem intervalu. Če povežemo elektrode direktno s površino kremenove ploščice z ustreznim vezjem, dobimo oscilator, katerega reso- nančno frekvenco lahko merimo elektronsko. Tako lahko kremenove resonatorje uporabimo za detek-tiranje ekstremno majhnih sprememb mase pri različnih vrstah uporabe. Čeprav je možno narediti primerne resonatorje tudi iz drugih piezoelektričnih materialov, se le-ti danes ne uporabljajo pogosto zaradi ogromnega števila informacij, ki jih je možno pridobiti z uporabo kremeno-vega kristala, prav tako pa dosegljivost in nizka cena kremenovih ploščic ne spodbuja razvoja drugih materialov. Na drugi strani pa je videti, daje potencial uporabe kremenovih resonatorjev s točno določeno konfiguracijo ali kristalografsko orientacijo dosegel svoj vrhunec in se bo v prihodnosti z željo po še boljših lastnostih tega sistema treba ozirati tudi po drugih materialih. 3 PIEZOELEKTRIČNI EFEKT Leta 1880 sta Jacques in Pierre Curie odkrila, da mehanska sila na površini določenih kristalov (kremen, NaKC4H4O6, turmalin) povzroči električno polje v kristalu. Jakost tega polja je sorazmerna deformaciji kristala. Ta lastnost kristalov se imenuje piezoelektrični efekt, izhaja pa iz grške besede piezein, kar pomeni pritisniti. Le materiali, ki nimajo centra simetrije, imajo to lastnost. V acentričem kristalu imamo dipole zaradi določene orientacije atomov v kristalni rešetki. Napetost se generira v kremenovem kristalu zaradi premikov dipolov, ki so posledica uporabljene sile na kristal. Jakost in smer polja sta odvisni od orientacije dipolov in kristalne a) ÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖÖ b) Slika 1: Shematska predstavitev nasprotnega piezoelektričnega efekta za lateralno gibanje: a) kristal med elektodama, brez priključene napetosti in b) deformacija kristala zaradi indu-ciranega električnega polja. površine. Za tehniko QCM pa se uporablja tako imenovani nasprotni piezoelektrični efekt, kjer se kristal deformira zaradi vpliva električnega polja (slika 1). 4 PIEZOELEKTRIČNI KREMENOVI RESONATORJI 4.1 Načini vibracije Piezoelektrični kremenov resonator je precizno izrezana ploščica iz naravnega ali sintetično pridobljenega kremenovega kristala. Elektrode, ki so pritrjene na kremenov kristal, so povezane z virom izmenične napetosti. Zunanje električno polje inducira v piezoelektričnem materialu mehansko napetost in kristal začne vibrirati. Kot vse mehanske strukture ima lahko kremen več načinov vibracije. Ploščica v obliki pravokotnika ima na primer tri različne načine: longitudialno (raztezno), lateralno (strižno) in torzij-sko. Sistem lahko vibrira tudi pri nadtonih osnovne frekvence. Za aplikativno rabo želimo največkrat en način brez drugih načinov vibracije. To lahko dosežemo z izrezom kremenove ploščice iz kremenovega kristala s specifično kristalografsko orientacijo in primerno obliko. Prav tako lahko na način vibracije kremenove ploščice vpliva nosilec za kristal in oscila-cijsko vezje. 4.2 Kristalografska orientacija Način vibracije, ki je najbolj občutljiv za dodajanje ali odvzemanje mase na kremenov resonator, je oblika lateralnega načina (angl. thickness-shear mode, TS). S slike 2 je razvidno, da sta obe glavni ravnini antino-dalni. S to konfiguracijo je mogoče zavreti vse druge neželene načine vibracije. Za dosego vibracije kremenove ploščice v tem načinu mora biti ploščica iz kremena izrezana s točno določeno konfiguracijo glede na kristalne osi. Na sliki 3 sta prikazana izreza ploščice iz kristala, ki ima točno določene ravnine glede na rotacijo okrog Y-osi. Enorotacijski izrez pri kotu 35° 15' označimo kot AT-rez (angl. AT-cut), izrez pri kotu 49° pa kot BT-rez (angl. BT-cut). t * 1 Slika 2: Osnovna vibracija v lateralnem (angl. thickness-shear, TS) načinu a) ч 35015' b) c) Z Y XXX Slika 3: Shematski prikaz a) AT-reza, b) določitve osi kremenovega kristala in c) BT-reza Majhna sprememba orientacije kremenove ploščice glede na kristalografske osi ne spremeni načina vibracije, spremeni se le vpliv temperature in napetosti na resonančno frekvenco. Uporaba ploščice z AT-rezom pri eksperimentih s kremenovo mikro-tehnico je zelo pogosta, ker se osnovna frekvenca s temperaturo zelo malo spreminja (v območju okrog sobne temperature je frekvenca praktično neodvisna od temperature). 4.3 Nadomestno vezje Kremenov kristal je za svojo uporabo, kot detektor za spremljanje majhne spremembe mase povezan z osciloskopom, ki vzbuja kristal z resonančno frekvenco. To si lahko poenostavljeno predstavljamo, da kristal vzbudimo s frekvenco, ki je malenkost večja od resonančne, nato pa kristal preide v resonanco. Hkrati ko kristal preide v resonanco, osciloskop pomeri frekvenco. Ob predpostavki osnovne vibracije (brez vseh drugih neželenih načinov vibracije) lahko piezoelektrični kremenov resonator, ki je v bližini resonance, predstavimo s preprostim nadomestnim električnim vezjem, kot je prikazano na sliki 4. Gibalna kapaci-tanca C pomeni mehansko elastičnost vibrirajočega telesa. Gibalna induktanca L je merilo za vibrirajočo maso. Nadomestna upornost R pomeni izgubo celotne mehanske energije zaradi notranjega trenja, zunanjega medija in nosilca kristala. Vzporedna kapacitanca C0 (angl. shunt capacitance) pomeni motečo kapacitanco (zaradi vzbujevalnih elektrod) in porazdeljeno kapaci-tanco (posledica nosilca kristala). Da bi sistem prešel v resonanco, mora biti celotna impedanca kremenovega resonatorja samo posledica upora. Pri tem se pojavita dve frekvenci: /.=-J - 2n\ LC fp 2 n"V LC + LC 0 1 R2 + R (3) Frekvenco fs imenujemo zaporedna (angl. series) in frekvenco fp vzporedna (angl. parallel). Za tipični kremenov resonator velja, da je 1/LC0 > (R/L)2 in C/C0 << 1. Enačbo (3) po navadi zapišemo bolj splošno: fp= 1 24lč 1 + C_ C = fs o / 1 + C C (4) o / Kremenov resonator za mikrotehtanje deluje v zaporednem frekvenčnem načinu (vpliv paralelne frekvence je zanemarljiv). Iz enačbe (2) je razvidno, da fs ni odvisen od C0, to je elektrod in nosilca. Masno občutljivost kremenovega kristala lahko predstavimo kot motnjo gibalne induktance L. Povečanje ali zmanjšanje mase resonatorja vodi do spremembe L. Glede na enačbo (2) bo sprememba mase vodila do spremembe frekvence. Ta modelna interpretacija pomeni delovanje kremenovega resonatorja, vendar ni uporabna v kvantitativne namene, ker sta parametra L in C v nadomestnem vezju težko natančno določljiva. Tako lahko nadomestno vezje uporabljamo le za načrtovanje in razumevanje delovanja kremenovega resonatorja. Za kvantitativno analizo spremljanja spremembe frekvence v odvisnosti od mase je potrebna fizikalna razlaga piezoelektričnih resonatorjev. Slika 4: Nadomestno vezje kremenovega resonatorja Z 5 FIZIKALNA RAZLAGA PIEZOELEKTRIČNE KREMENOVE MIKROTEHTNICE 5.1 Nanos plasti majhne mase Možnost uporabe piezoelektričnega kremenovega resonatorja za določevanje mase je prvi prikazal Sauerbrey (3). Princip delovanja je mogoče razložiti z idealnim fizikalnim sistemom (slika 5). Za neomejen kremenov kristal, ki vibrira v TS-načinu, velja naslednja enačba: A q = 2x q (5) pri čemer je xq debelina kremenove ploščice, Aq pa je valovna dolžina elastičnega vala. Iz enačbe za hitrost elastičnega vala vq (vq = fq • Aq) dobimo: fq = 2x„ (6) dx q dfq fq 2 x q dx q (7) Torej pride pri infinitezimalni spremembi debeline do infinitezimalne spremembe resonančne frekvence. a) kremen mq dm„ b) kremen mq L Xq T 14 Xq I dx plast mf A Xf c) kremen m q r Vse lahko pretvorimo tudi v spremembo mase kremena mq. Dobimo: fq dm„ m Sauerbrey je prvi predpostavil, da lahko spremembo mase kremena tretiramo kot spremembo zaradi dodatka neke druge snovi (slika 5c): dfq __ dm fq mq (8) Če to enačbo odvajamo po debelini kremenove ploščice, dobimo: dfq U q kjer je dm infinitezimalna sprememba mase neke snovi, ki je enakomerno porazdeljena na kremenovem kristalu. Sauerbreyeva enačba je torej veljavna samo v primeru dodatka poljubne, vendar majhne mase določene snovi. Če diferenciale pišemo kot majhne razlike, lahko enačbo (8) zapišemo kot: fc fq fq m m (9) Simbol fc pomeni resonančno frekvenco kreme-novega kristala z določeno naneseno plastjo. Pri tem je treba omeniti, da ima ta formula omejitve, saj matematično ni natančna, elastične lastnosti nanesenega materiala so različne od kremena, debelina tehničnega kremena je končna, po navadi pa je tudi površina, na katero se nanaša določen material, manjša od površine celotnega kristala. Če definiramo spremembo frekvence Af kot razliko frekvenc po nanosu in pred njim določene snovi na kremenov kristal (fc - fq) in pišemo namesto mq = (vqpqS)/(2fq), dobimo tako imenovano Sauer-breyevo enačbo: Af = 2 fq2 m f SPq U q (10) Slika 5: Poenostavljen model delovanja kremenove mikro-tehnice: a) v resonanci je valovna dolžina enaka dvakratni debelini kremenove ploščice, b) povečanje debeline kremenove ploščice vodi do zmanjšanja resonančne frekvence (poveča se valovna dolžina elastičnega vala) in c) masa nanesene plasti neke snovi se predpostavi kot ekvivalentna masa kremenovega kristala. Ta enačba velja za vibracijo pri prvem nadtonu, kristal pa lahko vibrira tudi pri višjih nadtonih. Da bi dobili splošno enačbo, je treba enačbo (10) pomnožiti z n (n =1,2,3..., n pomeni zaporedno številko nadtona). Za hitrost elastičnega vala, ki se širi po kremenu, pa lahko zapišemo vq = џЈр^. Če upoštevamo vse te faktorje, dobimo splošno Sauerbreyevo enačbo (1), ki velja za vibrirajoči kristal v TS-načinu. Enačbo (1) lahko zapišemo v poenostavljeni obliki: Af = - K • m f (11) pri čemer je K masna občutljivost kremenove mikro-tehtnice. Za AT-rez kremenovega kristala je pq = 2,650 g/cm2, vq = 3340 m/s. Masna občutljivost sistema, ki vibrira pri prvem nadtonu in S =1 cm2, je 56,5 MHz g-1 (tak sistem torej zazna pri spremembi frekvence 1 Hz spremembo mase 17,7 ng, frekvenco pa je možno meriti brez večjih težav na 0,1 Hz natančno). U q x q X q Ustreznost enačbe (1) je Sauerbrey prikazal s kristalom (AT-rez), ki vibrira pri 14 MHz. Pri naneseni masi 20 ^g/cm2 je bila relativna napaka glede na teoretično vrednost manj kot 2 %. Čeprav se eksperimentalni podatki dobro ujemajo z Sauerbreyevo enačbo, pa je bilo treba razložiti, zakaj je možno spremembo mase kremena nadomestiti s spremembo mase nekega drugega materiala. Tega se je lotil Stockbridge,(4) ki je uporabil teorijo motenj (Rayleighevo analizo). Predpostavil je, da dodana masa ne vpliva na količino energije, ki jo prejme vibrirajoči sistem. To z drugimi besedami pomeni, da se akustični val ne širi v plast, ki je naložena na kremenovo ploščico. Frekvenca za enodimenzionalen vibrirajoči sistem, s katero sistem vibrira in je nastala zaradi motnje (dodatek plasti na kremenovo ploščico), je po Reyleighevi analizi: Г ( 2 2 mf mf fc2 = f211 - 2^ + 3 ' mq m q v q y 1 - ...I J (12) Vzamemo samo prve tri člene na desni strani enačbe in dobimo: fq fc (fq fc ) fq 2 f2 m f m 2 mf m q v q y (13) Zanemarimo člene drugega reda (mf<< mq in fq -fc<< fq) in dobimo znano Sauerbreyevo enačbo (9): fc fq fq m mq (14) Resonančna frekvenca kremena (brez kakršnekoli naložene plasti) je odvisna od njegovih elastičnih lastnosti, pri tem pa je presenetljivo, da bi prišlo do spremembe frekvence zaradi nanosa nekega materiala, katerega elastične lastnosti ne bi imele vpliva. Stockbridgeva teorija je sicer matematično natančna, vendar premalo fizikalno potrjena. Miller in Bolef sta se najprej ukvarjala (še preden sta se lotila razlage spremembe frekvenc kremenovemga kristala) z akustično analizo sestavljenega resonatorja(6), ki je prikazan na sliki 6. Sistem sta zasnovala podobno kot njuna predhodnika, Sauerbrey in Stockbridge (zanemarila sta vpliv elektrod, ki generirajo radiofrekvenčno napetost). Predpostavila sta piezoelektrično generiran konti-nuiren akustični val frekvence fc, ki se širi kot dušen val od spodaj (x = 0) v smeri proti naneseni plasti. Pri stičišču x = xq se val delno odbije, del pa se prenese naprej po naneseni plasti. Koeficient hitrosti odbitega in prenesenega vala sta definirala kot rq_f = (Zq-Zf)/(Zq+Zf) in t^f = 2Zq/(Zq+Zf), kjer sta Zq = Vq • Pq in Zf = vf pf karakteristični akustični impedanci za kremen in naneseno plast. Prav tako sta še definirala, da je rq_f = - f q, ter predvidevala totalni odboj vala pri x = 0 in x = xq + xf. S predpostavko, da so akustične izgube zanemarljive, sta Miller in Bolef za niz reso-nančnih frekvenc fc predpostavila enačbo (15): 2 r cos ( f V ff J cos ( 2f Л f V Јч / + Razlaga Stockbridga je veljavna le za zelo tanke nanose, pri debelejših plasteh pa ne pride v poštev, saj bi morali upoštevati člene višjih redov. Miller in Bolef5' sta izbrala drugačen način in obravnavala kremenov kristal z naloženo plastjo kot sestavljen resonator, tako da se akustični val širi v to plast, kar pa je protislovno po Stockbridgevi teoriji. Predvidevala sta, da bi morali pri nanosu nekega materiala upoštevati tudi njihovo gostoto namesto gostote kremena (enačba (10)). +(1 + r2) 1 - cos ( 2nf Л f V J q 7 • cos ( 2f Л ff + (15) +(1 - r2 )sin (f f \ J4 J sin ( Л ff = 0 kjer je fq = ff = 2x q 2 x f in r koeficient hitrosti odboja. Pred nanosom plasti (xf= 0) dobimo zaff = oo. Tako so kosinusni členi, ki vsebujejo ff, enaki 1, sinusni členi pa 0 in iz enačbe (15) odpadejo. Iz tega dobimo prejšnjo poenostavljeno enačbo: Zf ш Л \/\ plast { 1 Xf A\ A \ ■ 1 'Ar Xq / v V ■ ' X = Xq+X f ----X = 0 Slika 6: Shematski prikaz interferenc akustičnih valov za akustični sestavljeni resonator iz kremenovega kristala debeline xq in nanesene plasti debeline xf. Smer širjenja valov je pravzaprav pravokotna glede na obe horizontalni ravnini. (1 + r )2 1 - cos ( Л f V Јч = 0 Ker r ne more biti -1, pomeni da mora biti drugi člen enak 0, to pa je ravno takrat, ko je fc= nfq (n = 1, 2, 3 ...). Ugotavljamo, daje takrat fc enaka frekvenci izoliranega kremenovega kristala. To potrjuje veljavnost enačbe (15). Pri r =1 (Zf= 0) ima enačba (15) rešitev fc = fq za poljubno vrednost xf, to pomeni, da ne pride do u u q širjenja akustičnega vala v naneseno plast in se frek venca resonatorja ne bo spremenila. Predpostavimo, da resonator na začetku vibrira pri frekvenci /q in da je Д/ = /c - /q zaradi nanesene plasti, ter definirajmo parameter d = (qfxf)/(qqxq) (zaradi praktičnih razlogov vzamemo, da je <5 << 1) Potem lahko (5 zapišemo kot: (1 - T) /q б = (1 + r) /f (16) Če vstavimo za r = (Zq - Zf)/(Zq + Zf) in celotno enačbo pomnožimo z (Zq + Zf), dobimo (upoštevamo še, da je mf = pf xf S, pri čemer je S ploščina površine, na katero se nanaša plast): б = (Zq + Zf) - (Z, - Zf) /q 2Zf (Zq + Zf) + (Zq - Zf) /f 2Zq /f 2 /q 2U f Pf 2X f / 2U q Pq U f б= P q U q S m (17) sin X = X X X — + — 3! 5! X 7! ,6 + sin "2/ Л /f cos 2n/č V /f J f \ /f 1 - -1 2 2 n/c V /f J 2 (18) (19) sin 2 n /c- /q = sin q = sin 2 n 2 n^-- . /q ./c ./q 2 n /q cos ^2/ ^ /q q / 2 n /c /q /q (20) = cos q = cos /c 2 /q 2 n /c /q /q ■2 n 1 -1 2 2n /c /q /q (21) Če vstavimo enačbo (16) v enačbo (15) in hkrati upoštevamo približke (18)-(21), pridemo do: ( /c - /q )2 + 2 б/c ( /c - /q ) + б 2 /c2 = 0 (22) Rešitev te enačbe pa je: /c = /q 1 + б (23) Enačba (15) je izražena v implicitni obliki in pomeni niz premaknjenih frekvenc sestavljenega resonatorja. Enačbo želimo rešiti in jo v ta namen najprej poenostavimo. Pomagamo si z razvojem sinusa in kosinusa v Taylorjevo vrsto: Prej smo predpostavili, da je б majhen, zato lahko pišemo (za majhne y velja, da je 1/(1 + y) = 1 - y + +y2 - y3 + ... Т+б -' - б Za frekvenco /c torej dobimo: /c = /q(1 - б) (24) Če sedaj vse skupaj združimo v želeno spremembo frekvence /, pridemo tudi na matematičen način do Sauerbreyeve enačbe, ki seveda velja za prvi nadton: A/ = /c - /q = /qd - б) - f = /q - f б - /q = 2 /q2 m f P q U q S (25) cos X = 1 - — + X— — + ... 2! 4! 6! Člene od tretje potence naprej zanemarimo; za majhne X bo torej veljalo sin X ~ X, cos X ~ 1 - X2/2. Vemo, daje/c//f<< 1, zato: 2 n/c Po drugi strani razmerje /c//q ni majhno, je pa majhno razmerje (/ - /q)//q, ki ga lahko vstavimo v sinus in kosinus namesto razmerja /c//q, saj sta kotni funkciji periodični z 27i: /c Z določenimi poenostavitvami torej Miller-Bole-fova teorija potrjuje Sauerbreyevo enačbo. Ta velja za enodimenzionalni model, komplicirani matematično-fizikalni efekti, kot so vstavitev kristala v nosilec kristala, temperatura, hidrostatski in atmosferski tlak ter upoštevanje vibracij v treh dimenzijah, so vključeni v členih višjega reda enačbe (15). Ti efekti pri nanosih plasti majhne mase nimajo pomembnega vpliva na veljavnost Sauerbreyeve enačbe. 5.2 Nanos plasti večje mase Za nanose plasti manjše mase (mf << mq) se torej da na več teoretičnih načinov prikazati frekvenčno-masno odvisnost. Uporaba teh enačb za nanos plasti večjih mas nas lahko privede do pomembnih napak, ki jih ni možno kvantitativno določiti. Iz enačbe (11) je razvidno, daje občutjivost K proporcionalna kvadratu resonančne frekvence kremena/q pred nanosom plasti. Če je K konstanten, je sprememba frekvence linearno odvisna od spremembe mase. Vemo, da resonančna frekvenca pada z maso plasti, zato bi pri uporabi enačbe (11) tudi občutljivost K s spremembo mase padala. Behrndt in Love(7,8) sta za nanos večjih mas namesto enačbe A/ = - K • mf, kjer je K = 2/q2/(pquqS), uporabila korigirano enačbo, pri čemer sta frekvenco /q nadomestila z /c (/ = /q- d/): A/ = - K' mf 2 /c2 K' = P q U q S (26) To enačbo sta Behrndt in Love zapisala z diferenciali: Pq U q S „ dmt = —rr^d/c 2 /: in integrirala: mf J ^ =- ^ ) Ј^ 0 /q / c (27) (28) Dobimo: Pq U q S mf = ■ 1___1 f f cq ali dmf =C'dt (29) Če to izrazimo z gostoto in debelino plasti, dobi enačba (29) obliko: pfx f Pq U q S 11 f f J c J q (30) q Člena 1/fc in 1/fq pomenita periodi oscilacije rc in rq kremenovega resonatorja z naneseno plastjo in brez nje. Enačbi (29) in (30) sedaj podajata linearno odvisnost mase in debeline nanesene plasti od periode oscilacije. Konstanta C' je sedaj neodvisna od debeline nanosa plasti (ne zajema člena za frekvenco). Tako je torej bolj primerno uporabljati instrumen-tacijo, ki meri periodo oscilacije namesto spremembo frekvence. Eksperimentalno je bilo dokazano,(7) da je enačba (30) bolj točna kot enačba (10) tudi pri spremembi frekvence fq do 10 %. Kljub eksperimentalno bolj trdno podprti enačbi (30) pa je s teoretičnega stališča še vedno dvomljiva, saj še vedno vsebuje zamenjavo mase kremena z maso nanesene plasti, tako da se Behrndt-Lovovo enačbo lahko obravnava le kot empirično. Prav tako je ta enačba dvomljiva z matematičnega stališča, saj se pri izpeljavi enačbe (27) do diferencialne oblike enkrat upošteva df kot infinitezimalno spremembo frekvence, drugič pa ta člen pomeni dejansko spremembo frekvence. Lu in Lewis(10) sta za svojo razlago nanosa plasti večjih mas uporabila Miller-Bolefovo enačbo (15), ki sta jo preoblikovala v preprostejšo obliko: tan / \ nfc f \ J ч ; PfU f Pq U q tan f -c \ f V ff J (31) Izpeljava te enačbe je naslednja: Da bi malo olajšali pisanje v enačbi (15), vstavimo nf nf —- = F in —- = Q ter dobimo: ff fq 2r[cos2 F - sin2 F - cos2 Q + sin2 Q] + +(1 + r2 )[1 - (cos2 Q - sin2 Q)(cos2 F - sin2 F)] + +(1 + r2) • 4 sin Q cos Q sin F cos F = 0 Formula za dvojne kote pravi, da je cos(2a) = cos2 a - sin2 a = 2 sin2 a - 1, zato lahko za prvi in drugi člen zapišemo: 2r(2 cos2 F -1 - 2 cos2 Q +1) = 4r cos2 F - 4r cos2 Q 1 - (cos2 Q - sin2 Q)(cos2 F - sin2 F) = 1 - (2 cos2 Q - 1)(2cos2 F - 1) = 1 - 4cos2 Qcos2 F + 2 cos2 Q + 2 cos2 F - 1 = 2 cos2 Q + 2 cos2 F - 4 cos2 Q cos2 F Potem dobimo: 4r cos2 F - 4r cos2 Q + 2(1 + r2) cos2 Q + + 2(1 + r2) cos2 F - 4(1 + r2)cos2 Qcos2 F + 4(1 + r2 )sin Q cos Q sin F cos F = 0 2(1 + r )2 cos2 F + 2(1 - r)2 cos2 Q + 4cos Q cos F • • [(1 - r)2 sin Q sin F - (1 + r)2 cos Q cos F] = 0 1 -2-2— in upošte- 2 cos2 F cos2 Q Cel izraz pomnožimo z 1 vamo, da je = 1 + tan2 a: cos 2 a (1 + r)2(1 + tan2 Q) + (1 - r)2(1 + tan2 F) + 2(1 - r2 )tan Q tan F - 2(1 + r2) = 0 Sedaj odpravimo oklepaje: (1 + r)2 + (1 - r)2 - 2(1 + r2) + (1 + r)2 tan2 Q + + (1 - r)2 tan2 F + 2(1 + r)(1 - r2 )tan Q tan F = 0 Ugotavljamo, daje: (1 + r)2 + (1 - r)2 - 2(1 + r2) = 0 Člene, ki ostanejo, pa lahko zapišemo: [(1 + r)tanQ + (1 - r)tanF]2 = 0 Kvadrat števila je 0, ko je število samo enako 0: (1 + r )tan Q + (1 - r )tan F = 0 Za člene (1 + r) in (1 - r) pišemo: 1 + r = 1 + 1 - r = 1 - Z q - Z f 2 Z q Z q + Z f Z q + Z Z q - Z f 2 Z f Z q + Z f Z q +Z f in dobimo: 2Z Z q + Z f tan Q + 2Z Z q + Z f tan F = 0 Z q + Z f Enačbo pomnožimo z-in dobimo: Zq tan Q + Zf tan F = 0 nf Sedaj pa vstavimo še za simbola —- = F in ff nf —- = Q ter zvezo za akustične impedance Zq = vqpq in fq Zf = vfpf ter dobimo enačbo, ki stajo predpostavila Lu in Lewis. tan z \ f f \ Jq ; / r \ f q " q V ff У Pf U f Pq U tan fc - f Za nanose majhnih mas velja, da je —-- << 1 in fq fc — << 1. Za tangens velja, da je periodična funkcija s ff n, ter da za majhne x velja tan x = x. Potem lahko zapišemo: tan / \ f f \ J q = tan --n f \ J q = — tan fc - f,) ^ fq П( fc — fq) fq tan / /■ \ Пј ff f ff in jo vstavimo v enačbo (31): fc — fq PfU f fc fq P q U q ff Enačbo (32) preoblikujemo: fc, = 1 . PfUf fc fq P q U q ff (32) (33) f fq 1 + Pf X f Pq X qy 4—1 (34) plast 3 xG plast 2 xf2 plast 1 xfl i QCM i xq i Ce vzamemo, da je razmerje fc/ff majhno (za majhne x velja, (1 + x)-1 ~ 1 - x in zamenjajmo še v/ff = 2xf in vjfq = 2xq, dobimo: Ugotavljamo, da je sedaj enačba (34) enaka enačbi (30). Dejstvo je, da je enačba (31) brez kakršnihkoli poenostavitev pri enakih akustičnih impedancah (pflf = pqlq) enaka enačbi (30). Iz tega lahko sklepamo, da je enačba (30) natančna le v primeru nanosa kremena na kremenov resonator. Tako sta Lu in Lewis tudi teoretično potrdila enačbo, ki sta jo predpostavila Behrndt in Love. Za enačbo (33) se prav tako da enostavno pokazati, da je enaka enačbi (10) (Sauerbreyeva enačba). Ker ima večina materialov gostoto le za en velikostni red višjo od kremena, velja Sauerbreyeva enačba samo za xf << xq. Lu in Lewis sta torej pokazala, da s privzeto Miller-Bolefovo teorijo predpostavljena enačba (31) zajema Sauerbreyevo teorijo v primeru nanosa Slika 7: Kremenov resonator z naloženimi več različnimi plasti majhnih mas in enačbo Behrndt-Love za merjene periode oscilacije. Lahko bi rekli, da sta predpostavila splošno enačbo za spremljanje nanosa mase plasti na kremenovo ploščico in da so vse prejšnje izpeljave (razen Stockbridgeva) limitni primeri enačbe (31). V svojem delu sta pokazala,(10) da je možno meriti spremembo mase z instrumentacijo za merjenje periode oscilacije in uporabo enačbe (31) do spremembe frekvence fq za 20 % s 5-odstotno relativno napako za nanose bakra in srebra. Predpostavila sta, da je odmik od enačbe (31) posledica akustičnih izgub. Pri nanosih več različnih plasti, kot je prikazano na sliki 7, na kremenovo ploščico, enačba (31) ne drži več. Teoretično je sicer možno razširiti razlago enodimenzionalnega sestavljenega resonatorja z različnimi fizikalnimi lastnostmi, vendar matematična analiza z vsako novo plastjo postane izredno zapletena. Takšna analiza je bila z uporabo računalnika sicer narejena,(11) ampak se uporablja le za akademske razlage. 6 SKLEP Lahko bi rekli, daje imel Sauerbrey v svoji enačbi s predpostavko majhne spremembe mase kremena s spremembo mase poljubne snovi na kremenovem oscilatorju kar precejšno srečo, daje ta veljavna, saj s fizikalnega stališča ni sprejemljiva. Kasnejša razlaga Behrndta in Lova je eksperimentalno bolj podprta, vendar še vedno vsebuje Sauerbreyeve predpostavke, hkrati pa prav tako ni matematično natančna. Ključno vlogo pri študiju vibracije kremenovega kristala za uporabo mikrotehtnice bi lahko pripisali Miller-Bolefovi teoriji piezoelektrikov. To teorijo sta kasneje razširila Lu in Lewis ter izpeljala splošno enačbo, ki velja tako za nanose majhnih kot večjih mas. Za vse prejšne primere pa sta pokazala, da so le limitni primeri njune teorije. Literatura 1L. Huang, P. Zeppenfeld, J. Chevrier, G. Comsa, Surf. Sci., 352-354 (1996), 285-289 2M. R. Deakin, H. Byrd, Anal. Chem., 61 (1989), 290-295 3G. Z. Sauerbrey, Z. Phys., 115 (1957), 206 4C. D. Stockbridge, in K. H. Behrndt (Ed.), Vacuum Microbalance Techniques, Plenum Press, New York, 1966, str. 193 5J. G. Miller, D. I. Bolef, J. Appl. Phys., 39 (1968), 5815-5816 6J. G. Miller, D. I. Bolef, J. Appl. Phys., 39 (1968), 4589-4593 7K. H. Behrndt, Trans. 7th Nat. Vacuum Symp., 1960, Pergamon Press, London, 1961, str. 137 8K. H. Behrndt, R. W. Love, Vacuum, 12 (1962), 1 9K. H. Behrndt, J. Vac. Sci. Technol., 8 (1971), 622-626 10C. Lu, O. Lewis, J. Appl. Phys., 43 (1972), 4385-4390 11J. S. Heyman, W. E. Miller, J. Vac. Sci. Technol., 15 (1978), 219 NAVODILA AVTORJEM NAVODILA AVTORJEM PRI PRIPRAVI PRISPEVKOV ZA STROKOVNI ČASOPIS VAKUUMIST Vakuumist je časopis, ki objavlja originalne in pregledne članke s področja vakuumskih znanosti, tehnike in tehnologij, vakuumske metalurgije, tankih plasti, fizike površin trdnih snovi in nanostruktur, analitike površin, fizike plazme in zgodovine vakuumske znanosti in tehnologij. Znanstveni in strokovni prispevki so recenzirani. Prispevki morajo biti napisani v slovenskem jeziku, naslov članka in povzetek pa v slovenskem in angleškem jeziku. Ce je članek sprejet (po recenzentovem in lek-torjevem pregledu), avtor vrne popravljen članek uredniku Vakuumista. PRIPRAVA ROKOPISA Prispevek naj bo napisan v enem od bolj razširjenih urejevalnikov besedil (npr. Word for Windows) ali temu kompatibilnem programu (tekst, urejen s programom LaTeX, ni zaželen). Ce avtor uporablja kakšen drug urejevalnik, naj ga konvertira v navaden format ASCII. Celoten rokopis članka obsega: • naslov članka (v slovenskem in angleškem jeziku) • podatke o avtorjih (ime in priimek, brez akademskega naziva, ime in naslov institucije) • povzetek v slovenskem in angleškem jeziku (največ 250 besed) • besedilo članka v skladu s shemo IMRAD (uvod, eksperimentalne metode, rezultati in diskusija, sklepi) • slike (risbe, fotografije), ki naj bodo priložene posebej • tabele, preglednice z nadnapisi • podnapise k slikam • pregled literature Obvezna je raba merskih enot, ki jih določa Odredba o merskih enotah (Ur. l. RS št. 26/01), tj. enot mednarodnega sistema SI (glej prispevek: P. Glavič: Mednarodni standardi -Veličine in enote (ISO 31-0 do 31-13), Vakuumist, 22 (2002) 4, 17-22). Enačbe se označujejo ob desni strani besedila s tekočo številko v okroglih oklepajih. ILUSTRACIJE Crno-bele ilustracije (risbe, diagrami, fotografije) morajo biti oštevilčene, priložene posebej. Crkovne oznake na diagramu naj bodo take velikosti, da je po pomanjšavi na širino enega stoplca (7,9 cm) velikost številk in (velikih) črk od 1,2 do 2,4 mm. Diagrami in slike naj bodo v formatih BMP, TIF ali JPG. Za risanje naj bo po možnosti uporabljen CorelDraw. Kvaliteta slikovnega gradiva mora biti dovolj visoka, da omogoča neposredno reprodukcijo. LITERATURA Literaturni viri so zbrani na koncu članka in so oštevilčeni po vrstnem redu, kakor se pojavijo v članku. Vsak vir, ki mora biti popoln (okrajšave ibid., idem., et al., etc. niso dovoljene), mora biti opremljen s podatki, ki omogočajo bralcu, da ga poišče. Knjige, periodične publikacije, deli knjig, članki v periodičnih publikacijah, patenti, članki in drugi prispevki v elektronski obliki morajo biti citirani kot npr.: • Monografije Zgled: S. Južnič, Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Ljubljana, 2004, str. 203 • Clanki v periodičnih publikacijah Zgled: M. Cekada, P. Panjan, Vakuumist, 24 (2004) 4, 4-10 • Prispevki v zbornikih posvetovanj Zgled: P. Panjan: Novejši razvoj PVD trdih zaščitnih prevlek za zaščito orodij in strojnih delov, Zbornik posvetovanja Orodjarstvo, Portorož, 2003, 121-124 • Clanki in drugi prispevki v elektronski obliki Zgled: P. Panjan, M. Cekada, B. Navinšek. Surface and Coatings Technology [online], 174-175, 2003, 55-62, dosegljivo na domači strani: http://www.sciencedirect. com/ AVTORSKE PRAVICE Avtorji prispevka so v celoti odgovorni za vsebino objavljenega sestavka. Z objavo preidejo avtorske pravice na izdajatelja. Pri morebitnih kasnejših objavah mora biti periodična publikacija Vakuumist navedena kot vir. Uredništvo periodične publikacije Vakuumist: • odloča o sprejemu članka za objavo • poskrbi za strokovne ocene in morebitne predloge za krajšanje ali izpopolnitev prispevka • poskrbi za jezikovne popravke Rokopise pošljite na naslov: dr. Peter Panjan glavni in odgovorni urednik Vakuumista Institut "Jožef Stefan" Jamova 39 1000 Ljubljana, Slovenija elektronska pošta: peter.panjan@ijs.si tel.: (01) 477 32 78 faks: (01) 251 93 85 POSPESEVALNIKI IN TANKE PLASTI V SENCI (JUGO)SLOVENSKE A-BOMBE (ob 55-letnici poimenovanja Instituta "Jožef Stefan" dne 24. 5. 1952) Stanislav Južnic Inštitut za matematiko, fiziko in mehaniko, Jadranska 19, 1000 Ljubljana POVZETEK Opisujemo manevriranje slovenske znanstvene politike Peter-linovih dni, ki je v senci prizadevanj za bombo razvijala druge, pogosto dovolj neodvisne panoge znanosti, med njimi pospeše-valnike in tankoplastne tehnologije. Peterlinovo u~inkovitost primerjamo z nekaj let starejšim Oppenheimerjevim na~inom dela in najdemo vzporednice tako pri njuni uspešnosti, kot pri dejanjih njunih nasprotnikov. Iz ~asov, ko je bila znanstvena prodornost še bolj zmes sposobnosti uma in komolcev kot dandanes, skušamo povle~i nauke za prihodnost. Accelerators and Thin Films at the Shadow of (Yugo)Slovenian A-Bomb (55th anniversary of the Institute Josef naming on May 24, 1952) ABSTRACT The article describes Peterlin's 1949-1959 managing of Jožef Stefan Ljubljana Institute in comparison with J. Robert Oppenheimer's (* 1904 New York; t 1967 Princeton New Jersey) 1943-1954 work. Oppenheimer had General Groves and Senator McCarthy, but Peterlin eventually had to deal with Yugoslavian Communist authorities. In his pursuit to grant more money for his macromolecular research Peterlin had to accept the opportunity to build the nuclear institute at Ljubljana, but after a decade of hard fork faced a similar destiny as Oppenheimer did five years earlier. During his Ljubljana work Peterlin was able to develop the accelerator and thin films research. He paved the way for our modern achievements at that fields. 1 UVOD Raziskovanje tankih plasti na IJS se je razvilo ob jugoslovanskem jedrskem programu. Rankoviceva prizadevanja za jugoslovansko atomsko bombo so trajala dve desetletji (1947-1966). Notranji minister Rankovic je kot podpredsednik Zveznega izvršnega sveta (ZIS) (1955) in podpredsednik države (1963-1966) vpregel svojo moč drugega človeka v državi v iskanje jugoslovanskih jedrskih surovin, šolanje kadrov in pripravo reaktorjev. Čeravno je bil poglavitni center Saviceva Vinča pri Beogradu, je velik del sredstev pritekal tudi na IJS pod Peter-linovim in pozneje Osredkarjevim vodstvom. Peterlin je upal po vzoru na Američana Oppen-heimerja, da bodo v senci razvoja bombe na ljubljanskem fizikalnem institutu vseskozi napredovali tudi drugi znanstveniki. Na zeleno vejo so splezali predvsem snovalci novih materialov in pospeševal-nikov, ki so bili Peterlinu najbližje. Z bogataševe mize jedrskih raziskav so se dohodki prav radi sipali še med različne prirodoslovne smeri raziskovanja na Fizikalnem institutu. Po prvotni Peterlinovi shemi, ki se je v marsičem ohranila do danes, so to bile predvsem različne oblike raziskovanja (trdne) snovi: po eni strani Marinkovicev laboratorij za analizo materialov z rentgenom in elektronskim mikroskopom Carla Zeissa, nabavljenim oktobra 1954, po drugi pa naglo razvijajoča se Deklevova in Cilenškova masna spektroskopija s pospeševalniki. 2 PREISKOVANJE MATERIJE V SENCI ATOMSKE GOBE Velibor Marinkovic je skupaj z Ljubom Knopom vse do jeseni 1956 pridobival tudi težko vodo z elektrolizo in termodifuzijo. Izkazalo se je, da so prizadevanja te vrste zgolj zapravljanje časa in denarja, saj je bil uvoz jedrskih surovin in tehnologije reaktorja sproščen že med Peterlinovim gostovanjem v ZDA, pred Prvo mednarodno konferenco za miroljubno uporabo jedrske energije v Ženevi 8.-20. 8. 1955, ki sta se je z IJS udeležila Kosta in Dekleva. Države brez ustreznih tehniških možnosti za lastno proizvodnjo jedrskih surovin, predvsem obogatenega urana in težke vode, so odtlej lahko dobile le-te na prostem trgu, dejansko pa celo z ameriškimi darili. Po Peterlinovem poročilu na prvi seji upravnega odbora IJS pod Kraigherjevim vodstvom je to povsem zasukalo položaj,1 verjetno pa obenem spodkopalo službo češkega Zagrebčana Havlička pri IJS. Peterlin je začel pošiljati ljudi na usposabljanje v ZDA. Dne 9. 10. 1956 je Peterlin pisal v Beograd generalnemu tajniku ZKNE2 Slobodanu Nakicenovicu o Knopovem predlogu za postopno opustitev oddelka za težko vodo, ki je postajal le še finančna obremenitev, odkar je bil uvoz sproščen. Savic se je s predlogom strinjal,3 čeravno sicer ni ravno prepogosto podpiral Peterlinovih domislic. Odtlej se je Marinkovic lahko domala povsem posvetil študiju snovi in površin. Leta 1956 je dal pregledati deset domačih in tri inozemske vzorce PVC. Določali so molekulske mase polimerov in uporabljali najnovejše preparativne postopke za 1 ARS, AS 1961 škatla 71, mapa 722 2 Zvezna komisija za nuklearno energijo = SKNE, Savezna komisija za nuklearnu energiju 3 ARS, AS 1961, škatla 6, mapa 13 Slika 1: Elektronski mikroskop v Marinkovičevemu laboratoriju IJS naparevanje ogljika ter plastične odtise s poliestrom v vakuumu. Alenka Dekleva je preučevala eritrocite za študij kultur virusov; pri Marinkoviču je raziskovala med letoma 1954 in 1960, nato pa je zaradi vedno težavnejšega pridobivanja sredstev za preučevanja makromolekul po Peterlinovem odhodu prevzela profesuro na Medicinski fakulteti v Ljubljani.4 Z elektronskim mikroskopom so snemali tudi za zunanje naročnike, saj so bili skorajda brez tekmecev, dokler ni pomladi leta 1955 Aleš Strojnik sestavil elektronski mikroskop s 50 kV in ločljivostjo 5-2,5 nm na Fakulteti za elektrotehniko Tehniške visoke šole v Ljubljani. Marinkovičeva skupina je leta 1956 skozi elektronski mikroskop za Geološki zavod posnela vzorca jezerske krede, za Cinkarno Celje pa osemdeset primerkov cinkovega oksida. Leta 1957 se je Marinkovičevemu laboratoriju za elektronsko mikroskopijo pridružil še Boris Navinšek.5 V Marinkovičevi skupini so preučevali tudi sipanje rentgenskih žarkov na kristalih v obliki prahu po Debyevi (1916) metodi, ki jo je Peterlin dobro poznal še iz časov svojih berlinskih študijev. 3 POSPEŠEVALNIKI IN VAKUUM Odlični elektroniki in vakuumisti so bili temelj Peterlinovega instituta, med njimi predvsem Dekleva in Cilenšek, ki sta v slovenskih razmerah postala prava naslednika ameriškega Nobelovca Lawrencea, njegovega pomočnika Livingstona in Van de Graaffa. Dne 2. 1. 1950 in 3. 10. 1950 je Peterlin izjemoma v rokopisu, in ne tipkano, poročal ministru Borisu Kidriču6 o postavitvi čim izdatnejšega nevtronskega generatorja. Poročal je o osnovnih meritvah jedrskih presekov za načrtovanje uranske kope. V drugem pismu je povedal, da ni kupil generatorja na 1 MeV. Načrtoval je nabavo elektrostatskega Van de Graaffo-vega generatorja za 200.000 dolarjev, prvič sestavljenega leta 1931 kot izboljšava elektrofornega elektrostatičnega generatorja z idejo transformatorja za povečevanje napetosti po starih Guerickejevih idejah (1671). Naelektritev elektrostatskega generatorja s tekočim trakom je prvi opisal Righi, ko je leta 1890 v Bologni priredil starejšo W. Thomsonovo idejo o generatorju na nabite kapljice vode. Dne 27. 11. 1954 so na IJS v laboratoriju Edvarda Cilenška "za gradnjo in vzdrževanje akceleratorjev" začeli uporabljati električni del Van de Graaffovega pospeševalnika lastne izdelave po dolgotrajnem načrtovanju, konstruiranju, sestavljanju in preizkušanju posameznih delov (1953-1957). IJS-jev Van de Graaff zaprtega tipa pod tlakom 10 bar dušika je lahko usmerjal elementarne delce na tarčo v območju med 200 kV in 2,3 MV. Za visoki vakuum v pospeševalni cevi so uporabili difuzijsko črpalko s črpalno hitrostjo 500 L/s. Maja 1956 so prvič pospešili žarek skozi cev z napetostjo 2 MV pri tlaku 8 bar. Po Peterlinovem odhodu je bil marca 1961 končan še pospeševalnik za 1,8 MeV. Zaradi zanimanja vodje spektroskopskega laboratorija Dekleve za drobni pospeševalnik mikrotron, je Peterlin povabil dva inženirja, ki sta gradila kar vsak svoj mikrotron. Namenili so ga za medicino namesto betatrona, čeravno je bila zaradi nizke energije njegova uporaba dvomljiva. Inženirja sta šla za en mesec na Švedsko, mikrotron pa so prikazali na Gospodarskem razstavišču leta 1977 ob razstavi elektronike kot gotovo napravo, čeprav to še ni bila in je Znanstveno svet sklenil, da se IJS ne bo udeleževal razstav. Mikrotron je bil seveda veliko manj hrupen in zato primernejši za javne razstave od Van de Graaffovega reaktorja, ki je z iskrenjem povzročal precej neprijetnega šuma. Eden obeh inženirjev je bil Alojz Paulin, ki je že leta 1948/49 postal Peterlinov študent demonstrator na Fizikalnem institutu, oktobra 1955 pa je začel delati v laboratoriju J. Dekleve.7 Paulinu sta pomagala Svetlin in Franc Požar, ki je delal na IJS med letoma 1956 in 1963, nato pa je odšel na Nizozemsko. Deklevova skupina za masno spek- 4 Osredkar, Polenec, 2000, 319 5Panjan, 2002, 43; ARS, AS 1961, škatla 9, mapa 20 6 ARS, AS 1961, škatla 1, mapa 1 7Kajfež, pismo Peterlinu 10. 10. 1955, prejeto 13. 10. 1955 (Gradivo družine Peterlin, hrani Tanja Peterlin-Neumaier) Kot primere navajamo le nrtkitrr-1 SaJmT1 turvnlh Шжт u njegove osebje namene, izsiljevanje nabav» osebnega avtomobila za devize, nabav» lUtiaceatrifuge, tv-rSi 1 -153 (tr.Lttf. „ntaft« ftttfi«! jL&.tei Jt с1-.јлаЈ i «jur trbWXi 1P * uMiu^ * UMiiai/ jB'«»! Jim ,f ir»»»»«/ Ttt*] »Ui* * i «*<$*.» i fln.-eiri ^uätTiiuic 'U ,i3. M? Vmfevs MeMl^tl Л J*üai "i fcrtljl^ I XtnrxU» 1Г*ђИ »Ii wntrryrBKg in T pvfa*»,*1 ЖМК^ i Ti.U'* nI * y.^aotj*.; ruti-j, 'tj r*,*m ћвт^т» t Jtür^ljiijft и Vta ТЧ Kttmljti ].<.. ''"»ut r« ök:JCtJi cF^rdTi intff» SjiUsi £* Uđi« 4fei u <л tor. Ецлиад o тџ t.tot il JjFld ih^Uit* V ti-tUmi. At HB .iai** t« sntcc^fca Ji» kfl. Чауцц voe ;j5?LjCie r^ihatts» j kult. Sffrt ШчСч- p"1-™ Slika 7: Vabilo z dne 23. 5. 1952 na izredno sejo razreda za matematične, fizikalne in tehniške vede SAZU dne 24. 5. 1952 ob 12. uri, ki jo je namesto odsotnega tajnika Milana Vidmarja, Josipovega brata, vodil namestnik tajnika Peterlin in uspešno predlagal preimenovanje Fizikalnega instituta v IJS (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) Slika 6: Kuhljevo pismo "na pomoč" iz italijanskih zaporov, kjer so trpeli trije Antoni z ljubljanske univerze po neuspešnem nakupu nevtronskega generatorja (GDP) ioni argona energije nekaj kiloelektronvoltov. Tako je ionsko bombardiranje postalo ena temeljnih tehnologij reaktorske fizike tudi pri nas še pred postavitvijo reaktorja TRIGA v Podgorici. Tisto, kar si je Peterlin zamislil kot sodelovanje raziskovalcev makromolekul z industrijo, se je pravzaprav takoj po njegovem odhodu iz Ljubljane začelo dogajati predvsem pri slovenskih tankoplastnih tehnologijah. Tako kot so za Manhattanski projekt izdelave atomske bombe med 2. svetovno vojno John Backus in sodelavci razvili ionizacijske merilnike na hladno katodo, leta 1943/44 pa izumili merilnik netesnosti v vakuumskem sistemu z masnim spektrometrom, si je tudi slovenska fizika opomogla na krilih bombe. Z eno samo "neznatno" razliko: Američani so bombo res sestavili, Jugoslovani pa so jo odstavili na Brionskem plenumu skupaj z Rankovicem. Po propadu oziroma bankrotu jugoslovanskega bombnega programa in Rankovicevi upokojitvi je poldrugo desetletje po letu 1975 postalo zanimivo študirati nastajanje mehurčkov (blistering) v (homogenem) reaktorskem jedru in intenzivne erozije prve stene reaktorske posode, za katero je bilo težko najti dovolj odporne stene tako pri fuzijskih (termo-nuklearnih) reaktorjih, kot pred tem pri homogenih Slika 8: Peterlinov predlog za sejo razreda za matematične, fizikalne in tehniške vede SAZU o preimenovanju Fizikalnega instituta v IJS z zanj značilnim zaključkom S.F - S.N! (Smrt fašizmu - svoboda narodu) (ARS, AS, škatla 2, mapa 5) fizijskih reaktorjih, ki jih je spodbujala Peterlinova skupina. Ionsko bombardiranje trdnih snovi in proizvodnja tankih kovinskih plasti sta postali temeljnega pomena kmalu potem, ko se je leta 1957 odseku za elektronsko mikroskopijo Veliborja Marinkovica pridružil Boris Navinšek.17 Marinkovic je diplomiral na kemiji, doktoriral 29. 12. 1965 in promoviral dne 25. 2. 1966 pri Samčevem nekdanjem doktorandu Branku Brčicu.18 Med Marinkovicevimi doktorandi je 17 Panjan, 2002, 43 18Kokole, 1969, 62 Ba.S.iS ät.si-е/ f5-SE Slo.vanoka «М(#ј6')в SBanoBti lil MtMi|B# : У 1 * ,J . PrlloBeno Vbo рбШЈЦв dva izvoda B'ipliSJjikS zadnje a»ia razreda II mstematlän», f lilkelft»: la Ishnlin» veigvi dne E4.S.19S2 8 pröiojo, du poSljete nfllilli' nO eUnoB risWii. S.P, - S.S.' Slika 9: Peterlinov spremni zapis k Kuhljevemu zapisniku izredne seje razreda za matemati~ne, fizikalne in tehni{ke vede SAZU dne 24. 5. 1952, poslan direktorju SAZU Levu Baeblerju pet dni pozneje (Smrt fa{izmu - svoboda narodu) (ARS, AS, {katla 1, mapa 1) bil Jože Gasperič (1968), medtem ko je Navinšek diplomo, magisterij in doktorat (po enoletnem študiju v Liverpoolu) dosegel pri Alešu Strojniku na Fakulteti za elektrotehniko. Na Fakulteti za elektrotehniko sta nekoliko pred Navinškom doštudirala Cilenšek in Dekleva. Vsekakor je študij tankih plasti zahteval skupino različnih strokovnjakov kemikov, fizikov in elektrotehnikov. £e preoejš .Je število slutbflnih let Izgledalo kot degradacija. Zato predlsga. da ae val brije naetavljo kot znanstveni aodelevol In elcer lna. Rnjko Suvan In 1вд. Karal Andraji v 711. skupini. Ing. Boril LevrenGld pa v VI, skupini, ."vej predlog utemeljuje z doaedanjtm znanstvenim In atpokovnlm delom, kot je razvidno L« njihovih življenjepisov. Enlja predlaga ca znanstvenega sodelavca v VII, akuplnl Inf. Mlret* terme 1,|a ln utemelji svoj predlog; a noaebnlm poro«ilom o njegovem doaedanjaa atrokovnan ln znanstvenem deli.. M.Sajuea predlaga, da aa naatavl kot aalatent v Kemijskem institutu Ing. kajdli Aleksander, kl Ja bil doslej v enakem položaju v institutu za fuSinarstvo TVS, Sprejeto. A,Feterlln predlaga nastavitev tov. Rudija 1'etkovSka v Fizikalnem institutu kot laboranta v IX. plaällaee razredu ( Lin ll.Soo) od l.VI-1962, Balje od l.VI.l»e. honorarje za l&g. Battaatlna Din 5■OOO.* m la D, Sutnlkovo ln l.Soo,- meaedno, Sprejeto. 5. Peterlin predlaga, da ae Flilkalol Institut Л2С odalej Imenuj» Fizikalni institut Jo&efa Štefana. Sprejeto. 6. Peterlin poroda o zadnji aejl predsedstva, ki ae je Je udeleCll namesto odsotnega tajnika Vidmarja. Is zanianllca prejšnja saje predsedstva Je Ugotovil, do ae Ja Terminološka ko-ttlaij« pri xrcstitutu za alovaaekl jezik SA?,U razäla. Nszx.sto nje a* ustano- . vljo posebna terminologies komisije G7 rcraa odbori pri posameznih . razredih. Pri 3. razredu se ustanovi Komlalje E(. oatimatieno, fizikalno, karnijsko in tshnWko temino 1о£1 jo. Tajnik razreda naj poläda 5 tik a to komisijo ln naj poroda o njenem sestavu, t slu ln programu. Krediti zs tiskanje akademljeklh publikacij so tako skrđenl, od predlaganih 17 na i* milijon**, tako d« Ja mogla iti v tlak . asmo ena1 razprava razreda, Freds datvo ae bo potrudilo. L'a dobi' aa nadaljuj« kredita za tlak. "rednoat imajo razprave pred dali. Triglavska tiskarna je dobila nove matrloa. Razred proal za odtis teh novih znakov, V kolikor bi kljub novi nabavi ostala 8a potreba po novih enakih aa mateaatlSnl tlak, proal razred, d* ae te potreba upoštevajo pri novih narodnih. Seja zaključena ob 14 url. Zapisnikar! Sr.lng.A.KuhelJ V Tajnik*, v Dr.A.Fetarlln 4 NOVI MATERIALI IN VAKUUMSKE TEHNIKE ZA HOMOGENI REAKTOR Osnovni problem Peterlinovega homogenega reaktorja je bil preprečevanje korozije reaktorske posode pri visokih tlakih, ki bi morala obenem prepuščati dovolj nevtronov. Titan, cirkonij ali rutenij so imeli prve dve prednosti, vendar so absorbirali preveč nevtronov. Peterlinova zamisel o dveh stenah ni bila posebno uspešna, potem ko se je podoben problem stopnjeval pri reaktorjih na zlivanje jeder. Navinškova skupina za ionsko bombardiranje trdnih snovi se je zato vključila v skupino profesorja Kaminskega z Aragonne National Laboratory pri Chicagu v raziskavo pod naslovom "Študij erozije in ujetja lahkih ionov v površine materialov prve stene". Za potrebe raziskovanja so na IJS zgradili nizko-energijski pospeševalnik lahkih ionov z dvojnim magnetnim fokusiranjem ionskega curka, da bi raziskali jekla AISI316 L, Inconela 600 in 625, ki so jih tedaj uporabljali v komorah vseh (poskusnih) reaktorjev na zlivanje jeder.19 Tako so Peterlinova ljubljanska razmišljanja iz 1950-ih let ostala pomembna dolga desetletja pozneje. Ob preprečevanju korozije reaktorske posode je ostal vpliven predvsem njegov račun persistenčne dolžine molekule DNK oziroma njene elastične konstante, ki ga je poslal iz Ljubljane v revijo Nature dne 5. 6. 1952, izjemno zanimanje pa je požel komaj v času Peterlinove smrti. Slika 10: Druga stran tipkopisa Kuhljevega zapisnika izredne seje razreda za matematične, fizikalne in tehniške vede SAZU dne 24. 5. 1952, kjer je Peterlin pod peto točko uspešno predlagal preimenovanje Fizikalnega instituta v IJS (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) 19 Navinšek, 2000, 162. Slika 11: Prva stran rokopisa Kuhljevega zapisniku izredne seje razreda za matematične, fizikalne in tehniške vede SAZU dne 24. 5. 1952, kjer je Peterlin uspešno predlagal preimenovanje Fizikalnega instituta v IJS (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) ZKAHOSTI IM DHSTBOPTl иизиднд Lnetitut tprj u s/w c Л /V Slika 12: Druga stran rokopisa Kuhljevega zapisnika izredne seje razreda za matemati~ne, fizikalne in tehni{ke vede SAZU dne 24. 5. 1952, kjer je Peterlin predlagal preimenovanje Fizikalnega instituta v IJS (ARS, AS, {katla 1, mapa 1) ^ f* „ (L_ t - .vit** tJ^.AJ- ri-u-tfi I, oddelek aa Јеллгвке Metode. 1. nettroa»ii generator ов devterlj; 1 dipl. flelk, 1 dipl. «lektroiaienlr, 1 elektrotehnik (glej delavnice) a) aapetoatna aaprava aa 400 kV (letoaaerno), 1-2 *л> i o »e« poaoine oApetoetl e koatToloiel lnatroaeati, regulatorji ia »vtoaatekle varovanjaa. t») oev ва nevtrone: loneki iavor sä D+ a» Jcmekl tokov lok električno lefcje в« ueaerjanje in роареКетапј* ourkn Bii^niftnl rtu parat or ca aunohroeatl unel Jo ourkm tarča aa d^o a hlajenjaa da teko£l «rek Srpalna парглтл a eotomo pred črpalko in 4 et opno dlfuaijako Črpalko a vee*i varnoatnial in kontrolniel oapravaai. «aSdltna naprava pred prodiral* Jerkovjea (vodal la parafinski tanki) potenciOBOtrfreka aparatura aa uravnavo električnega 1*5 J a napetostna naprava ta 1 omiki tokov lok preetreealo la ragenator aelarnbl Jaiuiga devteriju o) filtri la eaftloake aa ргериЗДапЈе nevtronov la obe*-ranje preparata* pri dlrektaea delu ■ n*vtroaeki* oorkoa 2. itera1 eh opaiovanje induciran« rad 1oaktIvnoet1 la detekcljo nevtronov; 1 dipl.flaik 1 radijekl tehnik (gl*J delavni 1 laboraatke 'ätevci ca delca J ftktt*ttla0ijako Štetje «a ugotavljanj ejStotalne aktivnosti la e tea koncentracije (traoers»?ffr= aetoda aaanaaenovanlh etoaovl, raapadne dobe itd., Števci aa nevtrone Aa direktne ■erltvjvreaaltirajoče* nevtronakea snopu f ran ki on pri prehodu akoal aaterijo, abaorboijo raanlh materialov In • ta* kontrola Siatoatl aaterlalov) Števci вл aerltev avvtroaakih Indikatorjev Slika 14: Prva stran tipkopisa Peterlinovega predloga Kidri~u za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU avgusta 1948. V "I. 1. b)" na{teva vakuumske ~rpalke (ARS, AS, {katla 1, mapa 1) o delo bi ilo oatopao, ker Je eeogoie Ureanlčiti ea program na akrat 3. Basni apektrograf a« iaotopsko analiso: prid* V ingradnjo po aakljuftku 1 in 2! (tracerska anali**, analita materiala) kot dopolnilo prid* k teaei delo 1 kemika, ki e kemijskimi Metodami skrbi aa koncentracijo aktivnih leotopov (i?o-topskl koncentrati) in ločitev tel! koncentratov od dru- Ves oddelek potrebuje vletu 1949- s* evojo iagrađnjo pole« * doma v Jugoslaviji doeeglj ivih eorovin ln produktov i* inosenetvn aparatur, specialnih materialov in kemikalij *a okroglo JO.OOO kl bi se raadelili nekako tako1*;^ nolandekft, hol,fOTintov aa 1.600.- Џ Hadžarska, madž. torlnt. «a g. 000.- j 30.000.- f Slika 15: Druga stran tipkopisa Peterlinovega predloga Kidri~u za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU avgusta 1948 z masnim spektrografom (ARS, AS, {katla 1, mapa 1) Slika 13: Tretja stran rokopisa Kuhljevega zapisnika izredne seje razreda za matemati~ne, fizikalne in tehni{ke vede SAZU dne 24. 5. 1952 (ARS, AS, {katla 1, mapa 1) smranutA ШДЕШЈД ZlAHOiffl in DUKmoSTI LJUBLJANA PI*italnl inetitut II, Odd«lak is klsalüne fleikdlne preiskav« nakro«ol*knl. 1. Ti«*oainetriJa pri Btatlfrnl In dinamični meritvi; 1 dipl, flaik all kemik, 1 laborantk* Tiakoninetri ia obmoEja O.Ol; 0#1; 1, false bro« manje-ga tlaka. VlekOBlmetrl »a območja 1; 10; 100; 1000 Folee ■ rnnnjla tlako« Dinamični viBkotlmater is spremenljivo obteJibc 4 oltratemortatl ter-aost steka »ргми delovne Böbs 4 daljnogledi, ekale, ruirttljsta m оршотцпј« Ätüpnrioe, dlaoiwmetri, optica* 1» elaktri«ne muilu kontrolne in Tarnoetne naprav«, avtomatако re*l-otrlrnaj« 2. DifUaiJa 1b oemoaa: 1 đlpl. fiaik all kealk celice aa Iifueljo In oiwit (aitro«elalo*a} lntsrf«Maetrmka m«rlÄa naprava a a fconcsntrael Jo (Janino* 1 nt er f e remoter) naprava » foto/$re#ako registrirne di foal Je (luant rerraktoaetraka metoda) Comparator >a meriter fotogrsmev (gl«J tadi > 2 nitratermoatata + termostatвка воћч 3* Bi panj a Bret lobe la refrakcije; 1 41*1, »Ii difereaoielni refraktowtei* apaktralnl fotoaetftr ilvoer«brn« obloSniea ** ankBlaalni tlak kot 1атог «Vetlob« 2 ultratemoetata +• termoetataka oprema sobe 4. Pvüjnl loa: 1 dipl. fiaik 1 labarantta /generator ta stalno elaktri ne napatoat JO ktT Cpraktl*!» brea obrtMuK**) preveehlk (*U t ivibrator ) «a kratke definirane aa-petortn* enaka da ?0 kV janjea elektrona«»** + permanentni magnet e apremaaljivim Coaette *а »trajni dvoj al lom akaatiinl gen«r«tor ia akuatlÖnl dvojni lo« 4 araoeorl kampeniatorji aa meriter dvojnega loma 'ilTOBrebru oblcčnloo aa aakminalnl tlak kot lav« evetl. Slika 16: Tretja stran tipkopisa Peterlinovega predloga Kidriču za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU avgusta 1948: makromolekule (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) :. a prögTn» bi ee «oral pootopno LiTiatl: Couette '! )e daloaa le tu, lalje electromagnet Slika 18: Prva stran rokopisa Peterlinovega predloga Kidriču za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU 15. 12. 1948. V "I. 1. b)" našteva vakuumske črpalke enako kot prej avgusta 1948 (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) SLOTCKSEA AKADSüI JA ZKAKSXI JH пмкттотг LJUBI4AU rialkalai 1netitat 4 nitratermoetatl + termoatataka oprana sobe fotooallBal merilniki ргдоЗДеае evetloba uatraani kontrolni la v&nustrtal lnetromeati, i Reotsenograflje: i upi, fiBik rentgenaka aparatura ■ tehniäkiml oevai ta tabniSka prmlakavo (aparatura Je te, oevi ao uaiSan«) rentgenaka aparatur* s« raka omaki Srpalki an itmenjavo aatlkatode ia r». lagradltav rotirajo!« antlkatoda ioalaaci J aka kamera aa vlakna la t «koalam ■ r«giatrlne aparatom fotograf«ka kamera aa film« la kose (mnk»tr*hl- verfahren) Comparator aa Ismail tov fotoKxamov futoaoter aa amritev inten«Itet 1 ultratermoatet Jeeealoe, "Ottunai Ijnbljm Delavnica: 1 elektrotehnik - mehanik 1 radiJaki tehnik 1 at «klopi ha £ 1 atralnlcs 1 гевкаг "Prvomajska-, 1 shaping Begrab 1 vrtalni «troj л priborom, orodjarn aa elektro la radijiko delo 1 etaklareka deloma mita a gorilniki la bruailnikom V«e oddelek II. e delavnioo potrebuje v leta 1*4?. aa mvojo iegradnjo {le del ta naStetega o* črt a) poleg doma v JOgoala-viji doaaglJl*lh aarcvin in aparatur (atrojev) 1* lnoaenatva aparatov, epeo-materialov la kemikalij aa okroglo 70.000.-ki bi ae rsadelili oakako takole: Amerik* iaglija, angl.funtov aa č*ika, EČa «a Holandaka, hol-foriatov aa 1и41ја Mti, вт! o. frankov Italij«' Ur Ocraka. medF.forlat.fa 5-0Ö0.- i 2,000,- 4 i,ooo,- i l.ooo,- A 3,000,- fc, 4,000,— I 2.000,- 9 1 З.ППО.- * Slika 17: Četrta stran tipkopisa Peterlinovega predloga Kidriču za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU avgusta 1948 z rentgenskimi napravami in vakuumskimi črpalkami (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) Slika 19: Druga stran rokopisa Peterlinovega predloga Kidriču za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU 15. 12. 1948. Makromolekule, rentgenske naprave in vakuumske črpalke (III. 5.) (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) Slika 20: Tretja stran rokopisa Peterlinovega predloga Kidriču za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU 15. 12. 1948. Delavnice in uvoz za II. oddelek makromolekul (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) Slika 23: Predlog zidave IJS in stanovanjskih stavb z obeh strani Marmontove, danes Jamove ceste z dne 4. 6. 1949. Današnje fakultetne stavbe na Jadranski 19 in 21 so označene kot "6 Poizkusno polje" (ARS, AS, škatla 71, mapa 721) Slika 21: Četrta stran rokopisa Peterlinovega predloga Kidriču za notranjo organizacijo Fizikalnega instituta SAZU 15. 12. 1948. Gradnja generatorja na 2-3 MV bo zahtevala gradnjo posebnega poslopja in stanovanj (ARS, AS, škatla 1, mapa 1) Slika 24: Peterlinova skica IJS ob odprtju (Peterlin 1952. The "J. Stefan" Institute, 11) Slika 22: Peterlinova skica Kopališke, Mencingerjeve in (tedanje) Langusove ulice (ARS, AS, škatla 71, mapa 721) Slika 25: Peterlinova skica homogenega reaktorja v Los Alamosu, zgrajenega leta 1944, kot gaje želel imeti v Sloveniji (Peterlin, 1957 Fizika reaktorja, 11) Slika 26: Peterlinova skica homogenega reaktorja z aktivno sredico, označeno z "A", kot ga je želel imeti v Sloveniji (Peterlin, 1956 Boyling, 21) 5 SKLEP Rankovicev obračun s Peterlinovo dediščino je šel skozi dve fazi. Najprej ga je nadomestil s fiziki iz sosednje stavbe na Jadranski 19, ki so nadvse nespretno prevzeli oblast na IJS s pomočjo reaktorskih strojnikov. To je bil le manever, ki naj bi prikril dejanski prevzem oblasti od ZKJ, ki je po novem letu 1963 urno prevzela direktorski stolček, predsedovanje Strokovnemu odboru in Znanstvenemu svetu IJS. Od vseh udeležencev boja za oblast pa se s kipa pred IJS slej ko prej smehlja edinole poraženi zmagovalec -Peterlin. VIRI IN LITERATURA Viri Arhiv IJS v Podgorici - Arhiv Instituta "Jožef Stefan" v Podgorici v nad tisoč škatlah, ki je bil med marcem in junijem 2003 strokovno urejen pod vodstvom ARS ARS, AS 1961-85 nad tisoč škatel, ki so bile prenesene 18. 12. 2003 iz Arhiva IJS v Podgorici v Arhiv republike Slovenije, Zvezdarska 1, Ljubljana GDP - Gradivo družine Peterlin, hrani Tanja Peterlin-Neumaier v Münchnu. Literatura Dekleva, Janez. 2000. Povzetki iz mojih spominov na delo v FI SAZU (JJS, NIJS) in mentorja akademika A. Peterlina. Pripovedi o IJS ob 50-letnici Instituta "Jožef Stefan" (Osredkar, Milan; Polenec, Natalija (ur.)). 197-205 Kokole, Jože. 1969. Bibliografija doktorskih disertacij univerze in drugih visokošolskih in znanstvenih ustanov v Ljubljani 1920-1968. Ljubljana Navinšek, Boris. 2000. Od reaktorskih materialov do površinskega naparevanja. (Osredkar, Milan; Polenec, Natalija (ur.)). Pripovedi o IJS. 160-164 Osredkar, Milan; Polenec, Natalija (ur.). 2000. Pripovedi o IJS. Ljubljana: IJS Osredkar, Milan. 2000. Nastanek in prva desetletja IJS. (Osredkar, Milan; Polenec, Natalija (ur.)). Pripovedi o IJS. 19-69 Panjan, Peter. 2002. Prof. dr. Boris Navinšek - sedemdesetletnik. Vakuumist. 22/2-3: 43-45 Peterlin, Anton. Maj 1955. Das 31 MeV Betatron. Reports. 2: 53-59 Peterlin, Anton (ur.). 1956. Radioaktivnost. Ljubljana: Institut "Jožef Stefan" Peterlin, Anton. 1956. Boiling Column Homogenous Research Reactor. Bulletin Scientifique. 3/2: 41 Peterlin, Anton. Oktober 1956. Boiling Column Homogenous Reactor with Adjustable Reflector Level. Reports. 3: 19-30 Peterlin, Anton. 1957. Fizika reaktorja (predavanje na plenumu Zveze društev matematikov in fizikov Jugoslavije v Ljubljani 7. 10. 1956). Nastava matematike i fizike (Beograd). 1: 1-14 Peterlin, Anton. 1957. Nekateri fizikalni in kemijski problemi homogenega reaktorja. Vestnik slovenskega kemijskega društva. 4/1-2: 57-63 POROČILO O POMEMBNEJŠIH AKTIVNOSTIH DVTS V OBDOBJU OD 2003 DO 2007 DRUŠTVENE NOVICE Od marca 2003 do maja 2007 smo imeli 17 sej IO. 16 sej je vodil predsednik Janez [etina, zadnjo 17. sejo pa je v predsednikovi odsotnosti vodil Miran Mozeti~. Najve~ sej smo imeli v letu 2004, ko smo organizirali konferenco JVC-10. Vsako leto so iz{li celotni letniki revije VAKUUMIST s po 4 {tevilkami. Za redno izhajanje revije gre zahvala predvsem glavnemu uredniku Petru Panjanu in tudi uredni{kemu odboru ter tehni~nim sodelavcem. KRATEK KRONOLO[KI PREGLED AKTIVNOSTI 2003 • Organizacija 10. mednarodnega znanstvenega sestanka (DVTS-HVD) "Vakuumska znanost in tehnika", Brdo pri Kranju, 22. maja 2003 • {tevil~na udeležba ~lanov DVTS na mednarodni konferenci 8th European Vacuum Congress, Berlin 23. do 26. junija 2003 • 23. slovensko vakuumsko posvetovanje v Portorožu 1.-3. oktober 2003 v okviru 11. konference o materialih in tehnologijah • priprava in izvedba te~aja "Osnove vakuumske tehnike", 26.-27. 11.2003, ki se gaje udeležilo 12 te~ajnikov • izdaja znanstvene monografije "Vakuumska znanost in tehnika", december 2003 • sponzorstvo pri izdaji knjige na{ega ~lana S. Juž-ni~a: "Avgu{tin Hallerstein, kitajski astronom iz Meng{a" 2004 • Organizirali smo mednarodno konferenco 10th Joint Vacuum Conference, ki je bila združena z 11. sre~anjem slovenskih in hrva{kih vakuumistov ter 24. slovenskim vakuumskim posvetovanjem, (28. september - 2. oktober 2004, Portorož). V krog organizatorjev smo sprejeli Čehe in Slovake. • {tevil~na udeležba ~lanov DVTS na mednarodni konferenci IVC-16 (16th International Vacuum Congress), ICSS-12 (12th International Conference on Solid Surfaces) NANO-8 (8th International Conference on Nanometer-scale Science and Technology), 28 junij - 2 julij 2004, Benetke, Italija • Sodelovali smo pri obsežni knjigi (362 strani) S. Južni~a: "Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik", september 2004 2005 • V novembru 2005 smo pri mednarodni založbi Elsevier izdali posebno {tevilko revije VACUUM z izbranimi prispevki s konference JVC-10. Gostujo~i uredniki so bili Janez [etina, Monika Jenko in Anton Zalar. (Od prejetih 82 prispevkov je bilo izbranih 49, ki so ustrezali visokim kriterijem znanstvene kakovosti, ki jih za objavo postavlja revija VACUUM.) • DVTS je bil skupaj s Hrvatskim vakuumskim dru{tvom soorganizator 12. mednarodnega sestanka "Vakuumska znanost in tehnika", Trako{can, 18. maja 2005. Na sestanku je bilo predstavljenih 21 prispevkov na{ih ~lanov (predavanja in postri). • 19. decembra 2005 smo organizirali strokovno ekskurzije v Nuklearno elektrarno Kr{ko. (Ekskurzije so se poleg ~lanov dru{tva lahko udeležili tudi drugi strokovnjaki, ki jih je zanimala tematika nuklearne energetike. Ekskurzija je bila zelo dobro obiskana: 41 ~lanov DVTS in 7 ne~la-nov.) 2006 • Pripravili smo poseben te~aj "Osnove vakuumske tehnike za mlade raziskovalce". Potekal je od 11. do 12. aprila 2006. Udeležilo se ga je 12 mladih raziskovalcev iz IJS, IMT in Kemijskega in{tituta ter tudi 3 udeleženci iz gospodarstva. • Na na{o internetno stran smo postavili arhiv revije Vakuumist od 1998 do 2005 (objavljeni ~lanki v PDF-formatu) in kazalo revije za letnike od leta 1981 do 2005 • DVTS je bil skupaj s HVD soorganizator 13. mednarodnega sestanka "Vakuumska znanost in tehnika", Koprivnica, 13. junija 2006 Srečanja se je udeležilo 24 naših članov s 15 znanstvenimi prispevki (predavanja in postri) • Sodelovali smo pri organizaciji in izvedbi 11th Joint Vacuum Conference (JVC-11), ki je bila v Pragi (Češka) od 24. do 28. septembra 2006. Člana organizacijskega odbora sta bila Miha Čekada in Lidija Irmančnik Belič, v programskem odboru pa sta sodelovala Janez Šetina in Janez Kovač. Sodelovanje v mednarodni zvezi IUVSTA (International Union of Vacuum Science, Technique and Applications (triletno obdobje 2004-2007) Delegata DVTS v tekočem triletnem obdobju sta Janez Šetina in Miran Mozetič (namestnik). Monika Jenko bila izvoljena za predsednico sekcije ASSD (Applied Surface Science Division), Janez Šetina pa za predsednika VSTD (Vacuum Science and Technology Division). Janez Šetina in Monika Jenko sta se udeležila 5 sej izvršilnega odbora IUVSTE (Executive Council Meeting): • 97. seja ECM, februar 2005, Lanzarote, Španija • 98. seja ECM, oktober 2005, Dunaj, Avstrija • 99. seja ECM , april 2006, San Diego, ZDA • 100. seja ECM, september 2006, Seul, Koreja • 101. seja ECM, februar 2007, Bern, Švica Na vakuumskem kongresu IVC17, ki bo v Stock-holmu od 2. do 6. 7. 2007, Monika Jenko predseduje mednarodnemu programskemu odboru za področje ASSD, J. Šetina pa za področje VSTD. Zaupanje te zahtevne naloge je priznanje za zelo aktivno delo in tudi strokovnost na{ih predstavnikov v IUVSTA. Nobena druga država nima dveh predsednikov sekcij ali programskega odbora. dr. Janez Šetina predsednik DVTS The solution for your quality requirements ► User selected backing pump to match any application ► Very simple to operate ► Vacuum and sniffer standardoperating modes V PFEIFFER^ VACUUM > Pfeiffer Vacuum Austria GmbH Diefenbachgasse 35 ■ A-1150 Wien ■ Telefon: +43-1-8941-704 ■ Fax: +43-1-8941-707 • office@pfeiffer-vacuum.at SCAN d.o.o Slovenija Breg ob Kokri 7 ■ SI-4205 Preddvor ■ Phone +386-0-42750200 • Fax +386-0-42750240 ■ scan@siol.net www. pf e iff e r-va c u u m. n et Calling Captain Vacuum! You have to stop Dr. NoVac! He's sabotaging the outer space turbo-vacuum pump plant. That scoundrel wants to repeal the laws of nature and seize power. You've got to cut off his air! May the Void be with you! Mission possible, Commander! Dr. NoVac will soon have taken his last breath. I have what it takes to save all the vacuum! I'm always ready, willing and able when the Void needs me! Later, at the outer space vacuum plant. O Vi This will keep the air outside, Dr. NoVac... and keep the vacuum where it's needed! Gasp... Captain Vacuum?! Dr. NoVac drifts vacuumized in space; the Captain is victorious. Now he sets about stabilizing the vacuum in outer space. His special vacuum belt has everything he needs to get the plant running again. TO BE CONTINUED... / / The experts for perfect vacuum. Over the course of the company's more than 100-year history of innovation, we have been driven by a quest to transform nothing into perfection. Custom-tailored solutions for your processes and the durability of our products make for secure investments. Pfeiffer Vacuum, the inventor of the turbomolecular pump - your strong partner for all applications. As a leading manufacturer of components and systems for generating, measuring and analyzing vacuum, Pfeiffer Vacuum is your guarantee of quality, reliability and service. Our worldwide 24/7 service organization is unrivaled in being able to perform bearing changes right on site. Short downtimes - an unbeatable advantage when it comes to efficiency and cost-effectiveness. Ingenious solutions for your company: www.pfeiffer-vacuum.net Vacuum is nothing, but everything to us! PFEIFFER ^^VACUUM