Эрозия поверхности твердого тела под действием мощных пучков заряженных частиц (12.09.2011)

Автор: Блейхер Галина Алексеевна

Блейхер Галина Алексеевна

ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Томск – 2011 г.

Работа выполнена в Физико-техническом институте Национального исследовательского Томского политехнического университета

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор Кривобоков Валерий Павлович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Булгаков Александр Владимирович;

доктор технических наук, профессор

Ремнев Геннадий Ефимович;

доктор физико-математических наук, профессор

Шаркеев Юрий Петрович.

Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита состоится 30 ноября 2011 г. в 1500 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.02 при ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: г. Томск, ул. Белинского, д. 55.

Автореферат разослан _____________ 2011 г.

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций,

доктор физико-математических наук Коровкин М.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящей работе под термином «радиационная эрозия» подразумевается удаление атомов, молекул, кластеров или микроскопических образований с поверхности в результате воздействия высокоэнергетических частиц. Этот процесс представляет значительный интерес как для понимания природы радиационных повреждений твердого тела, так и для технологических применений. Механизмы его определяются параметрами излучения (видом частиц, их энергией, плотностью мощности и т.п.) и свойствами твердого тела.

Исследование радиационной эрозии началось в 50-70-х годах прошлого века. Сравнительно быстро было показано, что удаление атомов и молекул с поверхности при облучении слаботочными пучками ускоренных ионов с энергиями 102..104 эВ происходит в результате парных столкновений быстрых частиц с атомами вещества, т.е. так называемого столкновительного распыления [1]. В качестве характеристики интенсивности эрозии было взято количество распыленных атомов вещества мишени, приходящееся на одну бомбардирующую частицу, впоследствии названное коэффициентом распыления. Экспериментально и теоретически было показано, что коэффициенты распыления металлов при облучении ионными пучками с указанной энергией частиц и с плотностью мощности ниже 10..100 Вт/см2 не превышают нескольких десятков атомов на одну частицу пучка в зависимости от вида комбинации «ион-мишень», энергии ионов и других условий облучения. При этом не было выявлено заметного влияния плотности тока на коэффициент распыления [2].

По мере того, как в 70-80-е годы появлялись ускорители заряженных частиц с плотностью мощности пучков, превышающей 105..106 Вт/см2, а также проводились исследования по их воздействию на вещество, стало ясно, что с увеличением плотности тока пучка природа эрозии изменяется. Было обнаружено, что вещество вблизи облучаемой поверхности разогревается до высоких температур и может претерпевать фазовые превращения. Наши исследования, выполненные в 80-90-е годы, показали, что при воздействии на твердое тело мощных импульсных (субмикросекундных) пучков заряженных частиц с энергией 100..1000 кэВ и плотностью мощности больше 107 Вт/см2 интенсивность эрозии, создаваемой испарением, может оказаться на 3..5 порядков выше, чем интенсивность столкновительного распыления.

Принимая во внимание, что скорость удаления вещества с поверхности за счет испарения нелинейно (практически экспоненциально) возрастает с увеличением температуры, мы предположили, что в результате радиационного разогрева облучаемой поверхности интенсивность эрозии должна нелинейно возрастать по мере увеличения плотности тока. Это означает, что при достаточно высокой плотности мощности интенсивность удаления вещества и энергоэффективность (т.е. доля энергии пучка, расходуемой на удаление вещества) могут быть очень значительными.

В дальнейшем эрозию, инициируемую радиационным разогревом, будем называть тепловой, а пучки частиц, коллективное действие которых создает эффект нелинейного роста скорости эрозии (т.е. количества вещества, удаляемого с единицы площади поверхности в единицу времени) с увеличением плотности тока, - мощными.

На практике наибольший интерес представляют режимы облучения, при которых значительная, или даже преимущественная, доля энергии пучка, введенной в вещество, расходовалась бы на удаление частиц с облучаемой поверхности. Один из способов обеспечения этого эффекта состоит в адиабатическом (или почти адиабатическом) вводе энергии в мишень. Например, облучение короткими импульсами, которое позволяет минимизировать теплопроводный сток энергии из области торможения быстрых частиц пучка вблизи поверхности.

Аналогичный эффект может быть достигнут и с помощью остросфокусированных сканирующих пучков заряженных частиц. Продолжительность их воздействия на любой элемент поверхности тоже не превышает нескольких десятков или сотен микросекунд.

Тепловая эрозия, на которую может расходоваться значительная доля энергии потока бомбардирующих частиц, может быть вызвана не только с помощью пучков, генерируемых внешними источниками и направляемых на мишень с использованием специальных систем ускорения и фокусировки, но и при воздействии низкотемпературной газоразрядной плазмы на поверхность теплоизолированных мишеней магнетронных распылительных систем. Здесь можно создать условия, при которых сток тепловой энергии со всей мишени за счет теплопроводности практически отсутствует. Тогда основная доля энергии плазмы может расходоваться на нагрев и фазовые превращения мишени. Благодаря этому тоже возникает возможность нелинейного роста интенсивности эрозии с увеличением плотности мощности пучка, экстрагируемого из плазмы разряда.

Радиационная эрозия, создаваемая подобными пучками заряженных частиц, может быть использована в технологиях модифицирования поверхностных свойств материалов и изделий. Однако ее применение сдерживается недостаточным знанием природы этого процесса. Эти проблемы можно сформулировать следующим образом.

1. Отсутствие надежных математических моделей эрозии под действием мощных пучков заряженных частиц для многофазных систем.

2. Нет ясных представлений о механизмах диссипации энергии пучка, особенно в импульсном режиме облучения. Не выявлены закономерности интенсивности и энергоэффективности эрозии в зависимости от параметров облучения.

3. Не изучены возможности остросфокусированных сканирующих пучков заряженных частиц в создании эрозии поверхности.

4. Не рассмотрен вопрос об оптимальных параметрах технологической обработки поверхности твердого тела мощными пучками заряженных частиц.


загрузка...