强脉冲离子束产生的烧蚀等离子体特性的研究

论文摘要

近二十年来，起源于惯性约束核聚变项目（ICF）发展起来的强脉冲离子束技术（IPIB——Intense Pulsed Ion Beam）在表面强化和薄膜制备等领域发展极为迅速。然而，相对于其在工业应用方面的迅猛发展，其物理过程的研究则显得非常的滞后。利用强脉冲离子束产生的烧蚀等离子体是IPIB技术应用的一个重要方向，主要应用于制备薄膜工艺和超细纳米粉末的合成等领域。因此，从实验和理论两方面来研究烧蚀等离子体的物理特性，对于揭示烧蚀等离子体制备薄膜工艺过程的微观机制，提供理论和实验上的依据，为进一步发展烧蚀等离子体制备薄膜技术奠定了基础。 针对强脉冲离子束（IPIB）与固体靶相互作用产生烧蚀等离子体的快速剧烈变化过程，本文首次采用发射光谱法来研究烧蚀等离子体的特性。这种方法的优点是，既利用了光学测量系统的快速响应时间和极高的灵敏度等特点，又避免了强脉冲离子束放电信号在用常规电学诊断手段时产生强烈干扰的麻烦。因此，选择发射光谱法来诊断烧蚀等离子体的特性是一种简便、可靠的方法。在实验中所测得到的光谱线形，代表所测成分粒子的粒子数密度，因此，光谱线形强度随时间的积分则是该成分粒子的总数。通过这种方法，我们半定量的计算出IPIB烧蚀聚乙烯靶产生的等离子体中各种成分粒子的相对密度值，并探讨其在薄膜制备方面的利弊。利用这种方法测量烧蚀等离子体的寿命和相对密度，为发展烧蚀等离子体辅助化学气相沉积薄膜工艺的进一步发展奠定了基础。实验中得到：在烧蚀等离子体中，对于特定波长的谱线所对应的成分所作的时间分辨的发射光谱可以描述烧蚀等离子体的动力学特征和扩散的物理过程；烧蚀等离子体由于IPIB与聚乙烯靶相互作用而产生在靶的近表面，而后由于靶的反冲作用，垂直靶表面向外扩散，形成的时刻大约为IPIB脉冲后30μs；烧蚀等离子体的持续时间也就是寿命约为30μS；形成时间可以从上述任意成分的特征谱线中得到，而持续时间则只能从所有产物成分的谱线估算得到；实验中测量所得到的光谱线强度波形，被认为是这种特征谱线成分总的粒子数。这可以半定量的表明这种成分粒子的数密度；IPIB辐照聚乙烯靶形成的烧蚀等离子体成分比较复杂，但是主要只包含C和H两种元素，我们设想烧蚀等离子体中含有H、C、C+、C2+、C2和CH等成分，对于他们的特征光谱线强度，分别进行定量分析，计算出他们之间相对密度的比值；虽然离子束中40％是碳离子，且聚乙烯中碳的含量很高，然而，所产生的烧蚀等离子体中较多的C2含量并不利于含碳薄膜的制备。 面对IPIB技术在制备薄膜工艺和超细纳米粉末等领域的迅猛发展，对于烧蚀等离子体的特性研究就显得尤为重要。尤其是等离子体的扩散速度对薄膜的生长速率和质量

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 强脉冲离子束的发展历程
• 1.2 强脉冲离子束原理
• 1.2.1 强脉冲离子加速器工作原理
• 1.2.2 强脉冲离子束技术的特点
• 1.3 强脉冲离子束技术的应用概况
• 1.3.1 强脉冲离子束技术在材料表面改性上的应用
• 1.3.2 强脉冲离子束技术在烧蚀等离子体方面的应用
• 1.4 强脉冲离子束与固体相互作用的物理过程研究
• 1.4.1 强脉冲离子束辐照热-力学效应研究
• 1.4.2 强脉冲离子束辐照金属材料表面热力学效应计算
• 1.4.3 强流质子束辐照形成的冲击波
• 1.5 本论文的研究目的与研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 强脉冲离子束产生烧蚀等离子体的物理过程
• 2.1 强脉冲离子束的产生
• 2.1.1 外磁场绝缘的离子二极管工作特性
• 2.1.2 高功率脉冲电源
• 2.2 离子束与固体靶材料相互作用
• 2.2.1 IPIB辐照材料作用过程的研究
• 2.2.2 入射离子在固体靶材料中的能量沉积
• 2.2.3 强脉冲离子束辐照效应
• 2.3 烧蚀等离子体的产生和扩散
• 2.4 本章小结
• 3 时间分辨发射光谱法诊断烧蚀等离子体寿命及其成分的相对密度
• 3.1 研究背景
• 3.2 实验方法与设计
• 3.2.1 原子发射光谱法
• 3.2.2 光学测量系统
• 3.2.3 诊断烧蚀等离子体的寿命
• 3.2.4 烧蚀等离子体中成分的相对密度分析
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 烧蚀等离子体的寿命
• 3.3.2 烧蚀等离子体中各种成分的相对密度
• 3.4 本章小结
• 4 利用空间分辨发射光谱方法测量烧蚀等离子体的扩散速度
• 4.1 研究背景
• 4.2 实验方法与设计
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.4 本章小结
• 5 烧蚀等离子体扩散行为的数值模拟
• 5.1 烧蚀等离子体的研究背景
• 5.2 烧蚀等离子体扩散行为的数值模拟
• 5.2.1 提出问题
• 5.2.2 理论模型
• 5.2.3 无量纲化
• 5.2.4 初始条件和边界条件
• 5.2.5 差分格式
• 5.2.6 计算参数
• 5.3 数值模拟结果与讨论
• 5.3.1 烧蚀等离子体密度的时空演化
• 5.3.2 烧蚀等离子体速度的时空演化
• 5.3.3 烧蚀等离子体温度的时空演化
• 5.3.4 烧蚀等离子体压强的时空演化
• 5.3.5 数值模拟结果与相关实验数据讨论
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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