强流脉冲离子束与靶材相互作用的数值研究

论文摘要

强流脉冲离子束因其自身的诸多优越性，在材料领域里越来越受到重视。不同能量密度的束流因与靶作用效果不同而用来进行不同的研究目的，较低的可以直接用于改性，较高时既可以用来改性又可以用来沉积薄膜及制备纳米粉。如何针对不同的靶材控制工艺参数达到实现不同的目的，需要从理论上进行指导，不能仅凭经验确定，因而建立有效的数值方法来解决这一非线性问题是非常必要的。 紧密结合我们三束材料改性国家重点实验室从俄罗斯引进的TEMP型强流脉冲离子束（IPIB）加速器，根据拟合实测磁绝缘二极管（MID）电压波形以及采用法拉第筒检测的离子流密度建立了相应的物理模型，研究了IPIB辐照靶材过程中二次电子发射问题，提出了混合离子束发射二次电子模型，对IPIB辐照期间产生的二次电子的演化及其形成的电场的演化等问题进行了研究。发现对喷发等离子体起定向及加速作用； 研究了辐照过程中热力学效应，建立了烧蚀过程的一维、二维模型，对Ti靶的烧蚀过程进行了数值计算，给出了烧蚀斑痕的时空演化过程。烧蚀过程中，靶物质被层层剥离，剥离速度为10m／s量级，远远小于等离子体的喷发速度。并且烧蚀过程中斑痕由碗状变化到井状，影响等离子体的喷发方向。同时发现在所研究的能量密度范围内，接近脉冲结束时，烧蚀深度和宽度不再增加，即等离子体喷发是在脉冲时间内完成的。还得到了脉冲处理过程中靶材内部的温度场分布及其演化规律，计算了脉冲期间的升温速率（-109K／s）。模拟研究了MID阳极采用聚乙烯涂层和采用石墨时由于束流中不同种类离子份额不同而产生的不同效应。碳离子入射靶材射程较短，而质子相对较长，因而MID采用石墨阳极时束流能量主要沉积在表层，而采用聚乙烯涂层时能量沉积相对较深。 研究了辐照过程中Al靶内激波的传播情况，建立了一维激波传播模型。计算了能量密度为5J／cm2和10J／cm2时，Al靶内的压力的空间演化。脉冲刚刚结束时压力衰减较快，随后在靶内衰减变慢。但产生的等离子体向真空中喷发时压力衰减较快，等离子体几乎同时到达空间某处。 根据能量和动量守恒原理，建立了等离子体向不同压强背景气体中喷发的二维气体动力学模型，计算了背景气体压强为真空、10-6大气压、10-4大气压、10-3大气压、10-2大气压及大气压时产生的等离子体的喷发情形。当背景气压为10-6大气压时，可以将其视为真空，10-4大气压时，背景气体空间存在扰动；随着背景气压升高，等离子体移动受到限制，压力越大，移动速度越小，移动距离越短。特别当背景气压为大气压强的1／1000时，背景气体中产生激波，等离子体羽形成了“雪犁”状，分为近表面的慢速移

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 强流脉冲离子束研究背景及意义
• 1.1.1 强流脉冲离子束及其性能特征
• 1.1.2 强流脉冲离子束在技术上的应用
• 1.1.3 强流脉冲离子束与其它脉冲源的比较
• 1.2 强流脉冲离子束研究现状
• 1.1.1 强流脉冲离子束国外研究现状
• 1.2.2 强流脉冲离子束国内研究现状
• 1.2.3 强流脉冲离子束研究中存在的一些问题
• 1.3 强流脉冲离子束加速器
• 1.3.1 加速器结构
• 1.3.2 工作原理
• 1) 强流脉冲离子束的技术原理
• 2) 磁绝缘二极管工作原理
• 1.3.3 工艺参数
• 1.4 本文主要内容及安排
• 2 离子与表面的相互作用
• 2.1 离子束与材料相互作用
• 2.1.1 离子与电子的相互作用
• 2.1.2 离子与核的相互作用
• 2.1.3 化合物的截止能
• 2.1.4 离子输运的Monte Carlo模拟及TRIM程序
• 2.2 强流脉冲离子束在材料中的能量分布
• 2.2.1 一维束流模型的建立
• 2.2.2 模拟结果与讨论
• 2.2.3 结论
• 2.3 二次电子效应
• 2.3.1 二次电子模型建立
• 3.3.2 电场的形成
• 2.3.3 模拟结果
• 2.3.4 结论
• 2.4 本章小结
• 3 温度场的模拟研究
• 3.1 一维模型及阈值确定
• 3.1.1 相变温度模型
• 3.1.2 能量沉积分布
• 3.1.3 温度演化
• 3.1.4 结论
• 3.2 二维烧蚀效应研究
• 3.2.1 二维束流模型的建立
• 3.2.2 二维热力学模型
• 3.2.3 数值结果与讨论
• 3.2.4 结论
• 3.3 不同MID阳极材料产生IPIB辐照性能比较
• 3.4 本章小结
• 4 激波的产生及等离子体喷发过程研究
• 4.1 激波的产生与传播
• 4.1.1 靶内热激波的传播
• 4.1.2 计算结果与分析
• 4.1.3 结论
• 4.2 向真空中喷发的研究
• 4.2.1 等离子体喷发模型
• 4.2.2 数值结果及讨论
• 4.2.3 结论
• 4.3 向背景气体中喷发的二维研究
• 4.4 本章小结
• 5 本文结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书