强流脉冲离子束辐照的能量沉积效应研究

论文摘要

利用TEMP-6型强流脉冲离子束（HIPIB）装置,开展了HIPIB形成理论及其辐照作用机理研究。针对HIPIB技术的关键—磁绝缘离子二极管,进行了双极脉沖模式下自磁绝缘离子二极管脉冲各阶段的响应研究。借助Monte Carlo（MC）方法,模拟了HIPIB辐照的能量沉积分布,从能量变化分析了其辐照的作用机理。通过建立平面离子二极管模型,分析了负脉沖阶段二极管中初始等离子体的形成。理论计算了阳极表面微凸对电场的增强作用,发现微凸的存在使微观电场相对宏观电场增强了2-4个数量级:二极管中自磁场是由阳极发射的电子桥接接地阴极板形成的,且是一个从窄端向宽端不断推移的过程:引入无量纲参数磁场发散度DM,确立了二极管理想的绝缘性能与较小DM的依赖关系。对双极脉冲中间延迟时间的分析,确立了中间延迟时间在二极管响应中的作用:一方面,具有扩展阳极等离子体的作用,使阳极等离子体充分扩展;另一方面,有助于二极管中离子密度的增大,为正脉冲离子束引出提供充足的离子。利用MC方法,分别对不同能量、单一能量及确定脉宽离子束的能量沉积分析,发现了离子束辐照能量沉积规律。离子束辐照的能量沉积是一个由里及表的过程,离子射程随入射离子能量的增加而增大,且增大趋势与入射离子质量相关;入射离子在靶中传播时发生散射,散射分布与离子射程变化趋势一致,但散射范围远小于离子射程;离子束辐照沉积的能量,并不随入射能量的增加而持续增加,而是存在一个与靶材属性相关的临界值;随脉冲时间的延长,离子束辐照沉积的能量持续增加,增速由离子束成分配比等自身特性决定。HIPIB与材料相互作用时,在材料表层其射程范围内的能量沉积,导致靶材表面发生熔融、蒸发/烧蚀并产生热应力。HIPIB辐照后的横截面金相组织照片分析,证实了能量沉积模拟结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 强流脉冲离子束技术原理
• 1.2 强流脉冲离子束与材料相互作用
• 1.2.1 离子束的能量沉积效应
• 1.2.2 强流脉冲离子束辐照的热效应
• 1.2.3 强流脉冲离子束辐照的力学效应
• 1.3 强流脉冲离子束在材料表面工程中的应用
• 1.4 本论文研究目的与研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 强流脉冲离子束装置及工作参数
• 2.1 双极脉冲模式TEMP-6型强流脉冲离子束装置
• 2.2 双极脉冲模式强流脉冲离子束工作参数
• 2.3 自磁绝缘离子二极管
• 2.4 小结
• 第三章 双极脉冲模式下强流脉冲离子束的形成
• 3.1 简化的二极管模型
• 3.2 阳极等离子体产生过程的计算
• 3.2.1 场增强因子
• 3.2.2 自磁场和导流系数
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 阳极等离子体的形成
• 3.3.2 等离子体的扩展与离子束引出
• 3.4 小结
• 第四章 强流脉冲离子束辐照的能量沉积效应
• 4.1 HIPIB的束流模型
• 4.2 HIPIB辐照的能量沉积
• 4.3 HIPIB辐照的能量沉积模拟与讨论
• 4.3.1 不同能量离子束的能量沉积
• 4.3.2 单一能量离子束的能量沉积
• 4.3.3 确定脉宽离子束的能量沉积
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢