（等离子体物理专业论文）强流脉冲离子束特性及其烧蚀作用的实验研究.pdf

摘要针对强流脉冲离子束( h i p i b ) 技术研发的关键环节一高功率离子二极管( 磁绝缘离子二极管) 的工作特性，在t e m p 6 型h i p i b 装置上开展了h i p i b 产生及其形成机理的实验研究，确定了优化的离子二极管结构和辐照工艺参数；通过h i p i b 辐照金属材料烧蚀行为的系统研究，揭示了烧蚀表面形貌的形成规律，为彻底弄清h i p i b 与材料相互作用机理提供了实验依据。通过聚合物阳极的单极脉冲模式外磁绝缘离子二极管和石墨阳极的双极脉冲模式自磁绝缘离子二极管工作特性的实验研究发现，影响h i p i b 产生特性的主要因素是离子二极管的绝缘磁场性质和阳极等离子体特性。对于外磁绝缘离子二极管，改进的阴极形成单匝“闭环”磁场线圈，有效地提高了磁场的连续性和均匀性，保证了稠密阳极等离子体的稳定形成。在确定磁场强度下，阳极等离子体密度和稳定性决定了引出离子束流密度的大小及其波动幅度。在磁场电源电压为8k v ，获得了与磁绝缘理论相符的最大离子束流密度输出，离子束参数为：加速电压3 0 0k v ，离子束流密度3 0 0a c m 2 ，离子束脉冲宽度8 0n s ，成分约为7 0 h 离子和3 0 c 离子。离子束密度的波动不超过2 0 ，显著低于同类阳极的无磁绝缘和环型结构外磁绝缘离子二极管的5 0 8 0 。对于具有简化结构优点的自磁绝缘离子二极管，通过调节阴阳极间距保证电子流造成的自磁场稳定形成，同时控制合适的双极脉冲延迟时间，电磁场共同作用形成了稳定的稠密阳极等离子体。在电子流对阳极轰击面积达到最大所对应的延迟时间，获得了最大离子束流密度输出，离子束参数为：2 2 0k v ，3 5 0a c m 2 ，7 0n s ，成分约为3 0 h 离子和7 0 c 离子，离子束流密度的波动同样可控制在2 0 。h i p i b 辐照纯金属t i ，合金t i 6 a 1 4 v 和金属间化合物y t i a l 试样，采用的c h 离子束参数变化为：2 2 0k v ，6 0 2 5 0a c m 2 ，7 0n s ，辐照次数1 - 3 0 。通过辐照不同原始粗糙度的纯金属t i 发现，随着辐照次数的增加，烧蚀表面形貌均发生表面粗糙化向光滑化的转变。离子束流密度较低时，辐照表面的粗糙化程度较弱。原始光滑表面明显抑制了辐照表面的粗糙化程度。通过优化辐照参数可控制h i p i b 辐照纯金属t i 烧蚀表面的粗糙化和光滑化。h i p i b 辐照原始光滑t i 6 a 1 4 v 试样烧蚀表面形貌与纯金属t i 具大连理工大学博士学位论文有相似的变化规律，表明少量合金元素的存在对合金的烧蚀特性的影响不显著。辐照原始光滑v t i a l 试样烧蚀表面形貌与纯金属t i 的变化规律明显不同，表面粗糙化程度随辐照次数增大连续增加，出现晶界开裂和波浪状形貌特征。试样表层依次形成了t i 3 a l 和t i 2 a 1 相，证明了a l 元素的选择烧蚀过程。纯金属表面微观几何和成分不均匀性( 如微凸、坑洞，以及杂质等) ，导致了辐照表面的选择烧蚀，是烧蚀坑形成的主要机理。合金中低熔点元素与杂质的存在，不同相结构、组织和晶界，同样导致了合金的选择烧蚀形成烧蚀坑，使合金不能实现光滑化。由于辐照表面不均匀的传热和能量消耗过程，造成局部区域的择优加热、熔化和蒸发，不同程度的蒸发和液滴喷射对不同深度熔融层的扰动作用，造成了烧蚀表面形貌的差异。关键词：强流脉冲离子束，磁绝缘离子二极管，等离子体，金属材料，烧蚀，表面形貌a b s t r a c th i g h i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m ( h i p i b ) t e c h n i q u e ，o r i g i n a t e df r o mi n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) p r o j c o t ，h a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o na sat o o lf o rr e s e a r c hi nm a t e r i a l ss u r f a c ee n g i n e e r i n gi nr e c e n ty e a r s t h en e wr e q u i r e m e n t sf o ra p p l i c a t i o n si nm a t e r i a ls u r f a c ee n g i n e e r i n gu r g ean e wt y p eo fh i p i ba p p a r a t u s ，f o ri n s t a n c e ，t h eg e n e r a t i o no fm e d i u m p o w e r d e n s i t yi o nb e a m ，h i g h s t a b i l i t yi o nb e a m sa n dl o n g l i f e t i m ei o ns o u r c ee t c t h e r e f o r e ，c h a r a c t e r i z a t i o no fh i g hp o w e ri o nd i o d e m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e di o nd i o d e ( m i d ) ，t h ek e yi s s u ef o rt h et e c h n i q u ed e v e l o p m e n t ，i sc o n s i d e r e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ei n v e s t i g a t i o n so fh i p i bg e n e r a t i o na n di t sm e c h a n i s m sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nat e m p 6h i p i ba p p a r a t u s ，i no r d e rt oo p t i m i z et h ec o n f i g u r a t i o no fi o nd i o d ea n di t si o nb e a mp a r a m e t e r sf o rm a t e r i a l ss u r f a c et r e a t m e n t s m o r e o v e r ，t h ea b l a t i o nb e h a v i o r o fh i p i b i r r a d i a t e dm e t a l l i cm a t e r i a l sh a sb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt oc l a r i f yf o r m a t i o no ft h ed i f f e r e n ta b l a t e ds u r f a c em o r p h o l o g i e so nt h em e t a l l i cm a t e r i a l s ，p r o v i d i n gr ne x p e r i m e n t a le v i d e n c ef o re x p l o r i n gt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nh i p i ba n dm a t e r i a l s c h a r a c t e r i z a t i o no fa ne x t e r n a l m a g n e t i cf i e l dm i dw i mp o l y m e ra n o d ea n das e l f -m a g n e t i cf i e l dm i dw i t hg r a p h i t ea n o d eo p e r a t e di nu n i p o l a ra n db i p o l a rp u l s em o d e r e s p e c t i v e l y ，h a sb e e np e r f o r m e d i ti sf o u n dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i p i ba r em a i n l yd e p e n d e do nt w oc r u c i a lf a c t o r s ，i e t h ep r o p e r t i e so fi n s u l a t e dm a g n e t i cf i e l da n da n o d ep l a s m a ，f o rt h ee x t e r n a l - m a g n e t i cf i e l dm i d t h ec a t h o d ew i t li m p r o v e ds t r u c 恤r ew o r k sa sa“c l o s e m a g n e t i cc o i lt h a te f f e c t i v e l yi n c r e a s e st h ec o n t i n u i t ya n du n i f o r m i t yo fm a g n e t i cf i e l d ，a n dt h e ne n s u r e st h es t a b i i i t yo fd e n s ea n o d ep l a s m af o r m a t i o n u n d e rac e r t a i nm a g n e t i cf i e l d ，t h ed e n s i t ya n ds t a b i l i t yo fa n o d ep l a s m ad e t e r m i n e st h ei o nc u r r e n td e n s i t ya n di t sf l u c t u a t i o n t h em a x i m u mo u t p u to fi o nb e a mc u r r e n ti so b t a i n e da tac h a r g i n gv o l t a g eo f8k vf o rt h em a g n e t i cf i e l dp o w e rs y s t e m ，w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h et h e o r yo fm a g n e t i ci n s u l a t i o n 。t h ei o nb e a mp a r a m e t e r sa r ea na c c e l e r a t i n gv o l t a g eo f3 0 0k v ，a ni o nc u r r e n td e n s i t yo f3 0 0m c m 2 、i t l lb e a mp u l s ew i d t ho f8 0n sa n dw i t hc o m p o s i t i o no f7 0 p r o t o na n d3 0 c a r b o ni o n s t h ef l u c t u a t i o no fi o nb e a mh a sb e e nc o n t r o l l e dw i t h i n2 0 ，s i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h a to f5 0 - 8 0 f o re x t e r n a l - m a g n e t i cf i e l dm i do fa n n u l a rc o n f i g u r a t i o na n di o nd i o d ew i t h o u tm a g n e t i cf i e l db yu s i n gp o l y m e ra n o d e s f o rt h es e l f -查垄里三奎堂堡主兰堡兰兰一m a g n e t i cf i e l dm i dw i t hr e l a t i v e l ys i m p l es t r c a l r e ，t h es t a b i l i t yo fs e l f - m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db ye l e c t r o nf l o wi so b t a i n e db ya d j u s t i n gt h ed i o d eg a pa n dt h ed e l a yt i m eo fb i p o l a rd u l s e u n d e rt h ec o m b i n e de f 传c to fs e l f - m a g n e t i cf i e l da n de l e c t r i c a lf i e l di nt h ed i o d e ，s t a b l ea n dd e n s ea n o d ep l a s m aw a sp r o d u c e d a tt h ed e l a yt i m ew h e nt h ea r e ao nt h ea n o d es u r f a c eb o m b a r d e db ye l e c t r o n se x p a n d st oam a x i m u mf i e l d ，t h eu p p e rl i m i to fi o nb e a mc u r r e n to u t p u ti sr e a c h e d t h ei o nb e a mp a r a m e t e r sa r ea na c c e l e r a t i n gv o l t a g eo f2 2 0k v a ni o nc u r r e n td e n s i t yo f3 5 0a c m 2w i t hb e a mp u l s ew i d t ho f 7 0n sa n dw i t hc o m p o s i t i o no f3 0 p r o t o na n d7 0 c a r b o ni o n s t h ef l u c t u a t i o no fi o nb e a mh a sa l s ob e e nc o n t r o l l e da ta b o u t2 0 t h es a m p l e so fp u r et i ，t i 6 a 1 4 va l l o ya n dy - t i a li n t e r m e t a l l i c sh a v eb e e ni r r a d i a t e db yh i p i bw i t hc hi o n so fi o nc 1 1 r r e n td e n s i t yo f6 0 2 5 0a c m 2a t2 2 0k va n ds h o tn u m b e ro f1 3 0 t w ok i n d so fo r i g i n a lp u r et is a m p l e sw e r es e l e c t e d 、v i 血d i f f e r e n ts u r f a c er o u g h n e s s ，i e h i g h - r o u g h n e s sa n dl o w r o u g h n e s so n e s ，r e s p e c t i v e l y ，w h e r e a so n l yl o w r o u g h n e s ss a m p l e sw e r ef o rt i 6 a 1 4 va l l o ya n d7 - t i a ii n t e r m e t a l l i c s i ti sf o u n dt h a tt h ea b l a t e ds u r f a c em o r p h o l o g i e sf o rb o t ht h et is a m p l e so fd i f f e r e n tr o u g h n e s sh a v eas i m i l a rc h a n g et r e n df r o mr o u 曲e n i n gt os m o o t h i n gw i t hi n c r e a s i n gt h es h o tn u m b e r ，w h e r et h es u r f a c er o u g h e n i n gi sr e l a t i v e l yw e a k e ra tl o w e ri o nc u r r e n td e n s i t y m o r e o v e r t h es u r f a c er o u g h e n i n gi so b v i o u s l yr e s t r a i n e do nt h el o w r o u g h n e s st is a m p l e s t h e r e f o r e ，t h es u r f a c er o u g h e n i n ga n ds m o o t h i n gc a nb ea d j u s t e db yc o n t r o l l i n gt h eh i p i bi r r a d i a t i o np a r a m e t e r s t h es i m i l a rc h a n g et r e n do fa b l a t e ds u r f a c em o r p h o l o g yf o rt i 6 a 1 4 va l l o yi sa l s of o u n da sc o m p a r e dt ot h a to fp u r et i ，i n d i c a t i v eo fam i n o re f f e c to ft h el o w - c o n t e n ta l l o y i n ge l e m e n t so nt h ea b l a t i o np r o c e s so ft h ea l l o y t h ec h a n g et r e n do fa b l a t e ds u r f a c em o r p h o l o g yf o r7 - t i a li n t e r m e t a l l i c si ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mt h a to fp u r et i ，w h e r es e v e r es u r f a c er o u g h e n i n gh a sb e e nf o u n dw i t hi n c r e a s i n gt h es h o tn l m l b e r , p r e s e n t i n gaw a v yf e a t u r ea n dc r a c k so c c u r r e do ng r a i nb o u n d a r y as e l e c t i v ea b l a t i o no f a lh a sb e e nc o n f i r m e db yt h ef a c tt h a tn e wp h a s e so ft i 3 a ta n dt i z a lh a v ef o r m e di ns e q u e n c eo nt h ei r r a d i a t e ds u r f a c ew i t hi n c r e a s i n gt h es h o tn u m b e r t h em i c r on o n u n i f o r m i t yo fg e o m e t r i c a lf a c t o ra n dc o m p o s i t i o no nt h ei r r a d i a t e ds u r f a c e so fp u r em e t a l s ，e g m i c r o - p r o t r u s i o n s ，s m a l ld e f e c t sa n di m p u r i t i e se t c ，i n d u c e sas e l e c t i v ea b l a t i o nu n d e rh i p i bi r r a d i a t i o n ，w h i c hi st h em a i nm e c h a n i s mf o rc r a t e r i n gf o r m a t i o no np u r em e t a l s t h ep r e s e n c eo fa l l o y i n ge l e m e n t so fl o wm e l t i n gp o i n ta n di m p u r i t i e s ，d i f f e r e n tp h a s e sa n ds t r u c t u r e s ，a n dg r a i nb o u n d a r ye t c ，a l s oi n d u c e sas e l e c t i v ex摘要o nt h ea l l o y sc a u s i n gc r a t e rf o r m a t i o n a sar e s u l t ，o b v i o u ss m o o t h i n gu s u a l l yc a n n o tb er e a l i z e df o ra l l o y su n d e rh i g h - i n t e n s i t yi r r a d i a t i o n t h ep r e f e r e n t i a lh e a t i n g ，m e l t i n ga n de v a p o r a t i n gt a k e sp l a c ed u et ot h eh e t e r o g e n e o u sh e a tt r a n s f e ra n de n e r g yd i s s i p a t i o no nt h es u r f a c e su n d e rh i p i bi r r a d i a t i o n t h el o c a l l ym o r ei n t e n s el i q u i de v a p o r a t i o na n dd r o p l e te j e c t i o nf r o mt h ei i t a d i a t e ds u r f a c e sl e dt od i s t u r b a n c eo ft h em o l t e ns u r f a c e1 a y e ri nt h ed i f f e r e n ts c a l e s ，r e s u l t i n gi nt h ed i f f e r e n ta b l a t e ds u r f a c em o r p h o l o g i e s k e yw o r d s ：h i g h i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m ( h i p i b ) ，m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e di o nd i o d e ( m i d ) ，p l a s m a ，m e t a l l i cm a t e r i a l s ，a b l a t i o n ，s u r f a c em o r p h o l o g y查垄里三查兰堡主茎生兰塞一第一章绪论1 1 强流脉冲离子束技术发展简介强流脉冲离子柬( h i g h i n t e n s i t y p u l s e d i o n b e a m - - h i p i b ) 通常指离子能量e = 1 0 5 1 0 7e v ，脉冲宽度f 1 “s ，离子束流密度z 1a c m 2 ，功率密度p = 1 0 7 _ 1 0 1 4w c m 2 ，能量密度q 1j c m 2 的离子束：亦称之为强脉冲离子束( i n t e n s ep u i s e di o nb e a m - - i p i b ) 或高功率离子束( h i g hp o w e ri o nb e a m h p i b ) 。h i p i b 技术起源于2 0世纪7 0 年代末期的惯性约束核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n - - i c f ) 和高能密度物理研究【h 1 。为最终解决人类的能源问题，从2 0 世纪4 0 年代起核物理学家开始采用磁约束方法进行受控核聚变的研究。聚变能不仅取之不竭，而且反应产物无放射性，对环境不构成潜在污染。2 0 世纪6 0 年代，激光技术的出现为受控核聚变反应提供了一个新途径一即i c f ，利用高功率聚焦激光使聚变燃料小球( 靶丸) 加热压缩，获得极高温度和密度，使之在中心“点火”，实现受控聚变。然而，激光用于核聚变面临的主要问题是效率低和造价高昂。因此，能量转换效率比激光高一个量级的带电粒子束技术随后迅速发展起来。最初考虑过电子束技术，但是当轻离子能够有效产生时，研究兴趣随即转向了离子束技术。目前，轻离子成分的h i p t b 作为i c f 的研究方法日趋成熟，而逐渐深入研究的重离子束也期望在核工业领域有更大用武之地【5 1 。然而，要使原子核能够发生聚变，必须将燃料加热到1 0 8 以上高温，这比目前核电站采用的受控核裂变要困难得多，所以受控核聚变仍处于研究阶段。因i c f 等研究而发展起来的h i p i b 技术出现仅仅数年时间，其在材料表面工程领域应用的巨大潜力便悄然显露出来。2 0 世纪8 0 年代初期，美国c o m e l l 大学首先开展了半导体的h i p i b 退火和注入研究工作，并建造了适用于材料表面工程的中低功率h i p i b 装置1 6 ”。随后俄罗斯t o m s k 理工大学核物理研究所也进行了h i p i b 在金属及合金表面改性方面的尝试【8 】。在此后二十年中，美国、俄罗斯和日本等国的科学家们在h i p i b 材料表面工程领域应用研究中取得了极大的进展，已逐步从研究初期的半导体退火，扩展到金属非金属材料表面辐照改性、离子束混合、薄膜沉积和纳米粉末制备等各个方面睁。”。不同于i c f 研究的要求，中低功率能量密度的h i p i b ( 1 0 s _ 1 0 6e v ，1 第一章绪论ul矗o=一“cuu匹苫墨矗苗吕kojc。一苟。l厶日】if)e口，(。石三屯u_一diz-。qj矗。k一一暑西霹芒皑崮碌皋露fl毪髫器芒h噎群荽葵槲掠*鬟_【di_=一匝大连理工大学博士学位论文5 0 1 0 0 0y i s ，以= 1 0 1 0 3a c m 2 ，1 0 6 - 1 0 9w c m 2 ，1 - 5 0j c m 2 ) 在材料表面工程领域有更为广阔的应用前景 t 4 - 1 7 。因此，除了在材料领域的h i p i b 应用研究，各国原先从事i c f 等研究的实验室还同时致力于发展和研制能满足材料表面工程应用要求的h i p i b技术。图1 1 总结了近二十年来各国学者在h i p i b 装置研究和发展，以及在材料表面工程应用方面的研究进展情况。1 2 强流脉冲离子束原理1 2 1 强流脉冲离子束装置h i p i b 技术与常规离子注入技术的本质区别是离子束流密度( 功率密度) 的巨大差异，前者比后者要高出1 0 3 - 1 0 5 量级，这首先得益于h i p i b 中的脉冲压缩技术。在2 0世纪6 0 年代初，英国原子武器研究中心m a r t i n 等 1 8 1 首先提出和研制高功率脉冲装置用于产生强流脉冲电子束，成功地发展了利用m a r x 发生器技术对脉冲形成线( p u i s e f o r m i n gl i n e p f l ) 进行脉冲充电、产生短脉冲宽度( 1 0 1 0 0f i s ) 的高功率脉冲技术。此后，高功率脉冲粒子加速器得到迅速发展。许多国家的实验室先后建造了各种高功率脉冲离子加速器( h i p i b 装置) ，并由单脉冲运行转向重复的多脉冲运行。图i2 给出了典型的h i p i b 装置示意图。h i p i b 装置一般由两部分组成：高功率脉冲电源( 如m a r x 发生器和p f l 系统) 和真空离子二极管。d i e l e c t r i c s图i 2 传统h i p i b 装置典型构成示意图f i g 1 2s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a lh i p i ba p p a r a t u s3 -t od i o d e日第一章绪论将脉冲电源输出的短持续时悯高功率脉冲转换为离子束，要使用真空离子二极管。真空离子二极管是h i p i b 装置的离子源，往往既产生离子、同时还完成离子的加速和引出，因此h i p i b 装置通常没有像常规离子注入装置那样复杂的加速和引出系统，离子源结构极大简化。在某些情况下要进一步缩短p f l 的充电时间，可在m a r x 发生器与p f l 之间引入中间储能电容器。p f l 中通常使用液体电介质，主要包括油、水型两种传统类型，应用快速开关保证能量从p f l 有效传输到离子二极管。最近还有文献报道，采用具有更高介电常数和耐压值的陶瓷材料作为p f l 电介质，可达到提高p f l 耐压能力和减小其尺寸等目的【1 9 i 。此外在一些应用中，需要增加或减小特征脉冲阻抗，而在p f l 输出开关与真空二极管之间安装一个传输线，或称脉冲变压线。1 2 2 离子束流密度的限制离子束技术的基本过程都是将某种单质或化合物的分子原子进行电离( 通常是在阳极区形成等离子体) 以提供离子，并引入加速区间，然后在电场作用下从电极出口引出离子束。如果忽略等离子体密度的影响，引出离子束流密度则受到空间电荷分布和电子流动的限制。首先考虑在如图1 3 所示的两个平行平面电极( 真空离子二极管) 之间只存在单向离子流的简化情况，二极管电压为u d ，离子从阳极等离子体中以零初速度向距离为d的阴极加速运动。当没有空间电荷效应时，二极管间隙中的电场是均匀的。但是随着电流不断增大，电场发生畸变，最终达到阳极表面电场为零的极限情况，对应的最大离子束流密度为扣4 。占o 。( 2 州z e ) 啦竽( 1 - ，)式( 1 - 1 ) 中，面为真空介电常数，m ，为离子质量，磊为离子电荷量。式( 1 - 】) 即2 h i l d l a n g m u i r 定律，或称“3 2 ”定律，为空间电荷限制条件下真空离子二极管的离亍二流密度极限。对于质子束，若阮= 2 0 0k v 和d = 1 0r f l n - , , _ ，可得z 4 8a c m - 。因比，单极性流空间电荷限制的离子二极管不是高效的强流离子束源。当考虑二极管中同时存在离子和电子流，即双极性流的情况，那么离子和电子均乏到空间电荷限制，当阳极和阴极表面的电场都为零时，可求得离子流密度最大值为大连理工大学博士学位论文21 8 6 以“( 1 - 2 )式( i - 2 ) 中， 血是c h i l d - l a n g m u i r 极限离子流密度。对于前面质子束的例子( =2 0 0k v ，d21 0m m ) ，双极性流情况的 8 9a e r a 2 。因此，双极性流空间电荷限制的离子二极管也不是高效的强流离子束源。a n o d ec a t h o d e图1 ，3 平行平面离子二极管示意图f i g 1 3s c h e m a t i cd r a w i n go fi o nd i o d ew i t hp l a n e p a r a l l e le l e c t r o d e s二极管中的电子流密度也有与式( 1 一1 ) 和( 1 2 ) 相同形式的关系式。假设双极性流情况下电子和离子密度相等，则离子流与电子流比值为j ，| j e = 0 z m d m b l2l 1 - 3 1可见电子流密度明显高于离子流密度。对于质子束来说，质子流仅占总束流强度的2 3 左右，即使在相对论性二极管中( 电子质量变得更显著) 也不超过7 。因此，仅提高电源功率不能显著增强常规离子二极管引出的离子流。1 2 3 磁绝缘与电子反射为获得强流离子束，必须控制相应电子的流动，通过抑制电子流或改善电子分布来提高离子二极管的效率。磁绝缘和电子反射技术是二种有效方法，最初分别应用于磁绝缘离子二极管( m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e di o nd i o d e - - m i d ) 和反射三极管( r e f l e xt r i o d e ) 。由于离子束引出结构的特点，二极管更适于材料表面工程领域的应用，反射e 第一章绪论三极管则未进行尝试。但是，电子反射技术作为改善电子分布、提高离子流的有效手段之一，对h i p i b 产生仍具有重要意义，近年来其原理已在二极管设计上被采纳。图1 4 给出了反射三极管的工作原理示意图。反射三极管由三个平面电极构成，中间阳极加正高压脉冲，两侧的阴极接地。阳极为箔或网状结构。当高压脉冲到达阳极，阴极表面产生电子发射，从一个阴极发射的电子穿透阳极损失部分能量并被对面的阴极反射。电子穿透阳极并多次反射，直到其动能降低到不能穿透阳极为止，因此延长了电子在阴阳极间的停留时间，从而抑制了电子流，而且提高了阳极附近电子密度，显著增加了从阳极等离子体中引出的离子柬流密度。这种电子反射基本原理后来在二极管中被采用，即箍缩反射离子二极管。图1 4 电子反射( 反射三极管) 原理示意图f i g 1 4 p r i n c i p l eo f e l e c t r o nr e f l e x ( r e f l e x t r i o d e )图1 5 给出了磁绝缘离子二极管( m i d ) 的工作原理示意图，即在图1 - 3 所示的平面二极管中引入一个垂直于二极管间隙电场方向的磁场。在此磁场的作用下，阴极发射的电子发生偏转，存在一临界磁场占矗，使得电子剐好达不到阳极。在非相对论条件下，临界磁场为大连理工大学博士学位论文b 。= ( 2 e u d ) w( 1 - 4 )a e式( 1 - 4 ) 中c 为光速。对于1 2 2 节中质子束的例子( u a = 2 0 0k v ，d = 1 0r a m ) ，临界磁场约为0 1 5t 。与此同时，磁场对离子流的作用却很弱，通常可忽略不计。由于磁场对电子的约束作用，显著提高了到达阴极的离子流密度。图l6 分别给出了在非相对论和相对论性磁绝缘离子二极管中离子流随磁场改变而增大的幅值【2 0 。图中纵坐标是二极管离子流密度与c h i l d l a n g r n u i r 极限值的比值，横坐标是二极管中施加磁场与临界磁场的比值。绝缘磁场较弱时，离子流密度接近双极性流极限( 1 8 姒c l ) ：磁场非常强时，离子流反而降低，接近c h i l d l a n g m u i r 极限电流( 单极性流情况) 。在临界磁场附近，离子流显著超过空间电荷限制电流，达到一个最大值。究其原因，除了磁场对电子流的抑制作用之外，由于电子空间运动轨迹的延长，也起到很好的空间电荷补偿效应，即改善了电子分布。a n o d ec a t h o d e图1 5 磁绝缘离子二极管工作原理示意图f i g 1 5p r i n c i p l eo f m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e di o nd i o d e ( m i d )第一章绪论筑二illil0 51o152 02 5b b 。图16 非相对论性和相对论性m i d 中的磁场对离子柬流密度的增强作j = jf i g 1 6i o nc u r r e n ta saf u n c t i o no f m a g n e t i cf i e l di n1 1 0 f l r e l a t i v i s t i ca n dr e l a t i v i s t i cm i d 【2 01 24 阳极等离子体的作用对于h i p i b 技术，磁绝缘和电子反射技术解决了如何提高引出离子流密度的问题。与常规离子注入技术相比较，h i p i b 技术除有效应用了抑制电子流、提高离子流的方法，同时还实现了极短时间内( ee n h a n c e m e n to fe l e c t r i c a lf i e l do nm i c r o - p r o t r u s i o n se x p l o s i v ee l e c t r o ne m i s s i o n图1 7 高压脉冲作用下平面二极管爆炸电子发射原理示意图f 唔1 p r i n c i p l eo fe x p l o s i v ee l e c t r o ne m i s s i o ni np l a n a rd i o d e目前h i p i b 装置中的离子源( 离子二极管) 多采用固体阳极材料一介电材料如聚合物、陶瓷等，导体材料如金属、石墨和超导体等；还有使用气体和液体材料的离子源。由于h i p l b 装置中二极管阴阳极放电过程极短、放电电压和功率极高、放电过程复杂( 可能同时存在多种放电机制) 等因素，增加了对放电过程及其机理研究的难度r 因此放电过程对阳极等离子体形成的影响和以哪种放电为主等问题仍不十分清楚，需要深入研究。鼎毫蓬ic踺皂p划i窭；墓童翥量蜊g当至詈三点血m重量曩星常僻芒l三l引毫陲i i lii 雏窆l 塞詈掣l 喜童“j 善0jjib驯激l=言叮奄童蚕；酋量寓一百l ；第一章绪论1 0 墨g 委耋耋墓iil萋善ii嚣壁瓣ii鞋；彗蘼萤io 一8 0 o o o niu芝“2目。一d c 型o nm一3一l81qjzo o q 一；，笋；e目主) u 1 目 l j s o eul；：毛oug =一jo一；口o；eol皇芎基罂一点ss粒跏距。高j。zlo；n笔ufluiof， ”b 一是。暑昌熹古。h已午宴。互言呈0db呈里言量曼-簦卜嗡增x垤僻芑了b 耍”n暑古n曷v鹱昌一g量ulb否兰薯譬蔓寻簌强r蔷ojo点彰o引i卜卜卜h1卜旧川幢旧懈怿睡雄雠毫一，6 0 一ne 口口o n o o o 一芒晕皇2星hsu蚤04l f lti-，j：口)c誓c至cj卜o n 一6 0 i 。n。t害宴g李詈l。l：15至fj，n弘引陲陡孵陲雕腱眦；耍；。疆醛一幽臻i _ c n u o 寸n 矗。童矗口。n墨李。n已幸引1，i引割引ii引削盲葺副引引引l剐割叫引圳lifiiiil一饕裂b警黥i蚓叫i|矧i蚓蚓嗣剥崮嘲剽吲jii|o = _ 0 ，e o n、e十。苫羞20墨斟世单。莹曼聃竺。匠厶+ o =一口羔p-z暑o一口。一。一巳u萋告eo卜al星is至墨sfmpnzllljlllfl旧pl瞎忙iiil博隐j卜lf旧曝p旧隧隧巨隆匡巨旧l。口。c ec口，llm幢，蜀b罟日一董圭。u王了h：isr一己。一巴oc l a 一 ，一，岂廿一，芒兰qs u ) hne芒v)叶【v毒_r一三一j鹭籍舔长b 枢毋篷实葵尽墨删潞蚶躲砖藩婶唰糕霉器妖馨大连理工大学博士学位论文表i 1 总结了在材料表面工程领域应用研究的h i p i b 技术，包括装置工作原理、结构和离子束参数等。从h i p i b 装置结构来看，离子二极管具有离子产生、加速和引出，以及离子束聚焦等诸多功能；脉冲电源部分则给离子二极管提供工作脉冲电压。目前高功率脉冲技术的发展相对成熟，h i p i b 装置研发水平主要取决于离子二极管的性能，因此，离子二极管成为当前h i p i b 装置研究的核，t 3 问题。1 3 强流脉冲离子束在材料表面工程中的应用1 3 1 强流脉冲离子束与材料相互作用的特点h i p i b 辐照材料作用过程研究2 0 世纪8 0 年代后期，采用正电子湮没等技术在h 1 p i b 辐照纯金属与合金表层测量到深及上百微米的结构变化，如形成大量位错、空位等缺陷，从而导致相应区域的显微硬度明显增大 4 6 4 8 1 。这种所谓的h i p i b 辐照“长程效应”被归结为烧蚀物质对靶材表面的强反冲作用，导致靶材表层压缩波乃至冲击波的形成 4 9 , 5 0 。随后在不断的实验和理论研究中逐步认识到h i p i b 与材料相互作用涉及从传热学、气体动力学及等离子体物理学等一系列物理现象：h i p i b 辐照短时间内( 5 0 0k e y ，1 0 0a c m 2 ，3 0 1 0 0n s ) ，且不同实验的测量精度不同，但直接测量和换算的压应力基本上处于1 0 8 1 0 1 0p a 量级范围 5 1 - 5 4 1 。为了解释应力波的形成规律，依据粒子输运动力学、连续介质力学和物态方程建立弹塑性流体力学方程组，进行了h i p i b 辐照产生冲击应力场的理论计算盼5 ”。因此，h i p i b 辐照除了导致材料表层极快速加热和辐照结束后的极快速冷却等热学效应以外，同时还伴随着一系列显著第一章绪论的力