（等离子体物理专业论文）强流脉冲离子束与靶材相互作用的数值研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 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t e m p 型强流脉冲离 子束( i p i b ) 加速器，根据拟合实测磁绝缘二极管( m i d ) 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i p i b 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i p i b 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t i 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l o n g 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( 1 0 9k s ) 。模拟研究了m i d 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 m i d 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a l 靶内激波的传播隋况，建立了一维激波传播模型。计算了能 量密度为5 j c m 2 和1 0 j c m 2 时，a i 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、1 0 大气压、1 0 4 大气压、1 0 。3 大气压、1 0 也 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1 0 缶大气压时，可以将其 视为真空，1 0 。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 1 0 0 0 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 吴迪：强流脉冲离子束与靶材相互作用的研究 动部分和前端快速移动部分。在真空中传播时，毫无阻挡，距离靶面越远，等离子体速 度径向分量越小，显示出良好的喷发方向性。 关键词：强流脉冲离子束；数值模拟；温度场；激波；等离子体喷发 大连理工大学博士学位论文 n u m e r i c a ls t u d yo ni n t e r a c t i o no fi n t e n s ep u l s e di o nb e a ma n d t a r g e t a b s t r a c t b e c a u s eo fb e i n gh a v em a n ya d v a n t a g e sf o ri n t e n s ep u l s e di o nb e a m ，i th a sb e e np a y m o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l do fm a t e r i a l s i p i bh a sb e e nu s e df o rd i f f e r e n tm o t i v a t i o nf o rt h e d i f f e r e n te f f e c t so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt a r g e ta n db e a m sw i t hd i f f e r e n te n e r g yd e n s i t i e s f o rl o w e re n e r g yd e n s i t yo fi p i b ，i tc a nb ed i r e c t l yu s e dt om o d i f ym a t e r i a l s ；f o rh i g h e ro n e ， i tt a i lb eu s e dt om o d i f yt h et a r g e ta n da l s oc a nb eu s e dt od e p o s i tf i l m ，a n dt op r o d u c e n a n o s i z ep o w d e r h o wt oc o n t r o lt h ew o r k i n gr e f e r e n c e st or e a l i z et h er e s u l t sf o r 血e d i f f e r e n tt a r g e t ? i tn e e d st h eg u i d a n c et h e o r e t i c a l l y i ti sn o te n o u g ht od e c i d ew h a tt 1 1 e p a r a m e t e r so f t h ei p i bs h o u l db eu s e db ye x p e r i e n c e t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r y t oe s t a b l i s ht h e e x e c u t i n gm e t h o dn u m e r i c a l l yt od e a lw i 廿1t h en o n l i n e a rp r o b l e m f r o mt h eb e g i n n i n go fc r e a t e 也em o d e l sa c c o r d i n gt ot 1 1 ef i t t i n gr e s u l t so ft h ew a v e so 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 eo f t h et e m p t y p ea c c e l e r a t o ri m p o r t e df r o mr u s s i aa n dt h e i o nc u r r e n td e n s i t yd e t e c t e db yf a r a d a yc u pa tt h ef o c u sr e g i o n ，m a n yp r o b l e m sh a v eb e e n d i s c u s s e d ，s u c ha st h ee f f e c t so fs ee m i s s i o np r o b l e m sd u r i n gt h ei r r a d i a t i o np e r i o do ft a r g e t b yi p i b ，a n de s t a b l i s h e dam o d e ld e a l i n gw i t hm i x i n gi o n si nt h eb e a m s ；a n do b t a i n e dt h e e v o l u t i o np r o f i l e so fs ea n de l e c t r i cf i e l dd u r i n gt h eb e a mp u l s e ，f o u n dt h a tt h ef i e l dt a k et h e r o l eo f a c c e l e r a t i n ga n do r i e n t a t i o nt h ei o n si nt h eb e a m ； t h et h e r m a la n dd y n a m i ce f f e c t sh a v eb e e nd i s c u s s e dd u r i n gt h ei r r a d i a t i o np e r i o d a n d e s t a b l i s h e dt h eo n e d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a im o d e l st od e s c r i b et h ea b l a t i o np r o c e s s ； a n dc a l c u l a t e dt h ea b l a t i o np r o c e s sd e e p l y ，o b t a i n e dt h et e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o n p r o c e s so fa b l a t i o no ft a r g e t d u r i n gt h ea b l a t i o no ft a r g e t ，t a r g e tm a t e r i a la b l a t e dl a y e rb y l a y e r ，t h ea b l a t i o nv e l o c i t yr e a c h e da b o u tl o r r d s ，i ti sf a rl e s st h a nt h ee j e c t i o ns p e e do ft h e p l a s m af o r m e db yi p i bi r r a d i a t i o nt a r g e t d u r i n gt h ea b l a t i o np r o c e s st h es e a l c h a n g e df r o m b o w lt ow e l l c e r t a i n l yi ta f f e c t st h ee j e c t i o nd i r e c t i o no f p l a s m a i th a sb e e nf o u n dt h a ta m o n g t h er e s e a r c h i n ge n e r g yd e n s i t i e s ，t h ea b l a t i o nd e p t ha n dw i d t hw i l ln o ti n c r e a s ew h i l et l l e a b l a t i o nt i m en e a rt h ee n do f ap u l s e i tm e a n st h a tt i l ee j e c t i o no f p l a s m aw i l if i n i s ha tt h ee n d o f ap u l s e t h et e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l do f t a r g e th a sb e e no b t a i n e d d u r i n gt h ei p i bi r r a d i a t i o n t h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t er e a c h e s 一1 0 到sd u r i n gap u l s e d i f f e r e n te f f e c t sf o ri m p a c t i n go nt a r g e to fi p i bc o n s i s t so fd i f f e r e n tr a t i oo fi o n s b e c a u s eo fu s m gp o l y e t h y l e n ec o a t i n go rg r a p h i t ea n o d eo fm i do ft h ea c c e l e r a t o rh a v eb e e n r e s e a r c h e d ；t h er a n g eo fc a r b o ni o ni ss h o r t e ra n dt h er a n g eo fp r o t o ni sl o n g e r ，t h e r e f o r et h e 1 1 1 吴迪：强流脉冲离子束与靶材相互作用的研究 e n e r g yo fb e a mp r o d u c e db ym i d w i t l lg r a p h i t ea n o d em a i n l yd e p o s i t si nt h es u r f a c el a y e r ； b u tf o rt h eb e a mp r o d u c e db ym i dw i t hp o l y e t h y l e n ec o a t i n g ，t h ee n e r g ym a i n l yd e p o s i t si n t h ed e e p e rl a y e ro f t a r g e t t h eg e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no f s h o c kw a v e sf o r m e db yi p i bi r r a d i a t i o na lt a r g e ta l s o h a v eb e e nr e s e a r c h e d a n do n e d i m e n s i o n a lm o d e ld e s c r i b et h ep r o c e s sh a sb e e ne s t a b l i s h e d n l es p a t i a le v o l u t i o no fp r e s s u r ef o r m e di na it a r g e td u r i n ga ni r r a d i a t i o np u l s ew i t he n e r g y d e n s i t yo f 5 j c m 2 a n d1 0 j c m z h a v eb e e nc a l c u l a t e d t h ep r e s s u r ed e c r e a s e sf a s t j u s ta f t e rt h e f i n i s ho fap u l s e ，a f t e r w a r d si td e c r e a s e ss l o w l yi nt h et a r g e t b u tf o rp l a s m ag e n e r a t e db y i p i bi r r a d i a t i o ne j e c t i o ni n t ov a c u u l t it h ep r e s s u r ed e c r e a s e sf a s t 。a n dt h ep l a s m aa l m o s t a r r i v e da tt h ec e r t a i np l a c ea tt h es a r r l et i m e at w o - d i m e n s i o n a lg a sd y n a m i cm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rp l a s m ae j e c t i o ni n t o a m b i e n tg a sw i t hd i f f e r e n tp r e s s u r ea c c o r d i n gt oc o n s e r v a t i o nl a wo fe n e r g ya n dm o m e n t u m ， t h ep l a s m ae j e c t i o nc a s e su n d e ra m b i e n tg a sw i t hp r e s s u r eo fv a c u u m ，1 0 a r m ，1 0 珥a t m ， 1 0 。a r m 1 0 。2a r m a n da r m h a v eb e e nc a l c u l a t e d t h ec o n c l u s i o ni st h a ti tc a l lb ec o n s i d e r e d a sv a c u u n lf o ra m b i e n tg a sw i t hp r e s s u r eo f1 0 一a t m f o rp r e s s u r eo f1 0 4a t m t h ea m b i e n t g a se x i s t sd i s t u r b a n c ed u r i n gp l a s m ap r o p a g a t i o ni ni t ；a st h ei n c r e a s eo fa m b i e n tg a s p r e s s u r e ，t h em o v e m e n to fp l a s m ai sc o n f i n e d ，t h el a r g e rt h ea m b i e n tg a sp r e s s u r e ，t h e s m a l l e rt h ev e l o c i t yo fi o n s ，a n dt h es h o r t e rt h e i o nm o v e d e s p e c i a l l y ，w h i l et h ea m b i e n tg a s p r e s s u r ew a s1 10 0 0 a r m ，t h es h o c kw a v e sg e n e r a t e di n a m b i e n tg a s ，t h ep h e n o m e n o no f s n o w p l o w f o r m e di nt h ep l a s m ap l u m e ，i ts p l i t si n t os l o w e rm o v e dp a r tn e a rt h et a r g e t s u r f a c ea n dt h ef a s t e rm o v e dp a r ta tt h ef r o n to ft h ep l u m e p l a s m ap r o p a g a t e si nav a c u u m f r e e l y ，n o t h i n gp r e v e n t si t ，t h ef a r t h e rf r o mt h et a r g e t ，t h es m a l l e rt h er a d i a lv e l o c i t y ，i ts h o w s w e l 】o r i e n t a t i o n k e yw o r d s ：i n t e n s ep u l s e di o nb e a m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d ；s h o c k w a v e s ；e j e e t i o no f p l a s m a 1 v 吴迪：强流脉冲离子柬与靶材相互作用的研究 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 景迪承。也 i 毫绰 唧臻矽 鹌一 乒! 里6 年上, 9 一j - o r 大连理工大学博士学位论文 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 强流脉冲离子束( i n t e n s ep u l s e di o nb e a m ，简写i p i b ) 或称高强度脉冲离子束( h i g h i n t e n s i t yp u l s e di o nb e a m ，简写h i p i b ) 或称高功率离子束( h i g h p o w e ri o nb e a m ， 简写h p i b ) 。它在材料表面改性、薄膜生长、纳米粉制备以及半导体基片的短脉冲离子 注入等领域有着广阔的应用前景【7 1 。 强流脉冲离子束( i p i b ) 可以由磁绝缘二极管( m i d ) 或箍缩式二极管产生【4 8 ，3 3 1 。 二极管的电压达几十万伏，甚至更高，产生的离子能量可达m e v ，脉冲时间却很短， 为几十纳秒到一微秒。束流打到靶上的离子流密度可以达到几千安培每平方厘米，故束 流能量密度比较高，可达1 0 07 c m 2 。因其本身的这些特点，与靶材作用时，有如下特 征： 1 ) 短时间内能使靶面迅速升温，升温速率可达i 0 ”k s ； 2 ) 离子射入靶内时，射程一般在卜1 0 um 范围内； 3 ) 束流一般由c + 和h + 构成； 4 ) 束流由磁绝缘二极管产生，设备可以很紧凑，成本相对较低。 1 1 2 强流脉冲离子束在技术上的应用： 因其自身固有的上述特性，i p i b 有如下的应用价值。 1 ) 离子注入 采用i p i b 进行离子注入，可以改变半导体材料的性质；也可以改变薄膜的附着性 质； 2 ) 直接改性 能量密度较小时，一般小于i 5 c m 2 ，可以直接轰击材料表面，对其进行改性处理， 如可以改变材料的耐磨性、耐腐蚀性以及硬度等 4 9 】；能量密度稍高一些时，一般在1 l o j c m 2 之间，可以使材料表面熔化并且由于热传导而迅速冷却固化而达到表面改性的 目的，同时会在靶内产生应力波及热激波的传播达到深层改性的目的 5 0 , 5 1 , 3 8 ； 3 ) 进行薄膜生长及纳米粉合成 吴迪：强流脉冲离子束与靶材相互作用的研究 当能量密度大于1 0 5 c m 2 时，可使材料表面汽化从而产生喷发等离子体，可以利用 其沉积到基片上进行薄膜生长【5 2 , 1 0 , 2 2 】或靶室充满一定压力的气体进行纳米粉的制备等 【5 3 5 4 】。 1 1 3 强流脉冲离子束与其它脉冲源的比较 i p i b 与脉冲电子束、脉冲激光束一样可以进行材料改性、薄膜生长以及纳米粉合成 等。与电子束比较，因其单粒子携带能量较高，故能量转换效率高：同时电子束射入靶 材要深一些 5 5 - 6 1 】，而离子束相比之下要浅一些，也就是说，离子束的能量主要沉积在表 层；缺点是需要较高的电压。与激光束相比因激光辐照靶材存在强烈的反射作用 6 2 - 6 4 ， 因而能量利用率较低( 从插座到传入靶中，能量转换效率只有1 ，而离子束可达1 5 4 0 ) ，激光主要将能量沉积在表面，而离子束却可以将能量沉积在微米数量级内，离 子束将对靶材进行内部加热，因而能量利用率较高；缺点是没有激光束烧蚀精确。此外 离子束烧蚀面积可大可小，较大时能达到1 0 0 1 0 0 0 c m 2 ：最后，离子束成膜效率高， 达到1 c m s 瞬时沉积率。但需要铅房屏蔽其产生的x 射线。 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 自从美国康奈尔大学采用它轰击半导体时发现可以改变其性质以来，海军研究所采 用它进行了材料改性研究，使其在材料领域里的应用研究愈来愈受重视。美国圣迪亚 ( s a n d i a ) 国家实验室，阿拉姆斯( a l a m s ) 国家实验室、俄罗斯的托姆斯克( t o m s k ) 核物理研究所以及日本的长冈技术科学大学( n a g a o k au n i v e r s i t y ) ，还有德国、波兰 等国相继展开了研究工作。美国阿拉姆斯国家实验室及海军实验室利用g a m b l ei i 及 a n a c o n d a 实现了利用束流辐照进行了薄膜沉积及材料改性的研究 1 ，得到一致性较好 的较厚的薄膜，但组织结构不够好；g a m b l ei i 改性实验时，靶的表面被粗糙化，铝上 的c r 及z r 膜被移除掉而不是期望的渗入混合；在进行高温超导应用研究时口】，成功地 在b e 、s i 、n d g a 0 3 基片上沉积了y b a 2 c u 3 0 7 - d e t a 膜，成膜速率达到5 0 n m 脉冲，比激光 高一个数量级：沉积d l c ( 类金刚石碳) 薄膜时速率为2 5 n m 脉冲；d j r e j 等在a n a c o n d a 加速器上利用不同的能量密度和脉冲次数进行了钢表面改性研究扣“，当能量密度为5 3 c m 2 时，靶内0 2 至1 微米厚度内存在相对不均匀熔化区，1 0 次脉冲后，努氏硬度增加 1 4 倍，达到4 6 6 k g m m 2 。原因是晶粒精细化和位错的形成。并且在表面附近有部分马氏 体向奥氏体转化，同时在表面产生直径1 微米大小的熔坑。b p w o o d 也研究了i p i b 辐 大连理工大学博士学位论文 照过程中的熔坑形成问题【吲，如图1 1 所示。h a d a v i s 等研究了喷发等离子体特性【8 】， 石墨的烧蚀速度为每个脉冲0 2 m g c m 2 ，t i 靶为0 3 m g c m 2 。对i p i b 烧蚀石墨及金属 钛靶产生的喷发等离子体采用高速相机照相的方法进行了研究，产生的等离子体喷发速 图1 i2 j c m 2 处理单晶铜样品( a ) 2 脉冲( b ) 1 0 脉冲 f i g 1 1m a g n i f i c a t i o nv i e w ( x 2 5 0 ) o f s a m p l e st r e a t e da t2 j c m 2 p e rs h o t ( a ) s i n g l ec r y s t a lc o r p e r , 2s h o t s ( b ) s i n g l ec r y s t a lc o r p e r ，1 0s h o t s 度达到2 x1 0 。c m s 。 俄罗斯的托姆斯克核物理研究所，y p s h a r k e e v 等研究了束流辐照后，靶面会产生 位错，深度达到数百微米1 6 ”。当离子流密度为6 0 a c m 2 ，轰击一次时位错结构较均匀：离 子流密度为2 0 0a c m 2 ，5 次轰击后位错结构重建，变得不均匀。在靶内出现两处极大 值，第一处在近表层，第二个峰值更展开一些，大约在1 0 0 微米处。a d k o r o t s e v 等研 究了i p i b 辐照下金属和合金在不同熔融温度时物体及表面结构相态和强化问题 1 2 】。采 用的离子流密度分别为5 0 a c m 2 和2 0 0 a c m 2 ，其中c + 含量为7 0 ，h + 含量为3 0 ，功率 密度为1 2 5 0 m w c m 2 。束流轰击靶面后形成凹坑，材料不同凹坑大小和形状不同，并且 统计了不同直径凹坑的分布，发现离子束辐照靶材中心部分的凹坑比较大，边缘要小一 些。离子流密度为5 0a c m 2 时，只观测到较小的凹坑，而2 0 0a c m 2 时，大凹坑占主 要地位。v a s h u l o v 等研究了i p i b 辐照t i 合金的热力学过程【6 8 l 。离子流密度为2 0 2 2 0 a c m 2 ，轰击卜1 0 0 次，脉冲宽度在5 0 l o o n s 之间。束流轰击后，为使靶表面层相结 构稳定，在温度为5 0 0 。c 时进行退火处理，时间从1 0 分钟到两小时。当离子束流密度 吴迪：强流脉冲离子束与靶材相互作用的研究 为2 0 一4 0a c m 2 时，靶材表面有机物质蒸发，表面被清洁；束流密度为4 0 一8 0a c m 2 时，靶材表层厚度为0 4 - 21 - 1m 物质熔化，尔后又快速固化，此时表面光滑：束流密度 为1 0 0 1 8 0a c m 2 时，表面有凹坑和裂纹出现，靶内产生激波，强度达到0 2 g p a 。并 且仔细分析了凹坑分布的密度、大小、形状及内外的硬度、化学组成等【7 j 。得出束流单 次轰击凹坑深度( 1 - 2 um ) 比多次轰击的( 0 卜0 5 um ) 要深的结论。在近坑处的硬度 值明显小于表面自由处的值，但退火后，二者相等。当束流密度在1 0 0 1 5 0a c m 2 时， 熔坑含有相当数量的阴极材料物质，说明i p i b 辐照时有m i d 阴极腐蚀现象发生。还分 析了熔坑对疲劳强度、耐侵蚀性的影响【6 9 】以及进行了处理耐融合金的研列5 1 】，结果表明 在0 21 - im 厚的表层内形成了碳化物，这使得耐熔材料的抗疲劳强度提高3 0 1 8 0 ，抗氧 化性提高2 3 倍，耐盐侵蚀性提高6 - 8 倍。g e r e m n e v 等研究了束流辐照的工业应用问 题【l3 1 ，结果表明：工具钢表面层碳化铁含量增加，深达4 0 一5 0 um 范围内存在缺陷结构， 导致硬度增加；在i p i b 辐照前，如果先在表面沉积硼膜，硬度会显著增加；钻头和其 它工具表面层由于结构和化学改性导致耐磨性增加2 - 6 倍。由w c 、t i c 硬合金制成的切 削工具经i p i b 辐照后，切削时间延长。还可以用来清理用过的航空发动机的汽轮机叶 片，其性能可以达到新叶片的水平。合成了高温超导陶瓷膜，5 0 次轰击后膜厚度可以达 到21 - im 。a v p e 订o v 等研究了采用不同能量密度的束流联合处理靶材使其既能改善硬度 又能改善光洁程度 7 0 , 7 1j 。 日本的长冈技术科学大学等分别进行了改性、薄膜生长及纳米粉的制备等方面的研 究工作 5 0 , 7 2 , 7 3 - 7 5 , 5 3 】。h a k a m a t s u 等研究了i p i b 辐照后s i 溶于a 1 中的速率问题 7 6 】。 x d k a n g 等【2 6 】利用e t i g o i i 建立了一维喷发等离子体模型，当质子能量为( 5 0 0 - 6 0 0 ) k e y ，以4 5 。入射靶材时，射程约为3 扯m ，喷发等离子体的速度为( 1 - 2 ) x 1 0 6 c m s ， 离子动能为( 2 5 1 0 0 ) e v 。在该设备上，q f z h u 等在束流密度为2 0 j c m 2 的情况下， 合成了超细a i n 纳米粉，纳米粉粒子直径在2 0 一4 0 n m 之间，是在1 0 t o r rn 2 气体中合成 的。此外k k a t o 等沉积了长效磷光物质膜 2 4 】，h s u e m a t s u 等在室温下制备了高温超导 材料b 4 c 膜，不用加热基底，也不用退火处理【2 2 1 。显示出i p i b 进行薄膜生长的优越性。 1 2 2 强流脉冲离子束国内研究现状 在国内西北核技术研究所、北京大学重离子国家重点实验室、大连理工大学三束材 料改性国家重点实验室以及北京航空航天大学等单位也开展了理论和实验方面的研究 工作。西北核技术研究所石磊、何小平等自行研制了一台小型i p i b 设备【3 2 ，进行了一 些实验及理论方面的研究工作，如进行了高功率脉冲离子束产生及诊断技术的研究，得 大连理工大学博士学位论文 到了5 0 k a 的脉冲质子束；周南、牛胜利等进行了i p i b 辐照热一力学效应研究5 5 l ；杨 海亮、邱爱慈等开展了箍缩型二极管产生i p i b 的实验，获得了几百k e y ，l o o k a 的i p i b ， 当用其轰击铝和铜靶时，看到了熔化和汽化的痕迹，薄铝样品产生了严重变形，如图1 2 所示【3 3 l 。 图1 2 经i p i b 辐照后的薄铝样品a ) 液化及汽化痕迹b ) 产生形变 f i g 1 2a is a m p l e si r r a d i a t e db yi p i ba ) s c a ro f l i q u i da n dv a p o r i z a t i o nb ) s h a p ec h a n g e d 北京大学重离子国家重点实验室在理论和实验方面作了大量的研究工作。赵渭江、 颜莎等研究了束流辐照4 5 号钢的改性情况【4 9 l ，在低辐照能量密度下( 0 7 5 5 c m 2 ) 表面 微观结构发生显著变化，产生新相f e 5 c 2 ，f e 表面微硬度及耐磨性在2 0 微米内均有明显 提高；颜莎、乐小云进一步研究表明，在1 5 0 微米深度范围内，材料发生了结构变化， 奥氏体结构被破坏，硬度和耐磨性能得到改善【77 l ，观察到高强度的i p i b 辐照时产生两 个硬度峰值区【7 8 】；乐小云、赵渭江等模拟研究了i p i b 辐照金属靶后产生的热一力学效应， 计算了热应力分布及激波的出现等 7 9 3 9 d l 】；向伟、赵渭江等模拟计算了m i d 中粒子的动 力学过程【8 0 8 1 】，研究了磁场对磁绝缘二极管性能的影响【8 2 】；对靶内产生的熔坑现象进行 了解释等1 8 3 1 。 我们三束实验室从俄罗斯引进t e h f ? 离子束加速器，并对其进行了改进。朱小鹏、 雷明凯教授等在金属钛材料改性方面作了研究，如束流辐照后t i 靶表面结构的变化 4 4 1 ， 此外研究了“火山坑”的形成机制等，如图1 3 及1 4 所示 8 4 l 。梅显秀博士研究了室温 下在s i 基体上沉积类金刚石薄膜，单脉冲薄膜沉积速率大于l o n m ，沉积面积为4 0 c m 2 ； 同时研究了薄膜的结构及性能，认为薄膜中s p 3 碳成分含量大约在4 0 ，并且随着靶材 与基体之间距离的减小，薄膜中的s p 3 碳含量增加。束流轰击后，表面粗糙度及硬度均 发生了变化，从而引起表面摩擦系数的变化【45 】；还进行了束流辐照高速钢表面改性研究 吴迪：强流脉冲离子束与靶材相互作用的研究 工作，发现处理后表面层发生由马氏体a - f e 向奥氏体y f e 转变，并且表面产生许 多火山口状熔坑，熔坑中心处富含离子束元素成分：i p i b 处理后的基体深度达2 0 0um 图1 31 2 0 a c m 2 时辐照高粗糙t i 表面s 脚图 ( a ) 1 ( b ) 2 ( c ) 1 0 脉冲 f i g 1 3s i ni m a g e so fi r r a d i a t e dh i g h r o u g h n e s st is u r f a c e sa t1 2 0a c m 2 ( a ) 1 ，( b ) 2a n d ( c ) i 0s h o t s 6 图1 42 5 0 a c m 2 时辐照高粗糙t i 表面s i n 图 ( a ) 1 ( b ) 2 ( e ) 1 0 脉冲 f i g i 4 f i g 1 3s i ni m a g e so fi r r a d i a t e d h i g hr o u g h n e s st is u r f a c e sa t2 5 0a c m 2 ( a ) l ，( b ) 2a n d ( c ) 1 0s h o t s 大连理工大学博+ 学位论文 左右范围内显微硬度提高，且耐磨性、耐蚀性均有改善【4 “。同时研究了高速钢辐照后微 观结构及耐磨性的变化情况 85 1 。张家良博士测定了能量为1 2 j 时，束流辐照聚乙烯靶产 生的喷发等离子体的速度为1 0 0 0 m s 数量级1 8 。 1 2 3 强流脉；中离子束研究中存在的一些问题 1 ) 对不同的研究目的，如改性或薄膜生长，不能有效地控制i p i b 参数，如m i d 的 电压、束流的能量密度等，只能多次试验，凭借经验选取参数。这就浪费了大量 的人力、物力及财力； 2 ) 应用模型混乱，忽视了离子与靶材的作用，不能与脉冲激光及脉冲电子束烧蚀很 好地区别开来。i p i b 与靶材作用时，离子是要射入靶材内部的，而激光则是在材 料表面对其进行辐照，电子束将射入靶材内部更深处，采用统一的模型对研究材 料改性及薄膜生长都是不利的。应该针对不同的束流建立不同的模型，以达到理 论与实验的统一，实现理论对实验的指导作用。 3 ) 有些实验现象尚不能很好地得到解释。 4 ) 最优化参数无法确定等。 总的来说，对强流脉冲离子束的实验研究较多，理论研究相对较少。为了深入研究 i p i b 与靶材相互作用的机制，有效控制其参数，以实现不同的应用目的，我们认为计算 机辅助研究以便建立合理的物理模型，实现对实验的具体指导是必不可少的。 1 3 强流脉冲离子束加速器 强流脉冲离子束加速器可以用于材料表面改性、沉积薄膜以及进行纳米粉的制备 等。对每一项具体的应用来说，将取决于所使用的设备提供的电压、离子流密度以及材 料本身的热物理性质。而加速器提供的能量及加工处理方式，将直接影响处理材料的范 围、参数的选择及最终表面改性的效果、沉积薄膜的质量及纳米粉的合成等问题。因此， 下面就论文工作中所使用的“t e i v 伊”型强流脉冲离子束系统的组成、工作原理及其性 能参数等进行介绍。 1 3 1 加速器结构 吴迪：强流脉冲离子束与靶材相互作用的研究 2 图1 5t e m p 加速器结构图( 1 ) 换向开关( 2 ) 电压分压器1 ( 3 ) 脉冲形成线电极( 4 ) 输出开关( 5 ) m a r x 发生器( 6 ) 充电电感器( 7 ) r o g o w s k i 线圈( 8 ) 电压分压器2 ( 9 ) 磁绝缘二极管( 1 0 ) 真空靶室( 1 1 ) 真空机组( 1 2 ) 靶单元 f i g 1 5s t r u c t u r eo f t e m p y p ea c c e l e r a t o r ( 1 ) r e v e r ss w i s h ( 2 ) v o l t a g e d i v i d e r l ( 3 ) e l e c t r o d e so f p u l s e - f o r m i n gl i n e ( 4 ) o u t p u ts w i t c h ( 5 ) m a r xg e n e r a t o r ( 6 ) c h a r g i n g i n d u c t o r ( 7 ) r o g o w s k ic o i l ( 8 ) v o l t a g ed i v i d e r 2 ( 9 ) 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 ( 1 0 ) v a c u u mc h a m b e r ( 1 1 ) v a c u u mp u m pp a c k a g e ( 1 2 ) t a r g e tu n i t 如图1 5 所示，强流脉冲离子束加速器主要由下列部件构成： 1 ) m a r x 发生器，装有反转开关、输出气体开关及充电电感的双层脉冲形成线( p f l ) ： 脉冲形成装置； 2 ) 电阻分压器、r o g o w s k i 线圈：用于控制及监测： 3 ) 磁绝缘二极管( m i d 见图1 6 ) ：用于产生强流脉冲离子束； 4 ) 真空靶室：靶及基片放置处； 5 ) 真空机组：用于靶室抽真空； 6 ) 自动控制系统等：采用计算机进行系统操作与控制。 大连理工大学博士学位论文 a n o d e c a t h o d e o nb e a m 图1 6m i d 及真空靶室图 f i g 1 6p r o f i l eo f m i d a n dc h a m b e r ( g1 3r e m n e vt o m s ks u r f c o a t i n gt e c h n 0 1 9 6 ( 1 9 9 7 ) 1 0 3 ) 1 3 2 工作原理 强流脉冲离子束是一种特殊的电物理装置，可产生短脉冲、高能量、大面积、强束 流的离子束，主要用于金属、陶瓷、半导体等材料的表面改性及薄膜生长、纳米粉制备 等。下面主要就此设备的运行机制及工作过程作简要介绍。 1 ) 强流脉冲离子束的技术原理 t e m p 系列加速器有两种工作模式：其一为单极脉冲工作模式，即通过高压正脉冲 产生阳极等