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强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 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。这 种技术是利用短脉冲高功率密度的离子束辐照材料表面，引起材料表面快速加热 和快速冷却来改变材料表面的结构和成分。这项技术在国内外已经展开了广泛的 研究，如材料表面改性、薄膜生长、纳米粉的制备等。 强流脉冲离子束及其在靶材中沉积的能量是研究束流与靶材作用的基础。本 文采用t i a 一4 5 0 强流脉冲碳离子加速器在不同参数下对钛靶进行处理，在此基础 上采用m o n t ec a r l o 方法模拟离子在钛靶内能量的沉积，计算不同能量的单能离 子束h + 和c + 入射时的射程，计算了离子能量为1 0 0 k e v 、3 0 0 k e v 和4 5 0 k e v 时，h + 和 c + 离子束与钛靶相互作用的能量分布及离子浓度一深度分布。计算结果表明：h + 与钛靶相互作用过程中的能量损失在钛靶内部出现峰值，而c + 在钛靶表面沉积较 多的能量。h + 与钛靶相互作用过程中的能量损失在钛靶内较深处，而c + 在钛靶表 面沉积较多的能量。束流含离子比例不同，传给靶材的能量分布不同，对靶材将 产生作用效果不同。 用a b a q u s 有限元软件，以单元死活表征汽化材料的体加载方式对靶材钛进 行不同能量参数的强流脉冲离子束辐照热效应的模拟。模拟强流脉冲离子束辐照 钛靶表面的温度场。在5 0 纳秒的脉冲时间内，加速电压增大提高了靶材表层的 升温速率，束流密度增大同样可提高了靶材表层的升温速率。跟据能量参数对靶 材的不同热效应作用，可以选择不同的能量参数来达到眦p i b 辐照靶材后不同的 表面性能，达到强化的目的。气化单元在表层的随机分布体现了h i p i b 离子的随 机性。在较高离子能量辐照靶材表面时，靶材表层和内部材料几乎同时发生气化， 推断可形成气态原子爆破式喷发，在靶材表面形成蚀坑。 通过对钛合金的实验分析得出，脉冲次数不同，离子在变化的靶材之中沉 积的方式有所改变，凝固后组织结构对离子的射程和阻止有程度上的改变，体 现在脉冲能量相同的情况下，脉冲次数不同表现的形貌出现差异。能量的增加 导致沉积能量的增加，瞬间能量沉积产生的热应力和冲击波导致凝固时凹坑密 度加大。表面形貌改变的根本原因是离子的能量，在相同离子能量下，次数不 同发生的形貌变化则应该与靶材微晶化的程度有关。当束流密度较大时，才能 出现显著硬度提高现象，是由于非平衡凝固的组织出现的结果，最可能的组织 结构是微晶结构。 关键词：强流脉冲离子束，阻止本领，浓度一深度分布，能量分布，热效应 n u m e n c a is t u d yo n - n t e r a c t i o no fh i g hi n t e n s e p u i s e dc a r b o nl o nb e a ma n dt it 。a r g e t a b s t r a c t b e c a u s eo f b e i n gh a v em a n ya d v a n t a g e sf o ri m e n s ep u l s e di o nb e 锄，i th a sb e e n p a i dm o r ea t t e n t i o nt o 廿1 ef i e l d o fm 砷e r i a l s t m st e c h n o l o g yd e s c r i b e st h a tt h e m a t e r i a li si 删i a t e db ys h o r t p u l s e da i l dh i g h - p o w e ri o nb e 锄，r e s u l t si nm es t n l c n l r e a i l dc o m p o n e n t so ft h es u r f a c ec h a l l g e dw h e np r o m p th e a t i n ga 1 1 dc o o l i n g i nt h e d e v e l o p e dc o u n t r y ，m i st e c h n o l o g yf i e l di n t e n s ep u l s e di o nb e 锄h a sb e e na p p l i e dt o m a t e r i a ls u r f a c em o d i 母i n g ，f i l mg r o 、矾h ，m a k i n gn a n o s i z ep o 、 ，d e r s t h ei m e r a c t i o no fh i g h i n t e n s i t ) ，p u l s e di o nb e 锄谢t ht it a 唱e t si sv e r ys h o r t ，s 0 i ti si m p o r t a n tt om a l ( ead i s c u s s i o ni nt h e o r y i t sb a s i si st h es i m u l a t i o no fe n e 娼i e so f a ni n t e n s ep u l s e di o nb e 锄l b s o r b e di sb a s i s s e l e c t i n gp a r t i c u l a rp a “l r n e t e r ，w e r e s e a r c h c dt h ei n t e r a c t i o no f 矿a n dc 十w i t ht h et 鹕e to ft i t 1 1 e 矿a n dc + e n e 玛yi s 1o o k e v3 0 0 k e va n d4 5 0 k e v 7 1 1 1 ed e p t h c o n c e 曲眦i o nd i s 仃i b u t i o na i l de n e 玛yg r a d i e m d i s t r i b u t i o nw a sp r e s e n t e da 1 1 dd i s c u s s e d i nt h ep r o c e s so fi n t e r a c t i n gw i t ht it a r g e t ，h + e n e r g yl o s sa p p e a r e dp e a kv a l u ei n i t si 彻e r h o w e v e r ，c 十d i s p o s i t i o nw a sm u c ho nt h es u 订a c eo ft it a 玛e t e n e r g y d i s t r i b u t i o nw a sc 孕l c u l a t e d 、v h e nh i p i bi n t e r a c t e d 谢t ht i 伽曙e t si nt h i sp 印e r i nt l l e p r o c e s so fi n t e r a c t i n gw i t ht it a 】罄e t ，h e n e r g yl o s s i ni t si r u l e r h o w e v e r ，c + d i s p o s i t i o nw a sm u c ho nt h es u 娟eo ft it a r g e t d i f | f e r e n ti o n sh a v ed i 任e r e n td e p t l l s d i s p o s i t i o na n da 毹c t i o n b o d yh e a tf 1 u xm o d eu s i n ge l e m e n tr e m o v e da i l dr e a c t i v a t e dm e t l l o di sb u i l tt 0 s i m u l a t et h et h e m l a le 虢c to ft it a 唱e ti m l d i a t e db yh i p i b 谢t hd i f f e r e n te n e 唱yu s i n g t h ea b a q u sf e m ( f i n i t ee l e m e mm e t h o d ) s o 小v a r e t h et h e 肿a ld a t ao fm em e t a l s u r f 犯ei 仃a d i a t e db yh i p i bi so b t a i n e d t h er e s u l t s 、v e r eg i v e nw i m 让i ep u l s ev o l t a g e o f2 0 0i ( va 1 1 d2 0 0a c m zb e a md e n s i 何w es i m u l a t em et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n c u r v ea tt h ed i n e r e n tm o m e n t d u r i n gp u l s et i m e ，t h ea c c e l e r a t i n gv o l t a g ei n c r e a s e d l et a 唱e ts u r f ：k eh e a t i n gr a t e a n dt h eb e 锄d e n s i 够c a l la l s oi n c r e a s et h eh e a t i n gr a t e a c c o r d i n gt ot h ee n e 唱yo ft h ed i a e r e n tp a r a m e t e r so nt h et l l e m a le f r e c t so ft a r g e t ， w ec a nc h o o s ed i 任e r e n tp a r a i n e t e r st os t r e n 舀h e np u 印o s e s s u r f a c eg 嬲i f i c a t i o nu i l i ti nt h er 觚d o md i s t r i b u t i o no fi o n sr e f l e e dh i p i b i i r a n d o 砌e s s i nt h eh i g he n 鹏yi o ni n a d i a t i o nt a 玛e t ，s 耐i a c ea l l di n t e m a lt a r g e t a l m o s ts i m u l t a n e o u s l yg a s i f i e d ，f o 册a t i o no fg a s e o u sa 幻m sc a nb ei n f e m db l a s t i n g e r u p t i o ni nt h et a 曙e ts u “犯ec o l l r o s i o np i t s t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dm er a t i o m 【l i 锣 o ft h es i m u l a t e dr e s u l ta n dt h em e c h a i l i s mo ft h ec r a t e r sf o m e d w 油t h ee x p e r i m e n _ t a la n a l y s i so ft i t a 】 1 i u ma l l o y ，p u l s en u m b e ro fd i 嗣睹r e n ti o n s c a n c h a n g ei nt l l e 、v a yt h ed e p o s i t i o n ，a r e rs o l i d i f i c a t i o n ，t h eo 唱a n i z a t i o n a ls t r u c t l l r e c a l lc h a i l g et h ei o nr a n g ea n ds t o p p i n gd e g r e e ， p u l s ee n e r g ye m b o d i e di nt h es 锄e c i r c u m s t a n c e s ，l ep e 响m a i l c eo fd i 毹r e n tp u l s e 疗e q u e n c yi s 印p e a r e d i n m o 印h o l o g y t h ei n c r e a s eo fe n e 玛yl e a dt ot h ei n c r e a s eo ft h ee n e 唱yd e p o s i t i o n ，a i l d i n s t a i l tt h ee n e 瑶yd e p o s i t i o na n dt h e r n l a ls t r e s sa r ec a u s e db ys h o c k w a v e s ，i tr e s u l t e d i nt h es o l i d i f i c a t i o np i td e n s i t yi 1 1 c 陀a s e s u r f a c ec h a j l g ei st 1 1 er o o tc a u s eo fi o n e n e 娼y ， t h em i l b e ro fd i 髋r e n tc h a n g e si nt h em o 印h 0 1 0 9 ya i l dt a r g e ts h o u l db et h ee x t e n to f t h ec 巧s t a l l i t e al a 玛eo fb e a md e n s i t yw h i c hc a nb eas i 9 1 1 i 矗c a n ti n c r e a s ei nh a r d n e s s i st h er e s u l to fn o n e q u i l i b r i 啪s o l i d i f i c a t i o no ft i s s u e ，e v e nm o r et l eo r g 撕z a t i o n a l s 觚t u r eo fc r y s t a l 内唧a t i o 咀 - 沁yw o r d s ：h i g hi n t e n s ep u i s e di o nb e a m ，s t o p p i n gp o 、e r d e p t h c o n c e n t r a t i o nd i s t r 置b u t j o n ，e n e r g yg r a d i e n td i s t r - b u t i o n s ， t h e r m a ie f f b c t i i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下取得的研究成果。据我 所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明并表示了谢意。 作者签名：- 户犯日期： 学位论文使用授权声明 本人授权沈阳师范大学研究生处，将本人硕士学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索；有权保留学位论文并向国家主管 部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借 阅；有权可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 第一章绪论 一、材料的强流脉冲离子束处理技术简介 强流脉冲离子束( h i g h i n t e n s i t yp u ls e di o nb e a r h i p i b ) 通常指离子能量 e = 1 0 5 1 0 7 e v ，脉冲宽度：t lus ，离子束流密度j 1 a c m 2 ，功率密度 p = 1 0 7 1 0 1 4 w 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 e p u l s e di o nb e 锄一i p i b ) 或高功率离子束( h i g hp o w e ri o nb e 硼一h p i b ) n 1 。 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 1 c 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乜、3 1 。h i p i b 技术是利用短脉冲高 功率密度的离子束辐照材料表面，在瞬间实现材料表面的高能量密度沉积，材料 表面升温速率高达1 0 8 k s 一1 0 h k s 、冷却速度达到1 0 8 k s 一1 0 9 k s ，形成表面熔化、 气化和烧蚀，在材料表面产生热应力与冲击波，使材料表层各种缺陷和密度显著 增高、非晶和非平衡相等出现，导致材料表面相结构、显微结构、表层硬度、耐 磨性和耐蚀性等变化h 。7 1 。由于处理速度快，不影响材料基体性能，经过处理后， 材料表面摩擦学特性、化学特性、磁学和光学特性均得到了提高，因其特殊的性 能，2 0 世纪8 0 年代初即引起了人们广泛的关注，许多研究组从理论和实验上开 展了一些研究工作埔叫1 。 ( 一) 1 1 a 一4 5 0 碳离子加速器结构及工作原理 下面结合沈阳理工大学从俄罗斯引进的t i a 一4 5 0 强流脉冲碳离子加速器， 介绍t i a 一4 5 0 设备的结构和工作原理。 强流脉冲离子束的产生是由脉冲功率引出脉冲强流离子束的过程。h i p i b 装 置的关键技术为加速器的二极管系统，真空二极管的种类很多，主要有磁绝缘离 子二极管( m i d ) 和箍缩型二极管。1 3 1 等。 箍缩型二极管采用天鹅绒阴极产生离子束，当二极管与脉冲驱动源输出阻抗 匹配较好时，离子束产生效率高，离子束产生效率最大值为6 2 ，磁绝缘离子 二极管与其它二极管相比，其主要优点在于：工作寿命长，离子束参数稳定，可 多次重复工作，能量转换效率高，离子束方向性好。 磁绝缘离子二极管采用两种不同的工作模式：一种是利用聚合物阳极表面闪 络和电子轰击效应，高压正脉冲产生阳极等离子体并引出离子，即单极脉冲工作 模式。另一种是利用爆炸电子发射效应，高压负脉冲产生阳极等离子体，再由高 压正脉冲引出离子束，即双极脉冲工作模式。 t i a 一4 5 0 型加速器采用自磁绝缘离子二极管、双极脉冲工作方式，主要包括 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 m a r x 脉冲发生器，装有反转、输出气体开关和充电电感的双脉冲形成线( p f l ) 、 电阻分压器、用于参数测量和控制的r o g o w s k i 线圈、石墨型自绝缘离子二极管 ( m i d ) 、机械泵和扩散泵组合的高真空系统、去离子水净化系统、水冷系统和自 动控制系统等主要部分。图1 为沈阳理工大学从俄罗斯引进的t i a 一4 5 0 型h i p i b 装 置示意图。 圆 圈 图lt i a 一4 5 0 碳离子加速器结构示意图 ( 1 ) 反转开关( 2 ) 双层脉冲形成线( p f l ) ( 3 ) 充电电感( 4 ) 输出开关( 5 ) 、( 6 ) 分压器( 7 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 、0 谚线圈 a d 真空室磁绝缘离子二极管( m i d ) o 毋试样台真空机组m a r x 脉冲发生器 该装置的离子束成分为c + 和h + 。工作参数为：离子能量1 0 0 4 5 0 k e v ，束流 密度8 0 3 5 0 a c m ，脉冲宽度5 0 n s 和8 0 n s ，能量密度卜1 0 j c m ，束斑尺寸 l o 一1 0 0 c m 2 ，脉冲频率0 5 h z 。 m a r x 发生器中有8 个并联电容用于产生脉冲高压，经过最大输出电压为5 0 k v 直流电源的充电，触发器控制点火，电容串联对p f l 进行充电；p f l 中两个气体 开关先后自击穿，产生的微秒级高压脉冲直接施加在p f l 的中间电极上，在p f l 中压缩成纳秒级高压脉冲传输到m i d ，形成阳极等离子体并引出离子束。p f l 中 以介电去离子水实现绝缘，通过气体开关压力和气体类型及配比调节p f l 及m i d 的高压脉冲波形，获得最佳的工作参数。 自磁绝缘离子二极管的工作原理为：阴极的接地电极为一端接真空室的不闭 合螺旋盘。高压阳极由石墨制成，加速器纳秒发生器形成二个高压脉冲，阴极形 成2 0 0 k v 的脉冲电压，阳极形成4 5 0 k v 的脉冲电压。阴极脉冲电压发射等离子体， 阳极脉冲电压加速离子。m i d 两极间产生等离子体后，大量电子向阳极移动，将 阻碍离子的引出。为使电子不能到达阳极，在两极间加磁场，其方向与电极面平 行，与极间电场方向垂直电子受到磁场洛仑兹力的作用，方向发生偏转，不能到 达阳极，起到了绝缘的作用。又由于离子的质量比电子大很多，使得磁场对离子 的影响非常小，离子能够引出n4 1 。图2 为自绝缘离子二极管及真空靶室图，图3 2 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 为二极管电压和束流密度的典型波形图。 图2 自绝缘离子二极管及真空靶室 a n o d e 阳极c a t h o d e 阴极 i o nb e 鲫离子束t a r g e t 靶材c a r o u s e lu n i t 试样台f r 伽n a n o s e c o n d g e n e r a t o r 纳秒发生器 图3 典型电压和束流密度波形 离子束的组成主要取决于电极电位的材料和石墨的状态，离子束由7 0 c + 和 3 0 h + 组成。发射到靶表面的强流脉冲离子束的能量密度由法拉第装置测量。工 作参数的调节及控制由手动和自动两种方式进行，采用1 0 厘米厚铅板进行工作 室辐射屏蔽。 ( 二) h i p i b 的应用及与材料相互作用的特点 h i p i b 辐照金属材料作为高能束流表面技术研究的重要方向，其主要应用范 围为n 5 1 ：( 1 ) 金属表面摩擦性能、耐蚀性能的改善；( 2 ) 刀具、模具强化；( 3 ) 航空 发动机叶片清洗；( 4 ) 半导体材料改性；( 5 ) 类金刚石、金属、非金属功能薄膜快 速沉积等。目前，h i p i b 技术正在能源、国防、材料和环境等科学技术领域中发 挥重要作用。 3 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 2 0 世纪8 0 年代后期，采用j 下电子湮灭等技术在h i 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，形成的大量位错、空位等缺陷，从而导致相应 区域的显微硬度明显增大n6 l 。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口7 。2 们。随 后在不断的实验和理论研究中逐渐认识到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( f 1 s ) 在材料表面注入离子射程( | lm 级深度) 内产生高密度的能量沉积，随着入射能 量密度的增加，材料表面因强烈加热而急剧升温，发生熔融、蒸发或烧蚀，并在 基体上产生高强度反冲冲量及冲击热应力，由此形成由表及里传输的冲击波；同 时，烧蚀等离子体以一定的定向能量由材料表面迅速向外扩展。因此，对h i p i b 辐照效应的研究包括两个方面内容：一是靶材基体在辐照过程中受到的作用；二 是烧蚀等离子体的动力学行为及其与材料的相互作用。 h i p i b 与材料表面相互作用主要伴随以下三个过程口h2 刳； 1 能量传输过程靶材的快速加热、熔化和蒸发，及随后靶材表面的快速 冷却； 2 质量传输过程一表面烧蚀等离子体的形成与扩展，表面成分的扩散和偏 聚； 3 动量传输过程靶材内部冲击波与反冲动量的形成。 显著的能量、质量和动量作用，有效地造成材料表面形态，结晶状态及其晶 体结构，化学成分等变化，从而导致材料表面各种性能的相应改变。 表搿桃医 图4 强脉冲离子束辐照效应示意图幢副 强流脉冲离子束表面改性技术有许多优点乜4 2 引： 1 无需改变材料的整体特性，可有选择地改变材料的表面特性。 2 注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系数和化合 结合力的影响。 3 不改变工件尺寸，适合于精密机械零件的表面处理，如应用在航空、航天 4 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 等工业。 4 可获得厚度大于1l lm 的改性层或超硬层，适于恶劣条件下的应用。 h i p i b 与其它离子束工艺的比较啪1 。h i p i b 与脉冲电子束、脉冲激光束都可 以进行材料改性、薄膜生长以及纳米粉合成等。但h i p i b 有其他离子束所不具备 的特性。 常规离子注入( e 为l o 1 0 2 k e v ，j 为1 0 2 - 1 0 m a c m 2 ) 主要利用注入离子的掺杂、 合成和质量迁移效应。在材料表面处理时，离子注入的粒子种类和剂量是影响表 面性质的主要因素；而h i p i b 的注入剂量在1 0 1 3 1 0 1 4 a t 伽s c m 3 ，比常规离子注入 剂量小4 个量级，对材料的表面改性作用已非常明显。常规离子注入工艺时间长， 改性效率低；h i p i b 功率高，单次脉冲即可实现大面积辐照，从而大大提高工作 效率。常规离子注入改性层深度较浅( 1um ) ，表面改性作用有限；h i p i b 辐照 的离子射程比较深( 彳乃时，电子阻止截面由b e t h e b 1 0 c h 给出： 踯，= 等灿( 竿 汜，) 当1 ， 1 l d 彳7 3 时，电子阻止截面由l i n d h a r d ，s c h a r f f 和s c h l o t t 给出m 1 ： 疋( e ) = 8 万p 2 口o ( 4 嘴) - 1 z 2 刁埔( 彳门+ 乏乃) - 3 彪( 1 ，) ( 2 2 ) 其中，为平均电离势，忍为电子质量，v 0 为波尔速度，为波尔半径，f 为入 9 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 射离子能量，p 为电子电量，为原子密度，饩z 为入射离子质量、原子序数， 彪z 为靶原子量和原子序数。 ( 二) 离子与原子核的相互作用 弹性能量损失是用来移动整个原子质心的，由于原子的质量基本上集中在原 子核，所以这部分能量损失近似等于粒子只与原子核碰撞的能量损失，称为核碰 撞能量损失。 根据l s s 理论h 别，采用托马斯一费米势函数，核阻止截面可表示为： 踯，= 而播籍驰， 3 ) 其中： l 丽麓尝黑嘉郇3 ls + o 0 1 3 2 占0 2 1 2 2 6 + o 1 9 5 9 3 占o 。5 、u ， 最( g ) = ( 2 4 ) l 尝c 娩姗 笤是约化能量，其中助入射离子能量，玩石为入射离子质量、原子序数， 肱纳靶原子量和原子序数。 离子在材料中的射程分布 载能离子射入固体后，与其中的原子核和电子发生碰撞。碰撞过程中，离子 不断消耗能量，运动方向不断发生偏折。在经过一系列曲折的运动之后，离子的 能量几乎耗尽，在靶中停下来，把所走过的路程称为射程，以眉表示；但在实验 中月不能直接测量，引入投影射程冠这个可测的物理量来描述离子在固体中的穿 行深度。冠定义为离子的总射程r 在其入射速度方向的投影，见图2 2 。离子在 固体中所经历的过程是一个随机过程。相同能量的离子射程和投影射程并不一定 相同。离子注入过程中，大量相同能量的入射离子的射程具有统计规律性。 表面多 天 离子乞 乡 乒一砩 图2 2 离子在固体中的射程示意图h 甜 l o 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 除了总射程r 和投影射程属，在理论研究中，有时人们还引入横向射程足这 个概念，其定义为r 2 = r ：+ 砰。 1 9 6 3 年，l i n d h a r d 、s c h a r f f 和s c h i l t t 提出了离子在靶中的射程分布理论 ( 即l s s 理论) 。这个理论主要假定入射离子与靶原子是准弹性碰撞，原子间相互 作用，利用t h o m a s f e r m i 势来描述。在l s s 理论中，入射离子的能量损失被分 为两个彼此独立的过程：( 1 ) 入射离子与靶原子核的相互作用；( 2 ) 入射离子与靶 内电子的相互作用。根据这一假设，对某一入射离子而言，单位距离上的能量损 失可以表示为两种效果之和： ( 一赶出) = ( 一扭出) 疗+ ( 一施出) 。= 疋( d + & ( 毋 ( 2 5 ) 式中f 是入射离子在x 点处( 靶内) 的能量，( 一把出) 。、( 一把出) 。分别是核阻 止本领和电子的阻止本领，表示能量为f 的一个入射离子，在单位密度的靶内通 过微分厚x 分别传递给靶原子核和靶内电子的能量；是靶的原子密度。可得到 平均总射程： r ：产黑：产l 南恤出) ) 山船( e ) ( 2 6 ) 三、离子与固体相互作用过程的m o n t e c a r l o 模拟及 t r i m 程序 借助于计算机模拟来研究离子在固体中的慢变和散射过程，主要有两种不同 方法用于研究离子与固体的相互作用过程：一种是蒙特卡罗( m o n t e c a r l o ，简 称m c ) 方法，另一种是分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，简称m d ) 方法。m c 方法建立在二元碰撞基础之上，主要适用于模拟能量在托y 以上的离子在固体中 的散射过程，而m d 方法则是建立在多体相互作用基础之上的，适用于低能离子 ( 能量在眈v 左右) 在固体中的慢变过程h2 | 。用m c 方法研究离子与固体的相互 作用过程有许多优点：m c 方法能以较严格的方法处理弹性散射过程，同时还能 给出离子的角分布和能量分布。 目前较为流行的m c 程序是由b i e r s a c k ，z i e 9 1 e r 和l i t t m a r k 等人( 1 9 8 0 ， 1 9 8 5 ) 建立的t r i m ( t r a n s p o r to fi o n si nm a t t e r ) 乖呈序。 在t r i m 程序中，采用了如下基本假设：( 1 ) 固体是一个非晶靶，即原子在 靶中的排列是随机的；( 2 ) 入射离子同固体中单个原子的相互作用被看成是一个 二体碰撞过程，忽略周围原子的影响；( 3 ) 核散射和电子阻止被认为是两个独立 的过程。t r i m 程序可以处理离子在三维空间中的慢变过程。但为了简化问题， 在如下讨论中将假设靶是一个半无限大的平板，离子的入射方向沿x 轴。 离子在慢化过程中，将不断地同固体中的原子发生碰撞。离子同靶原子每碰 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 撞一次，它的能量位置x ，速度的偏转方向缈及能量e 均发生变化。因此，用x ， 妒及e 三个量来确定离子在固体中的运动历史： x o ，x l ，x j ，x r ，仍，仍，纨 e o ，e t ，e i ，e n ( 2 7 ) 设离子在相邻两次碰撞之间飞行的距离为兄，即碰撞自由程，则离子在f 次碰撞 时的位置为： x ，= 一一l + 一lc o s 够一1 ( 2 8 ) 利用球面三角函数的公式，离子在f 次碰撞时其速度的偏转角为： c o s 缈，= c o s 缈f l c d s p j ”+ s i n 矽f _ ls i n 秒j dc o s f ( 2 9 ) 其中晓为实验坐标系中的散射角，甲为速度的方位角。在f 次碰撞时，离子的 能量为： e = 巨一l 一衄等一刖骝 ( 2 1 0 ) 其中刖搿为核碰撞时产生的能量损失，丝等为电子阻止产生的能量损失。 要知道离子在固体中的历史，就要确定离子的碰撞自由程名、实验坐标系中 的散射角谚、速度的方位角甲、核碰撞时的能量损失衄o ) 和电子阻止引起的 能量损失衄扣等物理量。下面分别确定。 1 碰撞自由程允的确定。设固体的原子密度为朋则碰撞自由程五应小于或 等于固体中原子之间的平均距离一乃。离子在每次同靶原子碰撞时是随机的， 因此兄应是一个随机量。这样可以将兄表示成： 五= 一_ 1 门l n 卣 ( 2 1 1 ) 其中舌是 o ，1 】之间的均匀分布的随机数。 2 散射角的确定。由二体弹性碰撞理论h2 j ，知道实验坐标系中的散射角只可 以用质心系中的散射角谚表示： q = 嘴( 面酱两 旺 求见的方法是采用b e i r s a c k 和h a g g m a r k 等人的“散射三角嗽来计算散射角包。 1 2 强流脉冲碳离子柬与钛靶相互作用的数值研究 图2 3 质心坐标糸中的“散射角” “散射三角 法是一种近似的计算方法。图2 3 为质心系中一个质量为m ，、 初始能量为历的入射粒子与一个质量为恐的靶原子碰撞时的轨迹图。圆心 o 。o ：o ，即为所谓的散射三角，其中岛，成分别是两个以o i ，0 2 为圆心的圆的 半径，4 ，4 是小的修正量。由该图很容易得到如下关系： c 。s 要：趔 ( 2 1 3 ) 2 p + r o 、7 其中p = n + 岛，万= 4 + 啶。根据有心力的基本公式，两圆的曲率半径之和为： p = 警 ， f c ( r o ) 、，7 其中v 。，v 。是两粒子在质心系中的速度。有心力可由相互作用势能给出： w 一掣一v ( 2 1 5 ) 根据质心系中的能量守恒定理有： 寻m 。v 1 2 + 寻m 2 v ；+ v ( r 。) = e 。 ( 2 1 6 ) 利用( 2 1 5 ) 式和( 2 1 6 ) 式，( 2 1 4 ) 式可以写成： p ：2 攀 ( 2 1 7 ) 。 v ( r 0 ) 、。 引入如下无量纲能量： 占= ae 。( z l z 2 e 2 ) ( 2 1 8 ) 1 3 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 及参量：b = p a ，r o = r o a ，r 。= p a ，= 万a ，冥中a 是相互作用势中的屏 蔽长度。这样，( 2 1 3 ) 式最后可以写成： c o s 要：掣 ( 2 - 1 9 ) c o s 二= = _ 一 i z 1 y i 2 r 。+ r o 、 拟合出参量的形式为： ：a 娑 ( 2 2 0 ) 1 + g 、7 其中a = 2 船b 声，g = 丌( 1 + a 2 ) 2 一a 】，参数口，和7 分别为： 口= 1 + c l s 一1 他，= ( c 2 + f 17 2 ) ( c 3 + f 1 7 2 ) ，厂2 ( c 4 + ) ( c 5 + 占) ( 2 2 1 ) 表2 1 用m o l i e r e 势能和普适势能给出的c l c 5 值。 表2 1 参数c 1 一c 5 的值 由( 2 1 9 ) 式可以看出，只是离子的能量f 和碰撞参数尸的函数，即： 包= 包( e ，p ) ( 2 2 2 ) 其中离子的能量f 由( 2 1 0 ) 式确定。碰撞参数尸也是一个随机量，它可以表示为： p = 一门( 受肛) 2 ( 2 2 3 ) 己也是 o ，1 之间的均匀分布的随机数。 3 能量损失的确定。离子每同靶原子核进行一次弹性碰撞，其能量损失为阳2 | ： 趔此卜啬告佻i n 2 ( m l + m 2 ) 2l2 、7 这种能量传递仅在碰撞点发生，是不连续的。( 2 1 0 ) 中的衄o 为离子在相邻两 次碰撞之间飞行时电子阻止力造成的能量损失，它是连续的，其表示式为： 丝= 兄吨( e ) ( 2 2 5 ) 其中( e ) 为电子阻止本领截面。 4 方位角甲的确定。方位角的取值在0 到2 石之间，它也是一个随机变量， 其表示式为： 、壬，= 2 刀磊( 2 2 6 ) 1 4 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 其中参也是 0 ，1 】之间的均匀分布的随机数。 这样借助于以上各式，就可以模拟大量入射离子在固体中的运动历史。在 模拟过程中，当离子的能量e 小于某一给定的值助( 约为靶原子的移位阈能， 5 2 5 p 1 ，) 时，即离子不在运动时，记下离子在固体中的停留位置。然后对不同离 子的运动历史进行统计平均，即可以得到离子在固体中的浓度分布m ( x ) ，进而 可以确定出离子的投影射程。 四、结论 本章论述了离子与固体相互作用过程的电子阻止本领和核阻止本领；离子在 固体中的射程；离子与固体相互作用过程的m o r l t c c 耐。模拟及t m 程序。 1 5 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 第三章实验及分析- 弟二覃头驻及万研 一、试验方法及其工艺参数 试验在沈阳理工大学t i a 一4 5 0 型碳离子加速器上进行，钛合金靶经加工清洗 后放入真空室进行辐照试验，采用控制束流密度和脉冲次数研究辐照能量沉积对 试样表面形貌和结构的影响，具体试验参数如下：加速电压为2 0 0 k v ，脉冲宽度 为5 0 n s ，离子束为c “h + ( c ”：c + 和c i 约为总离子数的7 0 。) ，在不同束流密度 2 5 0 a c m 2 和1 5 0a c m 2 的条件下，脉冲次数分别为l 、3 、5 、1 0 次。分别采用x 射线衍射仪、e p m 一8 1 0 电子探针、f m 一3 0 0 日产超微载荷显微硬度计对辐照表面的 相结构、表面形貌和表面硬度进行表征和分析。 所示。 、试验结果与分析 1 5 0a c m 2 和2 5 0a c m 2 下，不同脉冲次数的e p m a 形貌如图3 1 、图3 2 i b ) sp u l e s ，2 。 枣 鋈饕 蚓 i 麓i 谰 图3 11 5 0 a c m 2 辐照表面形貌 a ) 1 次脉冲；b ) 3 次脉冲；c ) 5 次脉冲：d ) 1 0 次脉冲 可见，材料表面均出现明显熔化后凝固形貌，脉冲次数提高，表面的熔化 和烧蚀程度有明显改变。一个脉冲和三个脉冲时，表面为丘陵状形貌。五个脉 冲时，由于高密度束流的热量累积和重复脉冲叠加，重熔层表面形貌致密平整， 具有明显烧蚀坑。当脉冲次数为十次时，烧蚀坑几乎消失，重熔层出现一次和 三次脉冲时类似的“丘陵状”形貌，但较三次脉冲时的表面形貌细密。说明经 1 6 强流脉冲碳离子柬与钛靶相互作用的数值研究 过多次的快速凝固和随后的能量沉积，离子在变化的靶材之中沉积的方式有所 改变，凝固后组织结构对离子的射程和阻止有程度上的改变，体现在脉冲能量 相同的情况下，脉冲次数不同表现的形貌出现差异。 快速冷却的重熔结构可能具有非晶、准晶或微晶特点的组织特点，同时这 种非平衡结构在后续的辐照中，靶材表面会出现这种组织结构驰豫或晶化，从 而导致靶材在多次辐照中，发生从晶体一非晶准晶微晶一驰豫或晶化过程的循 环，导致表面形貌的变化。 a j 1pulbj，3dulcs，200 觥懿d 1 ( j p u l c s ，2 ( j ( j i 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 x 射线衍射分析的结果表面，钛合金靶材辐照后结构没有发生变化，说明表 面形貌的改变不是相结构变化的主要原因，而能量才是表面出现不同形貌的根 本所在，采用1 5 0 a c m 2 束流密度辐照处理后试样的x r d 分析结果如图3 3 所示。 墨 霍 兰 图3 3x r d 图谱( 3 次脉冲) 1 5 0 a c m z 相结构分析结果表明：相结构同基材相比没有发生变化，依然以q 和b 相为 主，但是，辐照后q 相第一衍射峰强度提高，说明辐照后q 具有衍射晶向择优取 向存在。 依据快速凝固理论，钛合金在快速凝固时，q + b 相的组织中q 由于快速凝 固，可以形成过碳的过饱和相，类似于马氏体，形成强化q7 相，从而导致强韧 性的提高。因此，择优取向的存在与q7 有一定关系。 同时，辐照后的q 第一衍射峰出现了宽化现象，但是衍射峰的偏移没有明显 出现。同胡永峰等口4 1 的研究结果有所不同，说明辐照后合金晶格常数没有明显变 化，宏观应力导致的影响可以忽略，宽化说明了辐照表面晶粒具有细化或微晶化 现象。 因此，表面形貌改变的根本原因是离子的能量，形貌在相同离子能量下，次 数不同发生的形貌变化则应该与靶材微晶化的程度有关。 微载荷显微硬度分析结果表明：采用5 克力，加载1 0 秒，靶材5 点平均硬 度h v 。= 4 3 0 ；不同束流密度下不同脉冲次数辐照后，表面的5 点平均显微硬度 如表3 1 所示。 表3 1 不同脉冲次数下的表面显微硬度h v 0 0 0 5 ( 肝a ) 束流密度、脉冲次数 1 35 l o 1 5 0 a c m 2 4 1 5 1 53 8 9 3 63 2 1 3 63 9 1 2 3 2 5 0 a c m 26 5 7 4 65 2 5 0 55 0 3 1 45 3 3 3 5 1 8 强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究 硬度分析结果表明：强流脉冲离子束处理后，表面显微硬度明显变化，束流 密度高时硬度有所提高，束流密度低时，硬度下降。提高的原因在于重熔层微晶 结构和烧蚀坑附近可能的快速凝固的非晶结构。而硬度降低是由于能量密度较低 的时候，离子射程较小，计算小于微米级别，导致在能量沉积少和射程短，形成 表面非平衡凝固的程度降低，累积的热量导致钛合金退火，出现硬度降低。测量 硬度对应的表面形貌分别如