Помощь студентам в учебе
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ВОЗДЕЙСТВИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА МЕТАЛЛЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПУЧКИ 11
1.1. Экспериментальные источники низкоэнергетических высокоинтенсивных
электронных и ионных пучков 12
1.1.1. Электронный источник с плазменным катодом 12
1.1.2. Экспериментальные измерения температуры поверхности при
импульсном высокоскоростном электронно-пучковом воздействии 14
1.1.3. Ионный источник с плазменно-иммерсионным формированием 17
1.1.4. Экспериментальное исследование азотирования материала
высокоинтенсивным сфокусированным ионным пучком 20
1.2. Математическое моделирование формирования электронных и ионных
пучков 24
1.3. Математическое моделирование взаимодействия электронных и ионных
пучков с материалами 29
1.3.1. Моделирование тепловых процессов 29
1.3.2. Моделирование азотирования 32
1.4. Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОГО
ФОРМИРОВАНИЯ ИОННЫХ ПУЧКОВ С БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ
ФОКУСИРОВКОЙ 37
2.1. Формирование слоя разделения заряда 37
2.2. Аналитическая модель формирования низкоэнергетического
сфокусированного ионного пучка 42
2.3. Численное исследование транспортировки ионного пучка с
баллистической фокусировкой (метод макрочастиц) 44
2.4. Транспортировка ионного пучка в узком пространстве дрейфа 52
2.5. Аналитические оценки 53
2.6. Выводы по главе 2 55
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ПЛАЗМЕННО-ПУЧКОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА МЕТАЛЛЫ 57
3.1. Моделирование диффузии в многофазном твердом теле 58
3.2. Формирование ионно-модифицированных слоев при азотировании стали
40Х высокоинтенсивным ионным пучком 61
3.2.1 Формирование ионно-модифицированных слоев железа
высокоинтенсивным ионным пучком 63
3.2.2 Плазменное азотирование стали 66
3.2.3 Формирование ионно-модифицированных слоев стали 40Х при
низкоэнергетической импульсной имплантации азота 68
3.3. Выводы по главе 3 75
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ В ИМПУЛЬСЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА 77
4.1. Моделирование импульсного высокоскоростного воздействия
низкоэнергетического электронного пучка на металлические материалы 78
4.2. Высокоскоростной нагрев алюминиевого и титанового образцов 81
4.3. Высокоскоростной нагрев алюминия с титановым покрытием 87
4.4. Выводы по главе 4 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 93
Приложение А. Теплофизические параметры алюминия и титана 105
Приложение Б. Иллюстрация теплофизических параметров алюминия и титана по разным подходам включения фазового перехода в расчетах 106
Приложение В. Теплофизические параметры использованных материалов 107
ГЛАВА 1. НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПУЧКИ 11
1.1. Экспериментальные источники низкоэнергетических высокоинтенсивных
электронных и ионных пучков 12
1.1.1. Электронный источник с плазменным катодом 12
1.1.2. Экспериментальные измерения температуры поверхности при
импульсном высокоскоростном электронно-пучковом воздействии 14
1.1.3. Ионный источник с плазменно-иммерсионным формированием 17
1.1.4. Экспериментальное исследование азотирования материала
высокоинтенсивным сфокусированным ионным пучком 20
1.2. Математическое моделирование формирования электронных и ионных
пучков 24
1.3. Математическое моделирование взаимодействия электронных и ионных
пучков с материалами 29
1.3.1. Моделирование тепловых процессов 29
1.3.2. Моделирование азотирования 32
1.4. Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОГО
ФОРМИРОВАНИЯ ИОННЫХ ПУЧКОВ С БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ
ФОКУСИРОВКОЙ 37
2.1. Формирование слоя разделения заряда 37
2.2. Аналитическая модель формирования низкоэнергетического
сфокусированного ионного пучка 42
2.3. Численное исследование транспортировки ионного пучка с
баллистической фокусировкой (метод макрочастиц) 44
2.4. Транспортировка ионного пучка в узком пространстве дрейфа 52
2.5. Аналитические оценки 53
2.6. Выводы по главе 2 55
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ПЛАЗМЕННО-ПУЧКОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА МЕТАЛЛЫ 57
3.1. Моделирование диффузии в многофазном твердом теле 58
3.2. Формирование ионно-модифицированных слоев при азотировании стали
40Х высокоинтенсивным ионным пучком 61
3.2.1 Формирование ионно-модифицированных слоев железа
высокоинтенсивным ионным пучком 63
3.2.2 Плазменное азотирование стали 66
3.2.3 Формирование ионно-модифицированных слоев стали 40Х при
низкоэнергетической импульсной имплантации азота 68
3.3. Выводы по главе 3 75
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ В ИМПУЛЬСЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА 77
4.1. Моделирование импульсного высокоскоростного воздействия
низкоэнергетического электронного пучка на металлические материалы 78
4.2. Высокоскоростной нагрев алюминиевого и титанового образцов 81
4.3. Высокоскоростной нагрев алюминия с титановым покрытием 87
4.4. Выводы по главе 4 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 93
Приложение А. Теплофизические параметры алюминия и титана 105
Приложение Б. Иллюстрация теплофизических параметров алюминия и титана по разным подходам включения фазового перехода в расчетах 106
Приложение В. Теплофизические параметры использованных материалов 107
Актуальность работы. Прогресс в разработке и развитии технологии модификации поверхностных слоев металлов и сплавов, определяет одно из направлений будущего развития науки и промышленности, и во многом связывается с эффективными методами воздействия концентрированных потоков энергии (КПЭ) на вещество. Плазма и КПЭ (газовое пламя, электрическая дуга, пучок электронов, поток ионов и поток плазмы и др.) представляют собой универсальный технологический инструмент, достоинствами которого являются высокая интенсивность, непосредственное воздействие источника энергии на зону образцов, ограниченная (локализованная) зона воздействия, быстрота, эффективность, производительность и экологически чистое влияние по сравнению с традиционными видами механической и химико-термической обработки. К отраслям, которые используют технологии, основанные на применении КПЭ, относятся микроэлектроника, автомобильная, аэрокосмическая, приборостроительная, инструментальная промышленность, машиностроение и т.д. [1-7].
Для целей легирования среди различных способов обработки КПЭ вызывает интерес плазменные способы, позволяющие проводить обработку больших площадей (сотни квадратных сантиметров) за один импульс. Эффект дальнодействия и сверхглубокого проникновения примеси (несколько сотен микрометров) обуславливает интерес к методам ионно-пучкового воздействия, среди которых плазменно-иммерсионная имплантация является наиболее привлекательной. Импульсная электронно-пучковая обработка позволяет формировать в зоне оплавления закалочные структуры (благодаря предельным градиентам температуры 107-108 К/м). Следующим шагом повышения эффективности модификации структуры и свойств материала являются электронно-ионно-плазменные методы, сочетающие воздействие на поверхность плазменных потоков, ускоренных ионных и электронных пучков [5-7].
В Институте сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) разрабатываются плазменные источники с накаленными и полыми катодами, электронные источники со взрывоэмиссионным и плазменным катодами [8-10], в Научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Национальноисследовательского Томского политехнического университета (НЛ ВИИ НИ ТПУ) разрабатывается низкоэнергетический импульсно-периодический источник с плазменно-иммерсионным формированием и баллистической фокусировкой ионного пучка [11,12]. Характеристики этих источников позволяют эффективно их использовать для целенаправленного изменения свойств поверхностных слоев материалов и изделий. Несмотря существующее множество экспериментальных и теоретических работ, из-за сложности и многообразия процессов, протекающих при формировании пучков заряженных частиц и воздействия их на материалы, требуются дальнейшие исследования для определения устойчивых режимов работы этих источников и, соответственно, оптимальных параметров воздействия потоков энергии на поверхность материалов и изделий.
Тематика диссертационной работы, направленная на теоретическое исследование и численное моделирование процессов плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки сфокусированного ионного пучка, закономерностей воздействия высокоинтенсивных (с плотностью тока до 0.5 A/cм2) низкоэнергетических (1-3 кэВ) ионных пучков металлов и газов, нагрева мишени в импульсе (50-200 мкс) высокоскоростного воздействия низкоэнергетического (10-30 кэВ) интенсивного электронного пучка (с плотностью энергии 8-30 Дж/см2) является актуальной для решения вопроса управления ионно- и электронно-пучковой обработкой, обусловливающего дальнейшее развитие технологий по улучшению эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российским научным фондом, грант 17-19-01169.
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование с применением численного моделирования, сравнение с экспериментами и определение основных закономерностей процессов плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки сфокусированного ионного пучка, воздействия на металлы интенсивных ионных и электронных низкоэнергетических пучков.
Основные задачи исследований:
1. Математическое моделирование плазменно-иммерсионного
формирования и транспортировки высокоинтенсивных низкоэнергетических ионных пучков с баллистической фокусировкой.
2. Построение математической модели формирования ионно- модифицированных слоев металла с учетом распыления поверхности ионами пучка и исследование закономерностей модификации металла стали 40Х высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии.
3. Численное исследование высокоскоростного воздействия на металлические образцы низкоэнергетического интенсивного электронного пучка
Предмет исследования - математическое моделирование формирования высокоинтенсивных низкоэнергетических пучков заряженных частиц (ионов и электронов), тепловые и диффузионно-кинетические процессы в приповерхностных слоях металлов при пучковом воздействии.
Научная новизна работы:
1. Теоретически с применением численного моделирования проведено исследование плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки сфокусированных высокоинтенсивных (до 500 мА/см2) ионных пучков и подтверждены наблюдаемые в эксперименте основные закономерности; показано, что ограничение ионного тока на коллекторе обусловлено формированием виртуального анода в пространстве транспортировки пучка, одним из механизмов компенсации пространственного заряда которого является ионно-электронная эмиссия с поверхности электродов.
2. Построена диффузионная модель многофазного твердого тела с учетом распыления поверхности ионами пучка и проведено исследование влияния плотности тока (0.О1...О.5 A/см2) низкоэнергетических (1...3 кэВ) ионов азота на формирование ионно-модифицированных слоев стали 40Х.
3. Проведено численное исследование высокоскоростного (50.200 мкс) электронно-пучкового воздействия с плотностью энергии 8.20 Дж/см2 на поверхность металлических образцов (алюминий, титан, алюминий с титановым покрытием) и показано влияние динамики радиального распределения плотности тока электронного пучка в источнике с плазменным катодом СОЛО на скорость нагрева поверхности образцов.
Практическая значимость работы. Результаты моделирования, полученные в диссертационной работе, применялись для анализа экспериментальных результатов по электронно-пучковому (ИСЭ СО РАН) и ионно-пучковому (НЛ ВИИ НИ ТПУ) воздействию на металлы и могут быть использованы при оптимизации и управлении режимами плазменной, ионно- и электронно-пучковой обработки материалов для образования модифицированных слоев с заданными свойствами.
Положения, выносимые на защиту:
1. Численным моделированием показано, что в источнике с плазменноиммерсионным формированием пучка геометрия пространства дрейфа, параметры плазмы, амплитуда и частота отрицательного потенциала смещения определяют условия компенсации пространственного заряда фокусируемого пучка и динамику заряженных частиц (плазмы и пучка) в пространстве транспортировки пучка. Ограничение тока ионного пучка на коллектор, а также спонтанное укорочение длительности импульсов тока ионного пучка, обусловлено формированием виртуального анода, одним из механизмов, компенсации пространственного заряда которого является ионно-электронная эмиссия с поверхности электродов.
2. С применением математической модели, построенной в терминах параметров азотирования и описывающей взаимосвязанный рост нитридных (Fe2- 3N) s- и (Fe4N) у-слоев, получено, что конкуренция скоростей распыления поверхности и радиационно-стимулированной диффузии при воздействии на сталь 40Х импульсно-периодического пучка ионов азота (с энергией ионов 1.2 кэВ при плотности ионного тока j = 50.500 мА/см2) определяет
экспериментальные профили распределения примеси азота по глубине, максимальную глубину (180 мкм) при j = 300 мА/см2 и формирование
приповерхностного у' слоя, ответственного за эффект упрочнения поверхности.
3. Численно получено, что скорость нагрева поверхности мишени при воздействии энергии (8...20 Дж/см2, т = 50...200 мкс) электронного пучка
определяется основными характеристиками пучка на мишени и динамикой радиального распределения плотности тока пучка (обусловленной процессами формирования и транспортировки электронного пучка в источнике с плазменным катодом СОЛО); сравнение с экспериментами показывает, что процессы, связанные взаимодействием интенсивного пучка с расплавленным алюминием (при энергии пучка E > 15 Дж/см2), влияют не только на конфигурацию импульса тока пучка, но и на измерения температуры поверхностного слоя.
Апробация результатов. Основные результаты, полученные в
диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на:
• III Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине» 23 -26 мая 2016 г., Томск;
• XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», 7-11 ноября 2016 г., г. Томск;
• 13th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2-7 октября, 2016, г. Томск;
• XII International Conference Radiation-Тthermal Effects and Processes in Inorganic Materials, 4 - 12 September 2016, Tomsk, Russia;
• 12-й Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ - 2017)», 19-22 сентября 2017 г., Минск;
• Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» ICPLTP 2017, 5 - 9 июня 2017 г., Казань;
• VI международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника». 3-8 августа 2018 г., Улан-Удэ;
• 14th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, September 16-22, 2018, in Tomsk, Russia;
• 20th International Symposium on High-Current Electronics, September 1622, 2018, in Tomsk, Russia.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из которых 6 статей, индексируемых международными базами данных (Web of Science, Scopus и др.), 1 статья в отечественном рецензируемом журнале, входящих в перечень ВАК РФ, и 8 полнотекстовых докладов в трудах международных и всероссийских конференций и симпозиумов.
Достоверность. Результаты диссертационной работы подтверждаются удовлетворительным совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными и систематическим характером исследований.
Личный вклад автора - проведение аналитических оценок и численных расчетов, сравнительные анализы экспериментальных и теоретических результатов, формулирование научной новизны, защищаемых положений и выводов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 3 приложений. Объем диссертации составляет 104 страницы, включая 54 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 100 наименований.
Краткое содержание диссертационной работы
Во введении обоснованы актуальность, цель, основные задачи, предмет исследования и практическая значимость диссертационной работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы, формулируются научная новизна и выносимые на защиту научные положения.
В первой главе приведены характеристики электронного источника, методика и результаты измерения температуры поверхности металлических мишеней в импульсе высокоскоростного воздействия низкоэнергетического электронного пучка; приведены характеристики ионного источника с плазменноиммерсионным формированием пучка и результаты эксперимента по азотированию стали 40Х; проводится описание математических моделей формирования пучков заряженных частиц, взаимодействия ионных и электронных пучков с материалами.
Во второй главе численно с применением метода крупных частиц (КАРАТ) подтверждаются результаты эксперимента, показывающего возможность плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки
высокоинтенсивного ионного пучка с баллистической фокусировкой, определяются условия формирования виртуального анода и устойчивой транспортировки ионного пучка.
В третьей главе изложено построение математической модели диффузии в многофазном твердом теле с учетом распыления поверхности ионами пучка, исследуются закономерности формирования ионно-модифицированных слоев при воздействии высокоинтенсивного импульсно-периодического пучка ионов азота на сталь 40Х, проведено сравнение результатов моделирования с результатами экспериментов.
В четвертой главе с применением численного моделирование проводится исследование высокоскоростного воздействия в импульсе низкоэнергетического интенсивного электронного пучка на мишени (алюминий, титан, алюминий с титановым покрытием), проведено сравнение с экспериментальными измерениями температуры.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Для целей легирования среди различных способов обработки КПЭ вызывает интерес плазменные способы, позволяющие проводить обработку больших площадей (сотни квадратных сантиметров) за один импульс. Эффект дальнодействия и сверхглубокого проникновения примеси (несколько сотен микрометров) обуславливает интерес к методам ионно-пучкового воздействия, среди которых плазменно-иммерсионная имплантация является наиболее привлекательной. Импульсная электронно-пучковая обработка позволяет формировать в зоне оплавления закалочные структуры (благодаря предельным градиентам температуры 107-108 К/м). Следующим шагом повышения эффективности модификации структуры и свойств материала являются электронно-ионно-плазменные методы, сочетающие воздействие на поверхность плазменных потоков, ускоренных ионных и электронных пучков [5-7].
В Институте сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) разрабатываются плазменные источники с накаленными и полыми катодами, электронные источники со взрывоэмиссионным и плазменным катодами [8-10], в Научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Национальноисследовательского Томского политехнического университета (НЛ ВИИ НИ ТПУ) разрабатывается низкоэнергетический импульсно-периодический источник с плазменно-иммерсионным формированием и баллистической фокусировкой ионного пучка [11,12]. Характеристики этих источников позволяют эффективно их использовать для целенаправленного изменения свойств поверхностных слоев материалов и изделий. Несмотря существующее множество экспериментальных и теоретических работ, из-за сложности и многообразия процессов, протекающих при формировании пучков заряженных частиц и воздействия их на материалы, требуются дальнейшие исследования для определения устойчивых режимов работы этих источников и, соответственно, оптимальных параметров воздействия потоков энергии на поверхность материалов и изделий.
Тематика диссертационной работы, направленная на теоретическое исследование и численное моделирование процессов плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки сфокусированного ионного пучка, закономерностей воздействия высокоинтенсивных (с плотностью тока до 0.5 A/cм2) низкоэнергетических (1-3 кэВ) ионных пучков металлов и газов, нагрева мишени в импульсе (50-200 мкс) высокоскоростного воздействия низкоэнергетического (10-30 кэВ) интенсивного электронного пучка (с плотностью энергии 8-30 Дж/см2) является актуальной для решения вопроса управления ионно- и электронно-пучковой обработкой, обусловливающего дальнейшее развитие технологий по улучшению эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российским научным фондом, грант 17-19-01169.
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование с применением численного моделирования, сравнение с экспериментами и определение основных закономерностей процессов плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки сфокусированного ионного пучка, воздействия на металлы интенсивных ионных и электронных низкоэнергетических пучков.
Основные задачи исследований:
1. Математическое моделирование плазменно-иммерсионного
формирования и транспортировки высокоинтенсивных низкоэнергетических ионных пучков с баллистической фокусировкой.
2. Построение математической модели формирования ионно- модифицированных слоев металла с учетом распыления поверхности ионами пучка и исследование закономерностей модификации металла стали 40Х высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии.
3. Численное исследование высокоскоростного воздействия на металлические образцы низкоэнергетического интенсивного электронного пучка
Предмет исследования - математическое моделирование формирования высокоинтенсивных низкоэнергетических пучков заряженных частиц (ионов и электронов), тепловые и диффузионно-кинетические процессы в приповерхностных слоях металлов при пучковом воздействии.
Научная новизна работы:
1. Теоретически с применением численного моделирования проведено исследование плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки сфокусированных высокоинтенсивных (до 500 мА/см2) ионных пучков и подтверждены наблюдаемые в эксперименте основные закономерности; показано, что ограничение ионного тока на коллекторе обусловлено формированием виртуального анода в пространстве транспортировки пучка, одним из механизмов компенсации пространственного заряда которого является ионно-электронная эмиссия с поверхности электродов.
2. Построена диффузионная модель многофазного твердого тела с учетом распыления поверхности ионами пучка и проведено исследование влияния плотности тока (0.О1...О.5 A/см2) низкоэнергетических (1...3 кэВ) ионов азота на формирование ионно-модифицированных слоев стали 40Х.
3. Проведено численное исследование высокоскоростного (50.200 мкс) электронно-пучкового воздействия с плотностью энергии 8.20 Дж/см2 на поверхность металлических образцов (алюминий, титан, алюминий с титановым покрытием) и показано влияние динамики радиального распределения плотности тока электронного пучка в источнике с плазменным катодом СОЛО на скорость нагрева поверхности образцов.
Практическая значимость работы. Результаты моделирования, полученные в диссертационной работе, применялись для анализа экспериментальных результатов по электронно-пучковому (ИСЭ СО РАН) и ионно-пучковому (НЛ ВИИ НИ ТПУ) воздействию на металлы и могут быть использованы при оптимизации и управлении режимами плазменной, ионно- и электронно-пучковой обработки материалов для образования модифицированных слоев с заданными свойствами.
Положения, выносимые на защиту:
1. Численным моделированием показано, что в источнике с плазменноиммерсионным формированием пучка геометрия пространства дрейфа, параметры плазмы, амплитуда и частота отрицательного потенциала смещения определяют условия компенсации пространственного заряда фокусируемого пучка и динамику заряженных частиц (плазмы и пучка) в пространстве транспортировки пучка. Ограничение тока ионного пучка на коллектор, а также спонтанное укорочение длительности импульсов тока ионного пучка, обусловлено формированием виртуального анода, одним из механизмов, компенсации пространственного заряда которого является ионно-электронная эмиссия с поверхности электродов.
2. С применением математической модели, построенной в терминах параметров азотирования и описывающей взаимосвязанный рост нитридных (Fe2- 3N) s- и (Fe4N) у-слоев, получено, что конкуренция скоростей распыления поверхности и радиационно-стимулированной диффузии при воздействии на сталь 40Х импульсно-периодического пучка ионов азота (с энергией ионов 1.2 кэВ при плотности ионного тока j = 50.500 мА/см2) определяет
экспериментальные профили распределения примеси азота по глубине, максимальную глубину (180 мкм) при j = 300 мА/см2 и формирование
приповерхностного у' слоя, ответственного за эффект упрочнения поверхности.
3. Численно получено, что скорость нагрева поверхности мишени при воздействии энергии (8...20 Дж/см2, т = 50...200 мкс) электронного пучка
определяется основными характеристиками пучка на мишени и динамикой радиального распределения плотности тока пучка (обусловленной процессами формирования и транспортировки электронного пучка в источнике с плазменным катодом СОЛО); сравнение с экспериментами показывает, что процессы, связанные взаимодействием интенсивного пучка с расплавленным алюминием (при энергии пучка E > 15 Дж/см2), влияют не только на конфигурацию импульса тока пучка, но и на измерения температуры поверхностного слоя.
Апробация результатов. Основные результаты, полученные в
диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на:
• III Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине» 23 -26 мая 2016 г., Томск;
• XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», 7-11 ноября 2016 г., г. Томск;
• 13th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2-7 октября, 2016, г. Томск;
• XII International Conference Radiation-Тthermal Effects and Processes in Inorganic Materials, 4 - 12 September 2016, Tomsk, Russia;
• 12-й Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ - 2017)», 19-22 сентября 2017 г., Минск;
• Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» ICPLTP 2017, 5 - 9 июня 2017 г., Казань;
• VI международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника». 3-8 августа 2018 г., Улан-Удэ;
• 14th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, September 16-22, 2018, in Tomsk, Russia;
• 20th International Symposium on High-Current Electronics, September 1622, 2018, in Tomsk, Russia.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из которых 6 статей, индексируемых международными базами данных (Web of Science, Scopus и др.), 1 статья в отечественном рецензируемом журнале, входящих в перечень ВАК РФ, и 8 полнотекстовых докладов в трудах международных и всероссийских конференций и симпозиумов.
Достоверность. Результаты диссертационной работы подтверждаются удовлетворительным совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными и систематическим характером исследований.
Личный вклад автора - проведение аналитических оценок и численных расчетов, сравнительные анализы экспериментальных и теоретических результатов, формулирование научной новизны, защищаемых положений и выводов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 3 приложений. Объем диссертации составляет 104 страницы, включая 54 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 100 наименований.
Краткое содержание диссертационной работы
Во введении обоснованы актуальность, цель, основные задачи, предмет исследования и практическая значимость диссертационной работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы, формулируются научная новизна и выносимые на защиту научные положения.
В первой главе приведены характеристики электронного источника, методика и результаты измерения температуры поверхности металлических мишеней в импульсе высокоскоростного воздействия низкоэнергетического электронного пучка; приведены характеристики ионного источника с плазменноиммерсионным формированием пучка и результаты эксперимента по азотированию стали 40Х; проводится описание математических моделей формирования пучков заряженных частиц, взаимодействия ионных и электронных пучков с материалами.
Во второй главе численно с применением метода крупных частиц (КАРАТ) подтверждаются результаты эксперимента, показывающего возможность плазменно-иммерсионного формирования и транспортировки
высокоинтенсивного ионного пучка с баллистической фокусировкой, определяются условия формирования виртуального анода и устойчивой транспортировки ионного пучка.
В третьей главе изложено построение математической модели диффузии в многофазном твердом теле с учетом распыления поверхности ионами пучка, исследуются закономерности формирования ионно-модифицированных слоев при воздействии высокоинтенсивного импульсно-периодического пучка ионов азота на сталь 40Х, проведено сравнение результатов моделирования с результатами экспериментов.
В четвертой главе с применением численного моделирование проводится исследование высокоскоростного воздействия в импульсе низкоэнергетического интенсивного электронного пучка на мишени (алюминий, титан, алюминий с титановым покрытием), проведено сравнение с экспериментальными измерениями температуры.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
В результате выполнения диссертационной работы теоретически с применением численного моделирования исследованы основные закономерности физических процессов при формировании и взаимодействии интенсивных пучков заряженных частиц с металлами. Теоретически с применением численного моделирования получено подтверждение экспериментальных результатов плазменно-иммерсионного формирования высокоинтенсивных
низкоэнергетических ионных (металлических и газовых) пучков с баллистической фокусировкой. Получено, что, также как и в эксперименте, устойчивое формирование и транспортировка сфокусированных пучков металлических ионов (алюминия и титана) с плотностью тока на мишени до 500 мА/см2 (в системе с Rc = 7.5 см), осуществляется при длительности импульсов смещения менее 6 мкс (при их периоде 10 мкс). Получено, что конфигурация и амплитуда импульса тока ионного пучка на коллекторе, связаны с динамикой заряженных частиц (плазмы и пучка) в пространстве транспортировки пучка; геометрия пространства дрейфа, параметры плазмы, амплитуда и частота отрицательного потенциала смещения определяют условия компенсации пространственного заряда быстрых ионов и формирования виртуального анода, ответственного за срыв тока пучка (наблюдаемый в эксперименте), одним из механизмов компенсации пространственного заряда виртуального анода является ионно-электронная эмиссия с поверхности электродов.
Построена диффузионная модель многофазного твердого тела с учетом распыления поверхности ионами пучка, построена диффузионная модель в терминах параметров азотирования, описывающая взаимосвязанный рост нитридных (Fe2-3N) s- и (Fe4N) у-слоев; проведено исследование воздействия на сталь 40Х низкоэнергетического (1...3 кэВ) пучка ионов азота с плотностью тока (0.001...0.5 A/см2); получено, что скорость роста ионно-модифицированных слоев высокая на первичных стадиях азотирования и уменьшается с увеличением плотности тока пучка и временем азотирования; ширина слоев зависит от дозы имплантируемых ионов и температуры поверхности образца; толщина глубоких слоев увеличивается за счет слоя у' при уменьшении скорости набора дозы.
Сравнение результатов расчета и эксперимента по воздействию на сталь 40Х импульсно-периодического пучка ионов азота (с энергией ионов 1.2 кэВ в диапазоне плотности тока 0.05...0.5А/см2) указывает на конкуренцию скоростей распыления поверхности и радиационно-стимулированной диффузии, которая определяет экспериментальные профили распределения примеси азота по глубине, максимальное значение глубины (180 мкм) при j = 0.3А/см2 и
формирование приповерхностного у' слоя шириной 25 мкм.
Для управления параметрами электронно-пучкового воздействия на металлические материалы проведено численное исследование динамики температурных полей мишени (алюминий, титан и алюминий с титановым покрытием) в импульсе высокоскоростного воздействия (50.200 мкс) электронного пучка (8.20 Дж/см2). Показано, что в источнике с плазменным катодом СОЛО при вычислении температуры следует учитывать динамику радиального распределения плотности мощности электронного пучка на мишени и соответствие расчетной и экспериментальной плотности энергии электронного пучка на мишени. Численные расчеты и сравнение с экспериментальными измерениями температуры поверхности показывают, что кристаллизация протекает при более низких температурах, чем температура плавления, (ЛТА1 = 11, ЛТт= 280 градусов). С увеличением толщины титанового покрытия от 1 до 3.5 мкм при одной и той же температуре поверхности требуется увеличение мощности пучка (~ в 1.5 раза); процессы, связанные с эрозией поверхности за счет взаимодействия интенсивного электронного пучка с расплавленным алюминием, влияют на ток пучка, температуру поверхности и ее измерение при плотности энергии пучка E > 15 Дж/см2: для алюминия и системы Ti(3.5 мкм)/Al при длительности импульса т < 100 мкс, для системы Ti(1 мкм)/А1 при т < 50 мкс. Рассмотренные эффекты представляют интерес при разработке технологии модификации поверхностей материалов и изделий концентрированными потоками энергии.
низкоэнергетических ионных (металлических и газовых) пучков с баллистической фокусировкой. Получено, что, также как и в эксперименте, устойчивое формирование и транспортировка сфокусированных пучков металлических ионов (алюминия и титана) с плотностью тока на мишени до 500 мА/см2 (в системе с Rc = 7.5 см), осуществляется при длительности импульсов смещения менее 6 мкс (при их периоде 10 мкс). Получено, что конфигурация и амплитуда импульса тока ионного пучка на коллекторе, связаны с динамикой заряженных частиц (плазмы и пучка) в пространстве транспортировки пучка; геометрия пространства дрейфа, параметры плазмы, амплитуда и частота отрицательного потенциала смещения определяют условия компенсации пространственного заряда быстрых ионов и формирования виртуального анода, ответственного за срыв тока пучка (наблюдаемый в эксперименте), одним из механизмов компенсации пространственного заряда виртуального анода является ионно-электронная эмиссия с поверхности электродов.
Построена диффузионная модель многофазного твердого тела с учетом распыления поверхности ионами пучка, построена диффузионная модель в терминах параметров азотирования, описывающая взаимосвязанный рост нитридных (Fe2-3N) s- и (Fe4N) у-слоев; проведено исследование воздействия на сталь 40Х низкоэнергетического (1...3 кэВ) пучка ионов азота с плотностью тока (0.001...0.5 A/см2); получено, что скорость роста ионно-модифицированных слоев высокая на первичных стадиях азотирования и уменьшается с увеличением плотности тока пучка и временем азотирования; ширина слоев зависит от дозы имплантируемых ионов и температуры поверхности образца; толщина глубоких слоев увеличивается за счет слоя у' при уменьшении скорости набора дозы.
Сравнение результатов расчета и эксперимента по воздействию на сталь 40Х импульсно-периодического пучка ионов азота (с энергией ионов 1.2 кэВ в диапазоне плотности тока 0.05...0.5А/см2) указывает на конкуренцию скоростей распыления поверхности и радиационно-стимулированной диффузии, которая определяет экспериментальные профили распределения примеси азота по глубине, максимальное значение глубины (180 мкм) при j = 0.3А/см2 и
формирование приповерхностного у' слоя шириной 25 мкм.
Для управления параметрами электронно-пучкового воздействия на металлические материалы проведено численное исследование динамики температурных полей мишени (алюминий, титан и алюминий с титановым покрытием) в импульсе высокоскоростного воздействия (50.200 мкс) электронного пучка (8.20 Дж/см2). Показано, что в источнике с плазменным катодом СОЛО при вычислении температуры следует учитывать динамику радиального распределения плотности мощности электронного пучка на мишени и соответствие расчетной и экспериментальной плотности энергии электронного пучка на мишени. Численные расчеты и сравнение с экспериментальными измерениями температуры поверхности показывают, что кристаллизация протекает при более низких температурах, чем температура плавления, (ЛТА1 = 11, ЛТт= 280 градусов). С увеличением толщины титанового покрытия от 1 до 3.5 мкм при одной и той же температуре поверхности требуется увеличение мощности пучка (~ в 1.5 раза); процессы, связанные с эрозией поверхности за счет взаимодействия интенсивного электронного пучка с расплавленным алюминием, влияют на ток пучка, температуру поверхности и ее измерение при плотности энергии пучка E > 15 Дж/см2: для алюминия и системы Ti(3.5 мкм)/Al при длительности импульса т < 100 мкс, для системы Ti(1 мкм)/А1 при т < 50 мкс. Рассмотренные эффекты представляют интерес при разработке технологии модификации поверхностей материалов и изделий концентрированными потоками энергии.
Подобные работы
- Модифицирование конструкционного алюминия воздействием мощного ионного пучка
Магистерская диссертация, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 6400 р. Год сдачи: 2017 - ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОЛЛОИДНЫХ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ
Диссертация , физика. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2004 - ПОЗИТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ
МИКРОСТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
В СИСТЕМАХ «МЕТАЛЛ-ВОДОРОД»
Диссертация , физика. Язык работы: Русский. Цена: 700 р. Год сдачи: 2017