Помощь студентам в учебе
Экспериментальное исследование и численное моделирование динамики изменения температурных полей в различных мишенях при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекундной длительности
|
ВВЕДЕНИЕ 10
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
1.1. Основные принципы формирования и применение высокоинтенсивных
пучков ионов металлов и газов 13
1.2 Модификация поверхности методами ионной имплантации 19
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 25
2.1 Схема экспериментальной установки 25
2.2 Система формирования высокоинтенсивных ионных пучков 27
2.3 Методика эксперимента 28
2.3.1 Изготовление образцов 29
2.3.2 Измерение температуры образцов 29
2.4 Численное моделирование динамики изменения температурных полей
30
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 34
3.1 Экспериментальное исследование распределения плотности тока пучка
ионов титана 34
3.2 Исследование зависимости ионного тока на сплошной коллектор от
ускоряющего напряжения 36
3.4. Численное моделирование динамики изменения температурных полей
в мишенях из алюминия и кремния при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов титана 40
3.4.1 Моделирование температурных полей в мишенях из алюминия 40
3.4.2 Моделирование температурных полей в мишенях из кремния 44
3.5 Сравнительное анализ численного моделирования и экспериментальных данных 46
ГЛАВА 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 51
4.1 Предпроектный анализ 52
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 52
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений 53
4.1.3 SWOT - анализ 55
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 57
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 57
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ 58
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования 60
4.3 Бюджет научно-технического исследования 64
4.3.1 Расчёт материальных затрат исследования 64
4.3.2. Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ .... 64
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей исследования 66
4.3.4. Дополнительная заработная плата исполнителей темы 67
4.3.5. Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 67
4.3.6. Расчет затрат на научные и производственные командировки 68
4.3.7. Накладные расходы (расчёт затрат на электроэнергию) 68
4.3.8. Формирование бюджета затрат 69
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования .. 69
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» 72
ГЛАВА 5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕСТВЕННОСТЬ 75
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 75
5.2 Производственная безопасность 76
5.3 Экологическая безопасность 84
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 85
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕСТВЕННОСТЬ» 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 88
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 90
Приложение А
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
1.1. Основные принципы формирования и применение высокоинтенсивных
пучков ионов металлов и газов 13
1.2 Модификация поверхности методами ионной имплантации 19
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 25
2.1 Схема экспериментальной установки 25
2.2 Система формирования высокоинтенсивных ионных пучков 27
2.3 Методика эксперимента 28
2.3.1 Изготовление образцов 29
2.3.2 Измерение температуры образцов 29
2.4 Численное моделирование динамики изменения температурных полей
30
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 34
3.1 Экспериментальное исследование распределения плотности тока пучка
ионов титана 34
3.2 Исследование зависимости ионного тока на сплошной коллектор от
ускоряющего напряжения 36
3.4. Численное моделирование динамики изменения температурных полей
в мишенях из алюминия и кремния при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов титана 40
3.4.1 Моделирование температурных полей в мишенях из алюминия 40
3.4.2 Моделирование температурных полей в мишенях из кремния 44
3.5 Сравнительное анализ численного моделирования и экспериментальных данных 46
ГЛАВА 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 51
4.1 Предпроектный анализ 52
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 52
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений 53
4.1.3 SWOT - анализ 55
4.2 Планирование научно-исследовательских работ 57
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 57
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ 58
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования 60
4.3 Бюджет научно-технического исследования 64
4.3.1 Расчёт материальных затрат исследования 64
4.3.2. Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ .... 64
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей исследования 66
4.3.4. Дополнительная заработная плата исполнителей темы 67
4.3.5. Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 67
4.3.6. Расчет затрат на научные и производственные командировки 68
4.3.7. Накладные расходы (расчёт затрат на электроэнергию) 68
4.3.8. Формирование бюджета затрат 69
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования .. 69
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» 72
ГЛАВА 5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕСТВЕННОСТЬ 75
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 75
5.2 Производственная безопасность 76
5.3 Экологическая безопасность 84
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 85
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕСТВЕННОСТЬ» 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 88
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 90
Приложение А
Модификация поверхности является одним из наиболее распространенных методов изменения свойств материалов и изделий, так как во многих случаях для улучшения общих характеристик детали достаточно изменить свойства поверхности [1-5].
Ионная имплантация является важным методом модификации поверхности материалов. Он обладает уникальными свойствами и способен к контролируемому изменению элементного, фазового составов, а также микроструктуры поверхности материала. Пучки ионов высокой плотности мощности субмиллисекундной длительности за счет высоких скоростей нагрева и последующего охлаждения приповерхностных слоев обеспечивают модификацию различных сплавов и металлов на глубинах до нескольких десятков микрометров. Основной процесс модификации материала зависит от эффекта сверхскоростной закалки и отсутствия изменений в элементном составе вещества. Основным ограничением ионной имплантации в качестве метода модификации свойств металлов является малый проективный пробег ионов, впоследствии толщина ионно-легированного слоя незначительна.
Применение методов высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации пучков ионов высокой плотности мощности позволило получить ионно-легированный слой толщиной в десятки микрометров [6]. Главным недостатком данного метода выступает деградация микроструктуры материалов, за счет нагрева всего образца до высоких температур.
Новый метод, описанный в работе [7], одновременно сохраняет преимущества высокоинтенсивной имплантации и решает проблему высокотемпературной деградации микроструктуры обрабатываемой мишени. В его основе лежит использование высокоинтенсивных пучков ионов субмиллисекундной длительности с плотностью мощности до нескольких сотен киловатт на сантиметр квадратный. Импульсно-периодический режим создает импульсный нагрев с последующим высокоскоростным охлаждением приповерхностного слоя, за счет быстрого отвода тепла вглубь материала мишени. За счет этого можно добиться одновременно высокой температуры в ионно-модифицируемом слое и избежать высоких температур во всем объеме материала [8].
Возможность образования глубоко модифицированных слоев в сплавах и металлах за счет повышения радиационно-стимулированной диффузии имплантируемых атомов, благодаря высокой температуре и высокой плотности ионного тока, демонстрируется в работах [9-12].
В тоже время, моделирование физических процессов является незаменимым инструментом при исследовании закономерностей и особенностей различных физических процессов в условиях замены реального эксперимента моделью, подобным оригиналу. Предварительное математическое моделирование позволит сократить время исследования при проведении физического эксперимента. В данной работе впервые получены результаты численного исследования динамики изменения температурных полей в мишенях из кремния и алюминия при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекундной длительности.
Целью данной работы является исследование динамики изменения температурных полей в различных мишенях при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекунднной длительности.
Для решения поставленной цели были решены следующие задачи:
• Провести численное моделирование и экспериментальное исследование динамики изменения температурных полей в зависимости от плотности мощности ионного пучка титана субмиллисекундной длительности для образцов из алюминия и кремния;
• Выполнить сравнительный анализ полученных данных.
На защиту выносится следующее положение:
Впервые получены результаты численного исследования динамики изменения температурных полей в мишенях из кремния и алюминия при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекундной длительности с плотностью мощности, достигающей до 35 кВт/см2. Определены условия облучения, обеспечивающие нагрев приповерхностного слоя до высоких температур в импульсном или импульсно-периодическом режимах с обеспечением сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения приповерхностного слоя материала.
Ионная имплантация является важным методом модификации поверхности материалов. Он обладает уникальными свойствами и способен к контролируемому изменению элементного, фазового составов, а также микроструктуры поверхности материала. Пучки ионов высокой плотности мощности субмиллисекундной длительности за счет высоких скоростей нагрева и последующего охлаждения приповерхностных слоев обеспечивают модификацию различных сплавов и металлов на глубинах до нескольких десятков микрометров. Основной процесс модификации материала зависит от эффекта сверхскоростной закалки и отсутствия изменений в элементном составе вещества. Основным ограничением ионной имплантации в качестве метода модификации свойств металлов является малый проективный пробег ионов, впоследствии толщина ионно-легированного слоя незначительна.
Применение методов высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации пучков ионов высокой плотности мощности позволило получить ионно-легированный слой толщиной в десятки микрометров [6]. Главным недостатком данного метода выступает деградация микроструктуры материалов, за счет нагрева всего образца до высоких температур.
Новый метод, описанный в работе [7], одновременно сохраняет преимущества высокоинтенсивной имплантации и решает проблему высокотемпературной деградации микроструктуры обрабатываемой мишени. В его основе лежит использование высокоинтенсивных пучков ионов субмиллисекундной длительности с плотностью мощности до нескольких сотен киловатт на сантиметр квадратный. Импульсно-периодический режим создает импульсный нагрев с последующим высокоскоростным охлаждением приповерхностного слоя, за счет быстрого отвода тепла вглубь материала мишени. За счет этого можно добиться одновременно высокой температуры в ионно-модифицируемом слое и избежать высоких температур во всем объеме материала [8].
Возможность образования глубоко модифицированных слоев в сплавах и металлах за счет повышения радиационно-стимулированной диффузии имплантируемых атомов, благодаря высокой температуре и высокой плотности ионного тока, демонстрируется в работах [9-12].
В тоже время, моделирование физических процессов является незаменимым инструментом при исследовании закономерностей и особенностей различных физических процессов в условиях замены реального эксперимента моделью, подобным оригиналу. Предварительное математическое моделирование позволит сократить время исследования при проведении физического эксперимента. В данной работе впервые получены результаты численного исследования динамики изменения температурных полей в мишенях из кремния и алюминия при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекундной длительности.
Целью данной работы является исследование динамики изменения температурных полей в различных мишенях при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекунднной длительности.
Для решения поставленной цели были решены следующие задачи:
• Провести численное моделирование и экспериментальное исследование динамики изменения температурных полей в зависимости от плотности мощности ионного пучка титана субмиллисекундной длительности для образцов из алюминия и кремния;
• Выполнить сравнительный анализ полученных данных.
На защиту выносится следующее положение:
Впервые получены результаты численного исследования динамики изменения температурных полей в мишенях из кремния и алюминия при воздействии на их поверхность мощных пучков ионов субмиллисекундной длительности с плотностью мощности, достигающей до 35 кВт/см2. Определены условия облучения, обеспечивающие нагрев приповерхностного слоя до высоких температур в импульсном или импульсно-периодическом режимах с обеспечением сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения приповерхностного слоя материала.
В данной работе впервые продемонстрировано применение численного моделирования динамики изменения температурных полей в мишенях из кремния и алюминия в зависимости от плотности мощности пучка ионов титана субмиллисекундной длительности.
Представлены результаты экспериментального исследования распределения плотности тока пучка ионов титана. Так было выявлено, что при нахождении секционированного цилиндра Фарадея дальше на 20 мм от геометрического фокуса наблюдается максимальное значение ионного тока. Продемонстрированы зависимости ионного тока на сплошной коллектор от ускоряющего напряжения. Полученные данные использовались для проведения численного моделирования.
Численным моделированием исследована динамика изменения температурных полей в образцах из алюминия и кремния в зависимости от их свойств и плотности мощности ионного пучка субмиллисекундной длительности в диапазоне от 2-108 Вт/м2 до 3.5-108 Вт/м2. Определены условия облучения, обеспечивающие импульсный нагрев приповерхностного слоя до высоких температур с обеспечением сверхвысоких скоростей охлаждения и прогревом матричного материала до температур, при которых не происходит существенного ухудшения микроструктуры и эксплуатационных свойств.
Так для образца алюминия площадью 4 см2 с толщиной 3 мм, усредненная плотность мощности, при которой еще не наблюдается рост зерна в алюминиевом образце, не превышает 8-103 Вт/м2, что соответствует температуре стабилизации 330 °С. Данный режим можно использовать для предварительного нагрева образца. После чего, при импульсной плотности мощности по периоду 2-108 Вт/м2 можно добиться оптимальной температуры в 525 °С для импульсно-периодической высокоинтенсивной ионной имплантации.
Для кремниевого образца площадью 5 см2 с толщиной 0.38 мкм рост зерна не наблюдается при импульсной плотности мощности 2.5-108 Вт/м2, что соответствует температуре 538 °С. При импульсной плотности мощности в 2-108 Вт/м2 и начальной температуре 538 °С, образец достигает температуры 1084 °С.
Проведенные экспериментальные исследования доказали применимость численного моделирования для предварительного анализа физического эксперимента, что в свою очередь позволяет сократить время дальнейших исследований.
Представлены результаты экспериментального исследования распределения плотности тока пучка ионов титана. Так было выявлено, что при нахождении секционированного цилиндра Фарадея дальше на 20 мм от геометрического фокуса наблюдается максимальное значение ионного тока. Продемонстрированы зависимости ионного тока на сплошной коллектор от ускоряющего напряжения. Полученные данные использовались для проведения численного моделирования.
Численным моделированием исследована динамика изменения температурных полей в образцах из алюминия и кремния в зависимости от их свойств и плотности мощности ионного пучка субмиллисекундной длительности в диапазоне от 2-108 Вт/м2 до 3.5-108 Вт/м2. Определены условия облучения, обеспечивающие импульсный нагрев приповерхностного слоя до высоких температур с обеспечением сверхвысоких скоростей охлаждения и прогревом матричного материала до температур, при которых не происходит существенного ухудшения микроструктуры и эксплуатационных свойств.
Так для образца алюминия площадью 4 см2 с толщиной 3 мм, усредненная плотность мощности, при которой еще не наблюдается рост зерна в алюминиевом образце, не превышает 8-103 Вт/м2, что соответствует температуре стабилизации 330 °С. Данный режим можно использовать для предварительного нагрева образца. После чего, при импульсной плотности мощности по периоду 2-108 Вт/м2 можно добиться оптимальной температуры в 525 °С для импульсно-периодической высокоинтенсивной ионной имплантации.
Для кремниевого образца площадью 5 см2 с толщиной 0.38 мкм рост зерна не наблюдается при импульсной плотности мощности 2.5-108 Вт/м2, что соответствует температуре 538 °С. При импульсной плотности мощности в 2-108 Вт/м2 и начальной температуре 538 °С, образец достигает температуры 1084 °С.
Проведенные экспериментальные исследования доказали применимость численного моделирования для предварительного анализа физического эксперимента, что в свою очередь позволяет сократить время дальнейших исследований.