Моделирование тепловой эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц

Радиационные методы модифицирования твёрдых тел с помощью пучков заряженных частиц, потоков плазмы, лазерного излучения являются перспективным направлением в материаловедении.

С развитием ускорительной техники в последние годы появились дополнительные возможности для совершенствования существующих и разработки новых способов обработки материалов и изделий. Заметное место в этом ряду занимают технологии, построенные на использовании эффекта эрозии поверхности твёрдых тел под действием пучков заряженных частиц.

Попадая в конденсированное вещество, ускоренная частица теряет свою энергию в результате столкновений с атомами среды. При этом происходит их ионизация, возбуждение, смещение, ускоренный перенос, а также образование радиационных дефектов, нагревание облучаемого вещества и другие эффекты [1−21]. Структурно-фазовые превращения, вызванные тепловым действием пучка, регламентируются балансом энергии, т. е. её вводом в твёрдое тело и суммой её потерь из системы по всем каналам диссипации (теплопроводность, фазовые превращения и т. д.).

В настоящее время в научной литературе по радиационным технологиям режимы облучения и/или пучки заряженных частиц по интенсивности условно определяют сильноточными или мощными [22−25]. При этом обычно руководствуются не характером диссипации энергии, кинетикой накопления и отжига радиационных дефектов, реакцией твёрдого тела на облучение, а скорее транспортными характеристиками частиц, так как эти термины пришли из физики пучков. Видимо, это не совсем оправдано.

Нам представляется, что в радиационном материаловедении (как и в теории генерации и транспортировки пучков заряженных частиц) термин «сильноточные» следует использовать только в том случае, если ток пучка настолько велик, что его электрическое или магнитное поля способны изменить траекторию пробега и форму функции энерговыделения. Но это характерно для токов, составляющих как минимум десятки и даже сотни килоамперов на квадратный сантиметр. При таких режимах облучения вещество может существовать только в виде плазмы. Поэтому для радиационной обработки твёрдых тел более правильно пользоваться термином «мощные». И критерием, позволяющим отнести пучок к категории мощных. должен быть параметр, характеризующий наличие какого-то принципиально важного свойства (состояния) вещества или процесса его модифицирования, возникающего при облучении.

Например, в настоящей работе таким критерием является способность пучка плавить и испарять мишень, несмотря на потери его энергии вследствие теплопроводности, фазовых превращений и др. Продолжительность облучения (длительность импульса) при этом не имеет значения.

Под термином «эрозия» понимается явление разрушения поверхности твердого тела под действием заряженных частиц в результате удаления вещества в виде отдельных атомов, молекул или их соединений как в жидком состоянии, так и в твердом. В её основе лежат следующие процессы:

— радиационно-стимулированная и тепловая десорбция атомов и молекул;

— распыление атомов, расположенных на поверхности pi вблизи неё;

— блистеринг (отслоение вещества мишени в результате образования куполообразных вздутий в приповерхностном слое при имплантации в них больших доз ионов слаборастворимых газов);

— испарение атомов из твёрдой фазы (сублимация);

— испарение атомов из жидкой фазы, полученной в результате плавления мишени;

— откол мишени в результате её хрупкого разрушения;

— разбрызгивание вещества из жидкой фазы и др.

Ключевым параметром для характеристики эффективности процесса удаления вещества с поверхности мишени во время облучения является коэффициент эрозии (количество удаленных атомов на одну падающую частицу).

Следует отметить, что не все из перечисленных выше механизмов дают значительный вклад в процесс удаления вещества с поверхности. В этом смысле при воздействии мощных импульсных пучков заряженных частиц на твёрдое тело наиболее эффективны испарение и, в значительно меньшей степени, распыление [7].

Раннее было показано, что в условиях распыления поверхности пучками низкой интенсивности (когда радиационным разогревом и его последствиями можно пренебречь) коэффициенты эрозии составляют 1−10, а в пределе до 102 атом/ион [26]. Разогрев же мишени до температуры, при которой возможно ее интенсивное испарение, позволяет удалять 103−104 атомов на одну падающую частицу и даже больше. Другими словами, испарение в этом случае доминирует над распылением конденсированной фазы.

Этот эффект имеет место при облучении твердого тела мощными пучками ионов и электронов в импульсном режиме. Причём импульсы должны быть короткими. Только в этом случае можно предотвратить облучаемый образец от теплового разрушения. Для достижения наибольшего коэффициента эрозии необходимо, чтобы основная доля энергии пучка, введённая в твёрдое тело, тратилась на испарение, а не уносилась в более глубокие области в результате теплопроводности [7]. Для этого к твёрдому телу с его характерными физическими свойствами надо оптимально подобрать вид пучка заряженных частиц (электроны, ионы), их энергию, длительность облучения, развёртку плотности тока во времени и т. д.

Анализ литературы и опыт многих лабораторий показывают, что уже существуют ускорители, которые способны обеспечить необходимые режимы облучения. Сегодня преимущества технологий обработки поверхности в импульсном режиме в принципе понятны. Однако некоторые стороны эрозии поверхности в импульсном режиме исследованы пока недостаточно. Особенно это относится к тепловым процессам и тепловой составляющей эмиссии атомов с поверхности при её облучении пучками нанои микросекундного диапазонов, импульсному режиму, диапазону высоких плотностей токов, т. е. к условиям, при которых интенсивность эрозионных процессов наибольшая.

Поэтому предметом исследования данной диссертации является процесс тепловой эрозии твердого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц, т. е. эрозии в результате испарения атомов с поверхности.

Актуальность исследования. Эрозионные эффекты могут быть весьма полезны в практическом отношении. Они лежат в основе ряда технологий обработки материалов, в частности: радиационной полировки, технологического травления поверхности, удаления нежелательных адатомов, высокоскоростного осаждения тонких плёнок из паровой фазы, созданной пучком и некоторых других. В последнее время достигнуты значительные успехи в создании весьма совершенных нанои микросекундных ускорителей заряженных частиц, но технологические возможности пучков исследованы пока недостаточно.

Примером может служить радиационная полировка поверхности. Зачастую механическое сглаживание микрорельефа связано с деформированием и загрязнением поверхности обрабатываемого материала, а также с большой трудоемкостью этого процесса. Мощные импульсные пучки заряженных частиц позволяют быстро и без больших затрат получить поверхность с малой шероховатостью (сотые доли микрона) [27−28]. Несмотря па очевидные практические перспективы, теоретическое обоснование наблюдаемых эффектов пока не сделано.

Предыдущие исследования кинетики тепловых процессов в твердом теле при облучении потоком заряженных частиц показали, что наиболее эффективным способом их изучения является численное моделирование. Доказана состоятельность такого подхода и выявлены некоторые закономерности эрозионных [7] и тепловых [29−31] процессов для случаев ионного и электронного облучения материалов.

Слабое место более ранних публикаций заключается в том, что в них отсутствует последовательное и детальное исследование закономерностей тепловой эрозии при облучении в импульсном режиме. Другим их недостатком является то. что расчеты выполнены в одномерном приближении. Это не позволило учесть микрорельеф поверхности. Для выявления возможностей пучков заряженных частиц и определения их параметров в технологиях полировки необходимо построение двумерной модели тепловой эрозии.

Целью настоящей работы является систематическое исследование процесса тепловой эрозии поверхности материалов (преимущественно металлов) под действием мощных ионных и электронных пучков длительностью 10~8. 10~6 с, а также изучение их технологических возможностей и выявление роли испарения в сглаживании поверхностного рельефа при радиационной полировке. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1) обобщить и развить модельные представления об эрозии поверхности материалов в результате испарения при облучении мощным импульсным пучком заряженных частиц;

2) разработать методику оптимизации параметров пучков для обеспечения максимальных коэффициентов эрозии;

3) выполнить систематическое исследование тепловой эрозии различных материалов и провести анализ полученных данных;

4) построить модель тепловой эрозии микровыступа на поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц, оценить их технологические возможности для полировки поверхности материалов по механизму испарения.

Научная новизна. Впервые разработана математическая модель испарения микровыступа на поверхности твёрдого тела. Выполнено первое систематическое исследование эрозии различных материалов при облучении поверхности твёрдого тела при облучении в импульсном режиме. Расчётным путём доказано, что в таких условиях при облучении ионами возможен рост коэффициента эрозии на 3−4 порядка по сравнению с режимом классического распыления при умеренной плотности тока. Показана возможность достижения значительных коэффициентов эрозии при облучении поверхности электронами в импульсном режиме. Предложен механизм радиационного сглаживания микрорельефа поверхности, основанный на испарении, выявлена его роль в технологиях радиационной полировки материалов. Определены параметры пучков, близкие к оптимальным, и режимы облучения, при которых вклад испарения в снижение шероховатости поверхности наиболее значителен.

Практическая значимость. Исследованы технологические возможности мощных импульсных электронных и ионных пучков для эрозионной обработки поверхности твёрдых тел. Они расширяют наши представления о радиационной эрозии, способствуют дальнейшему развитию модельных представлений о ней и позволяют повысить эффективность разработки новых технологий. Предложенная модель тепловой эрозии микровыступа на поверхности металла может быть использована при прогнозировании результатов импульсной обработки материалов ионами и электронами, а также выбора оптимальных параметров пучка при радиационной полировке материалов и изделий.

Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью подходов к математическому моделированию тепловых процессов на поверхности мишени под действием импульсных пучков заряженных частиц, взаимосвязью рассматриваемых физических явлений, непротиворечивостью полученных результатов. Сравнение с литературными данными показало, что результаты моделирования испарения выступов па поверхности металлов хорошо согласуются с изменением параметра шероховатости поверхности, наблюдаемым экспериментально.

Личный вклад автора состоит в разработке алгоритма расчетов, проведении численных экспериментов, обработке данных и установлении основных закономерностей тепловой эрозии поверхности твёрдого тела при импульсном облучении ионами и электронами. Автором получены все представленные в работе результаты по исследованию тепловой эрозии микровыступов на поверхности, определены параметры пучков и режимы облучения для наиболее эффективного испарения мишени, сформулированы выводы по результатам работы.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Доминирующим механизмом эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных субмикросекуидиых ионных пучков (Р ~ 106. 108 Вт/см2, г ~ Ю-8. 1СГ6 с, Eq = 0,1. 1 МэВ) является испарение, или тепловая эрозия. Значения её коэффициентов составляют ~ 103. 105 атомов на ион. Толщина испарившегося слоя по порядку величины близка к длине проективного пробега ионов в данной среде.

2. Максимально возможные коэффициенты тепловой эрозии под действием мощного субмикросекундного электронного пучка (Р ~ 10'. 109 Вт/см2, т ~ Ю-7. Ю-6 с, Eq = 10. 700 кэВ) составляют ~ 104. 105 атом/электрон.

3. Разработанная двумерная модель тепловой эрозии микровыступа на поверхности твёрдого тела, в основе которой лежит уравнение теплопроводности, записанное с учётом потерь тепла на фазовые переходы, описывает эволюцию рельефа мишени вследствие испарения.

4. Сглаживание облучаемой поверхности по механизму тепловой эрозии имеет место при преимущественном испарении вершин выступов по сравнению со впадинами рельефа. При этом толщина слоя, охваченного фазовыми превращениями, должна быть меньше высоты неровностей.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

— 13th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, 10 — 15 сентября 2006 г., г. Томск;

— Седьмом Международном Уральском Семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов», 25 февраля — 3 марта 2007 г., г. Снежинск;

— 11-ой Московской Международной Школе Физики ИТЭФ «Фундаментальные основы ядерных энерготехнологий нового поколения», 16 — 23 февраля 2008 г., г. Москва;

— XXIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества», 1−6 марта 2008 г., Кабардино-Балкарская республика, п. Эльбрус;

9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 21 — 26 сентября 2008 г., г. Томск;

— 19-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», 21 — 25 августа 2009 г., г. Звенигород Московской обл.;

— научных семинарах лаборатории 23 НИИ ядерной физики ТПУ.

Автор благодарен своему научному руководителю профессору Кривобокову Валерию Павловичу за предоставленную тему работы и создание всех необходимых условий для её выполнения, научному консультанту к.ф.-м.н. Блейхер Галине Алексеевне за помощь, особенно полезную на первых этапах работы, а также всему коллективу лаборатории 23 НИИ ядерной физики ТПУ за обсуждение, ценную критику и поддержку.

Структура, объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 115 страниц, в том числе 63 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 115 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты, полученные в работе, позволяют сделать следующие выводы.

1. При эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных ионных пучков доминирующим процессом является не распыление, а испарение атомов. На этой идее построена модель тепловой эрозии мишени в условиях импульсного облучения ионами или электронами.

2. Мощные субмикросекундные ионные пучки (Р ~ 106. 108 Вт/см2, J ~ 10.103 А/см2, г ~ 1(Г8.1(Г6 с, Е0 = 0,1. .1 МэВ) способны вызвать испарение атомов с облучаемой поверхности на уровне 103.105 атом/ион. Толщина испарившегося слоя, независимо от материала мишени, сравнима с величиной пробега частицы. Граничное значение плотности тока, при котором начинается заметное испарение, определяется коэффициентом теплопроводности материала: вещества с меньшей теплопроводностью и близкой плотностью атомов испаряются при меньших плотностях тока. Обеспечение максимально возможных коэффициентов эрозии требует оптимальной комбинации энергии заряженной частицы, плотности тока пучка и длительности импульса.

3. Максимально возможные коэффициенты эрозии под действием мощных суб-микросекупдных электронных пучков (Р ~ 10'. 10° Вт/см2, J ~ 102. 104 А/см2, г — Ю-7. Ю-6 с, Eq = 10. 700 кэВ) составляют 104. 105 атом/электрон.

4. Одной из составляющих процесса радиационной полировки поверхности является механизм, основанный на тепловой эрозии, интенсивность которой вследствие разной скорости теплоотвода на выступах и впадинах рельефа различна. Для учёта морфологии мишени разработана двумерная модель тепловой эрозии микровыступа в условиях импульсного облучения мощными ионными или электронными пучками.

5. Роль испарения в сглаживании рельефа является существенной, когда толщина слоя, охваченного фазовыми превращениями, меньше высоты неровностей на поверхности. При этом количество испарившегося вещества с вершин выступов должно быть больше, чем со дна впадин. Оптимизация условий облучения относительно исходной шероховатости обрабатываемой поверхности для наиболее эффективного её сглаживания сводится к выбору начальной энергии частиц, длительности импульса, плотности тока и количества импульсов.

6. Представленная модель тепловой эрозии адекватно описывает кинетику испарения поверхности твердого тела. Между численными и экспериментальными данными наблюдается удовлетворительное согласие. Поэтому она может быть использована для прогнозирования результатов облучения, а в частности, для выбора оптимальных параметров пучка для наиболее эффективного сглаживания поверхности по механизму испарения.