Физико-технический институт ТПУ Кафедра водородной энергетики и плазменных технологий

1. Физико-технический институтТПУКафедра водородной энергетики и плазменных технологий Пучковые технологии обработки материалов доцент кафедры ВЭПТ, д.ф.-м.н. Блейхер Г.А. 634030, Томск, ул. Усова, 4А, ауд. 124 e-mail: bga@tpu.ru. Тел.: (3822) 563-792

2. Содержание • Понятие пучка заряженных частиц • Виды пучков, их параметры • Действие пучков заряженных частиц на вещество • Основные направления использования пучков заряженных частиц • Обработка материалов с помощью пучков заряженных частиц • 5.1. Ионная имплантация • 5.2. Электронно-лучевые технологии • 5.3. Применение мощных импульсных пучков заряженных частиц • для обработки материалов • 6. О математическом моделировании воздействия пучков заряженных частиц на вещество 2

3. 1. Понятие пучка заряженных частиц Пучок заряженных частиц - совокупность частиц, движущихся по близким траекториям в одном направлении, т.е. поток частиц, который обычно имеет малые поперечные размеры по сравнению с его длиной. Вдоль направления распространения пучка частицы движутся со скоростью, значительно превышающей скорость их хаотического теплового движения. 3

4. Виды пучков и их параметры • ● Параметры пучков: • - вид частиц (электроны, позитроны, ионы); • - их начальная энергия; • плотность тока в пучке; • длительность облучения; • - плотность энергии, флюенс; • частота следования импульсов; • - др. 4

5. 3. Действие пучков заряженных частиц на вещество Заряженные частицы, обладающие большой кинетической энергией, двигаются в облучаемом веществе и взаимодействуют с его атомами и электронной подсистемой. Двигаясь в веществе, частица теряет свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов и электронами вещества мишени. Вещество, подверженное действию корпускулярного излучения, переходит в неравновесное состояние. 5

6. 3. Действие пучков заряженных частиц на вещество • Эффекты воздействия пучков заряженных частиц на вещество: • отражение бомбардирующих частиц от поверхности, • ионизация и возбуждение атомов, • рассеяние, • генерация тормозного излучения, • нагрев тонких поверхностных слоев, • создание термомеханических напряжений, • образование радиационных дефектов, • имплантация ионов (при ионной бомбардировке) и изменение структурно-фазового состояния, • заряжение диэлектриков, • др. 6

7. 3. Действие пучков заряженных частиц на вещество • Результат воздействия зависит от параметров пучков и свойств облучаемого вещества, например: • от начальной энергии частиц; • от вида бомбардирующих частиц; • от плотности мощности пучка; • от длительности облучения; • от теплофизических и электрических свойств вещества мишени; • от размеров следа пучка на облучаемой поверхности; • и др. 7

8. 3. Действие пучков заряженных частиц на вещество При низкой мощности потока излучения во многих случаях основу эффекта воздействия излучения на вещество составляет чисто радиационный аспект взаимодействия отдельных частиц с атомами вещества. При увеличении мощности энергии, переносимой частицами, характер их воздействия на поверхность твердого тела утрачивает чисто радиационный аспект. Он является результатом коллективного действия частиц и становится термическим. 8

9. 3. Действие пучков заряженных частиц на вещество • По длительности воздействия пучки можно подразделить на • пучки непрерывного действия, • импульсные и частотно-импульсные пучки. • Эффект от облучения непрерывными ионными и электронными пучками принципиально различный. • Действие мощных импульсных электронных и ионных пучков на материалы определяется высокотемпературным разогревом тонких приповерхностных слоев. 9

10. 4. Основные направления использования пучков заряженных частиц ● Использование пучков заряженных частиц для анализа состава и микроструктуры материалов. ● Обработка поверхности материалов и получение новых материалов. ● Радиационные испытания. ● Исследование свойств веществ в экстремальных условиях. ● Инерционный термоядерный синтез. ● Генерация электромагнитного излучения. ● Накачка лазерных сред. ● Плазмохимические и радиационные технологии (в т.ч. радиационная медицина). - др. 10

11. 5.1. Ионная имплантация Ионная имплантация – введение легирующих примесей в материалы, синтез новых соединений, изменяющих механические, коррозионные, каталитические, электрические, оптические и др. свойства приповерхностных слоев. Это – современный метод поверхностного легирования материалов. Зарождение этой группы технологий можно отнести к 70-ым годам (полупроводники) и к 80-ым годам (металлы) XX века. 11

12. 5.1. Ионная имплантация Метод ионной имплантации основан на внедрении в твердое тело ускоренных ионизированных атомов и молекул. При этом возможны любые комбинации ион-мишень. Энергия ионов может изменяться от нескольких килоэлектронвольт до гигаэлектронвольт. Глубина внедрения ионов зависит от их энергии, массы, а также от массы атомов мишени. Различают ионную имплантацию при непрерывном облучении слаботочными ионными пучками и короткоимпульсную ионную имплантацию под действием мощных импульсных ионных пучков. 12

13. 5.1. Ионная имплантация • При исследовании изменения свойств веществ под действием ионной бомбардировки следует учитывать три основных эффекта: • непосредственное внедрение примеси из пучка (собственно имплантация); • структурные превращения, т.е. образование и накопление радиационных дефектов, аморфизацию или рекристаллизацию и т.п.; • распыление, т.е. выбивание атомов из поверхностных слоев в вакуум. 13

14. 5.1. Ионная имплантация Ионная бомбардировка позволяет изменять практически все свойства приповерхностной области твердого тела: - электрофизические; - механические (прочность, твердость, коэффициент трения, износостойкость); - коррозионные; - каталитические; - оптические; - эмиссионные. 14

15. 5.1. Ионная имплантация ● Применение в микроэлектронике Это – один из основных методов введения примесей в полупроводниковые кристаллы (ионное легирование полупроводников) с целью изменения их электрических свойств. С помощью ионной бомбардировки также управляют концентрацией носителей заряда и проводимостью металлов. С помощью ионной имплантации создаются различные элементы электронных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, например: транзисторы, конденсаторы, резисторы, контактные площадки и др. 15

16. 5.1. Ионная имплантация • ● Модификация химических, оптических и механических свойств твердых тел • Ионный синтез (создание соединений в результате ионной бомбардировки) • Ионным синтезом можно создавать: • защитные пленочные покрытия, • изолирующие слои при изготовлении интегральных схем (например, слои Si3N4, SiC, SiO2), • антикоррозионные покрытия, • световоды, светоизлучающие диоды для разных диапазонов длин волн, • сверхпроводящие материалы. 16

17. 5.1. Ионная имплантация Ионная металлургия - создание сплавов и твердых растворов путем внедрения ионов в металлические композиции Ионной имплантацией можно создавать новые, метастабильные, сплавы и соединения, обладающие уникальными свойствами (механическими, коррозионными, сверхпрово-дящими, каталитическими, магнитными и электрическими). Необходимая доза (флюенс ионов) для обработки металлов – не ниже 1017 ион/см2. 17

18. 5.2. Электронно-лучевые технологии • Электронные пучки широко применяются для решения таких технологических задач, как • электронно-лучевая сварка, • наплавка, • модификация поверхности материалов и изделий (прямая и осаждение модифицирующих покрытий), • спекание композитных материалов, • нетермическая электронно-лучевая обработка (напр., электронно-стимулированные химические реакции, • - др. 18

19. 5.2. Электронно-лучевые технологии ● Электронно-лучевая сварка Широкое применение нашли электронные источники с плазменным катодом (Е0~ 30 кэВ)(напр., совместные разработки ТУСУРа и ИСЭ). Достоинства: - отсутствие нагретых до высоких температур деталей (локальный разогрев); - низкая критичность к величине и колебаниям вакуума; - высокая надежность и ресурс работы, в том числе в условиях интенсивного испарения из сварочной ванны; - оперативность и простота обслуживания. 19

20. 5.2. Электронно-лучевые технологии ● Электронно-лучевая наплавка износостойких материалов (ЭЛН) Технология ЭЛН основана на явлении «вмораживания» металлического порошка в жидкометаллическую ванну расплава, создаваемую электронным пучком с линейной разверткой. Наплавляемая деталь перемещается внутри вакуумной камеры относительно неподвижного электронного источника и порошкового дозатора. При каждом последующем проходе «вмораживается» новая порция порошка и расплавляется предыдущая. Порошок, подаваемый в жидкометаллическую ванну расплава, ускоряет процесс его кристаллизации, способствуя при этом формированию мелкозернистой структуры и уменьшению остаточных напряжений в наплавляемом покрытии. Толщина наплавляемого слоя – 0,5 -10 мм. 20

21. 5.2. Электронно-лучевые технологии • ● ЭЛН износостойких материалов • Одно из основных применений ЭЛН – защита поверхностей, подвергающихся различным видам абразивного и эрозионного износа. • Она применяется: • для восстановления деталей машин и инструмента широкой номенклатуры (коленчатые валы дизельных и карбюраторных двигателей, компрессоров, насосов и др.), • для нанесения защитных износостойких и жаростойких покрытий на детали, работающие в высокотемпературном газовом потоке с абразивными частицами и т.п. • в металлургии для нанесения жаростойких и одновременно износостойких покрытий на фурмы, используемые в доменном производстве, • др. 21

22. 5.2.Электронно-лучевыетехнологии Электронно-лучевой энер-гокомплекс на основе электронной пушки с плазменным катодом, предназначен для нанесения термоизносостойких покрытий, вос-становления различных деталей машин и металлургического оборудования, сварки различных металлов, в т.ч. и тугоплавких. Внедрен на одном из крупнейших в мире металлур-гическом производств – Западно-Сибирском металлургическом комбинате (г. Новокузнецк). 22

23. 5.3. Модифицирование свойств материалов с помощью мощных импульсных пучков заряженных частиц Параметры МИП ЗЧ, генерируемых на современной ускорительной технике а) МИП ионов - энергия частиц 100..1000 кэВ; - ток 103..105 А, плотность тока 10..1000 А/см2, - плотность мощности 105..109 Вт/см2 ; - длительность импульса 50..1000 нс; - состав пучка: H+, Cn+, Nn+, Lin+ … Arn+. 23

24. 5.3. Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ б) МИП электронов: - низкоэнергетические (десятки кэВ) электронные пучки с плотностью тока до нескольких кА/см2 и с длительностью импульса 10-6..10-3 с; - высокоэнергетические (100..1000 кэВ и выше) электронные пучки с длительностью импульса 10-8..10-6 с, с плотностью энергии 10..103 Дж/см2 за импульс и плотности мощности 106..1010 Вт/см2. 24

25. Низкая мощность, < 109 Вт Высокая мощность, >109Вт В/в источник Постоянного тока Генератор Импульсного Напряжения ~ 1мкс Генератор Импульсного Напряжения ~ 100 нс i- диод e-диод Заряд постоянного тока нс s Принципы формирования мощных импульсных ионных и электронных пучков Емкостные/магнитоимпульсные накопители энергии 25

26. Техническое оснащение: Ионный ускоритель ТИУ-450 Ускоряющее напряжение (кВ) 250 – 300 Длительность импульса (нс) 60 Плотность тока (А/см2) 100 – 250 Плотность энергии (Дж/см2) 1,2 – 3,8 Частота следования имп. (имп./мин.) 15 – 20 Электронный ускоритель Энергия электронов 550 кэВ Ток пучка 6.5 кА Длительность импульса 60 нс Частота следования, Гц 1- 5 Энергия в импульсе тока200 Дж 26

27. Ускоритель ETIGO – II 3 МВ, 460 кА, 50 нс (Генератор) 1,3 МВ, 70 кА (диодный ток), 50 нс, 0,7 кА/см2 27

28. Параметры источников МИП применяемых в области материаловедения Ускорители Основные части Параметры ускорителей Страна, лаборатория Магнитная компрессия импульса → линейный сумматор → диод с «активным анодом» (размер: 4*3*2 м3) 1 МВ, 30кА, 100 нс США, Национальные лаборатории Сандия QM-1 ускоритель “RHEPP-1” “CHAMP” Емкостной накопитель→ГИН→МИДс плазменным анодом (2*2*2 м3) 200 - 250 кэВ, 15kA, 1 мкс (ионный пучок) США, Лос Аламос, Национальная лаборатория “ETIGO – II” Генератор Маркса →ДФЛ →ТЛ →МИДс пассивным анодом (20*3*3,5 м3) 3 МВ, 460 кА, 50 нс (Генератор) 1,3 МВ, 70 кА(диодный ток), 50 нс, 0,7 кА/см2 Япония, г.Нагаока Университет “ETIGO – IV” Емкостной накопитель → МИГ→ МИД (4x2,5x2.5) 400 кВ, 13 кА, 120 нс, 1 Гц (Генератор) Япония, г.Нагаока Университет Harima II Генератор Маркса→ФЛ →Пинч-диод 400 кВ, 3Ω, 50 нс (Генератор) 180 кВ, 450A/cм2, 65 нс Япония, г. Кобе «WERA» Генератор Маркса→ДФЛ→МИД с активным анодом 600 кВ, 8 Ω, 80 нс(Генератор) Россия, НИИ ЯФ Ускорители TEMP Генератор Маркса→ДФЛ/МДФЛ→МИД (различные типы) 200 - 450 кВ, 3 – 10 кА, 30 – 90 нс, (Генератор) 40 – 300A/cм2 (ионный пучок) Россия, НИИ ЯФ, НИИ ВН; КНР, г. Далянь, г. Шеньян Ускорители MUK Импульсный трансформатор→ДФЛ →МИД 100 – 150 кВ, до 3 кА, 20* - 200 нс, ионы металлов Россия,НИИ ЯФ 28

29. Механизмы воздействия Пробег i+и e- A Волна напряжения Поток исп. вещества МИП i+или e- Охлаждение за счет теплопроводности Волна напряжения Модифицирование 29

30. 5.3. Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ Диссипация энергии МИП ЗЧ с P= 106..109Вт/см2 приводит к: - нагреву, плавлению и испарению тонких приповерхностных слоев вещества мишени; - возбуждению волн сжатия и разгрузки (за счет высокоскоростного ввода энергии и сверхбыстрого разогрева); - усилению массопереноса; - быстрому остыванию нагретых поверхностных слоев (для металлов - на уровне 106..109 К/с). 30

31. 5.3. Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ Результаты воздействия, которые находят применение в технологиях обработки материалов: - структурно-фазовые изменения вблизи поверхности (образование мелкозернистых структур и аморфных фаз), - образование новых фаз за счет расплавления и перемешивания композиционных или слоистых структур, - образование новых фаз за счет совокупности факторов, а именно: имплантация, нагрев, высокие давления, - эрозия поверхности, - изменение микрорельефа поверхности, - уменьшение пористости поверхностных слоев, - др. 31

32. 5.3. Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ • Применение МИП ЗЧ в технологиях модифицирования свойств материалов • прямое упрочнение изделий, повышение твердости; • - увеличение износостойкости поверхностных слоев и уменьшение коэффициента трения; • - осаждение модифицирующих покрытий; • - получение ультрадисперсных порошков; • очистка поверхности изделий от слоев, утративших свои эксплуатационные характеристики; • полировка поверхности изделий различного назначения; • короткоимпульсная имплантация в полупроводники; • синтез нанокомпозитных частиц в поверхностном слое, др. 32

33. 6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество Математическое моделирование – один из эффективных способов получения реальной картины протекающих в веществе процессов. Оно не только помогает вырабатывать теоретические представления и закономерности, но существенно удешевляет исследования. Хорошие модели делают возможным предсказывать результат и находить оптимальные параметры обработкибез выполнения дорогостоящих экспериментов. Часто они являются единственно возможным способом исследовать закономерности протекающих процессов, особенно когда мы имеем дело с быстропротекающими явлениями. 33

34. 6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество Численная модель физического явления – это совокупность а) теоретической (математической) модели, обычно представленной в виде дифференциальных, интегральных или интегродифференциальных уравнений и соответствующих начальных и граничных условий, б) алгоритма численного решения. 34

35. 6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество ● Математическая модель диссипации энергии МИП ЗЧ в веществе включает: - систему уравнений сплошной среды (законы сохранения массы, импульса и энергии), - широкодиапазонные уравнения состояния вещества; - граничные условия на облучаемой поверхности, которые должны описывать кинетику перехода конденсированного вещества в пар, теплообмен с окружающей средой и др. 35

36. (1) Модель поверхностного испарения (двухфазная модель испарения) для пучков умеренной интенсивности Уравнение теплопроводности в системе координат, связанной с испаряемой поверхностью: (1) ГУ на поверхности испарения:(2) W(z,t) – пространственно-временная функция энерговыделения; vf– скорость продвижения фронта испарения в глубину мишени; ΔН – разность энтальпий между паровой и конденсированной фазами. 36

37. (1) Модель поверхностного испарения (двухфазная модель испарения) для пучков умеренной интенсивности Скорость продвижения межфазной границы vfописывается уравнением Герца-Кнудсена: , (3) гдеPsat – давление насыщенных паров, P* - гидростатическое давление перед поверхностью. Толщина испарившегося слоя: 37

38. (2) Гидродинамическая модель перехода конденсированного вещества в пар для высокоинтенсивных пучков ● Законы сохранения для сплошной среды: (4) (5) ● Уравнения состояния вещества: (6) 38

39. Функция энерговыделения: G(z) – линейные потери энергии при торможении частиц пучка в веществе. ● Интенсивность и энергоэффективность эрозии определяются формой и размерами пространственно-временной функции энерговыделения. 39

40. 6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество Эволюция поля температур в меди под действием МИП ионов и электронов 40

41. Эрозия под действием МИП ЗЧ Зависимость коэффициента эрозии, вызванной испарением, от плотности мощности пучка P и плотности энергииF. ● Для любой комбинации «тип частиц – их начальная энергия – длительность импульса тока – вещество мишени» характерен свой максимальный коэффициент эрозииDmax, которому свойственно специфическое значение плотности тока. 41

42. Эрозия под действием МИП ЗЧ ● Существуют такие режимы облучения МИП ЗЧ, в которых почти вся энергия пучка расходуется на удаление атомов. Зависимость максимально возможной доли энергии пучка (Kev), расходуемой на испарение,и минимальных затрат энергии пучка на удаление одного атома с поверхности мишени (Ea) от начальной энергии частиц E0. 42

43. Модель тепловой эрозии для пучков заряженных частиц умеренной интенсивности: сравнение расчетов с экспериментальными данными Условия облучения: ионы: 60%H++40%C+; • E0=500 кэВ; • τ = 100 нс; • угол падения пучка на мишень: (40..45)о; • диаметрпучка: 50 мм; d – расстояние между мишенью и подложкой Рис. 2 Толщина осажденной пленки за один импульс облучения графитовой мишени на ускорителе «Вера» (НИИ ЯФ, г. Томск): сплошные линии – расчет; точки – эксперимент* * Струц В.К., Матвиенко В.М., Петров А.В., Рябчиков А.И. Структура и свойства содержащих фуллерены углеродных покрытий // Изв. ВУЗов. Физика. – 2009. – № 11/2. – С. 217-222. 43