Моделирование формирования и воздействия концентрированных потоков заряженных частиц на металлы

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 Национально-
исследовательского 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 (0.01…0.5 A/cм2) 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 плазменно-
иммерсионным 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) - и (Fe4N) γ’-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 γ’ слоя, ответственного за эффект упрочнения поверхности.
3. Численно получено, что скорость нагрева поверхности мишени при
воздействии энергии (8…20 Дж/cм2,  = 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 16–
22, 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 плазменно-
иммерсионным 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.