Компьютерное моделирование взаимодействияускоренных ионов в широком энергетическом диапазоне с твердым телом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РГ 6 сд---------------------------------- ,_________________

На правах рукописи

Нуркин Евгений Евгрт-евич

Компьютерное моделирование взаимодействия ускоренных ионов в широком энергетическом диапазоне с твердым телом

Спешташпсть: 01.04.1.6 -01.04.07 -

физика атомного ядра и элрм°нтпрных паптин: йчзига твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете на кафедре "Экспериментальная ядерная физика".

Социальные оппоненты - Трушин Юрий Владимирович

проф.,д.ф.-м.н.

Козловский Виталий Васильевич

Ведущая организация - Радиевый институт им. В.Г.Хлопина

Защита состоится 20 декабря 1995 г. в 16'Ч. в ауд.265 корп. II на заседании диссертационного совета К 063.38.13 при .Санкт-Петербургском Государственном техническом университете по адресу: 195851, Санкт-Петербург, Политехническая, 29. С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СИбГТУ.

Автореферат разослан ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного

н.с.,к.ф.-м.н.

совета К 063.38.13

Диссертационная работа посвящена ШследоваюиУпомощью'двух"алъ--тернативных методик компьютерного моделирования, базирующихся соответственно на методе Монте-Карло и на кинетической теории переноса Больцмана, широкого круга Физических процессов, связанных с ионной бомбардировкой твердых тел, а также усовершенствованию этих методик как на стадии базовых физических моделей, лежапт в т основе, так и на этапе их численной реализации. В работе таете затронуты вопросы оптимизации выбора моделей элементарных процессов взаимодействия атомов с твердим телом (исключая рассмотрение возможных ядерных реакций) в широко'' диапазон0 начальных ян^ргий ионов (от 100 зВ/нушюн до 1 ГэВ/нуклон). ~~

ОБЩАЯ'ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

I. Актуальность.

В настоящее время пучки ускоренных заряженных частиц (ионов) используются в игрсчайякч круг" кяк гаучти, так и технологических задач в таких областях как физика полупроводников, радиационное материаловедение. физик! плазмы, чдерняя физика, в методах анализа поверхности и во многих других областях. Причем во всех ситуациях эффективность исследований во многом определяется точностью количественного и качественного предсказания параметров радиационного воздействия при ионной бомбардировке твердотельных мишеней, поэтому само развитие прикладных аспектов применения ионного легирования во многом определяется развитием соответствующей теоретической базы и методов численного моделирования. Несмотря на наличие целого ряда таких методов и программ, они далеко не во всех случаях позволяют адекватно описывать данные экспериментов, а в целом ряде современных задач радиационной физики вообще оказываются сллбоприменимнми. Кроме того, в настоящее время практически отсутствуют исчерпывающие систематические данные о параметрах локализации примеси и радиационных повреядсчшй при ионной имплантации. В грязи с этим усовершенствова-ни° универсальных методов компьютерного моделирования позволит расширить круг задач, решаемых на Сазе этих подходов, что ><пж°т стать п.-пог'-й дальнейшего изучения и развития ионно- пучегп.ту а

также откроет возможность получения исчерпывающей систематической информации об основных характеристиках ионного воздействия на материалы.

II.Цель работы:

В связи с вышесказанным, в диссертационной работе была поставлена задача усовершенствовать методики компьютерного моделирования процессов взаимодействия ионов с поверхностью твердых тел, а так же исследовать с помощью этих методик (метода Монте-Карло и метода кинетических уравнений) ряд характеристик радиационных процессов (исключая рассмотрение ядерных реакций, возможных в области энергий свыше 100 МэВ/нуклон), сопутствующих ионному внедрению в твердые тела в широком диапазоне начальных энергий ионов (от 100' эВ/нуклон до 1 ГэВ/нуклон), а именно:

-зависимости пробег-энергия в указанном диапазоне энергий; -распределение внедренной примеси и радиационных нарушений в мишени как для случая моноатомных, так и для полизтомных веществ;

-возможность получения систематических данньг» о параметрах локализации примеси и радиационных дефектов;

-характеристики процессов ионного распыления как для одно- , таи и для многокомпонентных мишеней;

-оптимизация и улучшение базовых фиэичаских моделей и расчетных алгоритмов как для описания переноса излучений, так и для адекватного учета элементарных процессов с целью д®6жгься лучшего согласия с экспериментом, проведение тестирования путем сравнения с имеющимися экспериментальными данными, а также усовершенствование и очтияпзация различных методов моделирования и их сопоставление;

-адаптация разработанных методов для ряда нетривиальных задач: распыление в виде кластеров, ионное распыление многослойных-.структур, имплантация в ГэВ-ном диапазоне энергий. Для решения этой задачи необходимо:

- проанализировать физические процессы взаимодействия ионов в различных энергетических диапазонах с твердим телом с точки зрения выделения наиболее существенных элементарных процессов взаимодействия в указанном энергетическом диапазоне;

- провести детальный анализ существующих в настоящееТремя ~ моделей для описания сечении -элементарных процессов взаимодействий ускоренных частиц с веществом (атом-атомных столкновений И электронного торможения) в различных ?нпргетических диапазонах и выбрать наиболее оптимальные алгоритмы для расчета характеристик данных процессов с точки зрения возможно лучшего согласия с экспериментал» !<"ми данными; провести корректировку существующих моделей;

- создать компьютерные алгоритмы для расчета характеристик элементарных процессов. Необходимых дтя молнирования пропепппв переноса ионов в веществе;

- создать математическую модель (и компьютерную программу) для моделирования переноса ионов в твердых телах с неупорядоченной структурой методом Монте-Карло, усовершенствовав процедуру построе-

• ния траекторий и учета элементарных процессов; провести тестирование алгоритма путем сравнения с имеющимися экспериментальными данными; Адаптировать данную методику для моделирования ряда радиационно-сти-мулированных процессов, таких как легирование, образование дефектов, распыление, провести сопоставление полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными;

- разработать методику численного решения кинетического уравнения Вольцмана для расчета пространственных моментов функций распределения пробегов и энергопередач в мишени, адаптированную для случая полиатомных мишеней, провести тестовые расчеты и сопоставить их с результатами имеющихся в литературе экспериментальных данных, а также с результатами соответствующих расчетов методом.Монте-Карло; исследовать адекватность транспортного подхода в различных диапазонах по энергии;

- исследовать адекватность Бете-Влоховской теории торможения при релятивистских энергиях ионов с различными (от 1 до 92);

- провести анализ круга задач, наиболее оптимально решаемых с пользованием разработанных компьютерных моделей.

111 ручная ^новизна.

В работе получены следующие оригинальные результаты:

1. Ma основе анализа существующих моделей торможения и их корректировки с учетом компиляции расчета и имеющихся экспериментальных данных установлены оптимальные с точки зрения согласия с экспериментом модели процессов рассеяния и торможения ускоренных ионов в веществе с начальными энергиями в диапазоне исГ^-МО^МэВ/нуклон.

2. Впервые показано- существенное влияние второго Борцовского приближения (Z3-nonpaBrai) в ионизационных потерях энергии на пробеги тяжелых релятивистских ядер, а так же предложена универсальная модель для вычисления пробегов и страгглингов таких ядер с учетом данного эффекта, а так же с учетом изменений зарядового состояния частиц в процессе торможения.

3. На основе кинетической теории переноса разработана оригинальная методика расчета пространственных моментов распределений пробегов и радиационных повреждений в твёрдотельных мишенях при ионной бомбардировке во всем рассматриваемом диапазоне энергий, которая впервые позволила проводить такие расчеты не талька для моноэгсмных простых веществ, но так же и для гюлиатомнш< гомогенных миш#Н£й, что открывает возможность к систематизации параметров для широкого круга воз* можных мишеней. iJpn этом получено оитииадьнее сочетание точности, компактности и ¿нетродейстяия алгоритма, в тон чис-пе для моментов второго и третьего порядков, чти на обеспечивали ранее разработанные подобные алгормш.

4. Разработана оригинальна» методика моделирования методом Монте-Карло радиационных процbccw, сепрсивождэвдмх ионное внедрений. Благодаря детальной процедуре построения траектории, достигнута более высокая! точность' расчетов, особенно в низко энергетич еский области, по сравнение с имеющимися аналогами (.в частности с такими, как программа TRIM).

Б. Благодаря исиюльзованиэ гибкого способа задания геометрических и физических параметров мишени, впервые удалюсь применить метод статистического моделирования к ряду нестандартных ситуаций, в которых ранее не применялись универсальные методы моделирования. Так, в частности, успешно проведено моделирование таких процессов как эмиссия кластеров при распылении и ионное распыление многокомпонентных структур.

6. Впервые проведено сопоставление с использованием методов матема-

гическои статистики двух альтернативных подходов к описанию радиаци--онных процессов при тождественном учете процессов атомных столкновений и электронного торможения .и показана физическая эквивалентность этих подходов. Выявлен и расширен круг задач, которые могут быть адекватно решены с помощью данных подходов ..(метода Монте-Карло и теории переноса).

IV. Практическая ценность: .......

В результате выполнения работы созданы оригинальные программные комплексы TRIRS и RANGE, позволяющие моделировать процессы переноса ионов в веществе и сопутствующие этому радиационные эффекты соответственно в рамках метода Монте-Карло и в рамках кинетической теории переноса. Данные программы могут применяться в широком классе фундаментальных и прикладных задач, возникающих при исследовательских работах, в которых с той или иной целью -используется ионная бомбардировка.

Комплекс программ RANGE позволяет вычислять пространственные ■ моменты распределений пробегов ионов в любых омогенных веществах, содержащих до 10 различных сортов атомов, при этом возможно варьировать модели рзссеяния и торможения ионов, учитывать электронный страгглинг и Z3-поправку в электронных тормозных способностях, что особенно актуально при исследовании треков тяжелых ядер в фотоэмульсиях. В частности, полученные соотношения пробег-энергия в фотоэмульсиях могут быть использованы для интерпретации экспериментов по изучению ядерных реакций. В рамках комплекса программ RANGE возможно вычислять'не только моменты распределения пробегов, но так же пространственные моменты плотности упруго-выделенной энергии (функции радиационных повреждений) для полиатомных веществ, а так же восстанавливать профили указанных распределений по глубине мишени. ^Это дает не только эффективный способ получения вполне корректной информации о пробегах и дефектах при ионном облучении в конкретных задачах, но так же впервые открывает возможность к исчерпывающей систематизации параметров радиационных процессов для широчайшего класса веществ, испохьзуемых в технологических и научных исследованиях.

Разработан также оригинальный комплекс программ TRIRS, базнрую-

щийся на статистическом моделировании методом Монте-Карло. С помощыс этого комплекса программ возможно моделировать такие процессы, как ионное легирование, обратное рассеяние частиц, образование радиационных' дефектов, ионное распыление (на отражение и на прострел), в том числе распыление в виде кластеров. Отличительной чертой данного пакета программ по-отношению к имеющимся аналогам (программа TRIM и др.) является более гибкая процедура задания физических и геометрических параметров мишени, а так же усовершенствованный алгоритм построения траекторий, что позволяет повысить точность вычислений и улучшить их согласие с экспериментом, особенно в низкоэнергетической области. Таким образом, данный'программный пакет может применяться при решении широкого круга задач радиационной физики твердого тела. Разработана также динамическая версия данного алгоритма - DYTRIRS, позволяющая моделировать процессы высокодозного облучения, когда происходит модификация состава мишени непосредственно в процессе облучения, что актуально при анализе процессов, связанных с ионным распылением полиатомных мишеней при больших флзденсах облучения. В частности, эта модель может быть использовала для интерпретации SIMS-профилей. Характерным отличием данной программы от имеющихся аналогов (в частности, от TRIDYN) является компактность алгоритма, позволяющая использовать его при работе на персональных компьютерах, а также усовершенствованная физическая модель развития каскада .столкновений, учитывающая процессы распыления и баллистического перемешивания без дополнительных подгоночных параметров, что особенно актуально в плане возможности исследования физических характеристик твердотельных мишеней.

Достоинством разработанных программных комплексов является также то, что благодаря оригинальным численным методикам, использованным при их создании, удалось без потери точности адаптировать все эти алгоритмы дня работы.на персональных компьютерах IBM PC/AT. При этом разработанные программы существенно превышают по своим возможностям аналогичные PC-версии других подобных программ (в частности, TRIM и PRM). Кроме того, впервые удалось адаптировать для PC-компьютеров динамическую вереию программы. (DYTRIRS).

Таким образом, разработанные модели и программное комплексы могут быть использованы в самых разнообразных областях радиационной физики

твердого тела как при проведении фундаментальных исследований, так и в прикладных'задачах.

V.Апробация работы: . ,

Основные положения диссертационной работы прошли апробацию на ряде конференций ("Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 1993; "Взаимодействие заряженных частиц с кристаллами", Москва, 1994 и 1995 гг.; "Nuclear tracks in solid", Дубна, 1994 ; "Инновационные наукоемкие технологии для России", Санкт-Петербург, 1995), а также докладывались на научных семинарах в НИИЭФА им. Ефремова, ФТИ им Иоффе РАН. Результаты диссертационной работы и разработанные в ней методики компьютерного моделирования использовались при проведении научных исследований в НИИЭФА им. Ефремова (исследовались процессы передачи энергии при взаимодействии частиц плазмы с первой стенкой)'; в СПбГТУ (моделирование легирования и дефектообразования в полупроводниках, ' металлах и керамиках, а так же процессов ионно-лучевого перемешивания тонкопленочнкх образцов; моделирование процессов распыления в виде атомоЕ и кластеров), а так*..- в ФТИ им А.Ф.Иоффе (исследование SIMS-профилей при ионном распылении полупроводниковых структур),

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в виде статей в российских периодических изданиях, а также в виде тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях и совещаниях. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

VI!.; езультаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

1.Модельное описание и алгоритмы расчета характеристик элементарных процессов взаимодействия ионов с веществом в диапазоне энергий (10~4+10э) МэВ/нуклон (исключая рассмотрение ядерных реакций).

2.Разработанная методика и компьютерная программа для математического моделирования методом Монте-Карло процессов, связанных с ионной бомбардировкой твердых тел с неупорядоченной структурой; результаты моделирования процессов легирования, дефектообразования, атомарного и кластерного распыления и их сравнение с экспериментом.

3.Динамическая модель для описания процессов высокодозного ионного облучения, результаты ее применения для моделирования ионного распыления многокомпонентных материалов.

4.Методика численного решения уравнений переноса Больцмана для определения пространственных моментов и профилей по глубине мишени для распределений -пробегов и радиационных повреждений при ионной бомбардировке для случая полиатомных мишеней, ее компьютерная реализация, результаты тестовых расчетов и их сравнение с экспериментом. Сравнительный анализ результатов моделирования в рамках кинетической теории переноса и метода Монте-Карло.

5. Анализ соотношения пробег-энергия для ионов широкого диапазона энергий и особенности моделирования при высокоэнергетической ионной имплантации. Обоснование необходимости корректировки Бете-Блоховской модели (введением Z3-nonpaBKH); влияние данного эффекта на пробеги тяжелых релятивистских ядер, сопоставление расчетов с экспериментальными данными, полученными на ядерных фотоэмульсиях при энергиях ионов -Л ГэВ/нуклон.

V11.Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, трех глав, ' заключения, списка цитированной литературы, содержащего 255 ■ссылок л приложений. Общий объем работы включает в себя 180 машинописных страниц основного текста, б таблиц, 70 рисунков, 21 машинописную страницу списка цитированной литературы и 20 машинописных страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дан краткий обзор сфер возможного приложения ионной имплантации и основных работ, посвященных исследованиям в области модельного описания радиационных процессов, сопутствующих ионному внедрению, обоснована актуальность выполненных исследований, сформулированы цели работы, дана оценка новизне полученных результатов.

В первой глазе рассматриваются вопросы, связанные с выбором наиболее оптимальных моделей для описания элементарных процессов взаи-

модействия ускоренных ионов с твердым телом в различных энергетических диапазонах, а также описываются численные алгоритмы для расчета всех параметров, описывающих данные процессы, которые необходимы для информационного обеспечения моделей переноса ионов в веществе.

Вторая глава содержит описание алгоритма -и комплекса программ TRI RS (разработанного автором для моделирования методом Монте-Кзрло процессов взаимодействия ускоренных ионов с твердым телом и сопутствующих этому радиационных явлений), а также физических моделей, положенных в основу данного алгоритма. Излагаются особенности разрабо- ■ тайных методик расчетов и полученные на их основе результаты применительно к ряду задач, таких как ионное легирование, передача энергии в мишень и образование элементарных дефектов, ионное распыление мишени; проводится их сопоставление с экспериментальными данными. Показана возможность адекватного описания низкоэнергегической области каскада (в частности, на примере распыления) без дополнительных подгоночных параметров на базе усовершенствованной процедуры построения траекторий частиц и корректного выбора модели твердого тела. В данной главе рассмотрены особенности применения метода статистического моделирования для ряда нетривиальных задач, к которым ранее не применялись универсальные подходы к моделированию: распыление з виде кластеров и атомов, динамическое моделирование процессов облучения высокими флюенсами, ионное распыление многокомпонентных мишеней. Дается анализ эффективности применения данного подхода в различных ситуациях .

В третьей главе приводится теоретическое изложение кинетической теории Вольцмана и физическое обоснование ее применимости для описания процессов переноса "ионов в веществе л соответствующих процессов энергопередачи в миш°ни, излагается метод моментов, адаптированный к рассматриваемым задачам.' В этой главе'представлен разработанный автором оригинальный алгоритм численного решения системы кинетических уравнений, позволяющий вычислять пространственные моменты функций распределения пробегов и радиационных повреждений для полиатомных мишеней; дается описание комплекса программ RANGE, созданного на основе этого алгоритма. Проводится анализ результатов проведенных расчетов и их сравнение с экспериментальными данными ряда работ. В этой главе рассматриваются также особенности моделирования проникновения

высокоэнергетических ионов в вещество; проанализировано соотношение пробег-энергия для широкого диапазона энергий ионов (Ю~4-103) МэВ/нуклон в различных веществах. На основе сравнения результатов расчета с экспериментальными данными по распределению полных пробегов релятивистских ядер в фотоэмульсии, впервые делается вывод о необходимости введения г3-поправки к известной формуле Бете-Блоха для адекватного, описания пробегов тяжелых ядер в ГэВ-ном диапазоне энергий. Дается обзор круга задач, где рассмотренный транспортный подход наиболее оптимален. Приводятся данные по сопоставлению результатов моделирования двумя альтернативными методами (методом Монте-Карло и с помощью решения уравнения переноса Вольцмана) при тождественном введении моделей элементарных процессов.

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные при выполнении данной диссертационной работы.

Основные результаты, полученные в диссертации, сводятся к следующему:

1. В диссертационной работе установлены основные процессы, определяющие радиационные явления на баллистической стадии развития каскадов столкновений при ионной бомбардировке твердых тел в широком диапазоне начальных энергий (10~4+103) МэВ/нуклон и разработаны модели и алгоритмы для их описания. Проанализированы существующие подходы к описанию элементарных процессов взаимодействий ускоренных ионов с твердым телом. На основе компиляции различных моделей с экспериментальными данными выбраны оптимальные яо точности и с точки зрения эффективности моделирования переноса ионов в веществе модели описания процессов упругого рассеяния и электронного торможения во всем указанном диапазоне энергий. Разработаны оригинальные численные методики для расчета всех бсновных параметров элементарных процессов взаимодействий ионов с веществом (угол рассеяния в системе центра масс, интеграл времени, дифференциальное сечение упругого рассеяния, электронная тормозная способность и страгглинг электронного торможения ). Данные методики и численные алгоритмы, разработанные на их основе, представляют собой исчерпывающее информационное обеспечение для проведения моделирования процессов взаимодействия исадов с любыми рандомизированными мишенями (включая полиатомные вещества).

2. Впервые показано существенное влияние Ъ\3- поправки в элект-

ронной тормозной способности на пробеги тяжелых ионов в веществе при релятивистских энергиях (-1 ГэВ/нуклон)Предложена модель, включающая данный эффект, которая позволяет адекватно описывать пробеги тяжелых ионов в различных веществах (включая ядерные фотоэмульсии) без введения таких-либо подгоночных параметров. ■

3. В рамках кинетической теории переноса разработана оригинальная методика расчета пространственных моментов распределений пробегов. и радиационных повреждений в мишени при ионной бомбардировке (во всем рассматриваемом диапазоне энергий). Принципиальным отличием разработанной методики от других подобных аналогов является возможность распространения данного подхода на многокомпонентные мишени, что открывает возможность систематизации параметров локализации примеси, энерговыделения и радиационных дефектов при ионном облучении для широчайшего класса мишеней, включая многокомпонентные вещества (стали, сплавы, полупроводники, керамики, фотоэмульсии и др.). До сих пор такие данные в литературе отсутствуют, поскольку на базе предыдущих моделей .невозможно проводить.методом уравнений переноса эффективные расчеты распределений энергии и дефектов для многокомпонентных мишеней. • Отличительной чертой разработанной методики является также высокая точность расчета моментов второго и третьего порядков, что продемонстрировано путем сравнения экспериментальных и расчетных страгглингов пробегов в ряде материалов в широком диапазоне энергий первичных ионов, а также сравнением форм распределений пробегов и дефектов с соответствующими экспериментальными профилями.

4. Разработан оригинальный алгоритм моделирования радиационных процессов-при ионном облучении твердых тел с неупорядоченной струк- ■ турой методом Монте-Карло. Принципиальным отличием от других подобных алгоритмов является использование в нем усовершенствованной про. цедуры,построения .траекторий,/частиц путем более точного' расчета угла,

рассеяния в системе центра масс, учета интеграла времени и многочастичных взаимодействий. За счет этого достигнуто лучшее согласие с экспериментальными данными (е частности, по распылению), особенно в низкоэнергетической области. Отличительной чертой разработанной методики также является возможность варьировать способы задания длины свободного пробега ( либо как постоянную, либо зависящую от энергии) , задавать по выбору различные модели расчета сечений элементар-

ных процессов. Отличительной чертой разработанных методик является также более гибкий способ задания геометрических и физических параметров мишени (в частности, пороговых энергий смещения и поверхностных потенциальных барьеров для различных компонент мишени), позволяющий избавиться от нефизичных подгоночных параметров, часто используемых в других аналогичных подходах.

5. На базе разработанных оригинальных ' методик автором созданы комплексы компьютерных программ TRIRS '(для статистического моделирования) и RANGE (для расчетов по транспортной методике - методом моментов), в которых использованы оптимальные модели расчёта сечений элементарных процессов. Данные программные комплексы позволяют проводить моделирование широкого круга явлений, сопутствующих ионному внедрению в неупорядоченные твердые тела. Разработаны версии этих программ для работы на ¡ВМ-совместных персональных компьютерах PC/AT.

6. На базе программы TRIRS создана ее динамическая версия ( DY-TR1RJ ), позволяющая моделировать процессы высокодозного облучения (при котором учитывается модификация мишени непосредственно во время ионной бомбардировки). В основу алгоритма DYTRIRS положена баллистическая модель изменения структуры и состава мишени вследствие пространственного наложения каскадов столкновений. Особенностью этой модели по сравнению с традиционно используемой аналогичной моделью Мюллера является более корректный учет процессов распыления и дефек-тообразования в мишени при ионном облучении. Алгоритм DYTRIPS так же реализован в виде программного пакета для IBM PC/AT-486DX. (Следует отметить, что до сих пор ки один подобный динамический алгоритм, включая TRIDYN, не удалось реализовать в виде PC-версии).

7.Проведено тестирование разработанных программ ш'тем сравнения с большим набором экспериментальны*, данных, а также путем сравнения с соответствующими расчетами по другим подобным программам (TRIM и PRAL версий 1995 года). Для широкого круга задач радиационной физики (ионное легирование, определение профилей по глубине мтени распределений пробегов и радиационных дефектов при ионной бомбардировке, ионное распыление, высокодозное облучение) установлено хорошее согласие расчетов настоящей работы с экспериментом, причем в ряде случаев достигнуты лучшие результаты по сравнению с -другими аналогами

(TRIM, PRAL). Кроме того, разработанные методики применены в ряде нетривиальных задач, в которых до сих пор не удавалось добиться адекватного описания с помощью универсальных методов моделирования (применялись лишь полуэмпирические методики с оольишм числом подгоночных параметров). Так, на основе проведенного моделирования выявлены основные закономерности процессов кластерного распылении и ионного распыления многокомпонентных веществ. Также получены данные по пробегам и i/rpon диш ¿ш тядулих ришимютских ядер в фотоэмульсиях. Во всех случаях результаты моделирования адекватно отражают особенности этих процессов, наблюдаемые экспериментально.

8. Проведено сравнение различных подходов к моделированию радиационных процессов в твердом теле при ионной бомбардировке (метода статистических испытаний и транспортной теории) в рамках статистического анализа гипотез с помощью критерия "хи-квадрат" (х*-). Установлена физическая эквивалентность данных, подходов (с 5% вероятностью). Указан круг задач, которые могут быть наиболее оптимально решены рассмотренными методами компьютерного моделирования.

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:

1. На основе большого числа тестовых расчетов установлено, что усовершенствованная теория эффективного заряда (ZBL модель) и универсальный потенциал рассеяния позволяют адекватно описывать процессы торможения ионов в широком диапазоне энергий. Однако при рассмотрении процессов торможения тяжелых ионов (с Zi>50) релятивистского диапазона энергий в веществе необходимо принимать в расчет 213-эф-фект в электронных потерях энергии (dE/dx)e. Стандартные модели, базирующиеся на первом Борновском приближении (т.е. на зависимости (dE/dx)e^i2), приводят к систематическому занижению тормозных способностей (и, соответственно, к завышению пробегов) тяжелых частиц я указанном диапазоне энергий.

?,. Учет многочастичных эффектов и корректное построение траекторий при моделировании каскадов атомных столкновений в рамках метола Монте-Карло позволяет адекватно описывать низкоэнергетические процессы (в частности, атомное и кластерное распыление) при ионной бомбардировке твердых тел без ввода дополнительных эмпирических nape-

метров.

3. Кинетическая теория переноса, базирующаяся на уравнении Боль цмана и метод статистического моделирования являются физически экви-

■ валентными и приводят к согласующимся результатам при эквивалентном вводе в расчеты моделей учета элементарных процессов взаимодействия атомов с твердым телом. Имеющиеся в ряде случаев различия между результатами упомянутых методов могут возникать вследствие использования дополнительных упрощений (в частности, касающихся геометрии решаемых задач) при их рассмотрении в рамках теории переноса.

4. В задачах нахождения распределений пробегов и радиационных повреждений в мишени для типичных ситуаций (полубесконечная мишень, нескользящее падение ионов, низкие флюенсы облучения) наиболее оптимально с точки зрения соотношения эффективности- и точности расчетов использовать метод моментов. Этот метод также незаменим при систематизации указанных параметров. Метод Монте-Карло целесообразно использовать . в -задачах, связанных с необходимостью1 более детального моделирования процессов дефектообразования , распыления , перемешивания и т.п., а также в условиях сложной геометрии (либо негомогенного характера) мишени и при специфических условиях облучения (скользящие углы падения, высокодозная имплантация и т.п.), когда непосредственное применение метода моментов затруднительно.

Личный вклад автора диссертации в выполненную работу заключается в том, что им были сформулированы все основные цели и задачи работы, выбраны исходные физические модели и методики моделирования. На основе анализа большого числа работ по данной тематике выбраны и оптимизированы базовые модели для описания элементарных процессов, а также созданы оригинальные методики и алгоритмы моделирования путем усовершенствования существующих подходов как на стадий разработки

"базовых физических моделей, так и на стадии численной реализации. Созданы соответствующие пакеты компьютерных программ, проведен весь объём вычислений, получены все результаты работы, проведен их анализ и обобщение, сделаны выводы. Во всех опубликованных в соавторстве работах в части, касающейся проведения численного моделирования и анализа результатов, ■ участие автора диссертации Журкиня Е. Е. было определяющим.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1.Величко В.Я., Верещагин Д.Г., Журкин Е.Е., Купцов С.Н., Иванов Л.И. Ионно-лучевое перемешивание многослойных пленок системы Но-Сг.//Тез. докл. Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов"; Каунас, 1989 г., с. 165

Р..Журкин Е.Е., Купцов С.Н., Иванов Д.П.. - Методы рассчетз формирования аморфных и интерметаллических систем под пучковым воздействием. // Материалы II Всесоюзного симпозиума по перспективным' металлическим материалам "Синергетика" - М., 1991, т.2, с.179

3.Журкин Е.Е. Компьютерное моделирование легирования и распыления поверхности твердого тела при ионной бомбардировке //'Материалы XI конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" - М., 1993, т.З, с.105-107

4.Журкин Е.Е., Иванов Д.II. Расчет профиля радиационных повреждений

при ионной имплантации в полиатомные вещества с помощью метода моментов//Материалы XI конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" - М. , 1993, Т.З, С.1П8-110

5.С.Д.Богданов, Е.Е. Журкин, В.Ф.Космач, Д.Хассан.. Влияние 7р- поправки в ионизационных тормозных способностях на пробеги тяжелых ионов // Письма в КРТФ, 1993, т.58, вып.9, с.711-714

б.S.D.Bogdanov, S.S.Bogdanov, V.E.Dudkin, I.Hassan, D.P.Ivanov, E.E.ZIwrkfn, v.r.Kosrrsch, A.Yu.Ltkhachev, N.A.Nefedov, Yu.V.Pota-pov. Ranges ot' 0.2-l.u üs-V/nucleon hesvy Ions In nuclear photoe-mulslon /' Radiation Measurwnts, 1995, vol.25, No.1-4, PP. 1П-П4

.(!.Д.Богданов. О.С.Богданов, В.Е.Дудкин, Е.Е.Журкин, Д.П. Иванов, В.Ф.Космач, А.Ю.Лихачев, Н.А.Нефедов, Ю.В. Потапов, Д.Хассан. Прохождение быстрых ядер через гомогенные среды. // Тез. докл. XXV международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. - М.: изд.-во Московского Университета, 1995, с.Я2

6.Журкин Е.Е. Компьютерное моделирование процессов легирования и распыления твердых тел при ионной бомбардировке //Тез. докл. Российской научно-технической конференции "Инновационные и наукоем-

кие технологии для России"; 25-27 апреля 1995 г., ч.5, стр.19 -Санкт-Петербург, 1995.

Э.Журкин Е.Е., Иванов Д.П. Расчет распределений пробегов и радиационных повреждений при ионной бомбардировке.//Тез. докл. "Российской научно-технической конференции "Инновационные и наукоемкие технологии для России"; 25-27 апреля 1995 г., ч.5, стр.25 -Санкт-Петербург, 1995.

Ю.Богданов С. Д., Бакаева H.H., Журкин Е.Е., Иванов Д.П., Космач В.Ф., Флегонтова О.И., Хассан Д.Х. Энергетический разброс пучка тяжелых ядер на ускорителе БЭВАЛАК в г.Беркли //Тез. докл. Российской научно-технической конференции "Инновашгонные и наукоемкие технологии для России"; 25-27 апреля 1995 г., ч.5, стр.27 -Санкт-Петербург, 1995.