Моделирование динамики конденсированных сред, облучаемых мощными пучками заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ЛЕЙВИ Артем Ячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД, ОБЛУЧАЕМЫХ МОЩНЫМИ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 2008

1 ° 2008

Работа выполнена в вузовско-академической лаборатории нелинейной оптики Инсмтута электрофизики УрО РАН и Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель, доктор физико-математических наук, профессор Яловец Александр Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Зубарев Николай Михайлович; кандидат физико-математических наук, Коренченко Анна Евгеньевна.

Ведущая организация. Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск.

Защита состоится "02" декабря 2008 года в 13 ч. 00 м. на заседании диссертационного совета Д004 024 01 при Институте электрофизики УрО РАН по адресу 620016, г. Екатеринбург, ул Амундсена, 106

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики УрО РАН

Автореферат разослан "27" октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук

Сюткин Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Обработка твердотельных мишеней мощными потоками ускоренных заряженных частиц с плотностью мощности >106 Вт/см2 широко используется в настоящее время для модификации свойств различного рода материалов. Радиационные технологии обладают рядом существенных преимуществ перед традиционно используемыми в машиностроении методами, возможностью обработки высокоточных деталей сложной формы, малым временем обработки, простотой автоматизации процесса. При воздействии излучения на вещество в нем протекает ряд физических процессов, изучение которых весьма актуально как с научной точки зрения, так и с точки зрения создания теоретической базы радиационных технологий

Среди наблюдаемых явлений, имеющих место при радиационной обработке вещества, можно выделить следующие: 1) изменение микрорельефа поверхности обрабатываемой мишени, проявляющееся в образовании микрократеров либо в сглаживании микрорельефа; 2) массоперснос вещества в облучаемой мишени.

Экспериментальные исследования показывают, что на конечное состояние микрорельефа поверхности существенное влияние оказывают параметры облучения и ее качалсостояние Исследования массопереноса вещества в облучаемой мишени показывают, что возможными механизмами являются термостимулированная диффузия и гидродинамические неустойчивости: неустойчивость Релея-Тейлора (НРТ); неустойчивость Рихтмайера-Мешкова (НРМ); конвективная неустойчивость [1]

Поскольку результат воздействия интенсивных потоков излучения на вещество зависит от множества факторов (параметров облучения, состояния поверхности и свойств самого материала), го экспериментальное исследование механизмов модификации микрорельефа и массопереноса затруднено. Необходимо проведение теоретических исследований, направленных на описание наблюдаемых явлений и построение полной картины взаимодействия излучения с веществом

В настоящее время опубликовано большое количество теоретических работ, посвященных вопросам динамики поверхности облучаемой мишени и массопереносу вещества в ней [2, 3] Так в работах [2, 3] рассмотрена динамика отдельного кратера. Взаимодействию кратеров, а также роли термокапиллярной конвекции в процессах массопереноса посвящена работа [2]. В работах [2, 3] описан физический механизм и математическая модель образования микрокрагеров на облучаемой поверхности как результат развития неустойчивости (НРМ и НРТ) на поверхности мишени. Было показано, что образование микрократеров носит четко выраженный пороговый характер [3] и начинается при превышении некоторой плотности вложенной энергии, определенной для

каждого материала. При плотностях вложенной энергии больше критической (закритический режим облучения) происходит образование и интенсивный разлет плазменного факела, в результате чего поверхность мишени становится неустойчивой и начальные возмущения формы поверхности развиваются в микрократеры. Если же плотность вложенной энергии меньше критической (докритический режим облучения), силы поверхностного натяжения расплава обеспечивают устойчивость поверхности и образование кратеров не происходит.

Несмотря на значительный прогресс в понимании явлений кратерообразования и массопереноса в облучаемой мишени, остается ряд невыясненных вопросов.

1. Исследование динамики отдельного кратера [3] не дает интегральной картины распределения микрократеров на поверхности мишени после облучения. Также остается вопрос, сформулированный в [4], о влиянии параметров облучения и предварительной обработки поверхности мишени на распределение кратеров после облучения.

2. В ряде экспериментальных работ [5] показано, что в зависимости от параметров облучения на поверхности мишени может наблюдаться как сглаживание микрорельефа, так и рост микрорельефа. Необходимо определить основные механизмы сглаживания микрорельефа облучаемой поверхности и режимы облучения, при которых возможно сглаживание.

3. Сейчас не существует однозначной картины перемешивания приповерхностных слоев мишени при облучении Можно выделить несколько механизмов массопереноса [2]. диффузия, неустойчивость Рихтмайера-Мешкова и конвекция Оценки толщины зоны перемешивания, вызванного термостимулированной диффузией, дают значения порядка 1 мкм. За счет процессов диффузии может происходить перемешивание приповерхностных слоев Однако по экспериментальным данным ширина зоны перемешивания может достигать нескольких десятков мкм. В работе [2] было показано, что за счет термокапиллярной неустойчивости зона перемешивания может достигать порядка 10 мкм В работе [2] решение уравнений механики сплошных сред (МСС) приведено в приближении Буссинеска, что не позволяет количественно описать массоперенос вещества в облучаемой мишени.

4. Одно из последних достижений в создании ускорителей — это электронный ускоритель с субнано- и пикосекундной длительностью пучка [6] Плотность тока для электронных и ионных пучков варьируется в диапазоне от десятков А/см2 до единиц кА/см2. Необходимо рассмотреть динамические явления, наблюдаемые в мишени при ее облучении ультракороткими (менее 1 не) импульсами облучения

Цель работы. Работа направлена па построение теоретических моделей, описывающих динамические явления поверхности облучаемой мишени и массопереноса в ее объеме

Задачи диссертационной работы: 1) исследование влияния параметров облучения и исходного состояния поверхности на плотность распределения кратеров после облучения и на сглаживание микрорельефа облучаемой мишени на основе разработанных методов [7]; 2) теоретическое описание и исследование роли НРМ и НРТ в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени в приближении потенциального течения несжимаемой жидкости, 3) теоретическое описание и исследование массопереноса в объеме облучаемой мишени; 4) исследование динамических явлений наблюдаемых в мишени в случае ультракоротких импульсов облучения.

Методика исследования. Большинство технологических режимов облучения соответствуют случаю, когда приповерхностные слои вещества переходят из твердого состояния в жидкое, поэтому для описания динамики поверхности можно применять модель потенциального течения несжимаемой жидкости.

В [7] представлена математическая модель, описывающая динамику облучаемой поверхности в линейном приближении и приближении потенциального течения жидкости Данная модель была использована для проведения исследований по статистическим закономерностям кратерообразоваиия, сглаживанию микрорельефа. Необходимые для зтого распределения плотности, скорости, температуры агрегатного состояния вещества во время облучения были получены посредством программного комплекса BETAIN [8]. В пакете совместно решаются кинетическое уравнение для быстрых частиц, одномерная система уравнений механики сплошной среды (МСС) для модели упругопластических течений с учетом теплопроводности и широкодиапазонного уравнения состояния.

Для описания развития НРМ и НРТ в рамках потенциального течения несжимаемой жидкости нами был применен метод локальных преобразований [3] па систему, содержащую две границы (свободная поверхность и контактная граница). Метод локальных преобразований позволяет рассчитать нелинейную динамику поверхности раздела без расчета течений в объеме сред что значительно сокращает объем вычислений

Для описания конвективных течений, возникающих в объеме облучаемой мишени с учетом сжимаемости среды, был разработан метод решения уравнений механики сплошных сред (МСС) Данный метод основан на разделении поля скоростей па вихревую и потенциальную составляющие. Такой подход позволил сочетать в себе достоинства лагранжевого подхода при описании свободной границы и эйлерова подхода для описания вихревых течений

Научная новизна и значимость. Проведено исследование влияния параметров облучения и исходного состояния поверхности мишени на плотность распределения микрократеров. Полученные результаты позволяют не только определить оптимальные режимы обработки материалов, но и понять физику процессов, протекающих в приповерхностных слоях облучаемой мишени Определены основные механизмы сглаживания микрорельефа поверхности облучаемой мишени. Разработан новый метод описания нелинейной динамики границ с учетом вязкости и сил поверхностного натяжения, впервые исследована роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени. Разработан метод описания массопереноса вещества в объеме облучаемой мишени Данный метод основывается на разделении поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющие. Такой подход позволит сочетать достоинства и лагранжевых, и эйлеровых переменных. Установлена определяющая роль термокапиллярной неустойчивости в процессах перемешивания приповерхностных слоев облучаемой мишени

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод моделирования динамики поверхности облучаемой мишени в рамках приближения потенциального течения несжимаемой жидкости.

2 Метод моделирования сложных течений (течения в объеме среды, у которых поле скоростей имеет вихревую и потенциальную составляющие) в объеме облучаемой мишени путем разделения поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющие В данном методе учтены: вязкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, термодиффузия.

3 Размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время плотность распределения кратеров по поверхности определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности.

4 При докритических режимах облучения наблюдается сглаживание микрорельефа поверхности.

5. Основным механизмом перемешивания приповерхностных слоев облучаемой мишени является термокапиллярная конвекция.

6. Исходное состояние поверхности в докритическом режиме облучения является определяющим фактором, влияющим на глубину зоны перемешивания и однородность перемешивания.

Практическая ценность результатов заключается в возможности использования разработанных моделей и программ для прогнозирования результатов воздействия

мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач модификации материалов.

Апробация работы н публикации. Основные результаты работы докладывались на 14-ой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2005), XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2005), VIII международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2005), международной конференции «8-th International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2006), международной конференции «13-th International conference on radiation physics and chemistry of inorganic materials» (Томск, 2006), ХХИ международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус 2007), IX международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2007), международной конференции «9-th International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2008)

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в центральной печати, 7 статей в сборниках трудов международных конференций, тезисы 3 докладов. CrpyKTjrJ и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 159 страницах, содержит 81 иллгосграцшо Библиографический список содержит 91 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводшея обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе диссертации описывается современное состояние проблемы по модификации материала в результате воздействия на него излучением Здесь приводятся экспериментальные данные по воздействию излучения на вещество и методы описания такого воздействия.

Среди основных явлений, наблюдаемых при радиационной обработке материала, можно выделить следующие образование кратеров на поверхности облучаемого материала, сглаживание микрорельефа облучаемой поверхности, массоперенос вещества в облучаемой мишени Данные явления рассмотрены в параграфе 1.3

Теоретические исследования динамики отдельного кратера детально изучены в работе [3]. В работе [2] исследуется динамика двух кратеров. Неисследованной остается динамика поверхности в докритическом режиме облучения

Для описания интегральной картины изменения поверхности мишени в результате ее облучения (включая докритический режим облучения) используется модель, описанная в [8] Данная модель в рамках линейного приближения позволяет на фоне известного распределения плотности и массовых сил описывать эволюцию малых возмушений течения среды, с учетом вязкости, сил поверхностного натяжения (параграф 1 4).

Также не определены основные механизмы массопереноса в облучаемой мишени. Выделяют три основных механизма' термостимулированная диффузия, развитие НРТ и НРМ на поверхности мишени, конвективная неустойчивость

Простая оценка роли термодиффузии показывает, что за время существования расплава металла (несколько десятков микросекунд) глубина диффузионного слоя не превышает 1 мкм, что много меньше глубины перемешивания (10-20 мкм), наблюдаемой в экспериментах [9]

В работе [2] было показано, что за счет термокапиллярной неустойчивости зона перемешивания может достигать порядка 10 мкм Однако в данной работе решение уравнений механики сплошных сред (МСС) приведено в приближении Буссинеска, что не позволяет количественно описать массоперенос вещества в облучаемой мишени.

Вторая глава посвящена методу описания нелинейной динамики границ в системе «пленка-подложка», а тате анализу влияния начальных условий на динамику рассматриваемых границ

Большинство технологических режимов облучения соответствуют случаю, когда приповерхностные слои облучаемой мишени переходят из твердого состояния в жидкое. Поэтому для описания нелинейной динамики границ в системе «пленка-подложка» был использован гидродинамический подход Задача рассматривалась в рамках модели потенциального течения несжимаемой жидкости, также был использован метод локальных преобразований [3]. Данный метод позволяет моделировать динамику поверхности раздела слоев без расчета течения в объеме сред, что значительно сокращает обьем вычислений.

В рамках модели потенциального течения несжимаемой жидкости с помощью локальных преобразований была получена система уравнений, описывающая нелинейную динамику границ в системе «пленка-подложка» с учетом сил поверхностного натяжения и диссипации энергии за счет вязкости.

Изложенный метод был протестирован на задачах по развитию НРТ и НРМ, проведено сравнение с экспериментальными данными Сравнение с экспериментальными данными [10] и расчетами других авторов показало их совпадение

Проведенные численные исследования и опенки позволили сделать вывод, что развитие НРТ и НРМ на контактной границе может приводить к эффективному массоперепосу в облучаемой мишени, только в закритическом режиме облучения.

В третьей главе приводятся метод решения уравнений механики сплошных сред, позволяющий описывать сложные течения среды при ее облучении мощными потоками ускоренных заряженных частиц, его численная реализация и тестовые расчеты. Под сложными здесь понимаются течения в объеме среды, у которых поле скоростей имеет вихревую и потенциальную составляющие.

Пусть мишень подвергается электронному или ионному воздействию Система уравнений, описывающая течения в облучаемой мишени имеет вид.

~= 0 (1)

8t дх,

"U^&J +Jl

(2) (3)

(4)

д1 Ьхк ) ' ™ дх, где сг,4 =(-Р+ +5Л, давление определяется широкодиапазонным уравнением состояния

Р-Р(р.Т). (5)

девиатор тензора напряжений 5Л определяется уравнением-

—г.+11—- = 2и\ — Й ' дхк Ч * 3 " *)

Неравновесная добавка 8о в (4) обусловлена локальным изменением массовой плотности

(б)

[О,У г О

среды при сжатии, которая имеет вид: йа -{ . . , где V- скорость изменения V

элементарного объема,£ = £—, характерный линейный масштаб объема,

ЗР) 4 и _

— + -— - продольная скорость звука В приведенных выше уравнениях р -Эр), 3 р

массовая плотность, ц - компоненты массовой скорости течения среды, компоненты внешних массовых сил, и - внутренняя энергия, сгй- тензор неравновесных напряжений, Од- тензор скоростей деформаций, с} = -%У7- поток тепла, О - функция энерговыделения, Т - температура, д]к- символ Кронекера, ц - модуль сдвига, Т] -

сдвиговая вязкость Под неравновесными напряжениями здесь имеются в виду те напряжения, которые возникают в быстро деформируемой среде.

Систему (1)-(6) следует дополнить условием текучести Мизеса для девиатора напряжений, а также кинетическим уравнением для быстрых частиц, решение которого позволяет найти функцию энерговыделения.

Для решения задач, связанных с нахождением распределения примесей в объеме облучаемой мишени, к системе уравнений (1)-(6) необходимо добавить уравнение для примесей.

81 к 8хл 8хк " дхк' где п - концентрация примеси, О -коэффициентдиффузии.

Наличие свободной поверхности и сложный (вихревой) характер течений в объеме облучаемой среды затрудняет применение при решении задач как переменных Эйлера, так и переменных Лагранжа

Если разделить вектор скорости ка потенциальную и вихревую части: £> = и" + йр, где и'-Уср, й" и ввести подвижную систему отсчета, связанную с

потенциальной скоростью то в задачах со свободной границей и вихревыми течениями расчетная сетка сохранит свою регулярность Таким образом, данный подход позволяет сочетать достоинства и лагранжевых, и эйлеровых переменных

Поскольку вихревое течение не меняет объем среды, то на ее поверхности можно записать:

(б"й) = 0, (8)

где п - вектор нормали к поверхности.

В двумерной декартовой системе координат для описания течения достаточно одной ненулевой компоненты векторного потенциала (функции тока) Ч* = (0,0,Ч?(х,у,()) Из условия (8) вытекает, что на поверхности мишени функция тока - постоянная величина, которую можно положить равной нулю.

Система уравнений (1)-(6) записывается в системе координат, связанной с потенциальным течением, при этом возникают конвективные слагаемые. Полученная система уравнений решалась методом, описанным в [11]. Составленный численный код на основе полученных уравнений был протестирован на задачах термогравитационной и термокапиллярной конвекции [1].

Четвертая глава посвящена численному исследованию динамики поверхности и массопсреносу вещества в облучаемой мишени

В параграфе 4.1 исследуются механизмы сглаживания микрорельефа поверхности в результате ее облучения мощными потоками ускоренных заряженных частиц. Математическая модель [8], описывающая динамику поверхности в линейном приближении, отражает следующую физическую картину. При облучении поверхность мишени представляет собой в общем случае плазменный факел и лежащий глубже слой расплава, граничащий с твердотельной частью мишени. Разлег плазменного факела инициирует развитие неустойчивости, в дальнейшем его вещество уносится с поверхности мишени После кристаллизации слоя расплава его поверхность формирует рельеф мишени. Динамика поверхности расплава определяется совместным действием капиллярных сил, вязкого трения и сил инерции, вызванных ускоренным движением поверхностного слоя мишени

На основе предложенной математической модели проведено численное моделирование динамики рельефа поверхности железной мишени, облучаемой интенсивным потоком электронов с длительностью импульса облучения т = 2 мке, энергией электронов в диапазоне и = 20 -г 60 кэВ и плотностью вложенной энергии в диапазоне = 1 -г 12 Дж! см1. Постановка задачи соответствует экспериментам [5], в которых обработке подвергались образцы из сталей МАК80 и КАК.55.

Численные исследования показали, что сглаживание рельефа имеет место лишь при плотностях энергии облучения, не превышающих определенного критического значения (при докритических режимах облучения). Существуют диапазоны плотностей вложенной энергии, внутри которых итоговая шероховатость слабо зависит от условий облучения При многократном облучении наиболее эффективное уменьшение шероховатости наблюдается на первых импульсах облучения (рис. 1)

Так же на основе математической модели [8] численно исследованы статистические закономерности кратерообразования Рассматривалась титановая мишень, облучаемая мощным ионным пучком (МИП), параметры пучка соответствовали установке «ТЕМП», количество импульсов N=1 и N=3. Для определения средней плотности кратеров пс, их среднего диаметра О и глубины к, для различных начальных поверхностей, а также для определения отклонения от этих средних величин бралась выборка из 100 различных случайных начальных поверхностей, что обеспечивало необходимую статистику. Для каждой поверхности определялась плотность кратеров, их средний диаметр и средняя глубина, а по полученным значениям определялись пс, £>, к.

1 Ре мишень

пучок

Т— 2 мке

-1.

. -

О 100 200 300 400

>с-Лг, Дж/с«г

Рис 1. Зависимость шероховатости поверхности йг при многократном облучении от полной плотности вложенной энергии Ш ■ N (от числа импульсов) Сравнение результатов расчетов (кривая3 - Я' = 7.2 Дж/см1, кривая 4-!"~4 8 Дж/см2) с экспериментальными данными [5] (квадраты 1 - IV = 7.3 Дж/смг, кружки 2-^ = 4.2 Дж/см1)

Размер каждой поверхности = ,ут — 1 мм. Проведенные численные исследования показали, что плотность распределения кратеров на поверхности мишени после облучения слабо зависит от плотности вложенной энергии IV (рис. 2), что согласуется с экспериментальными данными Показано, что размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени В то же время плотность распределения кратеров по поверхности (в закритическом режиме) определяется, в основном, исходным состоянием рельефа поверхности Результаты численного исследования приведены в параграфе 4.2. Результаты проведенных численных исследований соответствуют экспериментальным данным [4]. Разработанная математическая модель может использоваться для прогнозирования изменения рельефа поверхности облучаемой мишени и выбора режимов обработки в задачах радиационных технологий

Исследованию вопроса о массопереносе на основе разработанных моделей в главе 2 и главе 3 посвящены параграфы 4.3-4.5.

5 800 -

~1 14

1 2 1

(Л/, Дло^

Рис. 2. Плотности распределения кратеров (МИП) в зависимости от плотности вложенной энергии экспериментальные результаты [4]

В параграфе 4.3 показано, что развитие НРМ контактной границы может приводить к перемешиванию приповерхностных слоев мишени только в случае возмущений поверхности мишени, соответствующих определенному диапазону волновых чисел, который в свою очередь определяется режимом облучения, например, для пары АЬ и Ре и плотности вложенной энергии И-НО Дж/см1 этот диапазон составляет от 19 до 20 мкм. Поэтому для реализации данного механизма перемешивания требуется специальная подготовка поверхности, соответствующая выбранному режиму облучения, что является сложной в технологическом смысле и не всегда оправданной задачей

Для развития термокапиллярной конвекции необходимо наличие температурного возмущения вдоль поверхности мишени. На практике такие температурные возмущения на облучаемой поверхности возникают естественным образом даже при идеально однородной по сечению плотности тока пучка частиц за счет микрорельефа поверхности Известно, чю плотность энерговыделения в объеме мишени, а следовательно, и нагрев ее поверхности зависят от угла падения частиц на мишень Для реальных мишеней за счет микрорельефа поверхности характерный перепад температур вдоль поверхности будет составлять сотни градусов

Будем рассматривать полубесконечную мишень, облучаемую однородным электронным пучком по всей ее поверхности. Зададим периодическое возмущение ее рельефа (соответственно и температуры) гармоническим с периодом 2Ь Параметры облучения: г = 1 мке, и = 200 кэВ, У = 250 А!см1- выбирались аз возможности

существования конвективной неустойчивости в мишени при ее облучении. Мишень -железо.

После облучения глубина расплавленного слоя составляет порядка 35 мкм. Очевидно, что перемешивание приповерхностных слоев мишени будет происходить в области мишени, занимаемой ванной расплава, поэтому результаты представлены для глубины мишени Н=35 мкм. Максимум температуры располагается на глубине около Нт -20 мкм. Отметим, что возмущение температурного поля вдоль поверхности на момент окончания облучения составляет порядка 100 К Численные исследования показали, что наиболее интенсивно термокапиллярная конвекция развивается, если 1УНт~ 1. При других отношениях /Л/гразвитие конвекции становится менее интенсивной. Например, при Ь/Нг = 3 максимальная скорость среды меньше в 1 5 раза, чем при УНт = I

На рис 3 представлены функции тока в различные моменты времени для ЫИ-г 1. В результате развития возмущений образуются два вихря разного масштаба. Образование большого вихря обусловлено наличием силы поверхностного натяжения, зависящей от температуры, а образование малого вихря связано с тем, что приток жидкости, вовлекаемой в движение большого вихря, больше, чем отток, и, как следствие, происходит образование застойной области и малого вихря Согласно расчетам (рис. 2), изначально большой вихрь затухает, а маленький начинает расти Это связано с тем, что малый вихрь образуется в области более высоких температур, имеющей меньшую вязкость.

Рис. 3 Изолинии функций тока в различные моменты времени для длины волны начального возмущения ¿=20 мкм

Увеличение скорости течения происходит, пока вблизи поверхности существует плоский слой с растущей вглубь температурой. Рост происходит экспоненциально, согласно линейной теории Формирующееся поле течений приводит к интенсивному перемешиванию слоев вещества, что способствует более быстрому установлению

однородного поля температур Далее при переходе на нелинейную стадию наблюдается затухание, которое продолжается по мере развития процесса

На рис 4 изображено распределение концентрации по глубине мишени AL/FE в результате ее облучения электронным пучком [10] Расчеты показывают, что в результате облучения алюминиевая пленка испаряется и в перемешивание включается около 10% ее начального количества. Расчеты проведены для различных отношений UHt Из рисунка видно, что профиль концентрации существенно зависит от соотношения L/Нт. Наиболее близко к эксперименту лежит кривая, соответствующая IJHj 3 (¿=60 мкм) В целом расчетные значения толщины зоны проникновения алюминия в железо дают тот же порядок толщины зоны перемешивания, что и в эксперименте. Отличия формы распределения концентрации примеси от экспериментальной может объясняться тем, что реальное возмущение температуры поверхности мишени содержит набор различных мод

X, мкм

Рис 4. Распределение концентрации примеси по глубине мишени на момент начала кристаллизации Кривая 1 - эксперимент работы [10], кривые 2 (1УН-г0.5) и 3 (УН-г-Ъ) -

наши расчеты

Численные исследования влияния длительности облучения на наблюдаемые явления показали, что для осуществления конвективного течения необходимо, чтобы длительность импульса облучения т соответствовала условию, т<1тепл (1«™ - характерное время теплопроводности). Только в этом случае формируется необходимый градиент температуры

Интересным является также исследование наблюдаемых явлений при облучении металлических мишеней в другом временном масштабе.

В параграфе 4 6 рассматриваются динамические явления в веществе при воздействии ультракоротких импульсов облучения. Исследование данного вопроса показало, что при длительности облучения менее 1 не плавление вещества не наблюдается для пучков [6], а следовательно кратерообразование, сглаживание рельефа облучаемой поверхности, массоперенос вещества в облучаемой мишени не происходит

Однако было установлено, что уменьшение времени ввода энергии приводит к существенному (в несколько раз) увеличению скоростей деформаций растяжения. Большие скорости деформаций могут привести к существенно более интенсивной наработке дефектов кристаллической решетки и модификации материала при субнаносекундных длительностях облучения по сравнению со случаем облучения наносекундной длительности

Выводы.

1 Сглаживание рельефа имеет место лишь при плотностях энергии облучения, не превышающих определенного критического значения (при докритических режимах облучения) Существуют диапазоны плотностей вложенной энергии, внутри которых итоговая шероховатость слабо зависит от условий облучения. При многократном облучении наиболее эффективное уменьшение шероховатости наблюдается на первых импульсах облучения Результаты проведенного численного моделирования соответствуют экспериментальным данным [5]

2 Численно исследованы статистические закономерности кратерообразования. Показано, что размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени В то же время плотность распределения кратеров по поверхности (в закритическом режиме) определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности.

3 Неустойчивость Релея-Тейлора может привести к перемешиванию приповерхностных слоев только в случае возмущений поверхности мишени, соответствующих определенному диапазону волновых чисел, который в свою очередь определяется режимом облучения.

4 Основным механизмом жидкофазного перемешивания является термокапиллярная конвекция. Увеличение скорости течения происходит до момента времени <я1/10(теП1, (^пл- характерное время теплопроводности), пока вблизи поверхности существует плоский слой с растущей вглубь температурой.

5 При воздействии ультракоротких режимов облучения наблюдается увеличение скоростей деформаций растяжения. Большие скорости деформаций могут привести к

существенно более интенсивной наработке дефектов кристаллической решетки и модификации материала при субнаносекундных длительностях облучения по сравнению со случаем облучения наносекундной длительности.

Таким образом, на основе проведенных исследований построено теоретическое описание процессов перемешивания, протекающих в приповерхностных слоях облучаемой мишени, установлена связь между параметрами облучения, состоянием исходной поверхности и конечного результата обработки

Полученные результаты можно использовать для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов (сглаживание, массоперенос вещества в облучаемой мишени).

Список публикаций автора

1 Лейви, Л Я Нелинейная динамика границ в системе «пленка-подложка» под действием мощного потока излучения / А Я. Лейви, А Е Майер, К А. Тал ал а, А П. Яловец // 14-я Зимняя школа по механике сплошных сред Пермь. 28 февраля 3 марта 2005. Тезисы докладов - Пермь, 2005 - С 87.

2. лейви, А.Я. Динамика приповерхностных слоев конденсированных сред при облучении интенсивными потоками энергии ! H Б. Волков, А Я Лейви, А.Е. Майер, К А. Талапа, А.П. Яловец // Забабахинские научные чтения. Тезисы докладов. - Снежинск, 2005.-С 107-108.

3. А.Я. Лейви. Применение метода локального преобразования для описания нелинейной динамики слоев вещества при облучении / Н.Б.Волков, А.Я Лейви, А.Е Майер, К А. Талала, А П. Яловец Тезисы / /XIV - Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2005), С 18

4. Leyvi, A Y The Simulation of Microcrater Formation on Pure Metal Targets Irradiated by an Intense Microsecond Electron Beam / A.E Mayer, N.B Volkov, A.Y. Leyvi, V S. Kuznetsov, К A. Talala, V.I Engelko, and A.P. Yalovcts // Изв. вузов. Физика - 2006. -№8. Приложение. - С 188-191.

5. A Y Leyvi The Effcct of Subnanoseeond Electron Pulse on The Solid / A.P. Yalovets, Leyvi, A.Y, N B. Volkov, A E. Mayer, K.A Talala and J E. Turovtseva // Изв. вузов. Физика. - 2006 - №8. Приложение. - C.l 77-180.

6 A. Y. Leyvi Simulation of the interaction of the ultra - short pulses of power electron and laser radiation with metals / N.B. Volkov, A E Mayer, A Y. Leyvi, J E. Turovtseva, A.P. Yalovets II Изв. вузов. Физика. - 2006. - № 10. Приложение. - С 304-307

7. Лейви, А.Я. О механизмах сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении интенсивным потоком заряженных частиц / B.C. Красников, А.Я. Лейви, А.Е Майер, А П. Яловец И ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - В 4.-С. 41-^9.

8 Лейви, АЛ. О воздействии мошных ультракоротких электронных пучков на металлические мишени / Н.Б Волков, Н.Д Кундикова, А.Я. Лейви, А.Е Майер, А П Яловец // Письма в ЖТФ - 2007. - Т. 33 - Вып 2 - С. 43-52.

9. Лейви, А Я Динамика поверхностных слоев многослойных мишеней, облучаемых мощным электронным пучком / Н.Б Волков, А Я. Лейви, А.Е.Майер, К.А. Талала, А П. Яловец // Физика экстремальных состояний вещества - 2007, Черноголовка: ИПХФ РАН, 2007, с. 70-73.

10. Лейви, А.Я. Динамика поверхностных слоев многослойных мишеней, облучаемых мощными потоками ускоренных заряженных частиц / НБ. Волков, А.Я Лейви, АЕ. Майер, К.А. Талала, А.П. Яловец // Забабахинские научные чтения- тезисы докладов. -2007.-С. 250-251.

11. Leyvi, A. Ya. The dynamics of near-surface target layers irradiated by intense particle beams / A. Ya. Leyvi, N. B. Volkov, K.A Talala, A.P. Yalovets // 9-th International conference on modification of metenals with particle beams and plasma flows. - Томск, 2008. - P. 109— 112.

12. Leyvi, A Ya. The influence of initial Target surface state and irradiation parameters on the micro-craters formation/ A. Ya. Leyvi, A. E. Mayer, V A Shulov, A.P. Yalovets // 9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows. -Томск, 2008.-P. 113-117.

Список цитированной литературы

1. Гершуни, Г.З. Конвективная неустойчивость несжимаемой жидкости / Г.З Гершуни, Е М. Жуховицкий. - М.: Наука, 1972 - С. 385.

2. Талала, К.А Динамические явления в приповерхностных слоях металлической мишени, облучаемой сильноточным электронным пучком / К.А. Талала // Дис. . к физ -мат. н. - Челябинск - 2006

3. Волков, Н.Б. О механизме образования микрократеров на поверхности мишени, облучаемой мощным электронным пучком / Н.Б Волков, АЕ. Майер, А.П. Яловец // Письма в ЖТФ - 2006 - Т. 32. - В. 10. - С. 20-29.

4. Пайкин, А.Г. Кратерообразование на поверхности деталей из жаропрочной стали 15Х16К5Н2МВФАВ-Ш при облучении сильноточными импульсными электронными

пучками / А Г. Пайкин, В А Шулов, В.И. Энгелько // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. -№10 (22). - С. 9-14.

5. Raharjo P. Application of large area electron beam irradiation for surface modificationof implant materials / P. Raharjo, K. Uemura, A. Okada // Proceedings of the 7th Int. Conf on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows- Tomsk, 2004 - P. 263.

6. Месяц Г.А., Пикосекундная электроника больших мощностей / Месяц Г.А., Яландин М И // УФН 2005 Т. 175.С.225.

7. Красников, В С О механизмах сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении интенсивным потоком заряженных частиц / B.C. Красников, А.Я Лейви,

A.Е. Mailep, А П. Яловец // ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - В. 4. - С 41-49.

8 Яловец, А.П. Пакет программ BETAIN (BEAM TARGET INTERACTION) / А П. Яловец, А.Е Майер // Proc of 6th Int Conf on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk, 2002. - P 297

9. Mueller, G Application of pulsed electron beams for improvement of material surface properties / G. Mueller, H. Bluhm, A. Hemzel, G. Schumacher, D. Strauss, A. Weisenburger, F. Zimmemiann, V. Engelko, V. Shulov, N. Notchovnaya // Proceedings 6th Int Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - 2002. - P. 328-331.

10 Алешин, A.H Исследование линейной, нелинейной и переходной стадий развития неустойчивости Рихтмайера-Мешкова / АН. Алешин, Е.В. Лазарева, С.Г Зайцев,

B.Б. Розанов, Е Г. Гамалий, И Г. Лебо //ДАН СССР - 1990. - Т. 310. -№5.

11. Яловец, А П. //Журнал прикладной механики и технической физики. - 1997. - №1. -С. 151-166.

ЛЕЙВИ Артем Ячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД, ОБЛУЧАЕМЫХ МОЩНЫМИ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

01 04 13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 2008

Подписано в печать 22.10.08. Формат 60 х 90/16. Объем 1 0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 334. Бумага офсетная Отпечатано на ризографе в типографии ГОУ ВПО ЧГПУ 454080, г Челябинск, пр. Ленина, 69.

Введение.

1. Состояние проблемы.

1.1 Параметры пучков заряженных частиц.

1.2 Основные способы модификации материалов.

1.3 Явления, наблюдаемые при воздействии на мишень интенсивными потоками заряженных частиц.

1.3.1. Образование кратеров на поверхности облучаемого материала.

1.3.2 Сглаживание микрорельефа облучаемой поверхности.

1.3.3. Массоперенос вещества в облучаемой мишени.

1.4 Методы описания воздействия интенсивных потоков излучения на мишень.

1.4.1. Расчет термодинамических параметров облучаемого вещества.

1.4.2. Описание динамики поверхности облучаемой мишени. 34 1.5. Электронно-ионные лучевые технологии- достижения и проблемы

Выводы.

2. Разработка и реализация метода описания динамики системы «пленка-подложка» под действием интенсивных потоков излучения.

2.1. Система уравнений.

2.1.1. Линейное приближение.

2.1.2. Нелинейная динамика системы «пленка-подложка».

2.2. Влияние поверхностного натяжения и вязкости на динамику границ системы «пленка-подложка».

2.3 Решение системы уравнений нелинейной динамики.

Выводы

3. Прямое моделирование сложных течений в конденсированных средах.

3.1 Разделение поля скоростей в среде на вихревую и потенциальную составляющие.

3.2 Решение системы уравнений механики сплошных сред методом разделения скоростей на вихревую и потенциальную составляющие.

3.3 Тестовые расчеты 82 Выводы.

4. Численные исследования нелинейной динамики облучаемых слоев конденсированных сред.

4.1 Сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении интенсивным потоком заряженных частиц. %

4.2 Влияния исходного состояния поверхности на результат лучевой обработки.

4.3 Роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса вещества в объеме облучаемой мишени.

4.4 Роль капиллярноконвективной неустойчивости в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени. ив

4.5 Сравнение результатов физического и численного экспериментов.

4.6 Динамические явления в веществе при воздействии ультракоротких импульсов излучения.

Выводы.

В настоящее время обработка твердотельных мишеней мощными потоками ускоренных заряженных частиц с плотностью мощности >10б Вт/см широко используется для модификации свойств различного рода материалов. Радиационные технологии обладают рядом существенных преимуществ перед традиционно используемыми в машиностроении методами: возможностью обработки высокоточных деталей сложной формы, малым временем обработки, простотой автоматизации процесса.

Поэтому исследования, связанные с воздействием излучения на вещество, являются актуальными как с точки зрения понимания физических процессов протекающих в веществе при его облучении, так и с точки зрения создания теоретической базы для радиационных технологий.

Как правило, для модификации материалов используют: ионные пучки с энергией частиц, не вызывающей ядерные реакции [58]; низкоэнергетические сильноточные электронные пучки (НСЭП - энергия частиц составляет десятки кэВ) [71]; высокоэнергетические сильноточные электронные пучки (ВСЭП - энергия частиц составляет сотни кэВ) [62]. Длительность импульса ионных пучков составляет десятки и сотни наносекунд. Длительность электронных пучков варьируется в достаточно широком диапазоне от единиц наносекунд до сотен микросекунд. Последнее достижение в создании ускорителей это электронный ускоритель с субнано-и пикосекундной длительностью пучка [34]. Плотность тока для электронных и ионных пучков варьируется в диапазоне от десятков А/см до единиц кА/см2.

Быстрый ввод энергии пучка в вещество мишени вызывает протекание в нем интенсивных тепловых и деформационных процессов, приводящих к изменению структуры и фазового состава материала мишени. При этом может происходить увеличение прочности, износостойкости и эрозионной устойчивости материала [45,50,82]. Кроме того, изменяется микрорельеф облучаемой поверхности [15,67,73,74]. При обработке металлических мишеней электронными и ионными пучками на облученной поверхности наблюдается образование микрократеров [37,38,45,50,68,76,77], уменьшение шероховатости [1,52,74,76,82], массоперенос вещества в облучаемой мишени [22,27,77,86,90,91,85].

Экспериментальные исследования воздействия интенсивных потоков излучения на вещество позволили установить, что на конечное состояние облучаемой мишени влияют параметры облучения и исходное состояние поверхности. При разных режимах облучения может происходить сглаживание микрорельефа или образование кратеров. Если поверхность до облучения предварительно обработать, отполировать, то есть уменьшить исходную шероховатость, то после облучения плотность кратеров значительно уменьшится. На основе экспериментальных данных по массопереносу вещества в облучаемой мишени были сформулированы выводы, что возможными механизмами массопереноса является термостимулированная диффузия и гидродинамические неустойчивости: неустойчивость Релея-Тейлора (НРТ); неустойчивость Рихтмайера-Мешкова (НРМ) [61,75]; конвективная неустойчивость [13].

Поскольку результат воздействия интенсивных потоков излучения на вещество зависит от множества факторов (параметров облучения, состояния поверхности и свойств самого материала), то экспериментальное исследование механизмов сглаживания, массопереноса затруднено. Необходимо проведение теоретических исследований, направленных на описание наблюдаемых явлений.

В настоящее время опубликовано большое количество теоретических работ посвященных вопросам динамики поверхности и массопереносу вещества облучаемой мишени [1,8,9,10,21,31,47,59,63]. Теоретические работы [9,10,31] посвящены динамике отдельного кратера. Взаимодействию кратеров, а также роли термокапиллярной конвекции в процессах массопереноса посвящена работа [47]. В работах [31, 47] описан физический механизм и математическая модель образования микрократеров на облучаемой поверхности как результат развития неустойчивости (НРМ и НРТ) на поверхности мишени1. Было показано, что образование микрократеров носит четко выраженный пороговый характер [47] и начинается при превышении некоторой плотности вложенной энергии, определенной для каждого материала. При плотностях вложенной энергии больше критической (закритический режим облучения) происходит образование и интенсивный разлет плазменного факела, в результате чего поверхность мишени становится неустойчивой и начальные возмущения формы поверхности развиваются в микрократеры. Если же плотность вложенной энергии меньше критической (докритический режим облучения), силы поверхностного натяжения расплава обеспечивают устойчивость поверхности, и можно ожидать уменьшения амплитуды исходных возмущений, то есть сглаживания.

Несмотря на значительный прогресс в понимании явлений кратерообразования, перемешивания приповерхностных слоев остается ряд невыясненных вопросов:

1) Плотность распределения кратеров на поверхности облучаемого материала. Исследование динамики отдельного кратера [31] не дает интегральной картины распределения микрократеров на поверхности мишени после ее облучения. Также остается вопрос, сформулированный в [37, 38, 50] о влиянии параметров облучения и -. ^

При облучение мишени происходит ее разогрев, и как следствие теплового расширения свободная граница испытывает знакопеременное ускорение. Если мишень находится в жидком состоянии, то на ее поверхности развивается НРТ. После окончание облучения, до момента кристаллизации, на поверхности мишени развивается НРМ. Развитие НРМ происходит за счет запасенной кинетической энергии при облучении. В тексте будем писать: «при облучении мишени происходит развитие НРМ и НРТ». предварительной обработки поверхности мишени на распределение кратеров после облучения;

2) Механизмы сглаживания микрорельефа облучаемой поверхности мишени. В ряде экспериментальных работ [73,74] показано, что в зависимости от параметров облучения на поверхности мишени может наблюдаться как сглаживание микрорельефа, так и его рост;

3) Механизмы массопереноса в облучаемой мишени. Выделяют три основных механизма: термостимулированная диффузия, развитие НРТ и НРМ на поверхности мишени, конвективная неустойчивость. Безусловно, за счет процессов диффузии может происходить перемешивание приповерхностных слоев. Однако по экспериментальным данным ширина зоны перемешивания может достигать около 10-20 мкм [50,70], что не может быть объяснено с точки зрения процессов диффузии. Роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса не изучена. В работе [47] было показано, что за счет термокапиллярной неустойчивости зона перемешивания может достигать порядка 10 мкм. Однако в данной работе решение уравнений механики сплошных сред (МСС) приведено в приближении Буссинеска, что не позволяет количественно описать массоперенос вещества в облучаемой мишени;

4) Динамические явления, наблюдаемые в мишени при ее облучении ультракороткими (менее 1 не) импульсами облучения.

Цель работы. Работа направлена на построение теоретических моделей, описывающих динамические явления, протекающие в приповерхностных слоях облучаемой мишени.

Задачи диссертационной работы: 1) исследование влияния параметров облучения и исходного состояния поверхности на плотность распределения кратеров после облучения и на сглаживание микрорельефа облучаемой мишени на основе разработанных методов [26]; 2) теоретическое описание и исследование роли НРМ и НРТ в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени в приближении потенциального течения несжимаемой жидкости; 3) теоретическое описание и исследование массопереноса в объеме облучаемой мишени; 4) исследование динамических явлений наблюдаемых в мишени в случае ультракоротких импульсов облучения.

Методика исследования. Поскольку большинство технологических режимов облучения соответствуют случаю, когда приповерхностные слои вещества переходят из твердого состояния в жидкое, то для описания динамики поверхности можно применять модель потенциального течения несжимаемой жидкости.

В [26] представлена математическая модель описывающая динамику облучаемой поверхности в линейном приближении и приближении потенциального течения жидкости. Данная модель была использована для проведения исследований по статистическим закономерностям кратерообразования, сглаживанию микрорельефа. Необходимые для этого распределения плотности, скорости, температуры агрегатного состояния вещества во время облучения были получены посредством программного комплекса BETAIN [55]. В пакете совместно решаются кинетическое уравнение для быстрых частиц, одномерная система уравнений механики сплошной среды (МСС) для модели упругопластических течений с учетом теплопроводности и широкодиапазонного уравнения состояния.

Для описания развития НРМ и НРТ в рамках потенциального течения несжимаемой жидкости нами был адаптирован метод локальных преобразований [31] на систему, содержащую две границы (свободная поверхность и контактная граница). Метод локальных преобразований позволяет рассчитать нелинейную динамику поверхности раздела без расчета течений в объеме сред, что значительно сокращает объем вычислений.

Для описания конвективных течений, возникающих в объеме облучаемой мишени, был разработан метод решения уравнений механики сплошных сред, основанный на разделении поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющую. Данный метод позволил сочетать в себе достоинства лагранжевого подхода к описанию свободной границы и эйлерова подхода для описания вихревых течений.

Научная новизна и значимость. Исследовано влияние параметров облучения и исходного состояния поверхности мишени на плотность распределения микрократеров. Полученные результаты позволяют не только определить оптимальные режимы обработки материалов, но и понять физику процессов, протекающих в приповерхностных слоях облучаемой мишени. Определены основные механизмы сглаживания микрорельефа поверхности облучаемой мишени. Разработан новый метод описания нелинейной динамики границ с учетом вязкости и сил поверхностного натяжения, впервые исследована роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени. Разработан новый метод для описания массопереноса вещества в объеме облучаемой мишени. Данный метод основывается на разделении поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющие. Установлена определяющая роль термокапиллярной неустойчивости в процессах перемешивания приповерхностных слоев облучаемой мишени.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод моделирования динамики поверхности облучаемой мишени в рамках приближения потенциального течения несжимаемой жидкости.

2. Метод моделирования сложных течений (течения в объеме среды, у которых поле скоростей имеет вихревую и потенциальную составляющие) в приповерхностном слое облучаемой мишени путем разделения поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющие. В данном методе учтены: вязкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, термодиффузия.

3. Размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время, плотность распределения кратеров по поверхности определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности.

4. При докритических режимах облучения наблюдается сглаживание микрорельефа поверхности.

5. Основным механизмом перемешивания приповерхностных слоев облучаемой мишени является термокапиллярная конвекция.

6. Исходное состояние поверхности в докритическом режиме облучения является определяющим фактором, влияющим на глубину зоны перемешивания и однородность перемешивания.

Практическая ценность результатов заключается в возможности использования разработанных моделей и программ для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: 14-ой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь,

2005), XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2005), VIII междунородной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2005), международной конференции «8-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows» (Томск,

2006), международной конференции «13-th International conference on radiation physics and chemistry of inorganic materials» (Томск, 2006), XXII международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус 2007), IX междунородной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2007), международной конференции «9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2008).

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в центральной печати, 7 статей в трудах международных конференциях, 3 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 159 страницах, содержит 81 иллюстрацию. Библиографический список содержит 91 наименование.

Выводы

Сглаживание рельефа имеет место лишь при плотностях энергии облучения, не превышающих определенного критического значения (при докритических режимах облучения). Существуют диапазоны плотностей вложенной энергии внутри, которых итоговая шероховатость слабо зависит от условий облучения. При многократном облучении наиболее эффективное уменьшение шероховатости наблюдается на первых импульсах облучения. Результаты проведенного численного моделирования соответствуют экспериментальным данным [73,74].

Численно исследованы статистические закономерности кратерообразования. Показано, что размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время, плотность распределения кратеров по поверхности (в закритическом режиме) определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности.

Неустойчивость Релея-Тейлора может привести к перемешиванию приповерхностных слоев только в случае возмущений поверхности мишени, соответствующих определенному диапазону волновых чисел, который в свою очередь определяется режимом облучения.

Основным механизмом жидкофазного перемешивания является термокапиллярная конвекция. Увеличение скорости течения происходит до момента времени twl/lOtrcj, (t^™ - характерное время теплопроводности), пока вблизи поверхности существует плоский слой с растущей вглубь температурой.

Заключение

Проведенные в данной работе численные исследования показывают, что большую роль в процессах взаимодействия интенсивных потоков ускоренных заряженных частиц с веществом играет динамика приповерхностных слоев мишени. Развитие НРТ и НРМ на поверхности облучаемой мишени приводит к образованию кратеров, формированию поверхностных структур, и может приводить к перемешиванию приповерхностных слоев. Неравномерный нагрев мишени вызывает конвективное движение, приводящее к перемешиванию слоев.

Среди основных результатов наших исследований можно выделить следующие:

1. Разработан метод моделирования динамики поверхности облучаемой мишени в рамках приближения потенциального течения несжимаемой жидкости. Данный метод позволяет рассчитать нелинейную динамику границ раздела двух сред без расчета течений в объеме. Отличается высокой точностью и экономичностью;

2. Разработан метод моделирования сложных течений в объеме облучаемой мишени. Данный метод позволил сочетать в себе достоинства лагранжевого подхода к описанию свободной границы и эйлерова подхода для описания вихревых течений. В данном методе учтены: вязкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, термодиффузия;

3. Установлено, что размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время, теоретически показано, что плотность распределения кратеров по поверхности определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными;

4. Показано, что при докритических режимах облучения происходит сглаживание микрорельефа облучаемой поверхности. Результаты проведенного численного моделирования соответствуют экспериментальным данным [73];

5. Неустойчивость Релея-Тейлора может привести к перемешиванию приповерхностных слоев только в случае возмущений поверхности мишени, соответствующих определенному диапазону волновых чисел, который в свою очередь определяется режимом облучения.

6. Основным механизмом жидкофазного перемешивания является термокапиллярная конвекция. Увеличение скорости течения происходит до момента времени tel/lOtpe™ Отепл- характерное время теплопроводности), пока вблизи поверхности существует плоский слой с растущей вглубь температурой;

7. Установлено влияние исходного состояния поверхности на глубину зоны перемешивания и однородность перемешивания. Полученные результаты глубины зоны перемешивания находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными;

8. При воздействии ультракоротких режимов облучения наблюдается увеличение скоростей деформаций растяжения. Большие скорости деформаций могут привести к существенно более интенсивной наработке дефектов кристаллической решетки и модификации материала при субнаносекундных длительностях облучения по сравнению со случаем облучения наносекундной длительности. Таким образом, па основе проведенных исследований построено теоретическое описание процессов перемешивания, протекающих в приповерхностных слоях облучаемой мишени, установлена связь между параметрами облучения, состоянием исходной поверхности и конечного результата обработки.

Полученные результаты можно использовать для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов (сглаживание, массоперенос вещества в облучаемой мишени).

Список публикаций автора

1. Лейви, А.Я. Нелинейная динамика границ в системе «пленка-подложка» под действием мощного потока излучения / А.Я. Лейви, А.Е. Майер, К.А. Талала, А.П. Яловец. // 14-я Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь. 28 февраля 3 марта 2005. Тезисы докладов. - Пермь, 2005. - С.87.

2. Лейви, А.Я. Динамика приповерхностных слоев конденсированных сред при облучении интенсивными потоками энергии / Н.Б. Волков, А.Я. Лейви, А.Е. Майер, К.А. Талала, А.П. Яловец // Забабахинские научные чтения. Тезисы докладов. - Снежинск, 2005.-С. 107-108.

3. А.Я. Лейви. Применение метода локального преобразования для описания нелинейной динамики слоев вещества при облучении / Н.Б.Волков, А.Я. Лейви, А.Е.Майер, К.А. Талала, А.П. Яловец. Тезисы / /XIV - Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2005), С. 18.

4. Leyvi, A.Y. The Simulation of Microcrater Formation on Pure Metal Targets Irradiated by an Intense Microsecond Electron Beam / A.E. Mayer, N.B. Volkov, A.Y. Leyvi, V.S. Kuznetsov, K.A. Talala. V.I. Engelko, and A.P. Yalovets // Изв. вузов. Физика. - 2006. -№8. Приложение. - С. 188-191.

5. A.Y. Leyvi The Effect of Subnanosecond Electron Pulse on The Solid / A.P. Yalovets, Leyvi, A.Y., N.B. Volkov, A.E. Mayer, K.A. Talala and J.E. Turovtseva // Изв. вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение. - С. 177-180.

6. A.Y. Leyvi Simulation of the interaction of the ultra - short pulses of power electron and laser radiation with metals / N.B. Volkov, A.E. Mayer, A.Y. Leyvi, J.E. Turovtseva., A.P. Yalovets. // Изв. вузов. Физика. - 2006. - № 10. Приложение. - С.304-307.

7. Лейви, А.Я. О механизмах сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении интенсивным потоком заряженных частиц / B.C. Красников, А.Я. Лейви, А.Е. Майер, А.П. Яловец // ЖТФ. - 2007. - Т. 77. - В. 4. - С. 41-49.

8. Лейви, А.Я. О воздействии мощных ультракоротких электронных пучков на металлические мишени / Н.Б.Волков. Н.Д. Кундикова, А.Я. Лейви, А.Е.Майер, А.П. Яловец // Письма в ЖТФ. - 2007. - Т. 33. - Вып. 2. - С. 43-52.

9. Лейви, А.Я. Динамика поверхностных слоев многослойных мишеней, облучаемых мощным электронным пучком / Н.Б. Волков, А.Я. Лейви, А.Е.Майер, К.А. Талала, А.П. Яловец // Физика экстремальных состояний вещества - 2007, Черноголовка: ИПХФ РАН, 2007, с. 70-73.

10. Лейви, А.Я. Динамика поверхностных слоев многослойных мишеней, облучаемых мощными потоками ускоренных заряженных частиц / Н.Б. Волков, А.Я. Лейви, А.Е. Майер, К.А. Талала, А.П. Яловсц // Забабахинские научные чтения: тезисы докладов. — 2007.-С. 250-251.

11.Lcyvi, A. Ya. The dynamics of near-surface target layers irradiated by intense particlc beams / A. Ya. Leyvi, N. B. Volkov, K.A. Talala, A.P. Yalovets // 9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows. - Томск, 2008. - P. 109112.

12. Leyvi, A. Ya. The influence of initial Target surface state and irradiation parameters on the micro-craters formation/ A. Ya. Leyvi, A. E. Mayer, V. A. Shulov, A.P. Yalovets // 9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows. -Томск, 2008. - P. 113-117.

1. Аброян А.И., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М: Высшая школа, 1984. Авраменко М.И. О К-модели турбулентности. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2005

2. Бойко В.И., Каляев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц // УФН. 1999. Т. 169. №11. С. 1243-1272.

3. Волков Н.Б., Кундикова Н.Д., Лейви А.Я. и др. О воздействии мощных ультракоротких электронных пучков на металлические мишени. // Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып.2. С. 43-52.

4. Волков Н.Б., Лейви А.Я., Майер А.Е. и др. Динамика приповерхностных слоев конденсированных сред при облучении интенсивными потоками энергии. // Забабахинские научные чтения. Тезисы доклада. 2005. С. 107-108.

5. Волков Н.Б., Майер А.Е., Талала К.А., и др. Нелинейная динамика поверхности мишени при воздействии интенсивных потоков энергии // Физика экстремального состояния вещества 2003. ИПФХ РАН: Черноголовка, 2003. С. 48 - 49.

6. Волков Н.Б., Майер А.Е., Яловец А.П. О механизме кратерообразования на поверхности твердых тел при воздействии интенсивных пучков заряженных частиц // ЖТФ. 2002. Т.72. В.8. С. 34 -43.

7. Гальченко Н.К., Самарцев В.П., Кашина Е.Е., и др. //Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002,P. 304-306.

8. Гершуни Г.З., Жуховицкий E.M. Конвективная неустойчивость несжимаемой жидкости, М: Наука, 1972, с. 385.

9. Гинзбург В.Л., Шабанский В.П., ДАН СССР. 100 (3), 415 (1955).

10. Гнюсов С.Ф., Тарасов С.Ю.,Иванов Ю.Ф. и др. Структура и свойства плазменных покрытий из оксидной керамики после оплавления электронным лучом // Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002, P. 277-283.

11. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М: Машиностроение, 1989.

12. Елизарова Т.Г. Математические модели и численные методы в динамике газа и жидкости. Подходы, основанные на системах квазигазодинамических и квазигидродинаимических уравнений. Лекции, М, Физический факультет МГУ, 2005, с. 221.

13. Зельдович Я.Б, Райзер Ю.П., //Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, Moscow, Наука, 1966, с. 688

14. Имшенник B.C., Боброва Н.А. Динамика столкновительной плазмы, М: Энергоатомиздат, 1997, С. 320.

15. Ковичак В. С., Попов Е.В., Панова Т.К. Особенности модификации систехмы «пленка подложка» мощным ионным пучком //Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002, pp. 380383.

16. Колгатии C.H., Хачатурьянц A.B. // TBT. 1982. T.20 №3 C. 90-94 Кольчужкин A. M., Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. Москва Атомизда, 1978, с 178-217

17. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М, 1973, с. 505-509.

18. Майер А. Е. Нелинейная динамика границы мишени под действиеминтенсивных потоков заряженных частиц // диссертация на соискание ученойстепени кандидата физико-математических наук.- Челябинск.-2003.

19. Майер А.Е., Яловец А.П. Механические напряжения в облучаемой мишени свозмущенной поверхностью// ЖТФ. 2006. Т. 76. В. 4. С. 67.

20. Майоров B.C. Проявление капиллярной термоконцентрированнойнеустойчивости при взаимодействии лазерного излучения с веществом. //

21. Сборник трудов ИПЛИТ РАН С.236

22. Месяц Г. А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей //УФН. 2005. Т. 175. С.225.

23. Неуважаев В. Е. Математическое моделирование турбулентного перемешивания. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2007

24. Неуважаев В. Е., Паршуков И.Э. Изучение неутойчивости границ раздела при совместном действии импульсногои постоянного ускорений.// Мат.модел., том 5, 2, 1993г.

25. Почивалов Ю.И., Бакшт Т.Ю., Коротаев А.Д., и др. Модификация поверхности молибдена мощным пучком мягкого рентгеновского излучения// Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002, P. 424-427.

26. Струмилова H.B., Гончаренко И.М., Григорьев C.B. и др. Ионно-стимулированное легирование поверхности конструкционной стали// Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002, P. 401-404.

27. Струи B.K., Петров A.B., Арефьев В.П. Изменение свойств поверхностных слоев алюминиевых сплавов под действием мощных ионных пучков.// Proc. 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002, P. 373-375.

28. Талала K.A. Динамические явления в приповерхностных слоях металлической мишени, облучаемой сильноточным электронным пучком // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.- Челябинск.-2006.

29. Уилкинс M.JI. Расчет упругопластических течений. / В кн. Вычислительные методы в гидродинамике.- М.: Мир, 1967.

30. Усов Ю.П., Петров А.В., Карпов В.Б. и др. Ускоритель "ТОНУС": Вчера,

31. Сегодня, Завтра. // Proc. of 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2002. P. 47-50.

32. Шулов B.A. Модификация свойств жаропрочных сплавов непрерывными и импульсными ионными пучками. // Диссертация па соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Минск, БГУ, 1995.

33. Яловец А.П., Майер А.Е. Пакет программ BETAIN (BEAM TARGET INTERACTION) // Proc. of 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2002. P. 297.

34. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М: Эпергоатомиздат, 1991.

35. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками/ Под редакцией Поута. Дж. М., Фоти Г., Джекобсона Д.К. М.Машиностроение, 1987.

36. Akerman D. R., Isakov N. F., Remnev G.E., // Digest of the 1st Conf. Modification of the Properties of Constructional Materials by Charged-Particle Beams, Tomsk, 1988, part 1 P. 3.

37. Anishchik V.M., Kvasov N.T.,Uglov V.V., et al, Periodic structures formed on the surface of silicon monocrystal treated by compression plasma flоw//V-International

38. Conference Plasma Physics and Plasma Technology, Minck, 2006, P. 615-619.

39. Chandrasekhar S. // Ilydrodynamic and Hydromagnetic Stability. Oxford: Clarendon, 1961;

40. Engelko V., Mueller G, Bluhm H. //Vacuum, vol. 62/2-3, June 2001, P. 97-103.

41. Korotaev A.D., Ovchinnikov S.V., Pochivalov Yu.I. et al. // Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 105. P. 84.

42. Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Tretjak M.V. et al. // Physics of Metals and Metallography. 2000. Vol. 89. P. 54.

43. Koval N. N., Schanin P.M., Lopatin I. V.,et al. Vacuum Ion-Plasma installation "Duet".// Proc. of 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2002. P. 112-116

44. Kovivchak V.S., Panova T.V., Burlakov R.B. et al. Morphology Change in System "Si02/SiSubstrate" after Irradiation by High Power Ion Beam of Nanosecond Duration // Изв. вузов. Физика. 2006. - № 8. Приложение. - С. 196198.

45. Litovchenko N.A., Meisner L.L., Markov A.B. Crater Formation at the Ti49.5Ni50.5 Surface Modified by Low Energy High Current Electron Beams // Изв. вузов. Физика. 2006. - № 8. Приложение. - С. 185-188.

46. Mayer А.Е., Volkov N.B.,Kuznetsov V.S., et al. The Simulation of Microcrater Formation on Pure Metal Targets Irradiated by an Intense Microsecond Electron Beam. // Изв. вузов. Физика. 2006. - № 8. Приложение. - С. 188-191.

47. Mueller G., Bluhm H., Heinzel A., et al. Application of pulsed electron beams forimprovement of material surface properties// Proceedings 6th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2002, pp. 328331.

48. Ozur G. E., Proskurovsky D. I., Rotshtein V.P., et al. // Laser and Particle Beams 21, 2003, P.157-174

49. Panova T.V., Blinov V.I., Kovivchak V.S., et al. Texturing of Ncar Surface Layers of Metals at High Power Ion Beam Treatment // Изв. вузов. Физика. — 2006. № 8. Приложение. - С.232-236.

50. Richtmyer R.D. // Comm. on Pure and Appl. Math. 1960. Vol. 72. P. 297.

51. Rotshtein V.P., Markov A.B., Proskurovsky D.I. Surface Alloying of Ti6AMV with Zirconium by Pulsed Electron-Beam Melting of Film-Substrate System // Изв. вузов. Физика. 2006. - № 8. Приложение. - С.262-267.

52. Ryabchikov A.I., Stepanov I. В. New-generation installation for material Processing by Metal Ion Beam and Plasma // Изв. вузов. Физика. 2006. - № 8.