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

Степанова, Ольга Михайловна

Моделирование тепловой эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Степанова, Ольга Михайловна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование тепловой эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование тепловой эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц"

На правах рукописи

СТЕПАНОВА ОЛЬГА МИХАИЛОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭРОЗИИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 9 НОЯ 2009

Томск-2009

003483945

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский политехнический университет», г. Томск

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Кривобоков Валерий Павлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смирнов Серафим Всеволодович,

доктор физико-математических наук, профессор Шаркеев Юрий Петрович.

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН,

г. Новосибирск.

Защита состоится 9 декабря 2009 г. в 16:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.02 при Томском политехническом университете по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан 6 /¿.¿>¿¿^«£-2009 г.

Учёный секретарь совета, доктор физико-математических наук

Коровкин М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Методы обработки твёрдых тел с помощью пучков заряженных частиц являются перспективным направлением в радиационном материаловедении. Заметное место среди них занимают технологии, построенные на использовании эффекта эрозии поверхности.

Попадая в конденсированное вещество, ускоренная частица теряет свою энергию в результате столкновений с атомами среды. При этом происходит их ионизация, возбуждение, смещение, образование радиационных дефектов, нагрев облучаемого вещества и другие эффекты. Структурно-фазовые превращения, вызванные тепловым действием пучка, регламентируются балансом энергии, т.е. интенсивностью её ввода в твёрдое тело и её потерь из системы по всем каналам диссипации (теплопроводность, фазовые превращения, испарение и т.д.).

Под термином «эрозия» здесь понимается явление разрушения поверхности твёрдого тела в результате удаления вещества в виде отдельных атомов, молекул или их соединений как в жидком, так и в твердом состояниях. В основе его лежат следующие процессы:

- радиационно-стимулированная и тепловая десорбция атомов и молекул;

- распыление атомов, расположенных на поверхности и вблизи неё;

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

- испарение атомов из твёрдой фазы (сублимация);

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

- откол мишени вследствие её хрупкого разрушения;

- разбрызгивание вещества из жидкой фазы и др.

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

Не все из перечисленных выше механизмов дают значительный вклад в процесс удаления вещества с поверхности. В этом смысле при воздействии мощных импульсных пучков заряженных частиц на твёрдое тело наиболее эффективны испарение и, в значительно меньшей степени, распыление [1.2].

Раннее было показано, что в условиях распыления поверхности пучками низкой интенсивности (когда радиационным разогревом и его последствиями можно пренебречь) коэффициенты эрозии составляют 1 — 10, а в пределе — до 102 атом/ион [3]. Разогрев же мишени до температуры, при которой возможно ее интенсивное испарение, позволяет удалять 103 - 104 атомов на одну падающую частицу и даже больше. Другими словами, испарение в этом случае доминирует над распылением конденсированной фазы.

Тепловая эрозия мишени на таком уровне имеет место при облучении твердого тела мощными пучками ионов и электронов в импульсном режиме. Для достижения наибольшего коэффициента эрозии необходимо, чтобы основная доля

энергии пучка, введённая в твёрдое тело, расходовалась на испарение, а не уносилась в более глубокие области в результате теплопроводности [4]. Для этого к твёрдому телу с его характерными физическими свойствами надо оптимально подобрать вид пучка заряженных частиц (электроны, ионы), их энергию, длительность облучения, развёртку плотности тока во времени и т.д.

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

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

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

Примером может служить радиационная полировка поверхности. Зачастую механическое сглаживание микрорельефа связано с деформированием и загрязнением поверхности обрабатываемого материала, а также с большой трудоемкостью этого процесса. Мощные импульсные пучки заряженных частиц позволяют быстро и без больших затрат получить поверхность с малой шероховатостью (сотые доли микрона) [5]. Несмотря на очевидные практические перспективы, теоретическое обоснование наблюдаемых эффектов пока не сделано.

Предыдущие исследования кинетики тепловых процессов в твердом теле при облучении потоком заряженных частиц показали, что наиболее эффективным способом их изучения является численное моделирование. Доказана состоятельность такого подхода и выявлены некоторые закономерности эрозионных и тепловых процессов для случаев ионного и электронного облучения материалов [4].

Слабое место более ранних публикаций заключается в том, что в них отсутствует последовательное и детальное исследование закономерностей тепловой эрозии при облучении в импульсном режиме. Другим их недостатком является то, что расчеты выполнены в одномерном приближении. Такая постановка задачи не позволяет учитывать микрорельеф поверхности. Для выявления возможностей пучков заряженных частиц и определения их

параметров в технологиях полировки необходимо построение двумерной модели тепловой эрозии.

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

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

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

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

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

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

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

заряженных частиц, взаимосвязью рассматриваемых физических процессов, непротиворечивостью полученных результатов.

Результаты расчётов испарения выступа на поверхности металлической мишени хорошо согласуются с данными об изменении её шероховатости, полученными экспериментально.

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

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Доминирующим механизмом эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных субмикросекундных ионных пучков (Р~ 10б...108 Вт/см2, т-ЮЛ.ЛО"6 с, Е0 = 0,1...1 МэВ) является испарение, или тепловая эрозия. Значения её коэффициентов составляют — 103... 105 атомов на ион. Толщина испарившегося слоя по порядку величины близка к длине проективного пробега ионов в данной среде.

2. Максимально возможные коэффициенты тепловой эрозии под действием мощного субмикросекундного электронного пучка (Р ~ 107...109 Вт/см2, т ~ 10"7...Ю"6 с, Ед = 10...700 кэВ) достигают значений ~ 104...105 атом/электрон.

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

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

Апробация работы. Основные результаты были доложены и обсуждены на следующих конференциях: 13th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, 10 - 15 сентября 2006г., г.Томск; Седьмом Международном Уральском Семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов», 25 февраля-3 марта 2007 г., г. Снежинск; 11-ой Московской Международной Школе Физики ИТЭФ «Фундаментальные основы ядерных энерготехнологий нового поколения», 16 - 23 февраля 2008 г., г. Москва; XXIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества», 1 — 6 марта 2008 г., республика Кабардино-Балкария, п. Эльбрус; 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 21-26 сентября 2008 г., г. Томск; 19-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с

поверхностью», 21-25 августа 2009 г., г. Звенигород Московской обл.; научных семинарах лаборатории 23 НИИ ядерной физики ТПУ.

Публикации. Основные результаты работы по теме диссертации опубликованы в виде четырех журнальных статей (три из них - в журналах, рекомендованных ВАК) и тезисов 8 докладов в сборниках трудов российских и международных конференций.

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

Во введении приведены общая характеристика работы и защищаемые положения.

Первая глава посвящена обзору различных аспектов эрозии твёрдого тела под действием пучков заряженных частиц, потоков плазмы и лазерного излучения.

Выделены три механизма эрозии: радиационный (распыление), тепловой (нагрев с последующим испарением) и механический (откольные повреждения). Технологии, основанные на удалении атомов с поверхности мишени (напыление тонких плёнок, очистка поверхности от загрязнений, ионное фрезерование и др.), в большинстве своём построены на радиационном и тепловом механизмах эрозии. Использование импульсных пучков позволяет увеличивать плотность потока энергии, вводимой в твёрдое тело. Благодаря уменьшению времени облучения снижается влияние теплопроводности мишени, поэтому эрозии подвергается лишь тонкий поверхностный слой без каких-либо тепловых повреждений объёмных областей материала.

При этом полный поток эмитируемого вещества для случая облучения ионами складывается из распылённых частиц и частиц, покинувших поверхность в результате испарения.

Распыление поверхности твёрдого тела является основным механизмом эрозии для режима облучения ионными пучками, при котором удаление атомов происходит из твёрдой фазы. Это явление к настоящему моменту хорошо изучено, накоплен большой объём информации о коэффициентах распыления различных веществ ионами разных масс и энергий. Однако вопросу температурной зависимости выхода атомов с поверхности в результате облучения уделено недостаточно внимания. Так как этот момент является не маловажным для решаемой здесь задачи, в п. 1.2 рассмотрена зависимость коэффициента распыления от температуры для ряда металлов. Заметное влияние температуры на коэффициент распыления проявляется только в режиме «тепловых» пиков (при Т~ Tmdl), когда процесс эмиссии описывается как активационное испарение. В этих условиях значение выхода распыленных атомов может составлять до ~ 102 на один падающий ион.

С увеличением плотности мощности падающего потока до 105-109Вт/см2 определяющей становится тепловая эрозия, которая связана с нагревом твёрдого тела вплоть до его испарения. Механизмам испарения посвящена значительная

часть главы 1. Подробно представлены гидродинамическая модель эрозии мишени под действием пучка высокой интенсивности и двухфазная модель испарения, описывающая тепловую эрозию твёрдого тела при облучении пучком умеренной интенсивности, когда плотность вещества меняется незначительно и её изменениями пренебрегают.

Выполнена постановка задачи тепловой эрозии мишени в приближении существования кнудсеновского слоя (прилегающей к поверхности, паровой области, характеризующейся иными температурой Т, плотностью вещества р и массовой скоростью потока й). В её основе лежит уравнение теплопроводности, записанное через тепловую составляющую внутренней энергии вещества Ер

£Ет(г,0 = Л-АГ(Г,0+Г(Г,/), (1)

где Т(Р,/) - температура, Л - коэффициент теплопроводности, Щг, в(?)

— функция энерговыделения, определяемая кинетикой изменения плотности тока и пространственным распределением линейных потерь энергии ускоренных заряженных частиц в веществе в(?).

Такая запись уравнения позволяет учитывать затраты тепла на плавление. При этом температуру находят из следующих соотношений:

ср

Т(г,,)^тте11 + Ет(г'1)-Е\ £ИМ)>£2; (2)

ср 4 '

Ех<ЕТ(г,()<Ег.

Здесь Е\ = Ттиср, Е2 = + чтецр, с, р — удельная теплоемкость и плотность вещества мишени; Тте1,, цтеН — температура и удельная теплота плавления соответственно.

В начальный момент времени температура равна Т0:

Т{г,0) = Т0. (3)

Обратная сторона мишени в течение всего времени эксперимента теплоизолировна:

Л-УТ(г,г) = 0. (4)

На поверхности тепловой поток определяется скоростью фронта испарения:

¿■ЧТ{г,1) = рУ/иН, (5)

где - скорость фронта испарения, рассчитанная согласно двухфазной модели испарения, ОН — разность удельных энтальпий твердой и газообразной фаз.

Условие (5) согласно двухфазной модели испарения с кнудсеновским слоем соответствует выражению:

А • УГ(М) = У/р0(Ь0+-Ёт- зг0]), и 2

Для определения скорости фронта испарения V/ решают комплекс уравнений, включающий в себя законы сохранения массы и импульса, а также выражения для параметров кнудсеновского слоя:

Р0У/=Р(У/-П), (7)

Р0+Р01'}=Р+р(Уг-и)\ (8)

7=0,657;, (9)

р=0,3 \р, (10)

_2яй1Г0 ^

ехР(~"Г= ') > кТ„

й= (5кТ / Зт)1

(И) (12) (13)

Здесь и - массовая скорость паров на границе разрыва (и <0), ра , Р0 и Тй -плотность, давление и температура конденсированной фазы, р, р и т— плотность, давление паров и температура на границе разрыва, /л - молярная масса, Я - универсальная газовая постоянная, р — плотность насыщенного пара, в0 = (Иу0)/к - дебаевская температура, уй - эффективная дебаевская частота колебаний атомов, к -постоянная Больцмана, Я, - энергия связи кристаллической решетки, Ь=2яИ - постоянная Планка, ш - масса атома мишени.

Данная задача решалась как в одномерном (для расчета температурных полей и параметров тепловой эрозии различных материалов), так и в двумерном приближениях с движущейся со скоростью V) границей раздела между конденсированной и паровой фазами. Разработка двумерной модели обусловлена необходимостью учёта рельефа мишени для выявления роли испарения в технологиях полировки материалов и изделий.

Выполнен литературный обзор по ...........

измененшо морфологии мишени в результате облучения потоками заряженных частиц. Сделана постановка задачи тепловой эрозии микровыступа на поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных ионных и электронных пучков. Её целесообразно решать в цилиндрической системе координат с осевой симметрией. Область моделирования и граничные условия задаются для микровыступа на поверхности мишени, высота которого Нреак соответствует параметру шероховатости реальной поверхности Я2. На рис. 1 Н - толщина образца, Нреаь — высота

Рис. 1. Обозначение размеров области моделирования.

выступа на поверхности, Speak — его полуширина.

Входными данными к задаче тепловой эрозии твёрдого тела являются параметры пучка (распределение потерь энергии заряженной частицей по глубине мишени Q(x), временная развёртка импульса тока j(t), максимальное значение его плотности J и длительность импульса т) и мишени (её теплофизические характеристики).

Вторая глава представляет собой анализ полученных автором данных по расчетам эрозии, обусловленной испарением, в одномерном приближении. Исследование выполнено для случаев импульсного ионного и электронного облучения материалов с различными теплофизическими свойствами.

Задача описания тепловой эрозии состоит в определении функции энеговыделения W(r,t) (см. уравнение 1), расчета пространственно-временного поля температуры и кинетики испарения вещества с облучаемой поверхности мишени. При этом распылением поверхности в результате столкновительных процессов мы пренебрегаем.

Изложены использованные методики расчета линейных потерь энергии по глубине Q(x) для ионов и электронов при торможении в веществе. Представлено описание функции Q(x) для ионов разных масс и энергий. Исследовано влияние формы профиля энерговыделения на конфшурацию тепловых полей при облучении электронами.

Выполнены расчёты основных параметров тепловой эрозии мишени: скорости фронта испарения V/, толщины испарившегося слоя 2ешр и коэффициента эрозии D:

1evap

Zc,w = i V/(t)dt, (14)

levap

( | Vf(t)dt)eN

D - - • (15)

\j(t)dt о

Здесь N—ядерная плотность вещества мишени, е — заряд электрона, lt.vap — время, в течение которого происходит испарение с поверхности мишени, т - длительность импульса облучения.

Адекватность изложенных модельных представлений доказывается хорошим совпадением результатов расчета толщины испарившегося слоя с измеренной глубиной кратера [6], образовавшегося на поверхности облучённого образца (рис. 2). Данные численного моделирования относительно экспериментальных отличаются не более чем на 15%. Заметное несовпадение результатов для меди трудно объяснимо, так как согласно теплофизическим характеристикам металлов количество удаляемого вещества с её поверхности не может быть больше, чем с поверхности железа (коэффициент теплопроводности: Хо, = 397 Вт/(м-К), XFe = 73, 325 Вт/(м-К)).

В первой части главы 2 представлены результаты расчетов коэффициента эрозии различных материалов (металлов, диэлектриков, полупроводников) под

действием ионов углерода и аргона; выявлены параметры пучка для обеспечения максимально возможных коэффициентов эрозии и наиболее эффективного расходования энергии пучка на испарение мишени. В качестве материала мишени исследовались металлы с различной плотностью и сильно отличающимися температурой плавления и теплотой испарения (рис. 3), а также для сравнения выполнен расчет для кристаллического кварца, кремния и арсенида галлия.

С++ Н+ ; Е0 = 660 кэВ; J = 1,2 кА/см2; 1

= 120 нс

¿ечар' мш 64-

I I глубина кратера (эксперимент), мш Г'"?1 толщина испарившегося слоя (расчет), мкм

Рис. 2. Сравнение толщины испарившегося слоя металлов, рассчитанной по модели тепловой эрозии, с экспериментально полученными данными [6] о глубине кратера, образованного на поверхности мишени в результате облучения.

А1 Ре Си V*! Очевидно, что количество удаляемого вещества в результате испарения зависит как от пространственного распределения линейных потерь ионов в среде (их пробегов), так и от его теплофизических свойств.

Для всех исследуемых материалов толщина удаляемого слоя в результате испарения близка к значению проективного пробега иона (рис. 3). Наибольшее количество вещества удаляется с поверхности кремния, алюминия, кварца и арсенида галлия (0,4 - 0,5 мкм), причем для всех них, кроме кремния, характерна относительно низкая теплота испарения (-250...270 кДж/моль). Следует отметить, что в данном случае, чтобы рассмотреть отдельно влияние плотности вещества и теплоты испарения, мы оперируем значениями в Дж/моль.

■в теплопроводность Вт/(м'К) ., ту :г,:, ислареш». т '.к; ,.*.., !, Вт/(м*К)

400

800

" и, А/см2

Рис, 3. Зависимость толщины испарившегося слоя от плотности тока для материалов с разными теплофизическими свойствами.

Несмотря на то, что значения теплоты испарения кремния и меди близки, количество испарившегося вещества кремния значительно выше. Это объясняется различием в плотности этих веществ: меньшая плотность материала связана с

большими пробегами ионов (рис. 3), и, как следствие, с большими размерами области теплового воздействия.

Существенную роль в процессе диссипации энергии пучка играет теплопроводность конденсированной среды, и чем она выше, тем большая часть поступающей энергии уносится вглубь мишени, не приводя к испарению. Это является лимитирующим фактором для плотности тока, при которой начинается удаление атомов. Сопоставив рассчитанные параметры и характеристики исследуемых веществ, можно заметить устойчивую закономерность. Для тех материалов, у которых коэффициент теплопроводности меньше, процесс испарения начинается при меньших плотностях тока (что и объясняется низкой скоростью передачи тепла в глубинные слои мишени).

Но если отдельно рассматривать такие металлы как вольфрам и медь, то можно заметить, что для меди, несмотря на то, что её коэффициент теплопроводности практически в два раза выше, толщина испарившегося слоя больше, чем для вольфрама. Это является следствием того, что плотность последнего значительно больше.

Определить строгие закономерности влияния каждого теплофизического параметра в отдельности на эрозию вещества крайне трудно. Для каждого материала нужно рассматривать совокупность влияющих факторов. Но условно все твёрдые тела, для которых проводился расчет, можно разделить на три группы по их значению теплопроводности: W, Си имеют наибольшие значения X, их испарение становится заметным при J = 100...200 А/см2. На втором месте - А1 и Si с Хд] = 218 Вт/(м-с) и XS| = 150 Вт/(м-с), для них граничные J близки и составляют ~60 А/см2. Наиболее легко испаряемыми являются кварц и арсенид галлия, их кривые испарения начинают заметно расти при плотности тока около 10 А/см2.

Следовательно, наибольшая эффективность ионов в удалении атомов с поверхности мишени проявляется при облучении материалов с низкой теплопроводностью. Например, выход атомов кварца D на один падающий ион в 2-4 раза выше, чем атомов металлов при тех же значениях начальной энергии Е0

D, атом/ион | Аг+; Ер = 50р"кэВ~| 4x104

3x104 2x104 1x10* О

400

800 J, А/СМ2

Рис. 4. Зависимость коэффициента эрозии от плотности тока для кварца и металлов.

3000

см £

5 2000

^ 1000

_ U м/

/Те

/У Си

/ ✓

Fe-' \ V ^

М 7 - - •

О 400 800 Е0, кэВ

Рис. 5. Максимальные коэффициенты эрозии и соответствующие плотности тока в зависимости от начальной энергии ионов углерода.

(рис. 4). А максимально возможные коэффициенты эрозии Dmax достигаются при меньших значениях плотности тока.

Расчеты для металлов показали, что Dmax и им соответствующие плотности тока Jmax зависят от начальной энергии частиц Е0. С ростом Е0 величина Отш растет (рис. 5). Это связано с тем, что при больших значениях начальной энергии ионов их пробег и, как следствие, толщина поверхностного слоя, подвергнутого разогреву, достаточному для испарения атомов, больше. При этом теплопроводность в течение действия импульса уносит из области энерговыделения гораздо меньшую долю тепловой энергии по сравнению со случаями, когда Е0 меньше. Это также приводит к уменьшению плотности тока Jmax, необходимой для обеспечения Dmax. Так, при Е0 = (100..1000) кэВ она имеет значения (100...600) А/см2, в то время как при Е0 < 100 кэВ должна быть не менее (600...3500) А/см2.

Вторая часть главы посвящена электронному облучению металлов. Выполнены расчеты толщины расплавленного Zmc/, и испарившегося Zevap слоев в зависимости от параметров пучка, выявлены пороговые значения плотности тока для плавления и испарения. Исследована энергетическая эффективность электронного пучка в сравнении с ионным.

Условия взаимодействия ускоренных ионов и электронов с атомами мишени различны. Благодаря меньшей массе электроны глубже проникают в материал, теряя свою энергию преимущественно в неупругих столкновениях. Этот факт исключает наличие распылительной составляющей эрозии: все удаляемые атомы покидают поверхность в результате испарения. Его интенсивность вследствие больших размеров области энерговыделения превышает интенсивность удаления вещества под действием ионов. В связи с этим электронное облучение поверхности твёрдого тела характеризуется своими особенностями.

Рассмотрены наиболее интересные с точки зрения технологического применения электронов закономерности тепловых процессов и зависимости коэффициента эрозии от параметров пучка и мишени. Основные результаты получены для микросекундных электронных пучков низких энергий (до 100 кэВ), так как они постепенно находят всё более широкое применение в поверхностной обработке металлических изделий и конструкций. Плотность энергии таких пучков варьируется от единиц до 100 Дж/см2 в зависимости от длительности импульса (10"6...105 с).

С увеличением энергии электронов граничные значения J, определяющие начало процесса испарения, уменьшаются. Так, для Е0 = 10...20 кэВ они изменяются в диапазоне от 250 до 150 А/см2 при тепловой эрозии титана вследствие облучения электронами в течение 2 мкс (рис. 6).

Существенное влияние на количество испарившегося и расплавленного вещества на поверхности мишени оказывает длительность импульса. На рис. 7 представлены зависимости Zmei, и Zeyap от плотности потока энергии Еьеат для электронного пучка с длительностью импульса 2 мкс и 50 мкс.

При постоянном значении плотности потока энергии в области Ebeam - 20 Дж/см2 в результате короткоимпульсного облучения электронами

Рис. 6. Зависимость коэффициента эрозии от плотности тока пучка при различных значениях начальной энергии электронов.

Рис. 7. Зависимость толщины

расплавленного (----кривые 1', 21) и

испарившегося (-кривые 1, 2) слоев

титана при импульсном облучении электронами с энергией 15 кэВ от величины плотности потока энергии.

(т = 2 мкс) плавление и испарение наступают при меньших плотностях тока, в отличие от облучения в течение 50 мкс. Причем количество испарившегося вещества при длительности импульса 2 мкс значительно выше, а толщина расплавленного слоя с увеличением плотности энергии выходит на насыщение уже при (8 - 10) Дж/см2. В то время как при г = 50 мкс она продолжает расти и при 20 Дж/см2 и более, чем в три раза превышает величину 2теи, рассчитанную для пучка с длительностью импульса 2 мкс (рис. 6).

Снижение эффективности облучения для испарения поверхности с увеличением длительности импульса выявлено и под действием ионного пучка (рис. 8). Максимальное значение количества испарившихся атомов одним ионом Ашя с ростом т до 0,5 мкс падает как для меди, так и для кварца. При этом по мере увеличения длительности облучения для обеспечения максимальной эффективности требуемое значение плотности тока снижается.

Таким образом, при малых значениях т тепловые процессы происходят более интенсивно, количество испарившегося

вещества быстро растет, в результате чего пары материала мишени над её поверхностью поглощают часть энергии пучка. Это препятствует

распространению температурного поля вглубь образца. С увеличением длительности

импульса растёт количество тепла, уносимого в результате теплопроводности, поэтому

Рис. 8. Зависимость максимально возможного коэффициента эрозии от длительности импульса при облучении ионами.

граница области теплового влияния сдвигается в глубинные слои мишени, а плотность потока энергии, выделяемая на поверхности, снижается.

Исследование режимов максимального испарения под действием электронного пучка выявило нетривиальное поведение плотности тока, соответствующей максимуму коэффициента эрозии, в зависимости от начальной энергии заряженных частиц (рис. 9). При Е0< 100 кэВ характер зависимости плотности тока, обеспечивающей максимальной испарение, от энергии схож со случаем облучения ионами. Однако превышение Е0 > 100 кэВ резко меняет картину в обратную сторону: для получения максимального испарения с увеличением энергии электронов следует наращивать и плотность тока. При этом коэффициенты эрозии могут достигать ~ 104... 105 атом/электрон.

Выполнено сравнение возможностей ионов и электронов в технологиях травления поверхностей. Ввведён коэффициент энергетической эффективности пучка <2, который равен отношению числа атомов, покинувших мишень, к количеству вводимой энергии. Он характеризует эффективный энерговклад пучка в твёрдое тело. В случае электронов его значение существенно выше, чем в случае ионов (рис. 10).

X о 1,2x105

о.

Щ с; 9,0x104

О 1— 6,0x104

га

га Е 3,0x104

0,0

е~-> Си; т = 1 мкс

3,5

3,0 см 5

200

400

600

2,5

2,0

1,5

1,0 Ед, кэВ

о I-

ш 4

О2

е~-> Си; I - 100 не; Ед - 50 КэВ С+ -> Си; т = 100 не; Ед = 50 кэВ С+ -> Си; т = 100 не; Ед = 1 МэВ

3, кА/си/г

Рис. 9. Максимально возможный коэффициент эрозии и соответствующие ему плотности тока для различных начальных энергий электронов.

Рис. 10. Коэффициент энергетической эффективности электронного пучка в сравнении с ионным.

Здесь можно говорить о более слабом проявлении эффекта экранировки мишени при её испарении: доля энергии пучка, поглощаемая парами, мала по сравнению с количеством энергии, уносимой ими при ионном облучении. Это может быть связано с тем, что тепловая эрозия металлов под действием ионов протекает в течение действия импульса, и на поверхности твёрдого тела быстро образуется слой пара, способный поглотить значительную долю энергии пучка. Для электронов интенсивность испарения достигает своего максимума к концу облучения.

В конце главы представлена разработанная методика оптимизации параметров пучка для режима максимального испарения, позволяющая определить максимально возможные значения коэффициентов эрозии и соответствующие им значения плотности тока пучка.

В выводах ко второй главе выделены наиболее характерные особенности тепловых и эрозионных процессов, протекающих на поверхности твёрдого тела под действием ионов и электронов.

Для облучения ионами (£0= 0,1... 1 МэВ,/> = 106... 108Вт/см2, т = 10"8... 10"6с)

• испарение вещества мишени происходит в течение длительности импульса, и, как следствие, наблюдается ярко выраженный эффект экранирования поверхности образовавшимися парами;

• толщина удаляемого слоя в результате испарения сравнима с величиной проективного пробега иона в твёрдом теле;

• максимально возможный коэффициент эрозии линейно зависит от начальной энергии ионов, а соответствующая ему плотность тока снижается с ростом Е0.

Для облучения электронами (/>=107...Ю9 Вт/см2, т = 10-7...10"6 с) можно выделить два диапазона энергии: до 100 кэВ и свыше 100 кэВ. При Е0 < 100 кэВ плотность тока пучка, соответствующая максимальному коэффициенту эрозии, падает с ростом энергии электронов. При Е0> 100 кэВ для обеспечения режима максимального испарения с увеличением энергии плотность тока необходимо наращивать.

В отличие от тепловой эрозии под действием ионов для испарения вещества в условиях облучения электронами с Е0> 100 кэВ характерно

• менее заметное влияние теплопроводности на процесс распространения тепла в мишени;

• интенсивное испарение вещества после действия облучения;

• меньшие значения доли энергии пучка, уносимой парами.

В третьей главе предложен механизм радиационной полировки поверхностей, основанный на испарении. Представляется, что одной из составляющих процесса сглаживания рельефа в условиях облучения мощными импульсными пучками заряженных частиц является преимущественное испарение вершин выступов по сравнению с долинной частью образца. Обязательным условием является то, что толщина слоя, охваченного фазовыми превращениями, должна быть меньше высоты микронеровностей.

Для оценки технологических возможностей заряженных частиц введён коэффициент сглаживания, который характеризует способность пучка испарять преимущественно вершину микровыступа. Он определяется выражением:

Линия выступов

Линия впадин

Рис. 11. Поперечный профиль поверхности в нормальном

G = -

_ /

evap^peak evap valley

peak

где 2гтри,еак - толщина испарившегося слоя на представление

пике, 2еуар гацеу - толщина испарившегося слоя во поверхности.

Модельное реальной

впадине, Нреак — высота выступа (рис. 1).

В модельном описании реальная поверхность (рис. 11) представляет собой совокупность конусов разной высоты (рис. 12). Для характеристики эволюции рельефа в условиях многоимпульсного облучения используется показатель развитости поверхности:

<17>

где Ь — длина профиля развитой поверхности; 5 - базовая длина поверхности. На рис. 11 т — базовая линия поверхности; в модельном представлении она совпадает с линией впадин (рис. 12).

Получены данные об изменении высоты неровностей микронного размера на поверхности металлов в условиях импульсного облучения ионами и электронами. Они свидетельствуют о нетривиальной природе процесса эволюции морфологии поверхности твёрдого тела под действием мощного импульсного пучка заряженных частиц. При соответствующем выборе условий облучения (начальной энергии частиц, плотности тока пучка и его длительности импульса) возможно сглаживание микрорельефа мишени по механизму испарения.

В главе 2 показано, что в задачах эрозионной обработки поверхностей эффективность облучения увеличивается с уменьшением длительности импульса. Поэтому в расчетах кинетики тепловой эрозии микровыступа мы постарались минимизировать продолжительность облучения, ориентируясь при этом на параметры существующих ускорителей. В наших расчетах предпочтение отдано пучкам субмикросекундного диапазона (т - 100 не). Начальные энергии ионов равны от 100 кэВ до 1 МэВ.

На примере испарения микровыступов на поверхности меди под действием ионов углерода проведено численное исследование эволюции рельефа мишени в условиях облучения. Оно позволило выявить некоторые требования к пучку заряженных частиц для обеспечения наиболее эффективной обработки.

Во-первых, глубина энерговыделения ионов должна составлять 30 - 50 % от высоты неровностей. Ниже изложены результаты, поясняющие это требование.

В зависимости коэффициента сглаживания микровыступа й от плотности тока ./ наблюдается максимум (рис. 13). Его существование объясняется кинетикой испарения вещества с неровной поверхности. Для уменьшения высоты выступа необходимо, чтобы толщина испарившегося слоя с вершины пика 2сга/,_/)еа4 превышала толщину испарившегося слоя со дна впадины 2,™р_уа11еу Выполнение условия

2етр_реак> 2„аР_уаПеу ПРОИСХОДИТ ТОЛЬКО При определенных параметрах облучения. Увеличение плотности тока приводит к более интенсивному испарению вещества по всей

Рис. 13. Коэффициент сглаживания пика высотой 6 мкм на поверхности меди от плотности тока пучка ионов углерода.

поверхности, т.е. скорости удаления атомов с вершины пика и со дна впадины сравниваются, и условие сглаживания выступа нарушается. Это отражается в снижении эффективности выравнивания рельефа.

Максимум в распределении наибольших коэффициентов сглаживания по энергиям ионов Стах(Е0) соответствует наилучшим условиям для испарения вершин выступов (рис. 14). Начальная энергия иона определяет его пробег в веществе, поэтому одним из критериев выбора оптимальных условий для сглаживания является глубина проникновения заряженной частицы в мишень. Согласно результатам, представленным на рис. 14, пробег ионов должен составлять 30 — 50 % от высоты выступа. Поэтому с увеличением исходной Нреак для сглаживания поверхности необходимо наращивать энергию ионов.

Рис. 14. Распределение максимальных значений коэффициентов сглаживания меди по энергиям ионов (а). Связь проективного пробега ионов углерода в меди с его начальной энергией (б).

Во-вторых, наилучшие условия сглаживания поверхности определяются соотношением энергии частиц и плотности тока пучка. Каждому значению Е0 соответствует предельное значение Jb, превышение которого не отражается на результате обработки.

На рис. 15 показано уменьшение показателя развитости поверхности R (см. выражение 17) с нарастанием числа импульсов Qimp. Полное сглаживание (R—» 1) мишени (Нреак = 2 мкм) достигается при плотностях тока 400, 600 и 1000 А/см2. Причем с увеличением J от 200 до 600 А/см2 скорость снижения показателя развитости растёт, но дальнейшее повышение J до 1000 А/см2 не приводит к заметным изменениям в динамике уменьшения R (кривые на рис. 15 для J =600 А/см2 и J = 1000 А/см2 совпадают). Следовательно, можно выделить предельное значение плотности тока J/,, превышение которого нецелесообразно.

С* -> Си; Ер =300 кэВ; т = 100 нс |

..............

I •

« '

< .

...........

J = 200 А/см2 J =400 А/см2 J = 600 А/см2 J = 1000 А/см2

12 16 20

imp

Рис. 15. Уменьшение показателя развитости поверхности меди при облучении ионами углерода с энергией 300 кэВ при длительности импульса 100 не.

Аналогичные расчёты выполнены для электронного пучка на примере облучения титана с выступами высотой 4 мкм (рис. 16). Отличительной особенностью электронов является их высокая проникающая способность. Размеры области теплового воздействия для значений начальных энергий более 50 кэВ достигают десятков — сотен микрометров. При этом толщина расплава может быть намного больше, чем толщина испарившегося слоя. Для того, чтобы снизить глубину проникновения электронов в материал мишени до уровня 30...50% от высоты выступа, начальная энергия частиц задавалась от 10 до 20 кэВ.

Так же, как в случае ионной полировки, можно выделить некоторое оптимальное значение энергии, соответствующее максимально

эффективному испарению. А требования для наилучшего сглаживания, выявленные для ионов, справедливы и для электронного пучка.

Возможности электронов в сглаживании микрорельефа поверхности подтверждаются экспериментально. В литературе встречаются примеры их использования для полировки металлических изделий. В работе [5] показано уменьшение шероховатости поверхности стали, облученной импульсным электронным пучком с энергией частиц 30 кэВ, до десятых долей микрометра. При этом авторы демонстрируют отсутствие после облучения на поверхности слоя, подверженного рекристаллизации. Это может свидетельствовать об испарении жидкой фазы, образовавшейся под действием пучка, и, как следствие, о сглаживании мишени по механизму тепловой эрозии.

Этот экспериментальный результат был использован для тестирования разработанной двумерной модели. Полученные данные по уменьшению высоты выступа во время импульсного облучения электронами не противоречат экспериментальным результатам измерения параметра шероховатости /?. (рис. 17).

Рис. 16. Зависимость коэффициента сглаживания титана от начальной энергии электронов при облучении в течение 2 мкс {1-3= 200 А/см2,2-7= 500 А/см2,5 - У= 600 А/см2).

е"—> ДОк'йл- с« - <ап ичО- т - о .<1.-^- м. - 30

Р?2, МКМ 6 \ 2

Нреак. МКМ \ \ 4 \1

Рис. 17. Сопоставление результатов расчетов испарения микровыступа с экспериментальными данными

измерения шероховатости

О 4 8 12

ЕЬеат. Дж/см2

поверхности для случая облучения стали ИАК80 электронным пучком (/-эксперимент [5], 2-расчет).

Наблюдаемое расхождение диапазона Еьеат для расчетной и экспериментальной кривых (рис. 17), вероятно, связано с недостатками приведенной модели тепловой эрозии микровыступа. К ним относится пренебрежение температурной зависимостью теплопроводности металла и, в дальнейшем, как следствие, её изменением во время облучения. Известно, что теплопроводность стали в результате облучения вследствие структурно-фазовых превращений, удаления примесей и измельчения зерна может существенно снижаться. Учесть это крайне трудно, и в таких случаях требуется комплексный подход к облучаемому материалу как к объекту исследования.

В целом же результаты, получаемые при вычислении данных об испарении микровыступов на поверхности твердого тела, соответствуют истине. А разработанная модель правильно отражает физический процесс и может быть использована при оценке роли испарения в сглаживании и выборе параметров пучка для полировки материалов с низкими коэффициентами теплопроводности.

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

2. Мощные субмикросекундные ионные пучки (Р~ 106___108 Вт/см2,

У~10...103 А/см2, т~ ЮЛ-.Ю"6 с, Е0 = 0,1...1 МэВ) способны вызвать испарение атомов с облучаемой поверхности на уровне 10\.Л05 атом/ион. Толщина испарившегося слоя, независимо от материала мишени, сравнима с величиной пробега частицы. Граничное значение плотности тока, при котором начинается заметное испарение, определяется коэффициентом теплопроводности материала: вещества с меньшей теплопроводностью и близкой плотностью атомов испаряются при меньших плотностях тока. Обеспечение максимально возможных коэффициентов эрозии требует оптимальной комбинации энергии заряженной частицы, плотности тока пучка и длительности импульса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

3. Максимально возможные коэффициенты эрозии под действием мощных субмикросекундных электронных пучков (Р~ Ю7...109Вт/см2, J~ 102...104 А/см2, т~ Ю^.ЛО"6 с, Е„= 10...700 кэВ) составляют ~ 104...105 атом/электрон.

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

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

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Степанова О.М. Исследование тепловых процессов в металлах при воздействии мощных импульсных ионных пучков // Сборник докладов XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 27 — 31 марта 2006 г. Труды в 2-х т. - Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2006. - Т. 1.-С. 480-482.

2. Степанова О.М., Кривобоков В.П. Тепловые процессы в металлах при их облучении мощными импульсными ионными пучками // III Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук»: сборник трудов. Россия, Томск, 16-20 мая 2006 г. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - С. 63-65.

3. Bleikher G.A., Krivobokov V.P., Stepanova О.М. The Analysis of Metal Surface Erosion under Irradiation by Pulsed Electron Beams // Изв. вузов. Физика. -2006. - №10. Приложение. - С. 346-349.

4. Степанова О.М. Исследование эффективности использования энергии мощных импульсных ионных пучков на эрозию металлов // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов III Всероссийской

конференции молодых ученых (24 - 27 апреля 2007г., г. Томск). - Томск: ТМЛ - Пресс, 2007. - С. 424-427.

5. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Эрозия поверхности металлов под действием мощных субмикросекундных ионных пучков // Седьмой Международный Уральский Семинар «Радиационная физика металлов и сплавов»: тезисы докладов, 25 февраля - 3 марта 2007 г., г. Снежинск. - С. 5-6.

6. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Параметры импульсных ионных пучков для обеспечения максимальных коэффициентов эрозии поверхности металлов // Изв. ВУЗов. Физика. - 2007. - №5. - С. 31-36.

7. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Эрозия металлов при облучении мощными импульсными ионными пучками // Изв. вузов. Физика. -2007.-№Ю/3.-С. 55-59.

8. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Эрозия микровыступа на поверхности медного образца под действием мощного импульсного ионного пучка // Уравнения состояния вещества: тезисы XXIII Международной конференции, Институт проблем физической химии РАН, 2008 г., г. Черноголовка. - С. 169.

9. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Моделирование эволюции морфологии поверхности металлов при облучении мощными импульсными ионными пучками // Физика экстремальных состояний вещества - 2008. -Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН, 2008. - С. 214 -216.

10. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Математическая модель испарения микровыступа на поверхности металла при импульсном облучении электронами // Научная сессия МИФИ - 2008. Сборник научных трудов, том 3. М.: изд. МИФИ, 2008 г., с. 211 -212.

11.Bleicher G.A., Krivobokov V.P., Stepanova О.М. On Evaporation Smoothing Mechanism of Metal Surface under the Irradiation by Submicrosecond Ion Beams // Proceedings of the 9th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk, 21-26 September 2008. - P. 230 -233.

12. Блейхер Г.А.. Степанова O.M., Кривобоков В.П. Эмиссия атомов с поверхности твёрдого тела при облучении ионным пучком в импульсном режиме // Труды XIX международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2009). - Звенигород, 21-25 августа 2009 г. - Т. 1. -С.111 -114.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bleikher G.A., Krivobokov V.P., Paschenko O.V. On Erosion Mechanisms of the Solid Surface under the Treatment with Submicrosecond Ion Beams // Proceedings of the 7th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk, 25 - 30 July 2004. - P. 281-284.

2. Сапульская Г.А. Компьютерное моделирование тепловых, термомеханических и эрозионных процессов в твёрдом теле при воздействии мощных наноеекундных пучков заряженных частиц и рентгеновского излучения: Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. - Томск, 1994. - 169 с.

3. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Физическое распыление одноэлементных твердых тел. - М.: Мир, 1984. - 336 с.

4. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Тсгатомассопсрснос в твердом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. -Новосибирск: Наука, 1999. - 176 с.

5. Uno Y., Okada A., Uemura К., Raharjo P., Sano S., Yu Z., Mishima S. A New Polishing Method of Metal Mold with Large-Area Electron Beam Irradiation // Journal of Material Processing Technology. - 2007. - Vol.187- 188. -P. 77-80.

6. Быстрицхнй B.M., Бойко В.И., Волков B.H., Красик Я.Е., Шаманин И.Б. Генерация и фокусировка мощного ионного пучка в магнитоизолированном диоде//Физика плазмы. - 1989.-Т.15, вып. 11.-С. 1337- 1345.

ISO 9001

Подписано к печати 29.10.2009. Форшт60х84/16. Бумага (.Классика». Печать RISO. toi. пзч л. 1,34. Уч.-изд. л. 1,21. _Заказ 1319-09. Тираж 1(В зш._

Томский политехнический университет Систеье ьенеджманта клестта Тоюого политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE no стандарту ISO 9001:2000

«■тытЧУт. 634050, г. Том:к, пр. Ленищ, 30.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Степанова, Ольга Михайловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО ТЕЛА ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИМПУЛЬСНЫМИ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ: ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Механизмы эрозии твёрдого тела под действием пучков заряженных частиц, плазмы и лазерного излучения.

1. 2. Коэффициент распыления и его зависимость от температуры

1.3. Модели испарения атомов с поверхности

1. 3.1. Двухфазная модель испарения.

1. 3.2. Гидродинамическая модель эрозии.

1.4. Изменение морфологии поверхности в результате эрозии при облучении пучками заряженных частиц.

1.5. Постановка задачи о тепловой эрозии твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц . . 38 1. 5.1. Одномерная модель.

1. 5.2. Двумерная модель.

ГЛАВА 2.ТЕПЛОВАЯ ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО ТЕЛА

ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

2. 1. Функция энерговыделения ускоренных заряженных частиц в веществе.

2. 1.1. Линейные потери энергии ускоренных ионов при торможении в твёрдом теле.

2. 1.2. Линейные потери энергии электронов, тормозящихся в твёрдом теле.

2. 1.3. Полный энерговклад пучка заряженных частиц в мишень.

2. 2. Тепловая эрозия твёрдого тела под действием мощного импульсного ионного пучка

2. 2.1. Влияние параметров пучков на характеристики тепловых процессов в металлах при ионном облучении 55 2. 2.2. Коэффициент эрозии твёрдого тела в зависимости от параметров мишени и пучка.

2. 2.3. Коэффициент энергетической эффективности пучка 66 2. 3. Особенности тепловой эрозии твёрдого тела под действием мощного импульсного пучка электронов.

2. 3.1. Влияние формы профиля линейных потерь энергии электронов на конфигурацию тепловых полей в мишени

2. 3.2. Толщина расплавленного и испарившегося слоев в зависимости от параметров пучка.

2. 3.3. Коэффициент эрозии как функция параметров электронного пучка для материалов с различными теплофизическими свойствами.

2. 3.4. Энергетическая эффективность электронного пучка в сравнении с ионным

2. 4. Методика оптимизации параметров пучка для обеспечения максимально возможных коэффициентов эрозии.

ГЛАВА 3. РАДИАЦИОННАЯ ПОЛИРОВКА ПОВЕРХНОСТИ В РЕЖИМЕ ИСПАРЕНИЯ.

3.1. Эволюция рельефа поверхности в результате испарения под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц

3. 2. Сглаживание поверхности под действием импульсного ионного пучка.

3. 3. Испарение микровыступов под действием электронного пучка

3. 4. Тестирование модели тепловой эрозии микровыступа на поверхности твёрдого тела под действием мощного импульсного пучка заряженных частиц.

Введение диссертация по физике, на тему "Моделирование тепловой эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц"

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

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

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

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

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

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

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

- радиационно-стимулированная и тепловая десорбция атомов и молекул;

- распыление атомов, расположенных на поверхности pi вблизи неё;

- испарение атомов из твёрдой фазы (сублимация);

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

- откол мишени в результате её хрупкого разрушения;

- разбрызгивание вещества из жидкой фазы и др.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научные положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

- Седьмом Международном Уральском Семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов", 25 февраля - 3 марта 2007 г., г. Снежинск;

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

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

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

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

- научных семинарах лаборатории 23 НИИ ядерной физики ТПУ.

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

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, полученные в работе, позволяют сделать следующие выводы.

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

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

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

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Степанова, Ольга Михайловна, Томск

1. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М.: Мир, 1971." 367 с.

2. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. — М.: Мир, 1967. 506 с.

3. Конобеевский С. Т. Действие облучения на материалы. Введение в радиационное материаловедение. М.: Атомиздат, 1967. - 401 с.

4. Плешивцев Н.В. Катодное распыление М.: Атомиздат, 1968. - 347 с.

5. Келли Б. Радиационное повреждение твердых тел. М.: Атомиздат, 1970.— 240 с.

6. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Издательство «Наука», 1970. - 272 с.

7. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Тепломассоперенос в твердом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. Новосибирск: Наука, 1999. - 176 с.

8. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. -496 с.

9. Калистратова Н.П., Полещенко К.Н., Геринг Г.И., Вершинин Г.А., Повороз-нюк С.Н. Модификация твердых сплавов мощными ионными пучками и по-слерадиационной термической обработкой // Физика и химия обработки материалов. 1999. - Ш. - С. 10 - 14.

10. Барденштейн A.JL, Быков В.И., Вайсбурд Д.И. Генерирование изгибных волн в твёрдом теле плотным электронным пучком наносекундной длительности // Письма в ЖЭТФ. 1995. - Т. 61, вып. 2. - С. 96 - 100.

11. Чистяков С.А., Халиков С.В., Яловец А.П. Исследование формирования упру-гопластических волн в металлической мишени при воздействии потоков заряженных частиц // Журнал технической физики. 1993. - Т. 63, вып. 1, № 1. - С. 31 - 40.

12. White R. М. Generation of Elastic Waves by Transient Surface Heating // Journal of Applied Physics. 1963. - Vol. 34, N 12. - P. 3559 - 3567.

13. Воловик В. Д., Лазурик-Эльцуфин В.Т. Акустический эффект пучков заряженных частиц в металлах // Физика твердого тела. 1973. - Т. 15, вып. 8, № 8. - С. 2305 - 2307.

14. Ахиезер И.А. Лазурик-Эльцуфин В.Т. Динамический эффект при прохождении заряженных частиц в твердых телах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1972. - Т. 63, вып. 5, № 11. - С. 1776 - 1779.

15. Вегоп В. L., Hofstadter. Generation of Mechanical Vibrations by Penetrating Particles // Physical Review Letters. 1969. - Vol. 23, N 4. - P. 42 - 44.

16. Голота В. И., Карась В.И. О механизмах возбуждения упругих колебаний в веществе пучками заряженных частиц // Украинский физический журнал. 1985. - Т. 30, № 7. - С. 1093 - 1097.

17. Le X.Y., Yan S., Zhao W. J., Han В. X., Xiang W. Discussion on Defects Distribution near the Steel Surface Irradiated by Intense Pulsed Ion Beam // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2002. - Vol. 15, No. 1. - P. 113 - 118.

18. Заболотный В.Т., Лазоренко В.М. Динамическое перемешивание и образование пор при облучении // Физика и химия обработки материалов. 1996. -№ 5. - С. 5 - 8.

19. Рухадзе А.А. Сильноточные электронные пучки // Вестник РАН. 1972. -№ 1. - С. 19 - 23.

20. Вайсбурд Д.И., Месяц Г.А. Сильноточные импульсные электронные ускорители. Физика мощных радиационных воздействий. Вестник РАН. - 1983. -№ 1. - С. 62 - 70.

21. Плешивцев Н.В. Пучки электронов в промышленности. М.: Знание, 1969. -48 с.

22. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1977. - 280 с.

23. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. 1. Физическое распыление одноэлементных твердых тел. М.: Мир, 1984. - 336 с.

24. Uno Y., Okada A., Uemura К., Raharjo P., Sano S., Yu Z., Mishima S. A New Polishing Method of Metal Mold with Large-Area Electron Beam Irradiation // Journal of Material Processing Technology. 2007. - Vol. 187 - 188. - P. 77 - 80.

25. Akainatsu Hiroshi, Yatsuzuka Mitsuyasu. Simulation of surface temperature of metals irradiated by intense pulsed electron, ion and laser beams // Surface and Coatings Technology. 2003. - Vol. 169 - 170. - P. 219 - 222.

26. Польский В.И., Калин Б.А., Карцев П.И. и др. Повреждение поверхности конструкционных материалов при воздействии плазменных сгустков // Атомная энергия. 1984 - Т. 56, вып. 2. - С. 83 - 88.

27. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. -216 с.

28. Гусева М.И., Мартыненко Ю.В. Радиационный блистеринг // Успехи физических наук. 1981. - Т. 135, вып. 4. - С. 671 - 691.

29. Каннель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // Успехи физических наук. 2007. - Т. 177, № 8. -С. 809 - 830.

30. Жураховский С.В. Оптимизация лицевого лазерного откола // Проблемы прочности. 2003. - № 1. - С. 111 - 116.

31. Вайсбурд Д.И., Семин Б.Н., Таванов Э.Г. и др. Высокоэнергетическая электроника твердого тела. Новосибирск: Наука, 1982. - 227 с.

32. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел.- Новосибирск: Наука, 1979. 272 с.

33. Oswald R. В. Facture of silicon and germanium induced by pulsed electron irradiation // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. - Vol. NS-13, No 6. - P. 63 - 69.

34. Вайсбурд Д.И., Балычев И.Н. Разрашение твердых тел в результате сверхплотного возбуждения их электронной подсистемы. Письма ЖТФ. - 1972.- Т. 15, вып. 9. С. 537 - 540.

35. Белан Н.В., Костюк Г.И., Мышелов Е.П. Физические основы стойкости электродов плазменных ускорителей и технологических плазменных устройств. -X.: Харьк. авиац. ин-т, 1986. 206 с.

36. Bleiclier G.A., Krivobokov V.P. Model of Metal Erosion under Irradiation by High-Power Pulsed Ion Beams // Journal of Engineering Thermophysics. 2008.- Vol. 17, No 1. P. 24 - 29.

37. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. М.: Круглый год, 2001. - 528 с.

38. Фальконе Д. Теория распыления // Успехи физических наук. 1992. - Т. 162, № 1. - С. 71 - 117.

39. Машкова Е. С. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел : Сб. ст. : Пер. с англ. М. : Мир, 1989. - 346 с.

40. Батанов В.А., Бункин Ф.В., Прохоров A.M. и др. Испарение металлических мишеней мощным оптичеким излучением // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1972. - Т. 63, вып. 2. - С. 586 - 608.

41. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. - 468 с.

42. Linlor W. Ion Energies Produced by Laser Giant Pulse // Applied Physics Letters.- 1963. Vol. 3, No 11. - P. 210 - 211.

43. Isenor N. R. Metal Ion Emission Velocity Dependence on Laser Giant Pulse Height // Applied Physics Letters. 1964. - Vol. 4, No 8. - P. 152 - 153.

44. Steverding В., Werkheiser H. The Plume of Electron and Laser Pulses // Journal of Applied Physics. 1971. - Vol. 4. - P. 545 - 551.

45. Rej D. J. Davis H.A., Nastasi M. Et al. Surface Modification of AISI-4620 Steel with Intense Pulsed Ion Beams // Proc. 10th Conf. on Ion Beam Modification of Materials. Albuquerque, 1-6 Sept. 1996. - P. 1 - 8.

46. Ремнев Г. E., Закутаев A.H., Иванов Ю.Ф., Матвиенко М.В., Потемкин А.В. Осаждение тонких металлических пленок при возжействии мощных ионных пучков на металлы // Письма в ЖТФ. 1996. - Т. 22, вып. 8. - С. 68 - 72.

47. Архипов Н.И., Житлухин A.M., Сафронов В.М., Сиднев В.В., Скворцов Ю.В. Динамика взаимодействия сверхзвукового плазменного потока с твердотельной мишенью // Физика плазмы. 1987. - Т. 13, № 5. - С. 632 - 634.

48. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Параметры импульсных ионных пучков для обеспечения максимальных коэффициентов эрозии поверхности металлов // Изв. ВУЗов. Физика. 2007. - № 5. - С. 31 - 36.

49. Гусева М.И. Распыление нержавеющей стали и тантала ионами дейтерия и криптона с энергией 5-30 кэВ // Радиотехника и электроника. 1962. - №7. - С. 1680 - 1684.

50. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. 496 с.

51. Andersen Н.Н., Bay H.L. Heavy-ion Sputtering Yields of Gold: Further evidence of nonlinear effects // Journal of Applied Physics. Vol. 46, No 6. - P. 2416 -2422.

52. Nelson R.S. An Investigation of Thermal Spikes by Studying the High Energy Sputtering of Metals at Elevated Temperature // Philos. Mag. 1965. - Vol. 11, No 110. - P. 291 - 302.

53. Ваулин Е.П., Георгиева H.E., Мартыненко Т.П. Зависимость коэффициента распыления меди от температуры // Физика твердого тела. 1977. - Т. 19, вып. 5. - С. 1423 - 1425.

54. Мартыненко Ю.В. Взаимодействие плазмы с поверхностью // Итоги науки и техники. 1982. - С. 119 - 175.

55. Thompson D.A. Application of an Extended Linear Cascade Model to the Sputtering of Ag, Au and Pt by Heavy Atomic and Molecular Ions // Journal of Applied Physics. 1981. - Vol. 52, No 2. - P. 982 - 989.

56. Лебедев С. Я., Ставинский Ю. Я., Шутько Ю. В. Катодное распыление при бомбардировке ускоренными ионами цезия // Журнал технической физики. 1964. - Т. 24, вып. 6. - С. 1101 - 1104.

57. Кривобоков В.П., Пащенко О.В., Сапульская Г.А. Компьютерное моделирование эрозии и термомеханических процессов в твердом теле, облучаемом мощными наносекундными пукчами заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. 1993. - № 12. - С. 37 - 41.

58. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Диссипация энергии мощных импульсных пучков заряженных частиц в твердом теле. Тепловые процессы // Изв. вузов. Физика. 1997. - № 2. - С. 67 - 89.

59. Зубов В.И. Кривцов В.М., Наумова И.Н., Шмыглевский Ю.Д. О численном сравнении различных моделей испарения металла // Журн. вычисл. математики и матем. физики. 1986. - Т. 26, № 11. - С. 1740 - 1743.

60. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1968. - 686 с.

61. Харлоу Ф.Х. Численный метод частиц в ячейках для задач гидродинамики // Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967. - С. 316 - 342.

62. Белоцерковский O.M., Давыдов Ю.М. Метод «крупных частиц» для задач газовой динамики // Численные методы механики сплошной среды. 1970. -Т.1, № 3. - С. 3 - 23.

63. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. 2. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности. М.: Мир, 1986. - 488 с.

64. Беграмбеков JI.B. Модификация поверхности твердых тел при ионном и плазменном воздействии. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2001. 35 с.

65. Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Стукалов О.М. Ион но- лучевое полирование наноразмерного рельефа поверхности оптических материалов // Письма ЖТФ.- 2002. Т. 28, Ш. - С. 39 - 48.

66. Калин Б.А. Радиационно-пучковые технологии обработки конструкционных материалов // Физика и химия обработки материалов, 2001, №4. С. 5 - 16.

67. Renk T.J., Provencio, P.P., Prasad S. V., Shlapakovski A.S., Petrov A.V., Yatsui K., Jiang W., Suematsu H. Materials Modification Using Intense Ion Beam // Proceedings of the IEEE. 2004. - Vol. 92, No. 7. - P. 1057 - 1081.

68. Shulov V.A., Novikov A.S., Paikin A.G., Belov A.B., Lvov A. F., Remnev G.E. Crater Formation on the Surface of Refractory Alloys during High-Power Ion Beam Processing // Surface and Coatings Technology. 2007. - Vol. 201. -P. 8654 - 8658.

69. Zhu X. P., Lei M.K. Dong Z.H., Miao S.M., Ma T.C. Crater Formation on the Surface of Titanium Irradiated by a High-Intensity Pulsed Ion Beam // Surface and Coating Technology. 2003. - Vol. 173. - P. 105 - 110.

70. Wang X., Wang L.F., Zhu M.L., Zhang J.S., Lei M.K. Influence of High-Intensity Pulsed Ion Beam Irradiation on Oxidation Behavior of 316L Stainless Steel at 7000C // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2006. - Vol. 16.- P. s676 s680.

71. Zhu X.P., Lei M.K., Ma T.C. Surface Morphology of Titanium Irradiated by High-Intensity Pulsed Ion Beam // Nuclear Instruments and Methods in Physics

72. Research В. 2003. - Vol. 211. - R 69 - 79.

73. Yan S., Le X.Y., Zhao W.J., Xue J.M., Wang Y.G. A Possible Thermodynamic Mechanism of Craters Formation on Metal Surfaces Caused by Intense Pulsed Ion Beams // Surface and Coating Technology. 2005. - Vol. 193. - P. 69 - 74.

74. Krivobokov V.P., Paschenko O.V. Features of diffusion processes in metals under the effect of nanosecond highcurrent ion beams // Proc. Second Intern. Conf. on Electron Beam Technologies, May 31 June 4, 1988. Bulgaria - Varna, 1988. -P. 796 - 801.

75. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. M.: Энергия, 1978. - 479 с.

76. Бойко В.И., Скворцов В.А., Фортов В.Е., Шамании И.В. Взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с веществом. М.: Физматлит. -2003. - 288 с.

77. Кольчужкип A.M., Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. М.: Атомиздат. - 1978. - 256 с.

78. Калашников Н.П., Ремизович B.C., Рязанов М.И. Столкновение быстрых заряженных частиц в твердых телах. М.: Атомиздат. - 1980. - 272 с.

79. Воробьёв А.А., Кононов Б.А. Прохождение электронов через вещество. -Томск: Издательство Томского университета. 1966. - 179 с.

80. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука. - 1973. - 311 с.

81. Аброян И. А., Андронов А. Н., Титов А. И. Физические основы электронной и ионной технологии: Учеб. пособие для спец. Электронной техники вузов. -М.: Высш. шк., 1984. 320 с.

82. Linhard J. Scharff М. Schiott Н.Е. Range concepts and heavy ion range // Mat. Medd. Dan. Vid. Selsk. 1963. - Vol. 33, № 14. - P. 1 - 42.

83. Manning I., Mueller G.P. Depth Distribution of Energy Deposition by Ion Bornbardnie // Comput. Sys. Comm. 1974. - Vol. 7. - P. 86

84. Linhard J., Scharff M. Energy Dissipation by Ion in the keV Region // Physical Review. 1961. - Vol. 124, No 1. - P. 128 - 130.

85. Готт Ю.В. Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях.- М.: Атомиздат. 1978. - 271 с.

86. Диденко А.Н., Чистяков С.А., Яловец А.П. Взаимодействие сильноточного релятивистского электронного пучка с веществом // Атомная энергия. 1979.- Т. 47, № 5. С. 328 - 332.

87. Аккерман А.Ф., Бушман А.В., Демидов Б.А. и др. Влияние размера зоны поглощения энергии на характер ударных волн, возбуждаемых сильноточным релятивистским электронным пучком в металлических мишенях // ЖЭТФ.- 1986. Т. 91, вып. 5(11). - С. 1762 - 1765.

88. Оке Е.М. Источники электронов с плазменным катодом: физика, техника, применения. Томск: Изд-во HTJI. - 2005. - 216 с.

89. Батыгин Ю.В., Воловик В.Д., Иванов С.И., Карасев С.П., Махненко JI.A. Об определении профиля пучка в ускорителе с помощью метода акустической дозиметрии // Приборы и техника эксперимента. 1980. - №4. - С. 24 - 26.

90. Гончаров Д.В., Ежов В.В., Пушкарев А.И., Ремнев Г.Е. Исследование распределения плотности энергии сильноточного импульсного электронного пучка

91. Известия Томского политехнического университета. 2005. - Т. 308, №6.- С. 76 80.

92. Озур Г.Е., Проскуровский Д.И., Карлик К.В. Источник широкоапертурных низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом на основе отражательного разряда // Приборы и техника эксперимента.- 2005. № 6. - С. 58 - 65.

93. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск: Издательство БГУ им. В.И. Ленина. - 1980. - 352 с.

94. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Степанова О.М. Параметры импульсных ионных пучков для обеспечения максимальных коэффициентов эрозии поверхности металлов // Изв. ВУЗов. Физика. 2007. - № 5. - С. 31 - 36.

95. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат. - 1991. - 1232 с.

96. Озур Г.Е. Источники низкоэнергетических сильноточных электронных пучков на основе пушек с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом: Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. Томск, 2008. - 40 с.

97. Стельмаха М.Ф. Лазеры в технологии. М.: Энергия. - 1975. - 216 с.

98. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Курс лекций: учеб. руководство. М.: Наука. - 1989. - 280 с.

99. Tabata Т., Ito R., Okabe S. An empirical for the backscattering coefficient of electrons // Nuclear instruments and methods 1971. - P. 509 - 513.

100. Беспалов В. И. Основы взаимодействия излучений с веществом: учебное пособие. Томск: Изд. ТПУ. - 2003. - 269с.

101. Сатель Э.А. Справочник машиностроителя. М.: Издательство «Машиностроение». - 1964. - Т. 5, книга II. - 920 с.

102. Быстрицкий В.М., Бойко В.И., Волков В.Н., Красик Я.Е., Шаманин И.Б. Генерация и фокусировка мощного ионного пучка в магнитоизолированном диоде // Физика плазмы. 1989. - Т. 15, вып. 11. - С. 1337 - 1345.

103. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах — 8-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. - 1999. - Т. 1. - 912 с.

104. Ремнёв Г.Е., Исаков И.Ф., Опекунов М.С., Матвиенко В.М. Ускорители заряженных частиц и другие излучательные установки и их применение // Извести высших учебных заведений. Физика. 1998. - № 4. - С. 92-111.