2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение................................................... 5
ГЛАВА 1. Воздействие интенсивных радиационных потоков
. на твердые тела.................................... 16
1.1. Особенности прохождения интенсивных пучков заряженных частиц через вещество............................. 16
1.2. Воздействие ударной волны на металлы................... 18
1.3. Взаимодействие импульсного лазерного облучения с твердыми телами.............................................. 21
1.4. Модификация структуры и физических свойств металлов и сплавов при высокоинтенсивном ионном облучении 26
1.5. Структурно-фазовые превращения и упрочнение металлов и сплавов под воздействием сильноточных электронных пучков....................................................... 35
1.6. Радиационно-стимулированные процессы в металлических системах при облучении низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками........................... 42
1.7. Разрушение твердых тел сильноточными электронными пучками. Постановка задачи................................... 48
ГЛАВА 2. Методы анализа и методика эксперимента............ 60
2.1. Ядерно-физические методы анализа структурно-фазовых превращений в твердых телах.................................. 60
2.2. Методы механических испытаний. Выбор оптимизируемого параметра.................................... 67
2.3. Характеристики источников облучения. Расчет поглощенной дозы............................................. 71
2.4. Приготовление образцов................................ 78
ГЛАВА 3. Исследование процессов дефектообразования и
глубинных структурных превращений в металлах и сплавах при воздействии мощных импульсных пучков . 80
3.1.Трансформация энергии при высокоинтенсивном радиационном облучении....................................... 80
3.2. Исследование радиационных превращений в а-Те по поверхности и глубине модифицированного слоя................. 90
3.3. Сравнительный анализ воздействия на я-Бе высокоинтенсивных импульсных электронных и ионных пучков....................................................... 97
3.4. Формирование пространственных упрочненных слоев в
сталях................................................. 100
3.5. Воздействие ионного облучения на бериллий............. 102
3
3.6. Исследование остаточных деформационных состояний в металлах, созданных высокоинтенсивным ионным облучением................................................ 105
3.7. Влияние различных видов радиации на глубинное упрочнение металлов....................................... 109
3.8. Перераспределение легирующих элементов в облученных сталях.................................................... 112
3.9. Модель глубинного упрочнения металлов под действием высокоинтенсивного ионного облучения...................... 114
3.10. Модификация механических и антикоррозионных свойств системы Та-Ее низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком....................................... 126
ГЛАВА 4. Исследование механизма разрушения ионных
кристаллов сильноточными электронными пучками .. 132
4.1. Аккумуляция энергии при радиационном воздействии 132
4.1.1. Конденсация экситонов в полупроводниках............... 132
4.1.2. Образование электронно-дырочной конденсированной
фазы и расчет ее параметров............................ 133
4.2. Кинетика процесса разрушения. Образование и распространение магистральной трещины..................... 143
4.3. Влияние предварительного облучения на пороги электронного разрушения....................................... 150
4.4. Расчет вероятности разрушения........................... 156
4.5. Математическое моделирование кинетики разрушения методом Монте-Карло....................................... 160
4.5.1. Расчет временных характеристик по простейшим
моделям................................................ 160
4.5.2. Оценка вероятности переносного разрушения............. 168
4.5.3. Уточненная модель расчета временных характеристик 174
4.6. Связь энергетических и временных характеристик разрушения................................................ 179
4.7. Потери энергии возбужденной макрообластыо............... 184
Основные результаты и выводы.................................
Приложение................................................... ^ ^ *
Список использованных источников............................. 202.
4
Перечейь условных сокращений
СЭП - сильноточный электронный пучок
НСЭП - низкоэнергетический СЭП
МИЛИ - мощный импульсный пучок ионов
КПЭ - концентрированные потоки энергии
ЛО - лазерное облучение
ИЛО - импульсное лазерное облучение
ЭП - электронная подсистема
ЯП - ядерная подсистема
ФПД - френкелевские пары дефектов
МЯР - метод ядерных реакций
POP - резерфордовское обратное рассеяние
РОР/К - POP с каналированием
ВИМС - вторичная ионная масс-спектрометрия
'»
ОЭС - оже-электронная спектроскопия РА - рентгеноструктурный анализ
КЭМС - конверсионная электронная мессбауэровская спектроскопия
ЭПА - электронно-позитронная аннигиляция
УРАФ - угловое распределение анингаляционных фотонов
УВ - ударная волна
ЛУВ - лазерная ударная волна
ЛО - лазерное облучение
РЭМ - растровая электронная микроскопия
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
ЗТВ - зона теплового влияния
ИК - ионные кристаллы
ЭДП - электронно-дырочная плазма
ПР - порог разрушения
МТ - магистральная трещина
ЭДКФ - электронно-дырочная конденсированная фаза
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Появление лазеров, а затем ускорителей сильно-точных электронных (СЭП) и мощных импульсных ионных пучков (МИЛИ) создало уникальную возможность получения новых видов воздействий концентрированных потоков энергии (КПЭ) на материалы. В отличии традиционных способов (ударно-волновое нагружение или закалка и отжиг сталей) они сочетают одновременно механическое, тепловое и радиационное воздействия. Это дало возможность создавать в макрообъемах такие высокие плотности возбуждений в электронной (ЭП) и ядерной (ЯП) подсистемах твердых тел, ранее достижимых только в микрообластях - треках тяжелых заряженных частиц и каналах электрического пробоя. Обнаружен ряд новых уникальных эффектов, таких как ранее предсказанная Л.В.Келдышем конденсация экситонов в полупроводниках, хрупкое разрушение всех классов твердых тел при воздействии СЭП, аномальное глубинное упрочнение металлов, облученных МИЛИ. Это положило начало развитию новых фундаментальных направлений в физике высоких плотностей энергии. В связи с необходимостью решения Проблемы Управляемого Термоядерного Синтеза в рамках Национальных Программ России, США и Японии требовалось проведение исследований по созданию и изучению свойств плотной плазмы, для управляемой генерации которой появились новые источники.
Возникли новые задачи и в радиационном материаловедении. К конструкционным материалам ядерной энергетики стати предъявляться повышенные требования по эксплуатации в экстремальных условиях - воздействиях мощных радиационных потоков, сверхвысоких температур и давлений, химически агрессивных сред. Для быстроразвивающейся аэрокосмической промышленности в производстве двигателей стали необходимы специальные жаропрочные материалы. В микроэлектронике возникла потребность в особо чистых материалах и специальных композитах с новыми свойствами. Стали и сплавы с высокой износостойкостью были нужны в машиностроении. Существующие химико-термические методы обработки не отвечали решению новых задач и практически исчерпали свои
6
возможности. Это явилось стимулом в эффективном использовании новых видов
кпэ.
В настоящее время подобные мировые исследования характеризуются резкой интенсификацией работ. Об этом свидетельствует проведение традиционных международных конференций, таких как Ионно-Пучковая Модификация Материалов (Ion Beam Modification of Materials - ЕВММ), Радиационные Эффекты в Изоляторах (Radiation Effects in Insulators - REI), Поверхностная Модификация Металлов Ионными Пучками (Surface Modification of Metals by Ion Beams -SMMIB), Ионно-Пучковый Анализ (Ion Beam Analysis - IBA) и ряд других. Сейчас в мире целом по известным причинам резко сократилось финансирование военных программ на разработку и создание пучкового оружия, поэтому возникла необходимость и появилась возможность использования большого парка существующих сильноточных ускорителей для новых целей и задач. В ряде стран стали разрабатываться свои конверсионные программы, о чем сообщалось на последней Конференции IB ММ-10 (Альбукерке, Нью-Мехико, США, 1996 г.). В Японии (Нагаока, Технический Университет) создана новая технология по интенсивному Импульсному Ионно-Пучковому Испарению (Intense Pulsed Ion Beam Evaporation -IBE), широко применяемой в электронной и оптической промышленности. В США появилась новая Программа по Ионной Поверхностной Обработке (Ion Beam Surface Treatment - EBEST).
Основой любой модификации свойств материалов является создание определенных структурно-фазовых превращений, вызванных специальными видами их обработки. Главные факторы, определяющие характер взаимодействия радиационных КПЭ с веществом, следующие: интенсивность облучения; полная введенная энергия и ее плотность (флюенс); вид частиц и их энергия; условия облучения; физико-химические свойства материала. Широко известные методы лазерной обработки и ионной имплантации достаточно полно представлены в литературе. В данной работе основное внимание уделено сравнительно новым и, как уже теперь установлено, успешным методам модификации материалов при облучении МИЛИ и СЭП.
Уникальность воздействия МИЛИ на твердые материалы в обычно применяемых режимах обработки заключается в том, что малые пробеги ионов (0.1-
л
10 мкм), большие флюенсы (1-100 Дж/см /импульс) при коротких длительностях одиночных импульсов (<1 мкс) обеспечивают высокие значения интенсивностей облучения 107 -10ю Вт/см2, которые при токах в импульсе 5-50 кА и энергиях ионов 0.1-2 МэВ создают идеальные условия для сверхбыстрого (1010-10п К/с) нагрева в области поглощения излучения при минимальном теплоотводе. Такой нагрев сопровождается очень интенсивными процессами плавления, испарения и выброса (абляции) материала со стороны облучаемой поверхности, подобными при импульсном лазерном облучения (ИЛО). Испаренный материал может формировать специальные покрытия на подложках, а расплав кристалла при быстром остывании (109-Ю10 К/с) способен создавать аморфные поверхностные слои, различные неравновесные микроструктуры и нерастворимые при обычных условиях твердые растворы, запрещенные диаграммами состояний.
Прогресс в применении МИЛИ по сравнению с ИЛО в том, что они способны поставлять большую энергию 0.1-70 кДж за импульс при значительно более высоком КПД использования электрической энергии (т.е. отношения вводимой пучком энергии в мишень, к полной энергии, необходимой для генерации пучка), составляющими 15-40 % (для ИЛО <1%). Поэтому ускорители МИЛИ более компактны и имеют меньшую стоимость, что обеспечивает преимущества их коммерческого использования. Другим существенным достоинством МИЛИ является возможность выбора вида ионов и их энергии, что вместе с соответствующим изменением флюенса позволяет варьировать глубину проплавленного или испаренного слоя. Кроме этого, как показано в работе, МИЛИ в отличии от ИЛО, более эффективны в формировании пространственных глубинных упрочненных слоев в металлах, что существенно увеличивает их износостойкость.
Подробный обзор работ по воздействию МИЛИ на твердые материалы, включая физические аспекты явлений и радиационные превращения, представлен в [1] и нашей монографии [2]. Кроме глобального применения МИЛИ в Программах Управляемого Термоядерного Синтеза, их использование в технологиях
8
включает: создание пленочных покрытий; легирование и перемешивание; глянцевание; очистка и полировка; улучшение прочностных и триботехнических свойств металлов; повышение антикоррозионных свойств; имплантация и отжиг; обработка поверхностей полимеров; нанофазный порошковый синтез.
Приведем подобную информацию по облучению СЭП. Главную особенность этого воздействия определяют на порядки большие пробеги электронов, чем для ионов тех же энергий. Широкий диапазон варьирования их энергии от низкоэнергетических (десятки кэВ) до высокоэнергетических (несколько МэВ) позволяет изменять глубину области поглощения от десятых долей до нескольких миллиметров, что делает распределение энергии в мишени более равномерным и объемным. Это дает возможность создавать высокие плотности возбуждений ЭП в таких макрообъемах, при которых в твердых телах возникают новые эффекты. Важнейший из них - хрупкое разрушение, обнаруженное для всех классов твердых тел - полупроводников, металлов, ионных кристаллов, горных пород, неорганических стекол. Оно имеет не только интересную физическую природу, но и ряд важных применений в технологиях - проходки туннелей в горных массивах, очистки поверхностей твердых тел от твердых покрытий, экономичного (без плавления) дробления и резки твердых высокопрочных материалов. В принципе подобное разрушение можно получить и при облучении МИЛИ, однако, из-за малых пробегов ионов разрушение в области поглощения будет не хрупким, а сопровождаться пластическим течением материала, вызванным его плавлением. Поэтому удельные затраты энергии на дробление ед. объема или массы существенно выше, чем при электронном, что делает применение МИЛИ для этих целей малоэффективным.
При близких значениях флюенсов и интенсивностей МИЛИ и СЭП тепловые параметры их воздействия на металлы (величины пространственных температурных градиентов, скоростей нагрева и охлаждения) сравнимы между собой. Поэтому модификация их свойств "д - . определяет некоторые общие на-
правления их использования в одних и тех же технологиях, например, для упрочнения сталей и сплавов и улучшения их триботехнических свойств и др.
В докторских диссертациях А.Е. Лигачева и А.Д. Погребняка исследовались механические свойства поверхностей сталей при облучении МИЛИ, а в диссертациях В.А. Шулова и Г.Е. Ремнева модифицировались МИЛИ титановые сплавы лопаток авиационных двигателей. Модель массопереноса рассмотрена в докторской диссертации В.П.Кривобокова, а диссертации В.И.Бойко и А.П.Яловца посвящены вопросам прохождения МИЛИ и СЭЛ, плавления и формирования упругих и пластических волн в метатлах. Имеющиеся экспериментальные данные по воздействию высокоинтенсивных электронных и ионных пучков на твердые тела не систематизированы и носят отрывочный характер. Природа и механизм возникающих явлений до сих пор окончательно не установлена. Поэтому очевидна мотивация в продолжении данных исследований.
Целью работы является комплексное исследование основных закономерностей и создание физических моделей радиационно-механических эффектов в твердых телах под воздействием МИЛИ и СЭЛ.
Работа выполнялась по программе фундаментальных исследований Министерства Науки Республики Казахстан (РК) "Процессы трансформации энергии электронного возбуждения в конденсированных средах" и теме ПФ-96 Академии Наук РК "Структурные исследования конструкционных материалов"
Научная новизна работы:
1. Исследованы процессы формирования глубинных упрочненных слоев в металлах под воздействием МИЛИ с использованием уникальных ядерно-физических методов: пучка медленных позитронов (2-30 кэВ); измерения кривых углового распределения аннигиляционных фотонов (УРАФ); исследования остаточных деформационных состояний методом ядер отдачи; определение твердости наноиндентором.
2. Изучено влияние радиационных превращений в а-¥е на поверхностное и глубинное упрочнения в широком интервале интенсивностей облучения МИЛИ (60- 2500 А/см2). Выполнен сравнительный анализ таких процессов при МИЛИ и СЭЛ воздействиях.
3. Определено влияние на глубинное упрочнение металлов слаботочной ионной имплантации, мощного импульсного лазерного и МИЛИ облучений.
4. Разработана кинетическая модель процессов интенсивного дефектообра-зования в поле генерируемой МИЛИ ударной волны (УВ).
5. Обнаружены и исследованы модификации механических и коррозионных своств системы тонкая (0.1 мкм) пленка Та на подложке а-Ре после облучения низкоэнергетическим СЭП (НСЭП).
6. Исследованы процессы аккумуляции энергии в ионных кристаллах (ЙК) при облучении СЭП, выполнен расчет фазового плазменного перехода и параметров конденсированной фазы.
7. Впервые обнаружено и изучено влияние слабоинтенсивного предварительного облучения электронами, протонами и нейтронами на характер электронного разрушения ИК. Определено влияние дислокационной структуры и исходной механической прочности и пластичности кристаллов на пороги разрушения.
8. Разработана физическая и математическая модель разрушения ИК, включающая его статистическое моделирование и расчет энергетических и временных характеристик.
Научная ценность состоит в получении некоторых новых результатов фундаментальных исследований в физике твердого тела, связанных с процессами трансформации и аккумуляции энергии при сверхплотном возбуждении ЭП и ЯП под воздействием СЭП и МИЛИ, а также в определении их влияния на формирование нелинейных радиационно-механических эффектов.
Практическая ценность работы. На основании выполненных системных экспериментальных и теоретических исследований, а также результатов лабораторных и промышленных испытаний решены некоторые задачи радиационного материаловедения по направленной радиационной модификации свойств материалов, включающие:
1. Разработку новых патентоохраняемых способов:
1.1. Способ обработки металлов МИЛИ, основанный на их глубинном упрочнений, вызывающим значительное повышение их износостойкости. Например,
:у резцов, фрез и сверел, изготовленных их стали Р6М5 она возрастала в 1.4-
2.2 раза. Промышленные испытания обработанного инструмента, проведенные на АО " Востокмашзавод" (г. Усть-Каменогорск) подтвердили экономическую эффективность и перспективность использования этой ресурсосберегающей технологии.
1.2. Способ легирования сплавов посредством облучения МИЛИ основан на перераспределении различных элементов в любом твердом материале за счет избирательного воздействия генерируемой ударной волны. Его преимущества:
1) универсальность; 2) легирование можно проводить в заданном направлении и на определенных глубинах; 3) процесс требует малых временных затрат. Одно из возможных его применений - это производство специальных материалов для микросистем в микроэлектронике.
1.3. Способ рафинирования сплавов электронным облучением, основанный на термодиффузионном разделении различных элементов в поле созданного градиента температур при установленных оптимальных режимах облучения. Он применим для всех твердых элементов, процесс идет при низких температурах и высоком качестве рафинирования (99.9 %).
1.4. Способ очистки поверхностей твердых тел от твердых покрытий при воздействий СЭП. Он основан на том, что разные материалы имеют различные пороги разрушения СЭП. При определенном выборе режимов облучения достигается разрушение только покрытия без нарушения целостности очищаемого материала. Его преимущества: 1) высокое качество очистки; 2) универсальность (применим для любых покрытий); 3) очистка холодная (нагрев покрытия <200 °С);
4) возможность ее проведения в труднодоступных местах и в вакууме; 5) высокий КПД процесса, так как энергия СЭП поставляется прямо в покрытие и матое время его проведения.
2. Повышение механической прочности и коррозионной стойкости сталей и сплавов на основе железа при предварительном нанесении на их поверхности тонких тугоплавких металлических пленок и последующем облучении НСЭП.
12
-3. Улучшение прочностных и-триботехнических свойств металлов и сплавов посредством предварительной ионной имплантации их поверхности и последующим облучением МИЛИ.
4. Комплексное модифицирование поверхностей алюминиевых сплавов, работающих в металло-полимерных узлах трения при предварительной химической обработке и последующей ионной имплантации.
5. Оптимизацию режимов облучения СЭП в технологиях разрушения твердых материалов.
6. Определение абсолютной радиационной стойкости неорганических стекол в условиях облучения СЭП и ионных кристаллов при предварительном радиационном изменении их свойств.
7. Формулировку некоторых рекомендаций в использовании СЭП и МИЛИ для обработки твердых материалов.
Достоверность полученных результатов достигается:
• корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
•использованием современных ядерно-физических методов анализа, строгим обоснованием выбора оптимизируемых параметров и экспериментальных методик определения механических и триботехнических свойств;
•большим объемом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью;
•хорошим согласием расчетных и экспериментальных характеристик, сопоставлением и взаимопроверяемостью результатов, полученных разными методами, их сравнением с результатами других авторов, а также их соответствием современным представлениям физики твердого тела и радиационной физики.
Основные защищаемые положения:
1. Формирование глубинных упрочненных слоев в металлах и сплавах при воздействии МИЛИ является нелинейным механическим эффектом, который происходит при интенсивностях и флюенсах пучка, превышающих некоторые крити-
13
ческие -значения,-зависящие от-тсвойств материала.Он обусловлен действием ударной волны, генерируемой облучением.
2. Кинетическая модель дефектообразования в поле ударной волны формирует основу нового метода расчета распределений микротвердости по глубине мишени при различных параметрах облучения МИЛИ.
3. Образование градиентных структурно-фазовых превращений в системах (тонкие металлические тугоплавкие пленки + подложка металлов, например, а-Бе) после облучения НСЭГ1 вызывает их неравномерное упрочнение как на поверхности, так и по глубине модифицированнного слоя. Оно обусловлено изменением микротвердости в областях с различным содержанием компонент пленки и подложки, созданных в результате их неоднородного имульсного перемешивания. После облучения в установленном оптимальном режиме формируется упрочненный слой глубиной 10-15 мкм, существенно превышающий глубину перемешанного (0.1-0.5 мкм), с повышенным сопротивлением к хрупкому разрушению и увеличенной коррозионной стойкостью.
4. Экспериментально установленное влияние предварительного слабоинтенсивного однородного облучения ИК потоками электронов, протонов, быстрых и тепловых нейтронов на пороги и характер их хрупкого разрушения СЭП показывает: 1) инициирование разрушения определяется процессами в возбужденной ЭП кристаллов; 2) образование и распространение магистральной трещины в облученной СЭП области слабо зависит от исходной дислокационной структуры, механической прочности и пластичности кристаллов; 3) порог разрушения определяется, в основном, их теоретической прочностью; 4) движение трещины в необ-лученной области происходит как при механическом ударном нагружении.
5. Процесс разрушения ИК СЭП включает три стадии: 1) стадию аккумуляции поглощенной энергии при фазовом плазменном переходе 1 -го рода с образованием электронно-дырочной конденсированной фазы (ЭДКФ) и инициированием процесса спонтанными тепловыми взрывами одной или нескольких капель френ-келевских пар дефектов (ФПД), возникающих из капель ЭДКФ; 2) стадию развития, включающую процесс индуцированных акустическими волнами взрывов ка-
^пель, излучаемых, ранее взорванными каплями; 3).стадию образования и распространения магистральной трещины (МТ) при слиянии микротрещин, образующихся при релаксации сдвиговых термонапряжений, порождаемых взорванными каплями. Статистическое моделирование процесса дает хорошее согласие расчетных и экспериментальных характеристик разрушения.
Личный вклад автора состоит в постановке задачи и выборе основных направлений исследований, планировании эксперимента, разработке его методик и проведении совместно с коллегами экспериментальных исследований, их анализа, теоретического описания, обсуждения и обобщения результатов, формулировки выводов.
Апробация работы. Результаты докладывались автором на международных конференциях: 1) Модификация Материалов Пучками Заряженных Частиц (ЕРМ-89, Дрезден, ГДР, 1989); 2) Ионная Имплантации и Ионно-пучковое Оборудование (ИВЕ-90, Еленит, Болгария, 1990); 3) Ионно-Пучковый Анализ (IBА-10, Эйндховен, Голландия, 1991); 4) IB А-11, Балатон, Венгрия, 1993); 5) Ионно-Пучковая Модификация Материалов (IBMM-10, Альбукерке, Нью-Мехико, США. 6) Радиационные Эффекты в Изоляторах (REI-9), Ноксвилл, Теннесси, США, 1997); 7) Поверхностная Модификация Металлов Ионными Пучками (SMMIB-10, Гатлинбург, Теннесси, США, 1997); 8) На семинаре Аэрокосмического Технологического Центра "Allied Signal" (г. Мористоун, Нью-Джерси, США, 1997) и на Всесоюзных конференциях: 9) "Радиационные эффекты в твердых телах (Ашхабад, 1977); 10) "Физика и химия ионных кристаллов" (Рига, 1978); 11) Ионно-Лучевая Модификация Материалов (Каунас, 1989); 12) Гой и IV-ой Конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (г.Томск, 1988, 1996); 13) Всесоюзной Школе по Импульсным Источникам для Термоядерного Синтеза (г. Ура-Тюбе, Таджикистан, 1984). Результаты были представлены и обсуждались на: 14) Международной Конференции по Ионной Имплантации в Полупроводниках и Других Материалах. (Люблин, Польша, 1988); 15) Всесоюзной Конференции "Поверхность-96" (Черноголовка, 1989); 16) Международной конференции по электронно-пучковым технологиям (ЕВТ-94,
15
Варна, Болгария, 1954);' 17) Ш^15,^иссабон,"^орт^алия,' 1997);-1 БуСоветско-Американской Конференции с международным участием по трению и износу (Минск, 1992); 19) 3-ей Международной Школе-Семинару "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996); 20) Международная Конференция "Ядерная и Радиационная Физика" (Алматы-1997); 21) Европейском Съезде Общества Исследования Материалов Е-МКБ'97,
Франция, Страсбург, 1997 и других.
Публикации. Содержание диссертации изложено в 63 работах, включая 24 опубликованных за рубежом и монографии. Получено 1 авторское свидетельство и 3 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 2^ стр. машинописного текста, включая 67 рис., 9 таблиц и 166 библиографических ссылок.
16
Воздействие интенсивных радиационных потоков энергии на твердые тела
1.1. Особенности прохождения интенсивных пучков заряженных
частиц через вещество
Интенсивный пучок рассматривается как упорядоченный поток заряженных частиц, на эволюцию которого оказывают влияние собственные поля. Имеются отечественные и зарубежные монографии, посвященные методам их получения, конструкциям соответствующих ускорителей и способам их транспортировки [4-7]. Большая часть явлений описывается макроскопической гидродинамической теорией, уравнениями Власова и Максвелла. Взаимодействие КПЭ с твердыми телами имеет важные особенности в отличии от слаботочных пучков. Эти особенности, с одной стороны, усложняют все расчеты, а иногда делают их вообще невозможными. С другой стороны, они определяют появление новых фундаментальных коллективных эффектов, в том числе и нелинейного характера, обуславливающих уникальные превращения и такие модификации свойств материалов, которые способствуют успешному применению пучков в различных технологиях.
Сильноточный электронный пучок (СЭП). Как отмечалось, пробеги электронов на порядки выше пробегов ионов той же энергии. Однако, при высоких интенсивностях СЭП в мишени уже в начале импульса облучения генерируется плотная плазма и фактически пучок начинает через нее проходить. В этом случае пробеги электронов уже нельзя рассчитывать как индивидуальные, а они будут определятся взаимодействием пучка с плазмой. Возникающие коллективные пучково-плазменные эффекты обусловлены как режимами облучения (энергией частиц, плотностью тока, флюенсом), так и параметрами генерируемой плазмы (концентрацией и составом частиц, видом их взаимодействия, электронной и ионной температурами и др.). При определенных соотношениях этих пара-
\1
метров возникают коллективные плазменные осцилляции, резонансные явления и развиваются пучково-плазменные неустойчивости, сопровождающиеся резким поглощением энергии пучка различных видов [8]. В расчетах для электронов пучка используются уравнения Власова и Максвелла, а к электронам в металлах применятся квантовая статистика, т.к. их начальная электронная температура мала, а плотность велика. Коллективное поведение электронов проявляется: 1) в экранировании сил взаимодействия между ними из-за наличия объемного заряда;
2) в плазменных колебаниях.
Для получения условий возникновения неустойчивостей и определения их вида необходимы следующие данные. Для пучка: вид частиц, их заряды, массы, спектральное распределение по энергиям, распределение скоростей частиц в продольном и поперечном направлениях. Для плазмы: состав ее компонент, их массы, заряды, концентрации, скорости частиц, электронные и ионные температуры. Характер неустойчивостей зависит от класса материала, в который происходит инжекция пучка. Существуют критерии появления неустойчивостей различных видов: гидродинамических или кинетических. Иногда происходит их по-стадийное развитие и несколько видов могут существовать одновременно. Задача состоит в определении той неустойчивости, за счет которой осуществляется основная передача энергии пучка мишени и происходит его торможение. Обзор работ по взаимодействию СЭП с плотной плазмой рассматривался в [9], где важными параметрами являлось распределение скоростей частиц в продольном (по оси пучка) и поперечном направлениях.
Приведем пример. При прохождении релятивистских электронов через термолизованную электронно-дырочную плазму (которая генерируется в диэлектриках и полупроводниках) вероятно появление плазменной неустойчивости. При одинаковой электронной и дырочной температурах и выполнении условия Уе>Ут (у6, Ут - скорости электронов в пучке и в плазме, соответственно) возможно образование кинетической неустойчивости Бунемана [10]. Она приводит к локальным колебаниям плотности частиц и перераспределяет энергию в облученной области.
. - /я
^ь-лгАааМощный импульсный пучок ионов (МИЛИ)* Основная особенность его воздействия на твердые тела в отличии от СЭП обусловлена на порядки меньшими пробегами ионов. Наиболее часто используются в технологиях пучки легких ионов (водорода, углерода, азота и др.) с энергией 0.1-2 МэВ, которым соответствуют пробеги 0.1-10 мкм, а поглощение энергии происходит в тонком поверхностном слое и тепловой эффект воздействия выражен здесь более отчетливо. Основные явления при облучении: 1) абляция (выброс) материала со стороны облученной поверхности; 2) генерация звуковых и ударных волн (УВ) вызванных сверхбыстрым (108-10и Кус) нагревом и охлаждением (Ю8-1010 К/с) в сочетании с высокими пространственными градиентами температур (10 -10 К/см). Упругие и ударные волны вызывают значительных структурно-фазовые превращения на глубинах, на порядки превышающих пробег ионов, проявляются так называемые эффекты дальнодействия, которые рассмотрены далее.
1.2. Воздействие ударной волны на металлы
Этому вопросу посвящен обзор экспериментальных и теоретических работ [11]. Исследование пластической деформации выполнялось методом численного моделирования, основанного на решении уравнений распространения плоской УВ и деформации твердого тела в рамках механики сплошной среды. Законы сохранения массы (1.1), момента (1.2) и энергии (1.3) дополнялись уравнением состояния (1.4)00!
(1.1)
РгРо = ро Г> (1.2)
£^Ео = 0.5(Р1+Р0)(Уо^1)9 (1.3)
0.4)
где р - плотность; У=рл- удельный объем ; Р - напряжение в направлении распространения волны; £> - скорость УВ; и - массовая скорость позади фронта
УВ. Индексы 0, 1 относятся к начальному и сжатому состояниям, соответственно.
19
—^Уравнения состояния при высоких давлениях брались из эксперимента и испол_ь-_. зовались данные наблюдений по пространственно-временному ударно-волновому профилю - зависимости массовой скорости от времени, давления и толщины мишени. Этот профиль не несет информации о специфических процессах в ударно-нагруженном материале, но отражает характер его поведения при критических давлениях: скоростях деформаций, временах структурных модификаций и др. УВ слабой интенсивности с давлениями в несколько ГПа и временами воздействия 1010'9с не вызывают, как правило, разрывов сплошности материала и его разрушения, поэтому их используют для улучшения механических свойств. Если давления в кристалле очень малы, то в нем распространяется только упругая волна. При более высоких давлениях волны разделяется на чисто упругую, распространяющуюся со скоростью продольного звука и пластическую волну, скорость которой равнаПП!
Пр быстро возрастает из-за уменьшения сжимаемости с ростом Р. Формирование ее стабильного волнового профиля зависит от давления УВ и свойств материала. Основная характеристика напряженного состояния - зависимость деформации материала от напряжения в поле УВ. Состояние материала соответствует гидростатическому сжатию по кривым Гюгонио вплоть до очень высоких давлений - порядка сотен ГПа. Далее определяющим фактором является тепловая компонента давления, так как в поле УВ начинается интенсивный нагрев вплоть до температур плавления. УВ вызывает эффективное дефектообразование. Этот вопрос будет рассмотрен далее подробно. При низких давлениях различие между компонентами напряжения в направлении распространения волны и поперечном направлении определяется напряжением текучести, которое выдерживает материал. Оно зависит от типов и концентрации дефектов, созданных деформацией. Его величину в сжатом состоянии можно определить, измеряя амплитуду упругой волны, распространяющейся через уже сжатый материал. Сжатие в УВ - адиабатический процесс, поэтому нагрев и изменение параметра решетки будут меньше,
(1.5)
- Київ+380960830922