Введение
Диссертация является продолжением работ по исследованию свойств твердых тел при мощных радиационных воздействиях, выполненных в лаборатории нелинейной физики Томского политехнического университета и посвящена изучению термоупругих акустических и квазистатических полей, генерируемых в твердом теле электронным пучком высокой плотности и наносекундной длительности.
Актуальность темы исследовании
Наиосекундные ускорители электронных пучков, созданные в 60-х годах, являются одним из наиболее мощных на сегодняшний день искусственных источников ионизирующего излучения. При плотности
4 7 7
тока 10-10 А/см“ современных сильноточных ускорителей мощность дозы составляет 10п-1016 Гр/с, что на несколько порядков больше мощности дозы, создаваемой малоинтенсивными источниками, такими, как реакторы, изотопы, электронные и ионные ускорители с плотностью тока пучка менее 0,1 А/см2. Под действием такого источника, образец, попавший под облучение, переходит в силыюнеравповесное состояние. 11ри его релаксации к равновесию наблюдается множество явлений: дефектообразование, эмиссия и пробой диэлектрика под воздействием интенсивных электрических полей, генерация сильных термоупругих акустических, распространяющихся со скоростью звука и квазистатических, рслаксирующих со скоростью
температуропроводности, полей ответственных за изгиб тонких пластин
2
и стержней, хрупкий раскол и пластическую деформацию кристаллов
[1-5].
Возможность генерировать в твердом теле бесконтактным способом сильные акустические поля, в том числе импульсные (амплитуда 105- 10м Па, длительность 10"11 -10"7 с), позволила последовательно выделить и проанализировать их элементарные составляющие, в частности продольные, сдвиговые, изгибные и поверхностные волны. При исследовании акустических мод прекрасное совпадение теории и эксперимента позволяет предложить методики определения теплофизических констант твердых тел, использовать акустическую волну как «информационный носитель», а также восстанавливать пространственное распределение функции источника (мощности поглощенной дозы) по профилю продольного импульса разгрузки.
Акустические и квазистатические поля оказывают сильное влияние и сопутствуют многим быстропротекающим процессам, происходящим в твердых телах после электронного облучения. Так, при исследовании упруголластического изгиба нитевидных кристаллов при облучении плотным электронным пучком было показано, что дислокационная динамика инициируется термоупругими напряжениями, возникающими в кристалле в результате неоднородного нагрева тепловым ударом.
В настоящее время акустический отклик твердых тел на импульсное облучение лазерными пучками изучен более подробно, чем при облучении мощными потоками заряженных частиц (в том числе электронами). Экспериментальные и теоретические исследования акустических эффектов в твердых телах под действием электронных
3
пучков сводилось, в основном, к изучению продольной акустической волны в тонких образцах [6, 7], изгибной волны в тонких стержнях и пластинах и отчасти сдвиговой волны. О других акустических модах имелась лишь косвенная информация, полученная в экспериментах по хрупкому разрушению твердых тел электронными пучками [8-10]. Практически не отражен в литературе вопрос эволюции продольной акустической волны разгрузки, генерируемой в твердом теле плотным электронным пучком наносекундноЙ длительности. Продольная акустическая волна - один из наиболее эффективных носителей информации о состоянии твердого тела. Практически любое возмущение материала оставляет «отпечаток» на форме продольного акустического импульса, распространяющегося со скоростью звука и несущего информацию о данном возмущении. Особенно важна информация о явлениях, разрушающих возмущенную область. Такую информацию можно получить с помощью самого быстрого естественного носителя информации о состоянии твердого тела - продольной акустической волны. В этом случае возникает задача об эволюции продольной акустической волны в материале и восстановлении формы начального сигнала по известной форме регистрируемого импульса
Работы в области высокодозового облучения различных материалов [11] концентрировали усилия, в основном, на изучении свойств приповерхностного слоя, изменяющегося в результате интенсивного нагрева образца пучками ионов или электронов. Хорошо изучено влияние нагрева образца при интенсивном режиме облучения на образование и накопление дефектов, диффузию, структурные и фазовые превращения, а также электропроводность [12-19]. Решение уравнения теплопроводности позволяет предсказывать температуру образца в
4
зависимости от интенсивности облучения [20]. Однако детальный анализ влияния граничных условий не проводился. В настоящей работе предприняты такие исследования, позволяющие . определить термическое сопротивление контакта диэлектрик - металл. Способность изменять величину термического сопротивления позволяет значительно варьировать температуру нагрева мишени, что является важным фактором для создания оптимальных условий модифицирования материала. Также возможность определения такой величины дает надежды на получение информации об энергии, уходящей на распыление облученной поверхности диэлектрика ионным пучком, а также о способе изменения максимальной температуры образна за счет изменения термического сопротивления диэлектрик - металл.
Цель работы
1) теоретическое изучение долговременного поведения и трансформации продольного акустического импульса смещений, генерируемого в твердом теле плотным электронным пучком наносекундной длительности;
2) анализ граничных условий одномерного нелинейного уравнения теплопроводности, описывающего нагрев диэлектрика пучками электронов и ионов металлов в импульсно-периодическом режиме облучения.
5
Структура, объем и содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, радела «Основные результаты и выводы» и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 116 страниц. Из них основной текст с 34 рисунками занимает 99 стр., список литературы из 98 наименований - 13 стр., оглавление -3 стр. В диссертации принята двойная нумерация параграфов, рисунков и формул. Например, рис. 4.2 - рисунок 2 из главы 4. Защищаемые положения сформулированы в конце введения.
Первая глава - обзор исследований акустического отклика твердых тел на электронное облучение. В конце главы формулируются основные задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена исследованию явления асимптотического дифференцирования продольного акустического сигнала смещений в твердом теле, генерируемого плотным электронным пучком ианосекундной длительности. В рамках линейной теории термоупругости разработана модель, исходя из которой получено и решено уравнение дифракции, описывающее данное явление. На основе численного расчета и сравнения полученных результатов с экспериментальными данными установлены основные свойства асимптотически дифференцированного биполярного продольного акустического импульса смещений.
В третьей главе рассмотрена эволюция продольного акустического сигнала в твердом теле, возбужденного электронным пучком высокой плотности и ианосекундной длительности, которая описывается волновым уравнением, обобщающим уравнение дифракции. Найдено решение в виде запаздывающего потенциала, удовлетворяющее поставленным граничным условиям. Произведен
6
численный расчет на оси симметрии области облучения и прослежено постепенное превращение монополярного импульса смещений в биполярный. Сравнение численного расчета и экспериментальных данных позволяет найти условия оптимального обнаружения асимптотически дифференцированного продольного акустического импульса смещений.
Четвертая глава посвящена определению термического сопротивления контакта диэлектрик-металл при облучении диэлектрических пластин импульсно-периодическими ионными и электронными пучками. Чтобы избавиться от численного расчета нелинейного уравнения теплопроводности, предложен метод усреднения температуры, позволяющий в режиме насыщения температуры определить среднюю за период облучения температуру в образце. На основе этого метода предложена экспресс-методика определения термического сопротивления контакта по однократному измерению температуры на облученной поверхности мишени. Найдена погрешность методики. Определены условия оптимального диапазона определения термического сопротивления контакта. На основе методики предложен метод определения энергии, затраченной на распыление поверхности образцов диэлектрика ионным пучком.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах на X и XI Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, Россия, 1999 и 2000 гг.); IV Международной
7
конференции по физике объемного заряда в твердых диэлектриках (Тур, Франция, 2001 г.); Всероссийской Школе-Конференции молодых ученых «Современные проблемы радиационной физики твердого тела» (Томск, Россия, 2001 г.); на научных семинарах лаборатории нелинейной физики Центра технологий Томского политехнического университета.
Публикации
Результаты работы по теме отражены в трех статьях в центральных журналах, двух статьях в сборниках трудов Международных конференций и двух тезисах докладов Международных конференций.
Защищаемые положения
1. Основной вклад в эффект асимптотического дифференцирования продольного акустического импульса смещений, генерируемого в твердом теле электронным пучком высокой плотности и наносекундной длительности, вносит дифракция, которая тем интенсивнее, чем меньше отношение поперечных размеров облученной области к продольным.
2. Эффект асимптотического дифференцирования продольного акустического импульса смещений является универсальным и слабо зависит от вида продольного и поперечного распределения дозы в веществе и формы импульса облучения.
3. Две модели дифракции продольного акустического импульса смещений, генерируемого в твердом теле плотным электронным пучком
8
наносекундной длительности. Первая описывает конечный результат дифракции - асимптотически дифференцированный импульс. Во второй модели снято ограничение первой модели на соотношение продольного и поперечного размеров облученной области образца, поэтому она позволяет с хорошим согласием с экспериментом описать эволюцию продольного акустического импульса смещений от исходного монополярного к асимптотически дифференцированному биполярному.
4. Теоретически найденные из решения волнового уравнения условия эксперимента наиболее оптимальны для регистрации биполярного акустического продольного импульса смещений.
5. Новая экспресс-методика определения термического
сопротивления контакта диэлектрик - металл при импульсно-
периодическом облучении образцов ионными и электронными пучками.
9
- Київ+380960830922