Физико-технический институт ТПУ Кафедра водородной энергетики и плазменных технологий Пучковые технологии обработки материалов доцент кафедры ВЭПТ, д.ф.-м.н. Блейхер Г.А , Томск, ул. Усова, 4А, ауд Тел.: (3822)

Содержание 1.Понятие пучка заряженных частиц 2.Виды пучков, их параметры 3.Действие пучков заряженных частиц на вещество 4.Основные направления использования пучков заряженных частиц 5.Обработка материалов с помощью пучков заряженных частиц 5.1. Ионная имплантация 5.2. Электронно-лучевые технологии 5.3. Применение мощных импульсных пучков заряженных частиц для обработки материалов 6. О математическом моделировании воздействия пучков заряженных частиц на вещество 2

1. Понятие пучка заряженных частиц Пучок заряженных частиц - совокупность частиц, движущихся по близким траекториям в одном направлении, т.е. поток частиц, который обычно имеет малые поперечные размеры по сравнению с его длиной. Вдоль направления распространения пучка частицы движутся со скоростью, значительно превышающей скорость их хаотического теплового движения. 3

Виды пучков и их параметры Параметры пучков: - вид частиц (электроны, позитроны, ионы); - их начальная энергия; -плотность тока в пучке; -длительность облучения; - плотность энергии, флюенс; - частота следования импульсов; - др. 4

3. Действие пучков заряженных частиц на вещество Заряженные частицы, обладающие большой кинетической энергией, двигаются в облучаемом веществе и взаимодействуют с его атомами и электронной подсистемой. Двигаясь в веществе, частица теряет свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов и электронами вещества мишени. Вещество, подверженное действию корпускулярного излучения, переходит в неравновесное состояние. 5

3. Действие пучков заряженных частиц на вещество Эффекты воздействия пучков заряженных частиц на вещество: - отражение бомбардирующих частиц от поверхности, - ионизация и возбуждение атомов, - рассеяние, - генерация тормозного излучения, - нагрев тонких поверхностных слоев, -создание термомеханических напряжений, - образование радиационных дефектов, - имплантация ионов (при ионной бомбардировке) и изменение структурно-фазового состояния, -заряжение диэлектриков, - др. 6

3. Действие пучков заряженных частиц на вещество Результат воздействия зависит от параметров пучков и свойств облучаемого вещества, например: - от начальной энергии частиц; - от вида бомбардирующих частиц; - от плотности мощности пучка; - от длительности облучения; - от теплофизических и электрических свойств вещества мишени; - от размеров следа пучка на облучаемой поверхности; - и др. 7

При низкой мощности потока излучения во многих случаях основу эффекта воздействия излучения на вещество составляет чисто радиационный аспект взаимодействия отдельных частиц с атомами вещества. При увеличении мощности энергии, переносимой частицами, характер их воздействия на поверхность твердого тела утрачивает чисто радиационный аспект. Он является результатом коллективного действия частиц и становится термическим. 3. Действие пучков заряженных частиц на вещество 8

По длительности воздействия пучки можно подразделить на - пучки непрерывного действия, - импульсные и частотно-импульсные пучки. Эффект от облучения непрерывными ионными и электронными пучками принципиально различный. Действие мощных импульсных электронных и ионных пучков на материалы определяется высокотемпературным разогревом тонких приповерхностных слоев. 9

4. Основные направления использования пучков заряженных частиц Использование пучков заряженных частиц для анализа состава и микроструктуры материалов. Обработка поверхности материалов и получение новых материалов. Радиационные испытания. И сследование свойств веществ в экстремальных условиях. Инерционный термоядерный синтез. Генерация электромагнитного излучения. Накачка лазерных сред. Плазмохимические и радиационные технологии (в т.ч. радиационная медицина). - др. 10

5.1. Ионная имплантация Ионная имплантация – введение легирующих примесей в материалы, синтез новых соединений, изменяющих механические, коррозионные, каталитические, электрические, оптические и др. свойства приповерхностных слоев. Это – современный метод поверхностного легирования материалов. Зарождение этой группы технологий можно отнести к 70-ым годам (полупроводники) и к 80-ым годам (металлы) XX века. 11

5.1. Ионная имплантация Метод ионной имплантации основан на внедрении в твердое тело ускоренных ионизированных атомов и молекул. При этом возможны любые комбинации ион-мишень. Энергия ионов может изменяться от нескольких килоэлектронвольт до гигаэлектронвольт. Глубина внедрения ионов зависит от их энергии, массы, а также от массы атомов мишени. Различают ионную имплантацию при непрерывном облучении слаботочными ионными пучками и короткоимпульсную ионную имплантацию под действием мощных импульсных ионных пучков. 12

5.1. Ионная имплантация При исследовании изменения свойств веществ под действием ионной бомбардировки следует учитывать три основных эффекта: - непосредственное внедрение примеси из пучка (собственно имплантация); - структурные превращения, т.е. образование и накопление радиационных дефектов, аморфизацию или рекристаллизацию и т.п.; - распыление, т.е. выбивание атомов из поверхностных слоев в вакуум. 13

Ионная бомбардировка позволяет изменять практически все свойства приповерхностной области твердого тела: - электрофизические; - механические (прочность, твердость, коэффициент трения, износостойкость); - коррозионные; - каталитические; - оптические; - эмиссионные Ионная имплантация 14

5.1. Ионная имплантация Применение в микроэлектронике Это – один из основных методов введения примесей в полупроводниковые кристаллы (ионное легирование полупроводников) с целью изменения их электрических свойств. С помощью ионной бомбардировки также управляют концентрацией носителей заряда и проводимостью металлов. С помощью ионной имплантации создаются различные элементы электронных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, например: транзисторы, конденсаторы, резисторы, контактные площадки и др. 15

Модификация химических, оптических и механических свойств твердых тел Ионный синтез (создание соединений в результате ионной бомбардировки ) Ионным синтезом можно создавать: - защитные пленочные покрытия, - изолирующие слои при изготовлении интегральных схем (например, слои Si 3 N 4, SiC, SiO 2 ), - антикоррозионные покрытия, -световоды, светоизлучающие диоды для разных диапазонов длин волн, -сверхпроводящие материалы Ионная имплантация 16

Ионная металлургия - создание сплавов и твердых растворов путем внедрения ионов в металлические композиции Ионной имплантацией можно создавать новые, метастабильные, сплавы и соединения, обладающие уникальными свойствами (механическими, коррозионными, сверхпрово- дящими, каталитическими, магнитными и электрическими). Необходимая доза (флюенс ионов) для обработки металлов – не ниже ион/см Ионная имплантация 17

5.2. Электронно-лучевые технологии Электронные пучки широко применяются для решения таких технологических задач, как - электронно-лучевая сварка, - наплавка, - модификация поверхности материалов и изделий (прямая и осаждение модифицирующих покрытий), - спекание композитных материалов, - нетермическая электронно-лучевая обработка (напр., электронно-стимулированные химические реакции, - др. 18

5.2. Электронно-лучевые технологии Электронно-лучевая сварка Широкое применение нашли электронные источники с плазменным катодом (Е 0 ~ 30 кэВ)(напр., совместные разработки ТУСУРа и ИСЭ). Достоинства: - отсутствие нагретых до высоких температур деталей (локальный разогрев); - низкая критичность к величине и колебаниям вакуума; - высокая надежность и ресурс работы, в том числе в условиях интенсивного испарения из сварочной ванны; - оперативность и простота обслуживания. 19

Электронно-лучевая наплавка износостойких материалов (ЭЛН) Технология ЭЛН основана на явлении «вмораживания» металлического порошка в жидкометаллическую ванну расплава, создаваемую электронным пучком с линейной разверткой. Наплавляемая деталь перемещается внутри вакуумной камеры относительно неподвижного электронного источника и порошкового дозатора. При каждом последующем проходе «вмораживается» новая порция порошка и расплавляется предыдущая. Порошок, подаваемый в жидкометаллическую ванну расплава, ускоряет процесс его кристаллизации, способствуя при этом формированию мелкозернистой структуры и уменьшению остаточных напряжений в наплавляемом покрытии. Толщина наплавляемого слоя – 0,5 -10 мм Электронно-лучевые технологии 20

ЭЛН износостойких материалов Одно из основных применений ЭЛН – защита поверхностей, подвергающихся различным видам абразивного и эрозионного износа. Она применяется: - для восстановления деталей машин и инструмента широкой номенклатуры (коленчатые валы дизельных и карбюраторных двигателей, компрессоров, насосов и др.), - для нанесения защитных износостойких и жаростойких покрытий на детали, работающие в высокотемпературном газовом потоке с абразивными частицами и т.п. - в металлургии для нанесения жаростойких и одновременно износостойких покрытий на фурмы, используемые в доменном производстве, - др Электронно-лучевые технологии 21

5.2. Электронно-лучевые технологии Электронно-лучевой энер- гокомплекс на основе электронной пушки с плазменным катодом, предназначен для нанесения термоизносостойких покрытий, вос- становления различных деталей машин и металлургического оборудования, сварки различных металлов, в т.ч. и тугоплавких. Внедрен на одном из крупнейших в мире металлур- гическом производств – Западно- Сибирском металлургическом комбинате (г. Новокузнецк). 22

5.3. Модифицирование свойств материалов с помощью мощных импульсных пучков заряженных частиц Параметры МИП ЗЧ, генерируемых на современной ускорительной технике а) МИП ионов - энергия частиц кэВ; - ток А, плотность тока А/см 2, - плотность мощности Вт/см2 ; - длительность импульса нс; - состав пучка: H +, C n+, N n+, Li n+ … Ar n+. 23

б) МИП электронов: - низкоэнергетические (десятки кэВ) электронные пучки с плотностью тока до нескольких кА/см 2 и с длительностью импульса с; - высокоэнергетические ( кэВ и выше) электронные пучки с длительностью импульса с, с плотностью энергии Дж/см 2 за импульс и плотности мощности Вт/см Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ 24

В/в источник Постоянного тока Генератор Импульсного Напряжения ~ 100 нс Генератор Импульсного Напряжения ~ 1мкс i- диод e-диод Низкая мощность, < 10 9 ВтВысокая мощность, >10 9 Вт Заряд постоянного тока s нс Принципы формирования мощных импульсных ионных и электронных пучков Емкостные/магнитоимпульсные накопители энергии 25

Техническое оснащение: Ионный ускоритель ТИУ-450 Электронный ускоритель Энергия электронов 550 кэВ Ток пучка 6.5 кА Длительность импульса 60 нс Частота следования, Гц 1- 5 Энергия в импульсе тока 200 Дж Ускоряющее напряжение (кВ) 250 – 300 Длительность импульса (нс) 60 Плотность тока (А/см 2 ) 100 – 250 Плотность энергии (Дж/см 2 ) 1,2 – 3,8 Частота следования имп. (имп./мин.) 15 – 20 26

Ускоритель ETIGO – II 3 МВ, 460 кА, 50 нс (Генератор) 1,3 МВ, 70 кА (диодный ток), 50 нс, 0,7 кА/см 2 27

Параметры источников МИП применяемых в области материаловедения Япония, г.Нагаока Университет 400 кВ, 13 кА, 120 нс, 1 Гц (Генератор) Емкостной накопитель МИГ МИД (4x2,5x2.5) ETIGO – IV Россия, НИИ ЯФ100 – 150 кВ, до 3 кА, 20 * нс, ионы металлов Импульсный трансформатор ДФЛ МИД Ускорители MUK Россия, НИИ ЯФ, НИИ ВН; КНР, г. Далянь, г. Шеньян кВ, 3 – 10 кА, 30 – 90 нс, (Генератор) 40 – 300A/cм 2 (ионный пучок) Генератор Маркса ДФЛ/МДФЛ МИД (различные типы) Ускорители TEMP Россия, НИИ ЯФ600 кВ, 8 Ω, 80 нс (Генератор) Генератор Маркса ДФЛ МИД с активным анодом «WERA»«WERA» Япония, г. Кобе400 кВ, 3, 50 нс (Генератор) 180 кВ, 450 A/cм 2, 65 нс Генератор Маркса ФЛ Пинч-диод Harima II Япония, г.Нагаока Университет 3 МВ, 460 кА, 50 нс (Генератор) 1,3 МВ, 70 кА (диодный ток), 50 нс, 0,7 кА/см 2 Генератор Маркса ДФЛ ТЛ МИД с пассивным анодом (20*3*3,5 м 3 ) ETIGO – II США, Лос Аламос, Национальная лаборатория кэВ, 15kA, 1 мкс (ионный пучок) Емкостной накопитель ГИН МИД с плазменным анодом (2*2*2 м 3 ) CHAMP США, Национальные лаборатории Сандия 1 МВ, 30кА, 100 нсМагнитная компрессия импульса линейный сумматор диод с «активным анодом» (размер: 4*3*2 м 3 ) QM-1 ускоритель RHEPP-1 Страна, лабораторияПараметры ускорителейОсновные частиУскорители 28

Механизмы воздействия A МИП i + или e - Охлаждение за счет теплопроводности Пробег i + и e - Модифицирование Поток исп. вещества Волна напряжения 29

Диссипация энергии МИП ЗЧ с P= Вт/см 2 приводит к: - нагреву, плавлению и испарению тонких приповерхностных слоев вещества мишени; - возбуждению волн сжатия и разгрузки (за счет высокоскоростного ввода энергии и сверхбыстрого разогрева); - усилению массопереноса; - быстрому остыванию нагретых поверхностных слоев (для металлов - на уровне К/с) Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ 30

Результаты воздействия, которые находят применение в технологиях обработки материалов: - структурно-фазовые изменения вблизи поверхности (образование мелкозернистых структур и аморфных фаз), - образование новых фаз за счет расплавления и перемешивания композиционных или слоистых структур, - образование новых фаз за счет совокупности факторов, а именно: имплантация, нагрев, высокие давления, - эрозия поверхности, - изменение микрорельефа поверхности, - уменьшение пористости поверхностных слоев, - др Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ 31

Применение МИП ЗЧ в технологиях модифицирования свойств материалов - прямое упрочнение изделий, повышение твердости; - увеличение износостойкости поверхностных слоев и уменьшение коэффициента трения; - осаждение модифицирующих покрытий; - получение ультрадисперсных порошков; - очистка поверхности изделий от слоев, утративших свои эксплуатационные характеристики; - полировка поверхности изделий различного назначения; - короткоимпульсная имплантация в полупроводники; -синтез нанокомпозитных частиц в поверхностном слое, др Модифицирование свойств материалов с помощью МИП ЗЧ 32

6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество Математическое моделирование – один из эффективных способов получения реальной картины протекающих в веществе процессов. Оно не только помогает вырабатывать теоретические представления и закономерности, но существенно удешевляет исследования. Хорошие модели делают возможным предсказывать результат и находить оптимальные параметры обработки без выполнения дорогостоящих экспериментов. Часто они являются единственно возможным способом исследовать закономерности протекающих процессов, особенно когда мы имеем дело с быстропротекающими явлениями. 33

Численная модель физического явления – это совокупность а) теоретической (математической) модели, обычно представленной в виде дифференциальных, интегральных или интегродифференциальных уравнений и соответствующих начальных и граничных условий, б) алгоритма численного решения. 6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество 34

6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество Математическая модель диссипации энергии МИП ЗЧ в веществе включает: - систему уравнений сплошной среды (законы сохранения массы, импульса и энергии), - широкодиапазонные уравнения состояния вещества; - граничные условия на облучаемой поверхности, которые должны описывать кинетику перехода конденсированного вещества в пар, теплообмен с окружающей средой и др. 35

36 (1) Модель поверхностного испарения (двухфазная модель испарения) для пучков умеренной интенсивности Уравнение теплопроводности в системе координат, связанной с испаряемой поверхностью: (1) ГУ на поверхности испарения : (2) W(z,t) – пространственно-временная функция энерговыделения; v f – скорость продвижения фронта испарения в глубину мишени; ΔН – разность энтальпий между паровой и конденсированной фазами.

37 (1) Модель поверхностного испарения (двухфазная модель испарения) для пучков умеренной интенсивности Скорость продвижения межфазной границы v f описывается уравнением Герца-Кнудсена:, (3) где P sat – давление насыщенных паров, P * - гидростатическое давление перед поверхностью. Толщина испарившегося слоя :

38 ( 2) Гидродинамическая модель перехода конденсированного вещества в пар для высокоинтенсивных пучков Законы сохранения для сплошной среды: (4) (5) Уравнения состояния вещества: (6)

39 Функция энерговыделения: G(z) – линейные потери энергии при торможении частиц пучка в веществе. Интенсивность и энергоэффективность эрозии определяются формой и размерами пространственно- временной функции энерговыделения.

Эволюция поля температур в меди под действием МИП ионов и электронов 6. Моделирование воздействия МИП ионов и электронов на вещество 40

41 Эрозия под действием МИП ЗЧ Зависимость коэффициента эрозии, вызванной испарением, от плотности мощности пучка P и плотности энергии F. Для любой комбинации «тип частиц – их начальная энергия – длительность импульса тока – вещество мишени» характерен свой максимальный коэффициент эрозии D max, которому свойственно специфическое значение плотности тока.

42 Эрозия под действием МИП ЗЧ Зависимость максимально возможной доли энергии пучка (K ev ), расходуемой на испарение, и минимальных затрат энергии пучка на удаление одного атома с поверхности мишени (E a ) от начальной энергии частиц E 0. Существуют такие режимы облучения МИП ЗЧ, в которых почти вся энергия пучка расходуется на удаление атомов.

43 Модель тепловой эрозии для пучков заряженных частиц умеренной интенсивности: сравнение расчетов с экспериментальными данными Толщина осажденной пленки за один импульс облучения графитовой мишени на ускорителе «Вера» (НИИ ЯФ, г. Томск): сплошные линии – расчет; точки – эксперимент * Условия облучения: ионы: 60%H + +40%C + ; - E 0 =500 кэВ; - τ = 100 нс; - угол падения пучка на мишень: (40..45) о ; - диаметр пучка: 50 мм; d – расстояние между мишенью и подложкой * Струц В.К., Матвиенко В.М., Петров А.В., Рябчиков А.И. Структура и свойства содержащих фуллерены углеродных покрытий // Изв. ВУЗов. Физика. – – 11/2. – С Рис. 2