В настоящее время обработка твердотельных мишеней мощными потоками ускоренных заряженных частиц с плотностью мощности >10б Вт/см широко используется для модификации свойств различного рода материалов. Радиационные технологии обладают рядом существенных преимуществ перед традиционно используемыми в машиностроении методами: возможностью обработки высокоточных деталей сложной формы, малым временем обработки, простотой автоматизации процесса.
Поэтому исследования, связанные с воздействием излучения на вещество, являются актуальными как с точки зрения понимания физических процессов протекающих в веществе при его облучении, так и с точки зрения создания теоретической базы для радиационных технологий.
Как правило, для модификации материалов используют: ионные пучки с энергией частиц, не вызывающей ядерные реакции [58]- низкоэнергетические сильноточные электронные пучки (НСЭП — энергия частиц составляет десятки кэВ) [71]- высокоэнергетические сильноточные электронные пучки (ВСЭП — энергия частиц составляет сотни кэВ) [62]. Длительность импульса ионных пучков составляет десятки и сотни наносекунд. Длительность электронных пучков варьируется в достаточно широком диапазоне от единиц наносекунд до сотен микросекунд. Последнее достижение в создании ускорителей это электронный ускоритель с субнано-и пикосекундной длительностью пучка [34]. Плотность тока для электронных и ионных пучков варьируется в диапазоне от десятков А/см до единиц кА/см2.
Быстрый ввод энергии пучка в вещество мишени вызывает протекание в нем интенсивных тепловых и деформационных процессов, приводящих к изменению структуры и фазового состава материала мишени. При этом может происходить увеличение прочности, износостойкости и эрозионной устойчивости материала [45,50,82]. Кроме того, изменяется микрорельеф облучаемой поверхности [15,67,73,74]. При обработке металлических мишеней электронными и ионными пучками на облученной поверхности наблюдается образование микрократеров [37,38,45,50,68,76,77], уменьшение шероховатости [1,52,74,76,82], массоперенос вещества в облучаемой мишени [22,27,77,86,90,91,85].
Экспериментальные исследования воздействия интенсивных потоков излучения на вещество позволили установить, что на конечное состояние облучаемой мишени влияют параметры облучения и исходное состояние поверхности. При разных режимах облучения может происходить сглаживание микрорельефа или образование кратеров. Если поверхность до облучения предварительно обработать, отполировать, то есть уменьшить исходную шероховатость, то после облучения плотность кратеров значительно уменьшится. На основе экспериментальных данных по массопереносу вещества в облучаемой мишени были сформулированы выводы, что возможными механизмами массопереноса является термостимулированная диффузия и гидродинамические неустойчивости: неустойчивость Релея-Тейлора (НРТ) — неустойчивость Рихтмайера-Мешкова (НРМ) [61,75]- конвективная неустойчивость [13].
Поскольку результат воздействия интенсивных потоков излучения на вещество зависит от множества факторов (параметров облучения, состояния поверхности и свойств самого материала), то экспериментальное исследование механизмов сглаживания, массопереноса затруднено. Необходимо проведение теоретических исследований, направленных на описание наблюдаемых явлений.
В настоящее время опубликовано большое количество теоретических работ посвященных вопросам динамики поверхности и массопереносу вещества облучаемой мишени [1,8,9,10,21,31,47,59,63]. Теоретические работы [9,10,31] посвящены динамике отдельного кратера. Взаимодействию кратеров, а также роли термокапиллярной конвекции в процессах массопереноса посвящена работа [47]. В работах [31, 47] описан физический механизм и математическая модель образования микрократеров на облучаемой поверхности как результат развития неустойчивости (НРМ и НРТ) на поверхности мишени1. Было показано, что образование микрократеров носит четко выраженный пороговый характер [47] и начинается при превышении некоторой плотности вложенной энергии, определенной для каждого материала. При плотностях вложенной энергии больше критической (закритический режим облучения) происходит образование и интенсивный разлет плазменного факела, в результате чего поверхность мишени становится неустойчивой и начальные возмущения формы поверхности развиваются в микрократеры. Если же плотность вложенной энергии меньше критической (докритический режим облучения), силы поверхностного натяжения расплава обеспечивают устойчивость поверхности, и можно ожидать уменьшения амплитуды исходных возмущений, то есть сглаживания.
Несмотря на значительный прогресс в понимании явлений кратерообразования, перемешивания приповерхностных слоев остается ряд невыясненных вопросов:
1) Плотность распределения кратеров на поверхности облучаемого материала. Исследование динамики отдельного кратера [31] не дает интегральной картины распределения микрократеров на поверхности мишени после ее облучения. Также остается вопрос, сформулированный в [37, 38, 50] о влиянии параметров облучения и -. ^.
При облучение мишени происходит ее разогрев, и как следствие теплового расширения свободная граница испытывает знакопеременное ускорение. Если мишень находится в жидком состоянии, то на ее поверхности развивается НРТ. После окончание облучения, до момента кристаллизации, на поверхности мишени развивается НРМ. Развитие НРМ происходит за счет запасенной кинетической энергии при облучении. В тексте будем писать: «при облучении мишени происходит развитие НРМ и НРТ». предварительной обработки поверхности мишени на распределение кратеров после облучения;
2) Механизмы сглаживания микрорельефа облучаемой поверхности мишени. В ряде экспериментальных работ [73,74] показано, что в зависимости от параметров облучения на поверхности мишени может наблюдаться как сглаживание микрорельефа, так и его рост;
3) Механизмы массопереноса в облучаемой мишени. Выделяют три основных механизма: термостимулированная диффузия, развитие НРТ и НРМ на поверхности мишени, конвективная неустойчивость. Безусловно, за счет процессов диффузии может происходить перемешивание приповерхностных слоев. Однако по экспериментальным данным ширина зоны перемешивания может достигать около 10−20 мкм [50,70], что не может быть объяснено с точки зрения процессов диффузии. Роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса не изучена. В работе [47] было показано, что за счет термокапиллярной неустойчивости зона перемешивания может достигать порядка 10 мкм. Однако в данной работе решение уравнений механики сплошных сред (МСС) приведено в приближении Буссинеска, что не позволяет количественно описать массоперенос вещества в облучаемой мишени;
4) Динамические явления, наблюдаемые в мишени при ее облучении ультракороткими (менее 1 не) импульсами облучения.
Цель работы. Работа направлена на построение теоретических моделей, описывающих динамические явления, протекающие в приповерхностных слоях облучаемой мишени.
Задачи диссертационной работы: 1) исследование влияния параметров облучения и исходного состояния поверхности на плотность распределения кратеров после облучения и на сглаживание микрорельефа облучаемой мишени на основе разработанных методов [26]- 2) теоретическое описание и исследование роли НРМ и НРТ в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени в приближении потенциального течения несжимаемой жидкости- 3) теоретическое описание и исследование массопереноса в объеме облучаемой мишени- 4) исследование динамических явлений наблюдаемых в мишени в случае ультракоротких импульсов облучения.
Методика исследования. Поскольку большинство технологических режимов облучения соответствуют случаю, когда приповерхностные слои вещества переходят из твердого состояния в жидкое, то для описания динамики поверхности можно применять модель потенциального течения несжимаемой жидкости.
В [26] представлена математическая модель описывающая динамику облучаемой поверхности в линейном приближении и приближении потенциального течения жидкости. Данная модель была использована для проведения исследований по статистическим закономерностям кратерообразования, сглаживанию микрорельефа. Необходимые для этого распределения плотности, скорости, температуры агрегатного состояния вещества во время облучения были получены посредством программного комплекса BETAIN [55]. В пакете совместно решаются кинетическое уравнение для быстрых частиц, одномерная система уравнений механики сплошной среды (МСС) для модели упругопластических течений с учетом теплопроводности и широкодиапазонного уравнения состояния.
Для описания развития НРМ и НРТ в рамках потенциального течения несжимаемой жидкости нами был адаптирован метод локальных преобразований [31] на систему, содержащую две границы (свободная поверхность и контактная граница). Метод локальных преобразований позволяет рассчитать нелинейную динамику поверхности раздела без расчета течений в объеме сред, что значительно сокращает объем вычислений.
Для описания конвективных течений, возникающих в объеме облучаемой мишени, был разработан метод решения уравнений механики сплошных сред, основанный на разделении поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющую. Данный метод позволил сочетать в себе достоинства лагранжевого подхода к описанию свободной границы и эйлерова подхода для описания вихревых течений.
Научная новизна и значимость. Исследовано влияние параметров облучения и исходного состояния поверхности мишени на плотность распределения микрократеров. Полученные результаты позволяют не только определить оптимальные режимы обработки материалов, но и понять физику процессов, протекающих в приповерхностных слоях облучаемой мишени. Определены основные механизмы сглаживания микрорельефа поверхности облучаемой мишени. Разработан новый метод описания нелинейной динамики границ с учетом вязкости и сил поверхностного натяжения, впервые исследована роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени. Разработан новый метод для описания массопереноса вещества в объеме облучаемой мишени. Данный метод основывается на разделении поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющие. Установлена определяющая роль термокапиллярной неустойчивости в процессах перемешивания приповерхностных слоев облучаемой мишени.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Метод моделирования динамики поверхности облучаемой мишени в рамках приближения потенциального течения несжимаемой жидкости.
2. Метод моделирования сложных течений (течения в объеме среды, у которых поле скоростей имеет вихревую и потенциальную составляющие) в приповерхностном слое облучаемой мишени путем разделения поля скоростей на вихревую и потенциальную составляющие. В данном методе учтены: вязкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, термодиффузия.
3. Размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время, плотность распределения кратеров по поверхности определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности.
4. При докритических режимах облучения наблюдается сглаживание микрорельефа поверхности.
5. Основным механизмом перемешивания приповерхностных слоев облучаемой мишени является термокапиллярная конвекция.
6. Исходное состояние поверхности в докритическом режиме облучения является определяющим фактором, влияющим на глубину зоны перемешивания и однородность перемешивания.
Практическая ценность результатов заключается в возможности использования разработанных моделей и программ для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: 14-ой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь,.
2005), XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2005), VIII междунородной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2005), международной конференции «8-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows» (Томск,.
2006), международной конференции «13-th International conference on radiation physics and chemistry of inorganic materials» (Томск, 2006), XXII международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус 2007), IX междунородной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2007), международной конференции «9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2008).
По теме диссертации опубликовано 2 статьи в центральной печати, 7 статей в трудах международных конференциях, 3 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 159 страницах, содержит 81 иллюстрацию. Библиографический список содержит 91 наименование.
Выводы.
Сглаживание рельефа имеет место лишь при плотностях энергии облучения, не превышающих определенного критического значения (при докритических режимах облучения). Существуют диапазоны плотностей вложенной энергии внутри, которых итоговая шероховатость слабо зависит от условий облучения. При многократном облучении наиболее эффективное уменьшение шероховатости наблюдается на первых импульсах облучения. Результаты проведенного численного моделирования соответствуют экспериментальным данным [73,74].
Численно исследованы статистические закономерности кратерообразования. Показано, что размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время, плотность распределения кратеров по поверхности (в закритическом режиме) определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности.
Неустойчивость Релея-Тейлора может привести к перемешиванию приповерхностных слоев только в случае возмущений поверхности мишени, соответствующих определенному диапазону волновых чисел, который в свою очередь определяется режимом облучения.
Основным механизмом жидкофазного перемешивания является термокапиллярная конвекция. Увеличение скорости течения происходит до момента времени twl/lOtrcj, (t^™ — характерное время теплопроводности), пока вблизи поверхности существует плоский слой с растущей вглубь температурой.
Заключение
.
Проведенные в данной работе численные исследования показывают, что большую роль в процессах взаимодействия интенсивных потоков ускоренных заряженных частиц с веществом играет динамика приповерхностных слоев мишени. Развитие НРТ и НРМ на поверхности облучаемой мишени приводит к образованию кратеров, формированию поверхностных структур, и может приводить к перемешиванию приповерхностных слоев. Неравномерный нагрев мишени вызывает конвективное движение, приводящее к перемешиванию слоев.
Среди основных результатов наших исследований можно выделить следующие:
1. Разработан метод моделирования динамики поверхности облучаемой мишени в рамках приближения потенциального течения несжимаемой жидкости. Данный метод позволяет рассчитать нелинейную динамику границ раздела двух сред без расчета течений в объеме. Отличается высокой точностью и экономичностью;
2. Разработан метод моделирования сложных течений в объеме облучаемой мишени. Данный метод позволил сочетать в себе достоинства лагранжевого подхода к описанию свободной границы и эйлерова подхода для описания вихревых течений. В данном методе учтены: вязкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, термодиффузия;
3. Установлено, что размер и форма отдельных микрократеров определяются в основном режимом облучения и материалом мишени. В то же время, теоретически показано, что плотность распределения кратеров по поверхности определяется в основном исходным состоянием рельефа поверхности. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными;
4. Показано, что при докритических режимах облучения происходит сглаживание микрорельефа облучаемой поверхности. Результаты проведенного численного моделирования соответствуют экспериментальным данным [73];
5. Неустойчивость Релея-Тейлора может привести к перемешиванию приповерхностных слоев только в случае возмущений поверхности мишени, соответствующих определенному диапазону волновых чисел, который в свою очередь определяется режимом облучения.
6. Основным механизмом жидкофазного перемешивания является термокапиллярная конвекция. Увеличение скорости течения происходит до момента времени tel/lOtpe™ Отеплхарактерное время теплопроводности), пока вблизи поверхности существует плоский слой с растущей вглубь температурой;
7. Установлено влияние исходного состояния поверхности на глубину зоны перемешивания и однородность перемешивания. Полученные результаты глубины зоны перемешивания находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными;
8. При воздействии ультракоротких режимов облучения наблюдается увеличение скоростей деформаций растяжения. Большие скорости деформаций могут привести к существенно более интенсивной наработке дефектов кристаллической решетки и модификации материала при субнаносекундных длительностях облучения по сравнению со случаем облучения наносекундной длительности. Таким образом, па основе проведенных исследований построено теоретическое описание процессов перемешивания, протекающих в приповерхностных слоях облучаемой мишени, установлена связь между параметрами облучения, состоянием исходной поверхности и конечного результата обработки.
Полученные результаты можно использовать для прогнозирования результатов воздействия мощных потоков излучения на металлические мишени и решения задач по модификации материалов (сглаживание, массоперенос вещества в облучаемой мишени).
Список публикаций автора.
1. Лейви, А. Я. Нелинейная динамика границ в системе «пленка-подложка» под действием мощного потока излучения / А. Я. Лейви, А. Е. Майер, К. А. Талала, А. П. Яловец. // 14-я Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь. 28 февраля 3 марта 2005. Тезисы докладов. — Пермь, 2005. — С.87.
2. Лейви, А. Я. Динамика приповерхностных слоев конденсированных сред при облучении интенсивными потоками энергии / Н. Б. Волков, А. Я. Лейви, А. Е. Майер, К. А. Талала, А. П. Яловец // Забабахинские научные чтения. Тезисы докладов. — Снежинск, 2005.-С. 107−108.
3. А. Я. Лейви. Применение метода локального преобразования для описания нелинейной динамики слоев вещества при облучении / Н. Б. Волков, А. Я. Лейви, А. Е. Майер, К. А. Талала, А. П. Яловец. Тезисы / /XIV — Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2005), С. 18.
4. Leyvi, A.Y. The Simulation of Microcrater Formation on Pure Metal Targets Irradiated by an Intense Microsecond Electron Beam / A.E. Mayer, N.B. Volkov, A.Y. Leyvi, V.S. Kuznetsov, K.A. Talala. V.I. Engelko, and A.P. Yalovets // Изв. вузов. Физика. — 2006. -№ 8. Приложение. — С. 188−191.
5. A.Y. Leyvi The Effect of Subnanosecond Electron Pulse on The Solid / A.P. Yalovets, Leyvi, A.Y., N.B. Volkov, A.E. Mayer, K.A. Talala and J.E. Turovtseva // Изв. вузов. Физика. — 2006. — № 8. Приложение. — С. 177−180.
6. A.Y. Leyvi Simulation of the interaction of the ultra — short pulses of power electron and laser radiation with metals / N.B. Volkov, A.E. Mayer, A.Y. Leyvi, J.E. Turovtseva., A.P. Yalovets. // Изв. вузов. Физика. — 2006. — № 10. Приложение. — С.304−307.
7. Лейви, А.Я. О механизмах сглаживания микрорельефа поверхности мишени при облучении интенсивным потоком заряженных частиц / B.C. Красников, А. Я. Лейви, А. Е. Майер, А. П. Яловец // ЖТФ. — 2007. — Т. 77. — В. 4. — С. 41−49.
8. Лейви, А.Я. О воздействии мощных ультракоротких электронных пучков на металлические мишени / Н. Б. Волков. Н. Д. Кундикова, А. Я. Лейви, А. Е. Майер, А. П. Яловец // Письма в ЖТФ. — 2007. — Т. 33. — Вып. 2. — С. 43−52.
9. Лейви, А. Я. Динамика поверхностных слоев многослойных мишеней, облучаемых мощным электронным пучком / Н. Б. Волков, А. Я. Лейви, А. Е. Майер, К. А. Талала, А. П. Яловец // Физика экстремальных состояний вещества — 2007, Черноголовка: ИПХФ РАН, 2007, с. 70−73.
10. Лейви, А. Я. Динамика поверхностных слоев многослойных мишеней, облучаемых мощными потоками ускоренных заряженных частиц / Н. Б. Волков, А. Я. Лейви, А. Е. Майер, К. А. Талала, А. П. Яловсц // Забабахинские научные чтения: тезисы докладов. — 2007.-С. 250−251.
11.Lcyvi, A. Ya. The dynamics of near-surface target layers irradiated by intense particlc beams / A. Ya. Leyvi, N. B. Volkov, K.A. Talala, A.P. Yalovets // 9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows. — Томск, 2008. — P. 109 112.
12. Leyvi, A. Ya. The influence of initial Target surface state and irradiation parameters on the micro-craters formation/ A. Ya. Leyvi, A. E. Mayer, V. A. Shulov, A.P. Yalovets // 9-th International conference on modification of meterials with particle beams and plasma flows. -Томск, 2008. — P. 113−117.
