Пучковые технологии обработки материалов доцент кафедры ВЭПТ, д.ф.-м.н. Блейхер Г.А.

Физико-технический институт ТПУ
Кафедра водородной энергетики
и плазменных технологий
Пучковые технологии
обработки материалов
доцент кафедры ВЭПТ,
д.ф.-м.н. Блейхер Г.А.
634030, Томск, ул. Усова, 4А, ауд. 124
e-mail: [email protected].
Тел.: (3822) 563-792
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
3. Действие пучков заряженных частиц на
вещество
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.
8
3. Действие пучков заряженных
частиц на вещество
По длительности
можно подразделить на
воздействия
пучки
- 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.
●
Исследование
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
легирования материалов.
метод
поверхностного
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
поверхностных слоев в вакуум.
атомов
из
13
5.1. Ионная имплантация
Ионная бомбардировка позволяет изменять
практически все свойства приповерхностной
области твердого тела:
электрофизические;
механические
(прочность,
твердость,
коэффициент трения, износостойкость);
коррозионные;
каталитические;
оптические;
эмиссионные.
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
5.1. Ионная имплантация
● 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 Si3N4, SiC, SiO2),
- антикоррозионные покрытия,
-световоды, светоизлучающие диоды для разных диапазонов
длин волн,
-сверхпроводящие материалы.
16
5.1. Ионная имплантация
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,
сверхпроводящими,
каталитическими,
магнитными
и
электрическими).
Необходимая доза (флюенс ионов) для
обработки металлов – не ниже 1017 ион/см2.
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
электронно-стимулированные химические реакции,
(напр.,
- др.
18
5.2. Электронно-лучевые технологии
● Электронно-лучевая сварка
Широкое
применение
нашли
электронные источники с плазменным
катодом (Е0~ 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
5.2. Электронно-лучевые технологии
● 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.
20
5.2. Электронно-лучевые технологии
● 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.
21
5.2. Электронно-лучевые технологии
Электронно-лучевой энергокомплекс на основе электронной
пушки с плазменным катодом,
предназначен
для
нанесения
термоизносостойких покрытий, восстановления различных деталей
машин
и
металлургического
оборудования, сварки различных
металлов, в т.ч. и тугоплавких.
Внедрен на одном из
крупнейших в мире металлургическом производств – ЗападноСибирском
металлургическом
комбинате (г. Новокузнецк).
22
5.3. Модифицирование свойств
материалов с помощью мощных
импульсных пучков заряженных частиц
Параметры
МИП
ЗЧ,
генерируемых
современной ускорительной технике
на
а) МИП ионов
- энергия частиц 100..1000 кэВ;
- ток 103..105 А, плотность тока 10..1000 А/см2,
- плотность мощности 105..109 Вт/см2 ;
- длительность импульса 50..1000 нс;
- состав пучка: H+, Cn+, Nn+, Lin+ … Arn+.
23
5.3. Модифицирование свойств
материалов с помощью МИП ЗЧ
б) МИП электронов:
- низкоэнергетические
(десятки кэВ) электронные
пучки с плотностью тока до нескольких кА/см2 и с
длительностью импульса 10-6..10-3 с;
- высокоэнергетические (100..1000 кэВ и выше)
электронные пучки с длительностью импульса
10-8..10-6 с, с плотностью энергии 10..103 Дж/см2 за
импульс и плотности мощности 106..1010 Вт/см2.
24
Принципы формирования мощных импульсных
ионных и электронных пучков
Емкостные/магнитоимпульсные накопители энергии
Низкая мощность, < 109 Вт
В/в источник
Постоянного
тока
Высокая мощность, >109 Вт
Генератор
Импульсного
Напряжения
~ 1мкс
Заряд
постоянного
тока
Генератор
Импульсного
Напряжения
~ 100 нс
s
i- диод
e-диод
нс
25
Техническое оснащение:
Ионный ускоритель ТИУ-450
Ускоряющее напряжение (кВ)
250 – 300
Длительность импульса (нс)
60
Плотность тока
(А/см2)
100 – 250
Плотность энергии (Дж/см2)
1,2 – 3,8
Частота следования имп. (имп./мин.)
15 – 20
Электронный ускоритель
Энергия электронов
Ток пучка
550 кэВ
6.5 кА
Длительность импульса
60 нс
Частота следования, Гц
1- 5
Энергия в импульсе тока
200 Дж
26
Ускоритель ETIGO – II
3 МВ, 460 кА, 50 нс (Генератор)
1,3 МВ, 70 кА (диодный ток),
50 нс, 0,7 кА/см2
27
Параметры источников МИП применяемых
в области материаловедения
Ускорители
Основные части
Параметры ускорителей
Страна, лаборатория
QM-1
ускоритель
“RHEPP-1”
Магнитная компрессия импульса →
линейный сумматор → диод с
«активным анодом»
(размер: 4*3*2 м3)
1 МВ, 30кА, 100 нс
США, Национальные
лаборатории Сандия
“CHAMP”
Емкостной накопитель → ГИН →
МИД с плазменным анодом
(2*2*2 м3)
200 - 250 кэВ, 15kA, 1 мкс
(ионный пучок)
США, Лос Аламос,
Национальная
лаборатория
“ETIGO – II”
Генератор Маркса → ДФЛ → ТЛ
→ МИД с пассивным анодом
(20*3*3,5 м3)
3 МВ, 460 кА, 50 нс (Генератор)
1,3 МВ, 70 кА (диодный ток),
50 нс, 0,7 кА/см2
Япония, г.Нагаока
Университет
“ETIGO – IV”
Емкостной накопитель → МИГ →
МИД
(4x2,5x2.5)
400 кВ, 13 кА, 120 нс, 1 Гц
(Генератор)
Япония, г.Нагаока
Университет
Генератор Маркса → ФЛ
→ Пинч-диод
400 кВ, 3Ω, 50 нс
(Генератор)
180 кВ, 450 A/cм2, 65 нс
Япония, г. Кобе
«WERA»
Генератор Маркса → ДФЛ → МИД с
активным анодом
600 кВ, 8 Ω, 80 нс
(Генератор)
Ускорители
TEMP
Генератор Маркса → ДФЛ/МДФЛ →
МИД (различные типы)
200 - 450 кВ, 3 – 10 кА, 30 – 90
нс, (Генератор)
40 – 300A/cм2 (ионный пучок)
Россия, НИИ ЯФ,
НИИ ВН; КНР, г. Далянь,
г. Шеньян
Ускорители
MUK
Импульсный трансформатор → ДФЛ
→ МИД
100 – 150 кВ, до 3 кА,
20* - 200 нс, ионы металлов
Россия, НИИ ЯФ
Harima II
Россия, НИИ ЯФ
28
Поток исп. вещества
Механизмы воздействия
Пробег
i+ и e Волна напряжения
Охлаждение за счет теплопроводности
МИП i+ Aили e-
Волна напряжения
Модифицирование
29
5.3. Модифицирование свойств
материалов с помощью МИП ЗЧ
Диссипация энергии МИП ЗЧ с P= 106..109 Вт/см2
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 106..109 К/с).
30
5.3. Модифицирование свойств
материалов с помощью МИП ЗЧ
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.
31
5.3. Модифицирование свойств
материалов с помощью МИП ЗЧ
Применение МИП ЗЧ в технологиях модифицирования
свойств материалов
- прямое упрочнение изделий, повышение твердости;
- увеличение износостойкости поверхностных
уменьшение коэффициента трения;
слоев
и
- 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.
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
6. Моделирование воздействия МИП
ионов и электронов на вещество
Численная модель
совокупность
физического
явления
–
это
а) теоретической (математической) модели, обычно
представленной
в
виде
дифференциальных,
интегральных
или
интегродифференциальных
уравнений и соответствующих начальных и граничных
условий,
б) алгоритма численного решения.
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
(1) Модель поверхностного испарения (двухфазная
модель испарения) для пучков умеренной
интенсивности
Уравнение теплопроводности в системе координат,
связанной с испаряемой поверхностью:
ET ( z , t )
ET ( z , t )
 2T ( z , t )
 v f (T )

 W ( z , t ) (1)
2
t
z
z
ГУ на поверхности испарения:
W(z,t)
T

 v f  H (2)
z
–
пространственно-временная
функция
энерговыделения;
vf – скорость продвижения фронта испарения в глубину
мишени;
ΔН – разность энтальпий между паровой и
36
конденсированной фазами.
(1) Модель поверхностного испарения (двухфазная
модель испарения) для пучков умеренной
интенсивности
Скорость продвижения межфазной границы vf
описывается уравнением Герца-Кнудсена:
v f (T ) 
1
2mkT 1 / 2
( Psat (T )  P* )
,
(3)
где
Psat
–
давление
насыщенных
паров,
P* - гидростатическое давление перед поверхностью.
Толщина испарившегося слоя:
tev end
Z ev   v f (t )dt
0
37
(2) Гидродинамическая модель перехода
конденсированного вещества в пар для
высокоинтенсивных пучков
● Законы сохранения для сплошной среды:



u  
1
 divu  0;
 (u)u   P;
t
t

E 
1
1

 uE   Pdivu W  div(T ).
t


(4)
(5)
● Уравнения состояния вещества:
E  Ex ()  ET (, T )  Ee (, T );
(6)
P  Px ()  PT (, T )  Pe (, T ).
38
Функция энерговыделения:
1
W ( z, t )  j (t )G ( z )
e
+
1 - C ->Cu, E0=1000 кэВ
+
5
2 - C ->Cu, E0=100 кэВ
G(z), МэВ/см
10
+
3 - H ->Cu, E0=1000 кэВ
1
4
10
-
4 - e ->Cu, E0=10 кэВ
2
-
3
3
10
5 - e ->Cu, E0=100 кэВ
-
6 - e ->Cu, E0=1000 кэВ
4
2
10
5
6
1
10 -10
10
-8
10
-6
10
-4
10
-2
Z, м
10
G(z) – линейные потери энергии
при торможении частиц пучка в
веществе.
●
Интенсивность и энергоэффективность эрозии
определяются формой и размерами пространственновременной функции энерговыделения.
39
6. Моделирование воздействия МИП
ионов и электронов на вещество
3
T, 10 K
-
5
6000
+
4
C ->Cu,
E0=300 кэВ,
1
2
4000
1 - t = 60 нс;
2 - t = 120 нс;
3 - t = 500 нс
1
3
0
10
Т, К
3
2
2
3
5000
J=400 А/см , =120 нс
2
e ->Cu, E0=500 кэВ, F=300 Дж/см
1
2
1 -  =100 нс;
2 -  =2 мкс;
3 - =20 мкс
3000
2000
1000
20
30
Z, мкм
0
50
100
150
200
250
Z300
, мкс
Эволюция поля температур в меди под действием МИП
ионов и электронов
40
Эрозия под действием МИП ЗЧ
7
D, атом/частица
10
1
10
 = 100 нс
6
10
5
10
4
5
4
10
100
1
2
10
2
-
1 - e ->Cu, E0=1 МэВ
-
2 - e ->Cu, E0=500 кэВ
3
-
3 - e ->Cu, E0=100 кэВ
6
3
F, Дж/см
+
4 - H ->Cu, E0=2 МэВ
+
5 - H ->Cu, E0=300 кэВ
2
10
+
6 - C ->Cu, E0=300 кэВ
1
10
0
10
7
10
8
10
9
10
10
10
P, Вт/см
2
● Для любой комбинации «тип частиц
– их начальная энергия – длительность
импульса тока – вещество мишени»
характерен
свой
максимальный
коэффициент эрозии Dmax, которому
свойственно специфическое значение
плотности тока.
Зависимость
коэффициента эрозии,
вызванной испарением,
от плотности мощности
пучка P и плотности
энергии F.
41
Эрозия под действием МИП ЗЧ
Kev
0,8
 =100 нс
1 - e ->Cu
+
2 - C ->Cu
1
Ea, эВ/атом
60
<-Kev
0,6
2
0,4
Ea->
<-Kev
0,2
0,0
40
20
2
1
200
400
600
Ea->
800
● Существуют такие
режимы
облучения
МИП ЗЧ, в которых
почти вся энергия пучка
расходуется на удаление
атомов.
0
1000
E0, кэВ
Зависимость максимально возможной доли энергии
пучка (Kev), расходуемой на испарение, и минимальных
затрат энергии пучка на удаление одного атома с
поверхности мишени (Ea) от начальной энергии частиц
42
E0.
Модель тепловой эрозии для пучков заряженных
частиц умеренной интенсивности: сравнение
расчетов с экспериментальными данными
Условия облучения:
ионы: 60%H++40%C+;
- E0=500 кэВ;
- τ = 100 нс;
- угол
паденияо
пучка
на
мишень: (40..45) ;
- диаметр пучка: 50 мм;
d – расстояние между мишенью
и подложкой
16
Zdep, нм
1 - d=140 мм
2 - d=220 мм
12
1
8
2
4
0
4
6
8
10
12
14
16 2
F, Дж/см
Рис. 2
Толщина осажденной пленки за один импульс облучения
графитовой мишени на ускорителе «Вера» (НИИ ЯФ, г. Томск):
сплошные линии – расчет; точки – эксперимент*
* Струц
В.К., Матвиенко В.М., Петров А.В., Рябчиков А.И. Структура и свойства
содержащих фуллерены углеродных покрытий // Изв. ВУЗов. Физика. – 2009. –
№ 11/2. – С. 217-222.
43