強脈沖離子束輻照熱-力學效應研究

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1、第12卷　第2期強激光與粒子束Vol.12,No.22000年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,2000文章編號:1001-4322(2000)02-0249-05X強脈沖離子束輻照熱-力學效應研究周　南,牛勝利,丁　升,邱愛慈(西北核技術研究所,西安710024)　　摘　要:采用自行研制的ITSW軟件通過數(shù)值模擬方法研究了不同能量離子束輻照材料時的能量沉積及所產(chǎn)生的燒蝕、噴射沖量及熱激波等效應?！　￡P鍵詞:離子束;輻照效應;熱激波　　中圖分類號:O571.33文獻標識碼:A　　目前,離子束輻照被廣泛地應用于核物理、原子物理、等離子

2、體物理和固體表面物理的各個領域,研究和分析脈沖離子束輻照材料時所產(chǎn)生的效應是十分有意義的。當脈沖離子束輻照材料與結(jié)構(gòu)時,會產(chǎn)生與脈沖X射線和電子束輻照材料時類似的熱2力學效應,對于離子束在材料中的能量沉積已有較多[1～4]研究,關于輻照產(chǎn)生的熱激波等熱2力學效應研究則尚未涉足。本文通過數(shù)值模擬研究分析了不同能量離子束輻照材料時所產(chǎn)生的熔融、汽化燒蝕和熱激波傳播等熱2力學效應,以揭示脈沖離子束輻照材料所產(chǎn)生的效應的基本特征,為離子束輻照材料的改性與損傷以及模擬軟X射線的輻照熱2力學效應研究提供相關的理論基礎。1　離子在物質(zhì)中的能量沉積　　離子與物質(zhì)的相互作用包括:(1)與原

3、子束縛電子的非彈性碰撞,(2)與原子核的彈性碰撞,(3)與原子核的非彈性碰撞。顯然,離子與物質(zhì)相互作用的機理與電子是極其相似的?！　‰x子與原子束縛電子的非彈性碰撞,使物質(zhì)原子產(chǎn)生激發(fā)或電離(形成D電子),這時,離子損失其動能并將能量沉積在物質(zhì)中。雖然從微觀上看,由激發(fā)、電離引起的能量損失是一個不連續(xù)過程,但從宏觀分析,離子進入材料后的能量衰減是一種集體效應,因此可以假定運動離子的能量損失是一連續(xù)過程,并認為只有在激發(fā)狀態(tài)下離子才將能量沉積在物質(zhì)中,而電離并不產(chǎn)生能量沉積。在離子能量沉積計算中,采用與電子相似方式進行輸運過程的模擬?！　﹄x子的碰撞阻止本領我們有dE2Zc1

4、D12(-)c=zk(B)[f(B)-lnI--](MeV?cm?g),dSQAZ2(1)26222k(B)=0.307?B,f(B)=ln[1.022×10B?(1-B)]-B式中z為入射離子相對電荷,對質(zhì)子z=1,Z為物質(zhì)的(等效)原子序數(shù),A為物質(zhì)的(等效)原子量,B為入射離子的相對速度(v?c),D1為密度效應對阻止截面的貢獻,I為物質(zhì)原子的(等效)電離能,以eV為單位,c1為考慮原子電子結(jié)合能的殼層修正,Q為物質(zhì)密度。密度效應修正如下計算0,xx122其中x=0.5log[

5、B?(1-B)];a,b,m,x0,x1是物質(zhì)參數(shù),例如對于鋁有:I=164eV,a=0.0906,b=-4.21,m=3.51,x0=0.05,x1=3.0;對于硅有:I=172eV,a=0.075,b=-4.39,m=3.39,x0=0.1,X國家自然科學基金資助課題(19975037)1999年6月24日收到原稿,2000年3月16日收到修改稿。周　南,男,1941年8月出生,研究員?1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.250強激光與粒子束第12卷2x1=3.0。設入射離子的能量

6、密度為Ф(J?cm),則入射離子數(shù)N為N=5?%0,E0為單個離子的初始能量,而能量沉積為-1Ed=[5?QE0]dE?dx[J?g](3)[1]++　　為說明不同離子與材料相互作用時的能量沉積特征,利用Trim95程序,我們計算了單個H,C++及混合束H(50%)+C(50%)輻照鋁和硅等材料的能量沉積剖面。計算結(jié)果表明,在所考慮的E0=0.5MeV～10MeV能量范圍,能量沉積的貢獻主要是離子與原子束縛電子的相互作用,其它相互作用的貢獻很小,不足1%,可以忽略。不同材料的能量沉積剖面大體是相似的。圖1分別給出了上述三種單個粒子在鋁中的能量沉積剖面。不同離子輻照鋁和硅時

7、的最大射程D隨離子能量的變化如圖2所示。由圖1、圖2可以看出,對于不同的離子輻照,能量沉積剖面的形狀有很大差異。Fig.1TheenergydepositionprofileofionswithdifferentenergyinAl圖1　不同能量質(zhì)子在鋁中的能量沉積剖面　　對于質(zhì)子輻照見圖1(a),當能量比較低時,能量沉積剖面比較緩慢地單調(diào)上升,對于高能質(zhì)子,則從表面開始存在一近于常值的能量沉積區(qū)。隨著射程增加,在接近最大射程處能量沉積剖面迅速增加,并在最大射程附近達到峰值后驟然下降,形成陡峭的沉積剖面。隨著質(zhì)子能量的增加,其