資源描述：
《強(qiáng)脈沖離子束輻照金屬材料表面熱力學(xué)效應(yīng)計(jì)算》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、第13卷 第4期強(qiáng)激光與粒子束Vol.13,No.42001年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2001文章編號(hào):100124322(2001)0420456205①?gòu)?qiáng)脈沖離子束輻照金屬材料表面熱力學(xué)效應(yīng)計(jì)算樂(lè)小云, 趙渭江, 顏 莎, 韓寶璽, 向 偉(北京大學(xué)重離子物理研究所,北京100871) 摘 要:簡(jiǎn)要討論了強(qiáng)脈沖離子束與金屬靶材料相互作用的理論模型,以此為基礎(chǔ)應(yīng)用2數(shù)值計(jì)算的方法模擬計(jì)算了離子能量為1.0MeV和300keV,束流密度分別為10A?cm
2、,50A?22cm和100A?cm的質(zhì)子束與金屬鋁靶材料相互作用時(shí)的熱力學(xué)效應(yīng),給出了鋁在輻照后內(nèi)部的溫度分布、溫度梯度分布,以及溫度變化速率(加熱速率與冷卻速率)、熱激波的產(chǎn)生與傳播過(guò)程及應(yīng)力等模擬計(jì)算結(jié)果?！ ￡P(guān)鍵詞:強(qiáng)脈沖離子束;熱力學(xué)效應(yīng);數(shù)值模擬;材料表面改性 中圖分類(lèi)號(hào):O571.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 強(qiáng)脈沖離子束(IPIB)技術(shù)是在研究輕離子慣性約束核聚變的過(guò)程中于七十年代末、八十年代初發(fā)[1,2]展起來(lái)的。近年在其他領(lǐng)域,特別是在金屬材料的表面改性、鍍膜、納米粉末的制造等方面顯示良好[3
3、][4]的應(yīng)用前景。IPIB與激光、電子束等其他高能量粒子束相比,具有明顯特點(diǎn):(1)IPIB在擁有大束斑2(約100cm)的同時(shí)其能量在時(shí)間和空間上高度集中,如:材料改性常用300keV質(zhì)子束的平均射程僅約1Lm;(2)IPIB具有極高的能量沉積耦合效率,幾乎達(dá)到100%,其總轉(zhuǎn)換效率(從電源插座到出束)可超過(guò)10%。462 迄今為止,已有若干小組開(kāi)展了對(duì)10～10A?cm的超高強(qiáng)度強(qiáng)脈沖離子束與物質(zhì)相互作用的數(shù)[5～7]值模擬計(jì)算,這種強(qiáng)度的IPIB可進(jìn)行等離子體研究或者模擬X射線(xiàn)、輻照效應(yīng),但不適
4、用于材料表2面改性應(yīng)用。材料表面改性技術(shù)要求離子能量在幾百keV,流強(qiáng)一般從幾十到幾百A?cm,金屬材料通常經(jīng)歷固態(tài)升溫、熔融,或者氣化等過(guò)程,此時(shí)前兩個(gè)過(guò)程中IPIB與材料間的熱力學(xué)作用特性是不可忽略的。針對(duì)該參數(shù)范圍的數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)于了解、研究強(qiáng)脈沖離子束材料表面改性機(jī)理與發(fā)展這一工藝是非常有意義的,然而目前還沒(méi)有相關(guān)的報(bào)道?！ ”疚木筒牧媳砻娓男约夹g(shù)的參數(shù)范圍下,在計(jì)算了強(qiáng)脈沖能量快速沉積過(guò)程的基礎(chǔ)之上,建立了考慮熱傳導(dǎo)因素的熱激波計(jì)算理論模型,利用開(kāi)發(fā)的STEIPIB程序模擬計(jì)算了鋁靶受到IPIB
5、輻照后的熱力學(xué)過(guò)程,獲得了包括溫度、應(yīng)力、比容等的分布與變化情況。1 理論模型1.1 離子脈沖能量沉積分布 對(duì)于IPIB而言,其特點(diǎn)是在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并聚集大量的離子轟擊材料表面。離子在轟擊過(guò)程中將其能量傳遞給靶材料,其能損總體上分為兩個(gè)部分:離子與靶原子中的電子相互作用的電子能損,以及離子與靶核相互作用的核能損。離子能損在能量較高時(shí)以核能損為主,但由于離子脈沖具有能譜結(jié)構(gòu),低能區(qū)占有相當(dāng)比重,因此在計(jì)算能量沉積分布時(shí),電子能損和核能損都需考慮在內(nèi)。 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合,單個(gè)離子脈沖的加速電壓與束流強(qiáng)
6、度符合脈沖函數(shù)t-t0pt-t0y=A[1-exp(-)]exp(-)(1)t1t2式中:A,p,t0,t1,t2系由實(shí)際加速電壓與電流所決定的常數(shù)。圖1展示了一典型的加速電壓與離子束流①收稿日期:2000209210;修訂日期:2001204216基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助課題(19975003);教育部博士點(diǎn)研究基金資助課題(98000151)作者簡(jiǎn)介:樂(lè)小云(19632),女,博士生;E2mail:wjzhao@pku.edu.cn.?1995-2005TsinghuaTongfangOptic
7、alDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第4期樂(lè)小云等:強(qiáng)脈沖離子束輻照金屬材料表面熱力學(xué)效應(yīng)計(jì)算4578強(qiáng)的曲線(xiàn),其中電流密度所對(duì)應(yīng)的參數(shù)為:A=1.7248×10,p=4.55715,t1=413.14,t2=19.315。圖22給出了300keV,100A?cm的IPIB的能量密度的變化。Fig.1FittedvoltageandcurrentcurveFig.2Powerdensityof300keV,100A?cm2H++C+beam圖1 擬合的加速電壓與電流密度曲線(xiàn)圖2
8、300keV,100A?cm2的H++C+離子束能量密度 具有連續(xù)能量譜的IPIB,束流密度極高,故設(shè)束中的離子數(shù)能以統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行采樣,從而保證:(1)選擇足夠小的時(shí)間間隔,以使其間離子的能量取平均值Ei(t)=qeV(t),q為離子電荷態(tài),V(t)為加速電壓,Ei(t)為離子能量;(2)使用國(guó)際通用的TRIM程序計(jì)算離子在靶中的能量沉積分布?！ 』谝陨霞僭O(shè),對(duì)每一時(shí)間間隔dt,IPIB在靶表面某一深度x處厚為dx區(qū)間內(nèi)
