强流脉冲碳离子束与钛靶相互作用的数值研究

摘要

强流脉冲离子束因其自身的诸多优越性，在材料领域里越来越受到重视。这种技术是利用短脉冲高功率密度的离子束辐照材料表面，引起材料表面快速加热和快速冷却来改变材料表面的结构和成分。这项技术在国内外已经展开了广泛的研究，如材料表面改性、薄膜生长、纳米粉的制备等。 强流脉冲离子束及其在靶材中沉积的能量是研究束流与靶材作用的基础。本文采用TIA-450强流脉冲碳离子加速器在不同参数下对钛靶进行处理，在此基础上采用Monte Carlo方法模拟离子在钛靶内能量的沉积，计算不同能量的单能离子束H+和C+入射时的射程，计算了离子能量为100kev、300kev和450kev时，H+和C+离子束与钛靶相互作用的能量分布及离子浓度一深度分布。计算结果表明：H+与钛靶相互作用过程中的能量损失在钛靶内部出现峰值，而C+在钛靶表面沉积较多的能量。H+与钛靶相互作用过程中的能量损失在钛靶内较深处，而C+在钛靶表面沉积较多的能量。束流含离子比例不同，传给靶材的能量分布不同，对靶材将产生作用效果不同。 用ABAQUS有限元软件，以单元死活表征汽化材料的体加载方式对靶材钛进行不同能量参数的强流脉冲离子束辐照热效应的模拟。模拟强流脉冲离子束辐照钛靶表面的温度场。在50纳秒的脉冲时间内，加速电压增大提高了靶材表层的升温速率，束流密度增大同样可提高了靶材表层的升温速率。跟据能量参数对靶材的不同热效应作用，可以选择不同的能量参数来达到HIPIB辐照靶材后不同的表面性能，达到强化的目的。气化单元在表层的随机分布体现了HIPIB离子的随机性。在较高离子能量辐照靶材表面时，靶材表层和内部材料几乎同时发生气化，推断可形成气态原子爆破式喷发，在靶材表面形成蚀坑。 通过对钛合金的实验分析得出，脉冲次数不同，离子在变化的靶材之中沉积的方式有所改变，凝固后组织结构对离子的射程和阻止有程度上的改变，体现在脉冲能量相同的情况下，脉冲次数不同表现的形貌出现差异。能量的增加导致沉积能量的增加，瞬间能量沉积产生的热应力和冲击波导致凝固时凹坑密度加大。表面形貌改变的根本原因是离子的能量，在相同离子能量下，次数不同发生的形貌变化则应该与靶材微晶化的程度有关。当束流密度较大时，才能出现显著硬度提高现象，是由于非平衡凝固的组织出现的结果，最可能的组织结构是微晶结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

一、材料的强流脉冲离子束处理技术简介

(一)TIA—450碳离子加速器结构及工作原理

(二)HIPIB的应用及与材料相互作用的特点

二、国内外的研究现状

三、本文的研究意义和内容

(一)主要意义

(二)研究内容

第二章离子束与物质的相互作用

一、离子与物质的碰撞

(一)离子与电子的相互作用

(二)离子与原子核的相互作用

二、离子在材料中的射程分布

三、离子与固体相互作用过程的Monte-Carlo模拟及TRIM程序

四、结论

第三章实验及分析

一、试验方法及其工艺参数

二、试验结果与分析

三、结论

第四章强流脉冲离子在材料中的分布与能量沉积

一、模拟结果与讨论

(一)单离子簇射

(二)核阻止本领和电子阻止本领

(三)射程分布

(四)能量分布

(五)复合能量分布

二、结论

第五章HIPIB辐照Ti靶的传热过程模拟分析

一、HIPIB辐照传热模型

(一)物理模型

(二)计算方法

二、体加载模型的建立

(一)建立模型

(二)HIPIB辐照Ti靶材的模拟结果与分析

三、脉冲结束后靶材表层的温度分布云图

四、结论

结论

参考文献

个人简历及在学期间的研究成果和发表的学术论文

致谢