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: bga@tpu.ru. 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 2mkT 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 divu 0; (u)u P; t t E 1 1 uE 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