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《强脉冲离子束辐照热-力学效应研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第12卷 第2期强激光与粒子束Vol.12,No.22000年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,2000文章编号:1001-4322(2000)02-0249-05X强脉冲离子束辐照热-力学效应研究周 南,牛胜利,丁 升,邱爱慈(西北核技术研究所,西安710024) 摘 要:采用自行研制的ITSW软件通过数值模拟方法研究了不同能量离子束辐照材料时的能量沉积及所产生的烧蚀、喷射冲量及热激波等效应。 关键词:离子束;辐照效应;热激波 中图分类号:O571.33文献标识码:A 目前,离子束辐照被广泛地应用于核物理、原子物理、等离子
2、体物理和固体表面物理的各个领域,研究和分析脉冲离子束辐照材料时所产生的效应是十分有意义的。当脉冲离子束辐照材料与结构时,会产生与脉冲X射线和电子束辐照材料时类似的热2力学效应,对于离子束在材料中的能量沉积已有较多[1～4]研究,关于辐照产生的热激波等热2力学效应研究则尚未涉足。本文通过数值模拟研究分析了不同能量离子束辐照材料时所产生的熔融、汽化烧蚀和热激波传播等热2力学效应,以揭示脉冲离子束辐照材料所产生的效应的基本特征,为离子束辐照材料的改性与损伤以及模拟软X射线的辐照热2力学效应研究提供相关的理论基础。1 离子在物质中的能量沉积 离子与物质的相互作用包括:(1)与原
3、子束缚电子的非弹性碰撞,(2)与原子核的弹性碰撞,(3)与原子核的非弹性碰撞。显然,离子与物质相互作用的机理与电子是极其相似的。 离子与原子束缚电子的非弹性碰撞,使物质原子产生激发或电离(形成D电子),这时,离子损失其动能并将能量沉积在物质中。虽然从微观上看,由激发、电离引起的能量损失是一个不连续过程,但从宏观分析,离子进入材料后的能量衰减是一种集体效应,因此可以假定运动离子的能量损失是一连续过程,并认为只有在激发状态下离子才将能量沉积在物质中,而电离并不产生能量沉积。在离子能量沉积计算中,采用与电子相似方式进行输运过程的模拟。 对离子的碰撞阻止本领我们有dE2Zc1
4、D12(-)c=zk(B)[f(B)-lnI--](MeVõcmög),dSQAZ2(1)26222k(B)=0.307öB,f(B)=ln[1.022×10Bö(1-B)]-B式中z为入射离子相对电荷,对质子z=1,Z为物质的(等效)原子序数,A为物质的(等效)原子量,B为入射离子的相对速度(vöc),D1为密度效应对阻止截面的贡献,I为物质原子的(等效)电离能,以eV为单位,c1为考虑原子电子结合能的壳层修正,Q为物质密度。密度效应修正如下计算0,xx122其中x=0.5log[
5、Bö(1-B)];a,b,m,x0,x1是物质参数,例如对于铝有:I=164eV,a=0.0906,b=-4.21,m=3.51,x0=0.05,x1=3.0;对于硅有:I=172eV,a=0.075,b=-4.39,m=3.39,x0=0.1,X国家自然科学基金资助课题(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,研究员©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.250强激光与粒子束第12卷2x1=3.0。设入射离子的能量
6、密度为Ф(Jöcm),则入射离子数N为N=5ö%0,E0为单个离子的初始能量,而能量沉积为-1Ed=[5öQE0]dEödx[Jõg](3)[1]++ 为说明不同离子与材料相互作用时的能量沉积特征,利用Trim95程序,我们计算了单个H,C++及混合束H(50%)+C(50%)辐照铝和硅等材料的能量沉积剖面。计算结果表明,在所考虑的E0=0.5MeV～10MeV能量范围,能量沉积的贡献主要是离子与原子束缚电子的相互作用,其它相互作用的贡献很小,不足1%,可以忽略。不同材料的能量沉积剖面大体是相似的。图1分别给出了上述三种单个粒子在铝中的能量沉积剖面。不同离子辐照铝和硅时
7、的最大射程D随离子能量的变化如图2所示。由图1、图2可以看出,对于不同的离子辐照,能量沉积剖面的形状有很大差异。Fig.1TheenergydepositionprofileofionswithdifferentenergyinAl图1 不同能量质子在铝中的能量沉积剖面 对于质子辐照见图1(a),当能量比较低时,能量沉积剖面比较缓慢地单调上升,对于高能质子,则从表面开始存在一近于常值的能量沉积区。随着射程增加,在接近最大射程处能量沉积剖面迅速增加,并在最大射程附近达到峰值后骤然下降,形成陡峭的沉积剖面。随着质子能量的增加,其
