轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟

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1、第16卷　第12期强激光与粒子束Vol.16,No.122004年12月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSDec.,2004文章编号:100124322(2004)1221598205X轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟于永　,　王浪平,　王小峰,　汤宝寅,甘孔银,　刘洪喜,　王宇航,　王松雁(哈尔滨工业大学材料学院现代焊接生产技术国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150001)　　摘　要:利用轴对称PIC模型对轴承滚珠等离子体浸没离子注入(PIII)过程进行了数值模拟,对归一化电势的扩展情况进行了研究。在滚珠批量处理过程中,为了避免相邻滚珠周围鞘层的相互

2、重叠对注入均匀性造成不良影响,对滚珠在靶台上摆放的最小距离进行了数值计算,计算结果表明:在电压为-40kV,氮等离子9-3体密度为4.8×10cm,脉冲宽度为10μs时,滚珠摆放的最小距离应大于34.18cm。分析了滚珠圆周方向注入剂量的分布情况,针对静止滚珠改性处理后剂量分布很不均匀的问题,通过旋转靶台使滚珠注入均匀性明显得到改善。利用朗谬尔探针测量了滚珠周围鞘层扩展的情况测量,模拟结果和实验测量结果相吻合,最大相对误差小于8.4%。　　关键词:等离子体浸没离子注入;　鞘层动力学数值模拟;　注入剂量均匀性　　中图分类号:TG172.44文献标识码:A20世纪80年代末发展起来的等离

3、子体浸没离子注入(PIII)技术,实现了对复杂形状零件任意表面同时、[1,2]垂直和均匀的离子注入处理,克服了传统束线离子注入的直射性限制,并且能够快速处理各种复杂形状的[3,4]工业轴承套圈和滚动体。在PIII过程中,在被高密度等离子体包围的待处理工件上加一个负高压脉冲,工件周围将形成一定厚度的、包围着工件的正离子阵鞘层,正离子被鞘层位降所加速,向工件高速运动,注入到工[5][6]件表面。因此注入阶段鞘层在空间的扩展情况直接关系到最终注入剂量分布的均匀性。为了避免轴承滚珠批量处理过程中鞘层相互重叠对注入均匀性所造成的影响,有必要对滚珠周围鞘层的扩展情况进行研究。[7～10]目前主要

4、利用流体动力学模型或PIC模型对平面靶、柱形靶和球形靶周围的鞘层扩展情况进行研究,本文采用轴对称PIC模型对轴承滚珠批量处理过程中鞘层的运动情况进行模拟。由于鞘层的几何尺寸仅与初始电压和等离子体密度等系统参数有关,因此对滚珠进行批量处理时,可以认为几何尺寸相同的滚珠周围鞘层的厚度相同,这样只要对单个滚珠周围的鞘层扩展情况进行模拟计算,就可以推算出批量处理时滚珠在旋转靶台上摆放的最小距离,以避免相邻滚珠周围鞘层的相互重叠对注入均匀性造成的不良影响。1　理论模型　　采用轴对称PIC模型对气体等离子体在真空室中的运动情况进行了模拟。由于等离子体的运动空间左右对称,并且气体等离子体密度分布是

5、均匀的,因此可以将模拟区域取为等离子体实际运动区域的一半,如图1所示。模拟区域的两个坐标轴分别为r和z轴。　　为了建立等离子体注入过程中的理论模型,对等离子体运动过程做了如下假设:等离子体在运动过程中相互之间不发生碰撞,电子处于热平衡状态;真空室中磁场强度为零;并且在初始鞘层形成过程中,电子的运动立刻产生,而离子密度并不发生变化;在初始鞘层边缘,电场强度为零,电位为等离子体电位;所加电压的绝对值远远大Fig.1Schematicofsimulationarea于kTe/e,k为Boltzmann常数,Te为电子温度,e为电子电量。图1　模拟区域示意图+　　根据以上假设条件,可以用以下

6、几个方程来描述N等离子体的运动过程。空间任意位置的电子密度ne,由Boltzmann方程来描述:ne=n0exp[e(<-

7、　　　　　　于永　等:轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟1599式中:n0为等离子体密度;<为空间任意位置电势;