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1、第13卷 第4期强激光与粒子束Vol.13,No.42001年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2001文章编号:100124322(2001)0420456205①强脉冲离子束辐照金属材料表面热力学效应计算乐小云, 赵渭江, 颜 莎, 韩宝玺, 向 伟(北京大学重离子物理研究所,北京100871) 摘 要:简要讨论了强脉冲离子束与金属靶材料相互作用的理论模型,以此为基础应用2数值计算的方法模拟计算了离子能量为1.0MeV和300keV,束流密度分别为10Aöcm
2、,50Aö22cm和100Aöcm的质子束与金属铝靶材料相互作用时的热力学效应,给出了铝在辐照后内部的温度分布、温度梯度分布,以及温度变化速率(加热速率与冷却速率)、热激波的产生与传播过程及应力等模拟计算结果。 关键词:强脉冲离子束;热力学效应;数值模拟;材料表面改性 中图分类号:O571.33文献标识码:A 强脉冲离子束(IPIB)技术是在研究轻离子惯性约束核聚变的过程中于七十年代末、八十年代初发[1,2]展起来的。近年在其他领域,特别是在金属材料的表面改性、镀膜、纳米粉末的制造等方面显示良好[3
3、][4]的应用前景。IPIB与激光、电子束等其他高能量粒子束相比,具有明显特点:(1)IPIB在拥有大束斑2(约100cm)的同时其能量在时间和空间上高度集中,如:材料改性常用300keV质子束的平均射程仅约1Lm;(2)IPIB具有极高的能量沉积耦合效率,几乎达到100%,其总转换效率(从电源插座到出束)可超过10%。462 迄今为止,已有若干小组开展了对10～10Aöcm的超高强度强脉冲离子束与物质相互作用的数[5～7]值模拟计算,这种强度的IPIB可进行等离子体研究或者模拟X射线、辐照效应,但不适
4、用于材料表2面改性应用。材料表面改性技术要求离子能量在几百keV,流强一般从几十到几百Aöcm,金属材料通常经历固态升温、熔融,或者气化等过程,此时前两个过程中IPIB与材料间的热力学作用特性是不可忽略的。针对该参数范围的数值模拟计算对于了解、研究强脉冲离子束材料表面改性机理与发展这一工艺是非常有意义的,然而目前还没有相关的报道。 本文就材料表面改性技术的参数范围下,在计算了强脉冲能量快速沉积过程的基础之上,建立了考虑热传导因素的热激波计算理论模型,利用开发的STEIPIB程序模拟计算了铝靶受到IPIB
5、辐照后的热力学过程,获得了包括温度、应力、比容等的分布与变化情况。1 理论模型1.1 离子脉冲能量沉积分布 对于IPIB而言,其特点是在极短的时间内产生并聚集大量的离子轰击材料表面。离子在轰击过程中将其能量传递给靶材料,其能损总体上分为两个部分:离子与靶原子中的电子相互作用的电子能损,以及离子与靶核相互作用的核能损。离子能损在能量较高时以核能损为主,但由于离子脉冲具有能谱结构,低能区占有相当比重,因此在计算能量沉积分布时,电子能损和核能损都需考虑在内。 根据实测数据拟合,单个离子脉冲的加速电压与束流强
6、度符合脉冲函数t-t0pt-t0y=A[1-exp(-)]exp(-)(1)t1t2式中:A,p,t0,t1,t2系由实际加速电压与电流所决定的常数。图1展示了一典型的加速电压与离子束流①收稿日期:2000209210;修订日期:2001204216基金项目:国家自然科学基金资助课题(19975003);教育部博士点研究基金资助课题(98000151)作者简介:乐小云(19632),女,博士生;E2mail:wjzhao@pku.edu.cn.©1995-2005TsinghuaTongfangOptic
7、alDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第4期乐小云等:强脉冲离子束辐照金属材料表面热力学效应计算4578强的曲线,其中电流密度所对应的参数为:A=1.7248×10,p=4.55715,t1=413.14,t2=19.315。图22给出了300keV,100Aöcm的IPIB的能量密度的变化。Fig.1FittedvoltageandcurrentcurveFig.2Powerdensityof300keV,100Aöcm2H++C+beam图1 拟合的加速电压与电流密度曲线图2
8、300keV,100Aöcm2的H++C+离子束能量密度 具有连续能量谱的IPIB,束流密度极高,故设束中的离子数能以统计的方式进行采样,从而保证:(1)选择足够小的时间间隔,以使其间离子的能量取平均值Ei(t)=qeV(t),q为离子电荷态,V(t)为加速电压,Ei(t)为离子能量;(2)使用国际通用的TRIM程序计算离子在靶中的能量沉积分布。 基于以上假设,对每一时间间隔dt,IPIB在靶表面某一深度x处厚为dx区间内
