Энергообмен между потоками ионов и поверхностями конструкционных материалов Шкарбан И.И.

ГОСУДАРСТВБННЫЙ КОМИТБТ РОССИЙСКОЙ ФБДБРАЦИИ ПО ВЫСШБМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВБННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (Технический университет) И.И. ШКАРБАН ЭНЕРГООВМЕН МЕЖДУ ПОТОКАМИ ИОНОВ И ПОВЕРХНОСТЯМИ КОНТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие Утверждено на заседания редсовета 22 нарта 1993 г. Москва Издательство МАИ 1994 Шкарбан И.И. Энергообмен между потоками ионов н поверхностями конструкционных материалов: Учебное пособие.

— М.: Изд-во МАИ, 1994.— 44 с.: ил. Даются основные сведения о процессах, связанных с энергообменом и массообменом между ионизированными потоками атомарных частиц и поверхностями конструкционных материалов. Анализируются особенности процессов взаимодействия ионных потоков с поверхностями, влияющих на энерго- и массообмен, Рассматривается влияние условий облучения поверхности: наличия адсорбента, угол падения ионов на поверхность, энергия ионов, их масса Приводятся описания наиболее распространенных методик получения коэффициентов аккомодации энергии и коэффициентов распыления. Материал необходим при выполнении студентами курсовых и дипломных работ, связанных с разработкой вакуумных установок, различных устройств, предназначенных для получения ионных и плазменных потоков.

Рецензенты: В.Е. Юрасова, Ю.В. Мартыненко [ « ЯИ 5-тОЗ 5-1 В«О-н © мсснснский сия«ли«нина ни«синус, 1994 ВВЕДЕНИЕ Взаимодействие разреженных атомарных ионизированных потоков с поверхностью твердого тела происходит в различного рода устройствах, находящих все более широкое применение в научно-исследовательской и производственной деятельности. Поэтому знание закономерностей вышеупомянутого взаимодействия становится необходимым специалистам, занимающимся научными изысканиями, и инженерам, проектирующим различные источники потоков таких частиц или испОльзующим их.

Одним из важнейших аспектов взаимодействия является энерго- обмен между такими потоками и поверхностями. Строго говоря, обмен энергией между потоками частиц атомного масштаба (нейтральные атомы, ионы, молекулы) и поверхностью твердого тела сопровождается и массообменом между ними. Однако во многих случаях массо- обмен между потоками и поверхностями (часто используется термин «распыление» илн даже «катодное раснылеииен) вносит относительно небольшой вклад в процесс переноса энергии к поверхности. Массо- обмен между потоком ионов и поверхностью определяет изменение геометрии облучаемой поверхности и как следствие — работоспособность и ресурс источников ионов или плазмы. Если поток ионов используется в технологических целях для формирования поверхности, то интенсивность массообмена определяет возможности разработанной технологии, в частности производительность.

В равд.1 пособия проблема массообмена обсудается лишь там, где это необходимо для понимания энергообмена. Практически всегда облучение атомарными частицами поверхностей происходит в условиях, когда газ„составляющий окружающую среду, является разреженным. При этом под разреженным газом подразумевается такое состояние газообразной среды, когда отношеняе длины свободного пробега атомов газа Х больше характерного размера обтекаемой поверхности Ь или исследуемого объема. Их отношение ь называется критерием Кнудсена: К„ = — .

Таким образом. рассматриваемые нами задачи будут относиться к области, в которой Кн > > 1. Скорости потоков атомарных частиц, реально встречающихся на практике, варьируются в чрезвычайно широком интервале значений и, соответственно, энергии потоков могут быть весьма различны. Потоки, полученные при газодинамическом разгоне в различных соплах, теоре- тически мо т обладать скоростями, не превышающими значения 2т Я То В~~, = —; Е, — универсальная газовая постоянная; М кг/моль — масса молЯ газа; 7 = —, — коэффициент ПУассона; То — темя пература газа перед соплом, в котором (для одноатомных газов 7 = 1,67, для двухатомных Т= 1,4, для трехатомных 7= 1,3) происходит ускорение. Таким методом можно получить потоки частиц, энергии которых составг г т1ы 7 .й„ т11« ляет = — "ТО или 2 —— КТо, где К= 1,38 10 2 7- 1 Ф~, 2 7- 1 Дж/К или К= 8,63 10 эВ/К вЂ” постоянная Больцмана, При нагреве газа до То= 104 (случай использования плазменного разряда в камере перед соплом) можно получить энергию атомов Е - 1,38 Дж/ат = 0,863 эВ.

По-видимому, значение энергии в -1 эВ может рассматриваться как пределььное для такого метода ускорения. Такой уровень энергии и меньше будем называть тепловыми энергиями. Значительно болыпие энергии можно получить, ускоряя заряжен- ные (ионизированные) потоки в электростатических полях. Диапазон энергий 10 ... 10г будем называть малыми энергиями, диапазон 10'... 10~ — средними энергиями и диапазон Е> 10~ — большими энергиями.

(В ядерной физике малыми энергиями считаются энергии Е< 10~ эВ.) В этой работе нас будет интересовать энергообмен между пото- ками малых и средних энергий с поверхностями. С энергообменом при тепловых энергиях можно ознакомиться в работах [1,2).

Отметим, что мы будем рассматривать только направленные потоки, т.е. такие, в которых все атомы движутся вдоль какого-либо одного направления. Поперечная составляющая скорости таких потоков равна нулю. «Температура» таких потоков — синоним кинетической энергии их поступательного движения: т1ю 2 = КТ. Так как энергообмен сопровождается рядом сопутствующих процессов, та- 1 ких, как отражение ионов, распыление Г г повер остей, ад орбц ~, вторичная 3 Ф 8 я- Ф электронная эмиссия, влияющих на энергообмен, то в равд.

1 приводятся некоторые сведения об этих процессах, о анализируется нх возможный вклад в О энергообмен. На рис. 1 показаны основ- О О ные процессы, определшощне энергооб- О О О О мен между потоками и поверхностями. О « На рис. 1 обозначено: 1 — первичные ионы (атомы) падающего потока; 2— Рис. 1 отраженные частицы падающего потока; 3 — распыленные атомы тела; 4 — распыленные атомы адсорбата; 5 — вторичные электроны; 6 — застрявшие частицы первичного потока. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Для количественного описания процесса энергообмена между потоком ионов и поверхностями широко испольЗуется такая интегральная величина, как коэффициент аккомодации энергии. Чаще всего эта величина обозначается так: Ем Е« а = —, Е где Ем — энергия, восприняты облучаемой поверхностью;Ео — энергия падающего потока; Е, — энергия самой поверхности, т.е. та энергия, которую приобрели бы частицы, если бы они находились в термодинамическом равновесии с поверхностью; Е, = КТ ; Т„ — температура поверхности, В таком виде коэффициент аккомодации энергии имеет смысл записывать, если энергия падающих частиц имеет значение, соответствующее диапазону тепловых энергий.

Так, даже при температурах кипения металлов Т„„-4000 К имеет Е, = 0,35 эВ. Таким образом, величиной Е, можно пренебречь при энергиях пад ающих частиц, больших 5...10 эВ, что соответствует, например, энергии атомов или молекул, падающих на поверхность спутника, движущегося в верхних слоях атмосферы Земли. В этом случае Ем Ео Еотв Еотв ал= — = в 1 — —.

Ео Ео Ео ' ЗдесьЕ „— энергия, отводимая от поверхности различными процессами при облучении ее потоками атомов или ионов. Возможные процессы (рис. 1). 1. Отражение падающих частиц от поверхности с энергией Ей. П. Распыление атомов или молекул окружающей среды (остаточной атмосферы), осажденных предварительно на поверхности в результате процесса адсорбции (Фо и ń— количество отраженных частиц и их средняя энергия соответственно). П1. Распыление атомов самой поверхности, которые покидают цоверхность со средней энергией Е, ( )У вЂ” число таких атомов).

1У. Унес энергии с электронами, покидающими поверхность в результате вторичной ионна-электронной эмиссии: 7 — коэффициент вторично ионно-электронной эмиссии. У. Электромагнитное излучение поверхности, возникающее при облучении ее потоками высокоскоростных ионов или атомов. Остановимся кратко на каждом из этих процессов. 1. При взаимодействии атомарных потоков средних и высоких (в нашем понимании) энергий с поверхностью твердого тела отражение первичного потока является процессом, определяющим, как правило, энергообмен, При средних энергиях (Ео — 10з эВ) происходит отражение ионов от поверхностного слоя бомбардируемой мишени. Доля таких отраженных частиц может быть весьма велика, При этом их энергетический спектр простирается от энергий относительно малых (-нескольких электрон-вольт) до энергий, близких энергии основного потока.