Энергообмен между потоками ионов и поверхностями конструкционных материалов Шкарбан И.И., страница 7

На пластины плоского конденсатора подавалось отклоняющее напряжение. 4. При включенном отклоняющем напряжении на пластинах конден сатора в поток вводилась исследуемая мишень и измерялась зависимость температуры от излучения источника и накального катода (фоновое излучение).

Через 3 — 5 мин (в зависимости от толщины мишени) фоновое излучение выходило на некоторый ст>щионарный уровень. 5. Отключалось напрюкение на обкладках конденсатора. Поверхность мишени разогревалась потоком плазмы источника. При этом производилась дальнейшая запись изменения температуры. Наблю- 37 Е,=ки е, т.е. Ст (дуlд )о а= К= 0,72...

0,85. КУи (5.3) яме зз Ст д ~ 1у — — а Ем ао (~ — 7„,) дТ! (5.4) г«м ««зз«ъж«««мъ««»»з»з«ммъ «зги" а ы обусловленный процессом энердался Резкий прирост температуры, у н гообмена между поверхностью мишени и потоком частиц ио ь подавалось запирающее на- 6. На обхладки конденсатора вновь п ние — мишень остывала до первоначальной температуры фоноен . Д б алась в «теневую» сторону за завого излучен . Д ения.

Далее мишень у ир производилась запись измещитную д а диафрагму. При этом постоянно пения температуры мишени. На ис. 28 показано изменение температур ы мишени в процессе ента (на астке 1 подано напряжение на обкладки отуществляется лишь за его конденсатора). Нагрев мншени осущ Ц че ез коллимнрующее отверстие Сосчет излучения источника Цмз через кол стояние мишени описывается уравнением Ст ~=0 ...~(,, ~„) дТ~ м ~ ' Р(Т Т)- (51) мз Вто ой и третий члены в правой части опи и описывают отвод тепла от ы Р торо и оводностью через нити термопары; мишени излучением и теплопров à — площадь поперечного сечения термо— поверхность мишени; пары; 1 — д — лина термопарных выводов. астины конденсатора не подается На участке П напряжение на пластин и состояние мишени описываетс ур я ввнением ь Ст — — а — Е; — Дм,— ЕаОЕм (7~~ — 7~„) — -Г,(ТП- Т), (5.2) тдт~П ~Е 1 из О м П вЂ” с е ний ионный где а — коэффицие фф иент аккомомдации энергии; Х вЂ” средний ионны" ток; е — заряд электрона.

Вычитая из второго уравнения первое„ получаем 4 Ст = а=В саоЕм(зп- ф- «( и дт. П е В начале второго Участка Тп= Тг и Ст ~~ = а=В„отсюда дм |« а= Ст — =Е; дт е Сре н я энергия бомбардирующих ионов определяется с по- мощью энергомассоанализатора. Считая яоны одноразрядными, ее можно в первом приближении определить как На участке 1П напряжение вновь подается на конденсатор, и поток частиц на мишень не попадает. Простой анализ показывает, что сумма градиентов температур на участках П и П1, взятых при одной и той же температуре, всегда равен что является дополнительным контролирующим моментом. Участок 1У получается, когда мишень выводится из потока и находится за охлаждаемой диафрагмой.

Ве состояние описывается урав- нением с точностью до теплоотвода через термопару. Таким образом, на этом участке может быть измерена теплоемкость мишени (если она была неизвестна) или, вернее, отношение С/е, Бели неизвестной величиной является степень черноты тела е, то для повышения точности эксперимента приходится «чернить» нанесе- нием тончайшего графитового слоя все поверхности мишени (боко- вую, лицевую, «теневую»). Изменение массы мишени при этом не пре- вышало 0,5%. Эксперименты, проведенные на различных мишенях, пОказали, Е что коэффициент аккомодации энергии а= — лежит в интервале Е; 0,4...0,8 для диапазона энергий 100...300 эВ.

С ростом энергии ионов а увеличивается кюс для металлов, так и для диэлектриков (см. Рис. 18, 19 и 20). Когда проводят ясследования по энергообмену при относительно малых энергиях ионов, то болыпое внимание должно быть уделено изучению: самого бомбардирующего потока; возможных дополнительных факторов, влияющих на процесс получения аяытных данных и искажающих сами результаты; возникающих систематических погрешностей, которые могут привести к искажению выводов, следующих из анализа эксперимента.

Как уже указывалось, отличительной особенностью используемых в качестве источников ионов Е-Н-ускорителей является значительный разброс частиц по энергиям. Измерения энергетических распределений во всех случаях показали, что они могут быть весьма удовлетворительно описаны функцией нормальяых распределений. Это значительно облегчит обработку результатов экспериментов. При этом следует отметить, что максимумы распределеяия одно- двух- и даже трехкратно заряженных (к„) ионов в координатах и = У вЂ” практически совпадают (здесь Я вЂ” за- Ж рядность иона).

Вместе с тем эти же эксперименты показали, что из-за значительного энергетического разброса ионов, получаемых в опытах, данные о коэффициентах аккомодации энергии могут быть рассмотрены лишь как осредненные величины для диапазона энергий, определяемого энергетическим разбросом частиц первичного пучка. Следующим фактором, влияющим на результаты эксперимента и вносящим систематическую погрешность в полученные данные, является наличие в составе плазмы электронной составляющей. Количество электронов в патоке, облучающем поверхность, примерно соответствует числу ионов, т.е. достаточно велико, но вместе с тем энергия их значительно меньше энергии ионов.

Вернее, можно говорить о близости скоростей движения ионов и электронов. В связи с этим вклад электронной составляющей в общую кинетическую энергию потока мал и не превышает 2...5»~о. Как правило, плазма, бомбардирующая поверхность, недостаточно скомпенсирована.

В результате некоторого преобладания положительных ионов в потоке поверхность диэлектрической мишени оказывалась заряженной положительно. В частности, в зависимости от режяма работы накального катода-компеясатора потенциал поверхности мишени мо'кет изменяться от 5 до 40 В (за нулевую точку в схеме принята «земля ). Это обстоятельство приводит к уменьшению действительной энергии бомбардирующих ионов по сравнению с тем значеняем, кото- рое определяется анод-катодным проведения методнче разрядным ских экспериментов сле напряжением.

В процесс е боты накального като а- следует выбрать режим рада-компенсатора, обеспечив потенциал поверхности. 3 ивающие минимальный жно учитываться пря ан начение этого остаточ ного потенциала доланализе экспериментальн сти, при проведении экспе и ьных данных. В частнове хн экспериментов потенциал иэле р ости менялся в интервале 5. 8 В что с напряжения. е ..., что составляло 3...5 разрядного Измерение температуры диэлек ической зывалось, производи лось с помощью те мопа трической мишени, как уже ук- ароны мишени не п одвергающейся бомба в р пары, наклеиваемой со стогрешности измерения т я температуры мо быть ардировке. Возможные пас наличием рази ости температур меж об ыть в этом случае связаны обратной стороной.

В ду о лучаемой поверхностью и й. случае, если темпе а ный Р турныи напор окажется наводиться с большими оэ ициентов аккома ии дац и энергии будет произУс погрешностями. ловие, при котором можно пренеб ечь между облучаемой и о и «теневой» паве хностью о ирене речь разностью температу Р получено из качеств остью мишени, может быть е твенного анализа балансового записанного для бомбард р ируемой мишени» вага уравнения энергии с Я Ст — = аиз- В аГ~ (74~ — Tш) — Е СуР (у»З- 74 ) ог 1 здесь Т вЂ” с е Р дняя темпеРатура мишени.

Ее мо т = зт'. T, где зр — фф е можно определить как шени; 'Т вЂ” с — нт не ваном Р ерности температуры р — средняя температура, о е еле пр деленная по поверхности ми- Р р тура облучаемой стороны мни; з и з — поверхность и темпе а а « ни со р тура «теневой» стороны мише- и 'со стороны термапары); п и У вЂ” эне гия п рующим потоком, и — энергия, подводимая бомбардиОчевидно, что определение коэ оэффициента неравномерностя темтельными трудностями и не может быть п ове е дежностью.

Именно б ь проведено с достаточной нао это о стоятельство ик ет ра таких условий и д тует необходимость выбо" и оведения эхсперимента и кот мишени в различных точках , при которых температура ых точках может считаться одинаковой. Ф Некоторые уточнении, свазвнные с ето ме с учетом отвода ввергни от мишени е терыопвры, на которых спит за счет существенны, и по»тому здесь не учитывшотси. р х крепится мишень, в данном свуч ае не 40 т- «теневой» поверхности мишени можно определить как Ь ТУТ « 1 четвертые Тз — — Т1 — Ь Ти 74 = 74(1 — А Т/Т1) . При условии е о1. п 74 74 с точностью, по крайней мере, до Т Т Тможет быть ющ~ж пе а и равны с то е в уравнение энергии вместо 1, з, мох В этом случае в й.

П и этом 81 = 1, в а Т регистрируемая термопарой. р температура ~ г ближеняи (достаточиом для Ь Т= (Т вЂ” Т~ в первом при лиж качественного анализа) можно определить из сле ний: АТ 4аУиб а/и= 8РАТ) Г Х.РТ, 1 4 4и Хи 8 < 10 з можно пренебречь веТаким образом, при Условии 1 Е Т нове хности мишеня с обеих столичиной Ь Т и считать температуру повер рон равной "Т. и — коэф ициент сс — фф т аккомодации энергии, В полученном критерии и — ф ь явным 1; Х вЂ” толачественном анализе принять рав который можно при каче — теплопроводность матер е нала мишени; Р— пло* Т щадь мишени, облучаемая потоком; 1 — тем мая термопарой. ЛИТЕРАТУРА Линамика рассеяния — М.: Мир, 1980.

2. Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. — М.: Наука, 1975. 3. Данилин В.Н. Вакуумные системы. — М.: Наука, 1975. 4, Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла.

— М.: Мир, 1967. 5. Нлешивцев Н.В. Катодное распыление. — М.: Атомиздат, 1968. б. Рыжов Ю.А., Шкарбан ИИ. Обобщение экспериментальных данных по массообмену между атомарными потоками и поликрнсталлическнми поверхностями // Сб. науч. тр./ МАИ. Вып.

334. — М.; МАИ, 1975. 7. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой,— М.: Мир, 1984. 8, Добрецов Л.Н., Гамаюнова МВ. Эмиссионная электроника.— М,: Наука, 1966. 9. Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество. — М.: ИЛ, 1950. 10. Оцуки Е-Х. Взаимодействие заряженных частиц с твердым телом. — М.: Мир, 1985. 11. Ландау Л:Б. Механика, — М.: Наука, 1965. 12. Рьисов Ю.А.