Энергообмен между потоками ионов и поверхностями конструкционных материалов Шкарбан И.И. (1015580)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
