Энергообмен между потоками ионов и поверхностями конструкционных материалов Шкарбан И.И. (1015580), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При тепловых энергиях основной путь получения потоков, как указывалось выше, — газодинамический разгон. При малых энергиях существенное влияние на энергообмен оказывает состояние поверхности и, в частности, наличие на ней слоя адсорбата. В ранних работах были получены коэффициенты аккомодации в области тепловых энергий. При этом сами поверхности были, как правило, покрыты слоем адатомов, толщина которого практически не контролировалась. В обзорной работе [4] приведены обширные данные по тепловым коэффициентам аккомомдации энергии: Ез Ео а= Е,— Ео где Ез — энергия частиц, покидающих поверхность; Ео — энергия падающих частиц; Е~ — энергия частиц, соответствующая температуре поверхности.
В таблицах, приведенных в работе [4], даны опытные данные по коэффициентам аккомомдации нейтральных газов (Аг, Хе, Не, Кг), а также Н, СОз, Хз, Оз, Н~О, СзНз. При этом температура поверхности меняется в различных работах в интервале 100 - 1300 К. Температура самого бомбардирующего газа 50 — 400 К. В некоторых работах состояние поверхности менялось за счет предварительного прогрева или, наоборот, за счет напуска газа в экспериментальную камеру (от «слабо» покрытой адсорбированными атомами до «сильной» загрязненной).
Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод; при увеличении слоя адсорбата коэффициенты аккомодации возрастают (рис. 16). На графике рис. 16 стрелкой показан момент напуска водорода от 10 Па до уровня 4,3 10 Па. Коэффициенты аккомодации инертных газов при тепловых энергиях малы и составляют 0,05 — 0,15 на поверхностях, «слабо» покрытых адсорбатом. Коэффициенты аккомодации химически активных газов значительно выше, в основном порядка 0,8 — 0,98. Следует отметить, что при изменении температуры поверхности не только меняются значения коэффициентов аккомодацции, не и характер отражения пучка атомов от поверхности. аале а,пВ цд 0,б Ц()э Ок О' (О гй ЗВ 90 эйтан -ЗО О Еб 9й бв Юа Рис. 17 Рис.
1б В частности, при малых температурах поверхност ГН,— сти Г = 20- 200' С ха акте аспределения отраженных частиц почти косинусоидаль— б О'С асп еделение лепри повышении температуры до 400 — 0 ' ра р пестковое с максимумом, близким к зеркальному у лу (р Т менение распределения объясняется, очисткой поверхности от осажденных атомов внешней среды прн нагреве до С.
При этой температуре происходит десорбция паров воды с поверхности. Сама энергия падающего потока в диапазоне, соответствую- 550'С актически не влияет щем изменению температуры от 20' до 55 ', ирак на коэффициент аккомомдации энергии и на характер распределения отраженной компоненты. При повышении энергии падающих частиц до энергий 10 — 5 10з эВ характер зависимости от энергии и сами значения коэффициентов вккомодации энергии значительно меняются.
В этом случае коэффициент ы аккомодации энергии меньше зависят от энергии связи молеьтул с ьтул с поверхностью. Уровень самих энергии атомов значительно превышает ЛН. мо ели овать значение коэффициентов аккомодации Поэтому моделиро ат о с остаточной стеэнергии разл азличных атомов или молекул можно с д ости используя потоки ионов инертных газов.
пенью точност, м может быть опреде- Е фф циент аккомодации энергии в целом м лен из баланса энергии для потока, падающего на поверхн ость: еф; а=1 — Ел-Ел -Ел — Е, + — '. Ео Коэффициенты уноса энергии, входящие в это выражение, были обсуждены ранее. и 1~; — энергия, затраченная на ионизацию иона. Эта энергия выделяется при взаимодействии с поверхностью, если ион окажется нейтрализованным. Строго говоря, эта энергия должна учитываться как переносимая потоком ионов, т.е. учитываться в Еа следовательно, в формуле (3.1) в качестве энергии ионов необходимо использовать Еа+ е 191 — — Еаг Значение потенциала ионизация лежит в интервале 15 — ЗО эВ. Это значит, что при малых энергиях -10 — 10 влияние этого числа о может быть весьма большим.
При энергиях Ео > 10 эВ этими эффекз тами можно пренебречь. На рис. 13 — 20 показана зависимость а от энергии ионов. В качестве Ео использована только кинетическая энергия ионов. В целом видно, что с увеличееннем энергии ионов коэффициент аккомодации энергии возрастает, стремясь к а= 0,95. Столь высокое значение а определяется тем, что с ростом Ео коэфффициент отражении ионов уменьшается, уменьшаются и остальные члены.
В этой области (50 — 500 эВ) зависимость а от Ео выглядит как а — ло' . -о,з При этом необходимо обратить особое внимание на зависимость а от массы ионов. С увеличением массы ионов коэффициент аккомодации энергии увеличивается (рис. 21). Объяснить это можно тем, что для более тяжелых ионов отражение назад после первого взаимодействия с атомом материала или невозможно (при т > 1), или осуществляется с малой энергией (при т < 1). Уменьшение энергии иона приводит к тому, что сечение взаимодействия его с атомами решетки возрастает (см.
формулу (2.7)). Вследствие этого происходит взаимодействие иона одновременно с несколькими атомами твердого тела — возрастает эффективная масса атома материала. В результате становится возможным отражение иона с большой скоростью. При увеличении энергии часть особенно легких ионов может проникать вглубь поверхности. Бели они окажутся отраженными, то лишь после нескольких взаимодействий, т.е. отражение произойдет после передачи значительной доли энергии атомам твердого тела. Зависимость коэффициента распыления от относительной массы т1 иона приведено на рис.
22. С ростом т= — коэффициент аккомода- тз ции возрастает стремись к 1 2а 29 иий од Цс 66 Рис. 21 Рис. 22 Однако надо заметить, что все результаты, указанные на рис. 22, получены при использовании относительно тяжелых ионов. Для легких ионов Не, Н+ сечение взаимодействия «ион — атом поверхность» (см. формулу (2.7)) оказывается столь малым, что уже при энергии -50 эВ происходит их эффективное проникновение под поверхностный слой на глубину до -10 атомных слоев.
Вследствие этого может значительно возрасти коэффициент аккомодазп1н энергии. сит 6(В Зй) И аО Рис. 24 Ри«. 23 Зависимость коэффициента аккомодации энергии от угла падения оказывается очень заметной (рнс. 23, 24). Обьяснить ее можно увеличением доли отраженной компоненты с ростом угла падения 1р, так как в этом случае для отражения необходим разворот вектора скорости ионов на значительно меньший угол и в соответствии с (2.6) энергия, уносимая отраженным ионом, увеличивается, Кроме того, при ч ~~~ ис «с ю и сс иг 31 сЬ 6,9 6,6 6,7 с,ь 46 ас аз а1 Ц! ав 4о ййт' 0,2 6) ЗР Юа некоторых углах падения, больших критического, взаимное затенение атомов поверхности приводит к тому, что проникновение ионов под поверхность произойти не может.
Качественно этот угол можно оценить следующим образом: из !яф = 2 где и — атомная плотность тела, 1/см2; и — сечение ях взаимодействин с ионом (2.7). Подразумевается, чта вне этого сечения взаимодействие между частицами не происходит, Это возможно, если межатомный потенциал считать ограниченным расстоянием г (а= агт).
Это расстонние выбираетсн из различных соображений. Часто используется следующее: при взаимодействии на предельном расстоянии р осуществлнетсн передача энергии не более чем 1 в 2% от начальыой энергии. Следует отметить,что приведенные вьппе соображении справедливы для атомыо-гладкой поверхности тела, Наличие шероховатостей вносит коррективы в указанные зависимости и особенно в области скользящих углов падения, Часто используется выражение для определения а (ф) = а (О) соз ф. Однако оыо ые учитывает влияния энергии ионов на зависимостых(ф), которая, как видно из рис.
24, существует. Влияние атомов загрязнений, присутствующих на поверхности, чрезвычайно велико. На рис. 25 приведены данные по коэффициентам аккомодации для двух случаев: при малой плотности тока ионов на поверхность (недостаточной для очистки поверхности) и при большой плотности тока (обеспечивающей очистку поверхности до -0,1 монослоя). й9 цзб ат 0,55 яао Рве. 25 Видна что и м сильно влинет а п пр алых энергиях ионов загрязнение поверхн й н олучаемыерезультаты. Это связано с тем, что и осте малых эне ывх коэф" и ффициент распыления плеыки адатомов мал, и в , что при процессе облучения поверхность остается покрытой слоем адатамов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
