Энергообмен между потоками ионов и поверхностями конструкционных материалов Шкарбан И.И. (1015580), страница 6
Текст из файла (страница 6)
4 ОЦЕНКА ЗН ЧЕН Я КОЭФФИЦИЕНТА АККОМОДАЦИИ ЭНЕРГИИ гии Ранее указывалось, что расчет коэффициентов аккомодации э представляет весьма непростую задачу, решаемую с иснользованием вычыслительной техники на основе достаточно сложных моде- бомба ю их е модели учитывают последовательность взаим й ом ардирующих ионов с атомами твердого тела. При этом точность расчетов невелика из-за практической невазможн жности учесть все особенности строения тела.
Однако накопленные к настоящему времени экспериментальные данные позволяют построить обобщенную зависимость Ял от а, ыа которую укладываются практически все имеющиеся результаты. Здесь е — безразмерная энергия, предложенная Лиыхардом: 32,5т2Еа (И1+ щ )г1 2(21~ + 2 ) т! и т2 — массы иона и атома мишени (а.е.м) соответственно Я !и Я2 — номер иона и атома в таблице Менделеева, т,е. зарядность их ядер. Энергия иона (Еа) здесь берется в кэВ. Указанная зависимость приводится на рис. 26. Подавляющее число экспериментов получено с использованием легких ионов Н», Не», 1~~, П», Т». Однако данные, полученные в МАЙ с использованием тяжелых ионов (Аг», К2+, Хе+), также хорошо лад ются на полученную зависимость. В целом разброс эксперимене хорошо уклатальных данных, как видно, и здесь достаточно велик, однако лучшего обобщения получить ые удаетсш Рассчитанные по этой зависимости коэффициенты шскомодации энергии (а = 1 — ЯЛ), в первую очередь, характеризуют энергообмен на однокомпоыентных материалах, например чистые металлы или сплавы с малым количеством примесей (ые более 5 ).
Длн сложных материалов (две и более компоненты) можно яспользовать средние значения т! и Ез, определенные по атомным концентрациям. Следует иметь в виду, что, как правило, в описании сплава указываютсн массовые концентрации. 32 33 ай1 «0-2 Ри«. 24 26 у сами показаны данные, приводимые в научной ли тературе и полученные на легких ионах (н21< 10 а.е.м.). Пунктирными линиямн показаны результаты, полученные в МАИ для тяжелых ионов в диапазоне энергий 100 — 600 эВ.
Предлагаемая для расчета а-кривая показана сплошной линией. Из графика рис. 26 видно, что для тяжелых ионов (т1 > 20 а.е.м.) при малых энергиях (100 — 200 эВ) получаемые значения Аи будут занижены, а при энергиях 400 — 600 эВ, наоборот, завышены. 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ АККОМОДАЦИИ ЭНЕРГИЙ Можно выделить два основных экспериментальных метода. 1. Методы, основанные на измерении энергии отраженных поверхностью атомов (ионов) Е, . При этом термический коэффициент ак- Я -Š— Е, ~П » — Е г.
ьг . Методы, основанные на измерении энергии, полученной повер- ń— Е зностью мишени Е„; прн этом а = еа Методы первого типа, как правило, более сложны в экспериментах. Здесь необходим более тщательный контроль за возможными утечками энергии. В частности, необходямо тщательное изучение пространственного распределения потоков, пряводящее к потере энергии. Для определения энергии, уносимой отраженными частицами, необходимо не только знание пространственного распределения отраженных потоков, но и энергетические спектры этих частиц в зависимости от направления. Преимуществом метода первого типа является возможность выявления любога из механизмов, приводящих к потере энергии, а соответственно,и построение модели такого механизма.
Таким б о разом, с физической точки зрения эти подходы наиболее ценны. Методы измерения а второго типа более просты в исполнении и дают вазможность получения сведений о коэфФициентах аккомадации, отличающихся большей достоверностью. Поэтому, с точки з ения практического использования получаемых результатов, они оказываются более предпочтительными. Мы подробно остановимся именно на втором подходе к проведению экспериментов по исследованию энергообмена между поверхностями и потоками. Подчеркнем еще раз: они основаны, кзк правило, на определении изменения внутренней энергии образца, поверхность которого облучается потоком частиц. П режде всего перед исследователем стоит вопрос о выборе источника потока заряженных частиц. В этом случае основное требование — получить потоки с плотностью ионов достаточной для выполнения требования: «динамически чистая» поверхность.
Для этой цели используются либо источники ионов, либо источники плазменных потоков. С помощью ионных источников могут быть получены потоки ионов строго контролируемой энергии. Существенный недостаток: при энергиях Ео < 102 эВ из-за влияния пространственного заряда пучка плотность потока оказывается настолько малой, что для обеспечения условия «динамически чистая поверхность» необходимы сверхвысокин вакуум и сверхточная чувствительная аппаратура для измерения состояния мишени, в частности, ее температуры.
Второй недостаток этого метода — возможность использования ега для изучения аккомодации на диэлектрических поверхностях, так как поверхность быстро приобретает заряд, препятствующий дальнейшему падению на нее ионов. Приходилось испольэовать мишени тол- 34 35 ой не более 50 мкм площадью 0,1 см2. Изменение температуры 06'С и поэтому требовалась точность измерения составляло иногда,, и о — 0,005'С. ажно о- П и использовании плаз и плазменных источников ионов возм пр р бых поверхностях.
Кроме того, плот- ведение р экспе иментов на лю з есь сказывается значительно ность п ь получающихся потоков ионов здесь ов. б шей чем при использовании ионных пучк ольше, остью аботать с любыми по- Преимущества, связанные с вазможн с р верхностями, привлекают нвлекают внимание именно к такого рода установкам.
Не остатками этих источников являются: ед напав и электронов (следовательно, а) наличие в пучке помимо нан необходимо предусмотреть мер у ту ы по че их влияния); . Таким обра- ь й азб ос ионов потока по энергиям. ахим б) значительный раз рос ос едненное значение по енные результаты дают некоторое осре не Рассмотрим подробно методику проведения эксперим исследовании коэффн фф циентов аккомодации энергии. Рас.
27 пе иментов представлена на рис. , д .27 ге1 Схема проведения экспериме р д — источник ионов ( - ус ной азности потенциалов и нов е лнруется заданием разряднои рази ионов регу р . И к ионов диэлектрической между анодом и катодам и сточника. з потока и часть пучка, име- г ой 3 в езается центральная ас конической диафрагмои ыр . За диафрагмой устанав- ь ю плотность патака ионов. а ющая макснмальну сатор 4.
ластины р .П конденсатора имеют спеливается плоскии конден р ючаю ю попадание отражен ых н ионов на ис- потока». Длина пластин выбираследуемую мишень при «запирании потока». лина 36 ется путем несложного расчета, а затем конденсатор тарнруется с помощью металлической мишени, устанавливаемой за ним на отсутствие ионного тока. Таким образом определяется ик Пластины конденсатора следует изготовлять из труднораспыляемых материалов (МЬ, Х18Н9Т).
С целью уменьшения тепловых потоков, поступающих от источника ионов> накального катода и пластин, вся конструкция охлаждалась проточной водой, имеющей постоянную температуру во время проведения эксперимента (т — 10 + 15 мин). Исследуемая мишень 5 представляет собой пластину, имеющую минимально возможную для данного материала толщину, которая зависит от технологии изготовления и прочности материала.
К мишени со стороны, противоположной облучаемой, приклеивается, например эпоксидной смолой, термопара. Нити термопары одновременно являются держателями мишени в потоке. Размеры мишени и термапарные нити делаются максимально тонкими с целью уменьшения потерь теплового потока теплапроводностью. Мишень устанавливается на поворотном устройстве, позволяющем ввести в поток «зонд-мишень», с помощью которого в случае работы с диэлектрической мишенью производится замер токов ионов. Энергетический анализатор изготовлен в виде 90* цилиндрического электростатического анализатора Юза — Рожанского. Зонд-мишень изготовляется из фольги и имеет, кроме термопары, токовый вывод. В потоке он строго фиксируется в то же положение, что и основная мишень.
Эксперименты проводились в следующем порядке. 1. После установления устойчивой работы источника на каком-то из режимов по разрядному напряжению в поток вводилась медная зонд-мишень, по которой регистрировалось значение полного тока ионов, падающих на поверхность. 2. Металлическая мишень убиралась из потока и с помощью энергомассоаналязатора производилось измерение распределения ионов по зарядам и энерпшм, что позволило определить среднюю энергию пучка. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
