Диссертация (1025103), страница 10
Текст из файла (страница 10)
1.4, б).3) Режим «взрывной имплантации», когда плотность мощности плазмы иионов становилась настолько велика (q ≈ 108 ÷ 1010 Вт/см2), что образующеесяперед поверхностью плазменное облако быстро нагревалось до температурыналетающей плазмы и переставало экранировать образец. При этом испарение59материала резко возрастало, а концентрация имплантированного дейтерияуменьшалась с ростом количества выстрелов из-за высокой концентрацииповерхностных дефектов и превращения 2-мерной поверхности в 3-мерную(см.Рис.1.4,в),скоторойэффективнопроисходитдесорбцияимплантированного дейтерия.Кроме этих трех режимов, был также обнаружен режим работы ПФ, прикотороммассаоблученныхобразцовувеличиваласьпропорциональноколичеству произведенных выстрелов.
Этот случай соответствовал ситуации,когда применялась камера со сплошным анодом без отверстия в его центре, аПФбылоптимизированнапреимущественнуюгенерациюмощногоэлектронного потока. В этом режиме происходило сильное воздействиеконцентрированного электронного пучка на материал анода, создание в неммощной ударной волны (УВ) и, впоследствии, выброс большой массыматериала анода в сторону катода после снятия давления (волна разгрузкивещества). В аноде ПФ при этом образовывалось и прогрессивно увеличивалосьсовременемработыустановкиотверстиенаосикамеры.Такоеперераспределение материала внутри разрядной камеры ПФ при мощномимпульсном воздействии на него также может быть типичным и для камеринерционного управляемого термоядерного синтеза (УТС) (и, возможно, дляаварийных режимов ТЯР с магнитным удержанием).Изложенные результаты указывают на проблему, которая стоит на пути«технологического» использования ПФ для целей ионной имплантацииматериалов веществом рабочего газа ПФ.
Она связана с тем, что, какпоказывают эксперименты, у большинства материалов при тепловой нагрузкеq ≥ 106 Вт/см2 и длительности импульса τ ≈ 0,1÷1 мкс происходит плавлениеповерхностного слоя. Этот процесс является нежелательным, так как ионнаяимплантация, как правило, является завершающим технологическим этапомобработки материалов. Чтобы избежать этого эффекта, значение q дляуказанного интервала длительностей импульсов τ и с учетом температурыплавленияобрабатываемогоматериаладолжнобытьвпределах60q ~ 103 ÷ 105 Вт/см2. При этом, однако, время процесса облучения, необходимоедля получения однородного имплантированного слоя достаточной толщины(~10 мкм) может оказаться весьма продолжительным.
Решение этой проблемылежит на пути использования установок ПФ с низкой энергией (≤ 10 кДж),работающих с высокой частотой следования импульсов ~ 10 Гц. Одновременнодля исключения напыления на образцы материала анода, помимо указанногоснижения мощности ПФ, необходимо использовать полый анод, а режимработы установки оптимизировать на максимальный выход ионного потока.Важный аспект рассматриваемой проблемы связан со спецификойдиффузионного переноса компонента, имплантированного в облученныйматериал, проявляющейся в условиях многократного комбинированногоимпульсного воздействия.Похожий эффект (как и в режиме 3, см. выше) имеет место и воблученных образцах ниобия [62].
Концентрация водорода в первом слое неувеличивается, достигая при 20 импульсах водородной плазмы интегральногозначения > , ∙ см-2, которое лишь незначительно превышаетисходную поверхностную концентрацию (~ > , ∙ см-2). Измененияконцентрации водорода по глубине и интегральная концентрация водорода вприповерхностном слое ведут себя иначе, чем в работе [69]. Как видно,происходит накопление имплантированного водорода, а возможно, и выносводорода, который присутствует в ниобии в качестве технологической примеси,на большие глубины в сборке из фольг по мере увеличения числа импульсоввысокотемпературной водородной плазмы [65, 70-73].Прирентгеноструктурномисследованииоблученныхводороднойплазмой фольг сборки Nb|Nb|Nb было показано, что во всех трех фольгахприсутствуют фазы, соответствующие гидриду ниобия NbH.
Объемная доляфазы гидрида ниобия находится в согласии с оценочными значениями,сделанными по методу ERD-анализа.61Также с результатами облучения ионами D+ чистых металлов (Zr, Ti, Cu,V and Pd), сплавов (SS, Pd0,9Ag0,1, Pd0,9Pt0,1, Pd0,9Ru0,1 and Pd0,9Rh0,1) имонокристалла Al2O3 можно ознакомиться в работе [74].С закономерностями поведения водорода и гелия в сплавах ванадия ститаном, хромом и железом, облученных легкими и тяжелыми ионами, можноознакомиться в работах [75, 76].«При сравнении результатов облучения используют «мягкие» условияподобия, справедливость которых подтверждается результатами экспериментовс облучением в реакторах и на ускорителях. К ним относятся» [77]:1. Условие равенства дозы облучения.2.
Условие подобия спектров ПВА (первично выбитых атомов).3. Условие равенства отношения скоростей дефектообразования инаработки газовых трансмутантов (ГТ), продуктов ядерных реакций(ПЯР).4. Условие равенства отношения скорости генерации точечных дефектовк скорости их исчезновения на стоках.5. Условие подобия протекания диффузионных процессов, включаядиффузию газовых атомов, рекристаллизацию, распад твердогораствора и растворение выделений, перераспределение компонентовсплавов.Этоусловиеявляетсяоднимизглавныхусловийкорректности имитации.«Как известно, имитация реакторных повреждений на ускорителяхпроисходит с гораздо более (на 2 ÷ 3 порядка) высокими скоростями созданияповреждений. При прочих равных условиях это приводит к нарушениюподобия в протекании диффузионных процессов по сравнению с реакторнымоблучением.
В простейшем случае, когда процесс контролируется однимкаким-либо механизмом, характеризующимся энергией активации , подобиедиффузионных процессов может быть достигнуто повышением температуры вимитационном эксперименте на величину ∆ по сравнению с температуройоблучения в реакторе . Установлено, что температурный сдвиг максимума62распухания в имитационных условиях по сравнению с реакторами составляет100 ÷ 150 °C.
Соблюдение этого условия приводит к подобию в измененииструктурно-фазового состояния (СФС) материалов в процессе облучения вреакторах и ускорителях. Это требует необходимых данных об образованиидефектов и их скоплений вследствие различных видов радиационноговоздействия» [77].Кромеперечисленныхусловий,прииспользованииускорителейзаряженных частиц, работающих в импульсном режиме, необходимо учитыватьвлияние импульсного характера облучения на создание и эволюцию дефектнойструктуры облучаемого материала [77].1.4.СозданиесплавовизтермодинамическинесмешиваемыхкомпонентовДлятого,чтобыполучитьтвердыйраствортермодинамическинесмешиваемых компонентов при ионно-атомном осаждении, то есть,вакуумном напылении покрытия при одновременном ионном облученииосаждаемого слоя, необходимо [78] подобрать скорость осаждения покрытия Vdи плотность ионного потока φ так, чтобы за время роста слоя покрытия столщиной, равной глубине проникновения ионов Rp, атомы покрытия успелипереместиться на заданное расстояние < >⁄ .
Это расстояние являетсяаналогом глубины диффузии и выбирается в соответствии с конкретнымитехнологическими задачами. Время, за которое покрытие увеличивает своютолщину на Rp, равно Rp/Vd. Откуда глубина ионного перемешивания составит:< >⁄ = [( − − ) / ] ⁄, где(1.7)Dm – коэффициент ионного перемешивания; Dr – коэффициентрадиационно-усиленнойсамодиффузии;диффузии;Dt–коэффициенттермической63Из формулы (1.7) следует, что, чем меньше скорость осаждения, тембольшая глубина перемешивания достигается при ионно-атомном осаждении.Однако увлекаться уменьшением скорости осаждения нельзя.
Во-первых, этозатягивает время роста покрытия до заданной величины и, тем самым, снижаетэффективность технологии. Во-вторых, эта скорость не должна быть меньшескорости распыления покрытия ионами, равной xs/t (см. формулу (1.8)) = /, где(1.8) – толщина распыляемого слоя твердого тела; Y – коэффициентраспыления ионами; – плотность ионного потока; t – время облучения; N –атомная плотность твердого тела.На Рис.
1.5 [78] показаны верхняя и нижняя границы области возможныхзначений плотности ионного тока j и скорости напыления Vd, при которыхосаждение вольфрама на медь при одновременном облучении ионами аргона сэнергией 5 кэВ приведет к образованию пограничного слоя неравновесныхтвердых растворов.Рис. 1.5. Верхняя и нижняя границы области образования твердых растворовпри ионно-атомном осаждении вольфрама на медь [78]64В работе [79] проводилось изучение возможности использованияимпульсных концентрированных потоков энергии для создания псевдотвердыхрастворов металлов, не взаимодействующих друг с другом, как, например,вольфрам и медь.
«Ранее псевдотвердые растворы могли создаваться илипрямойионнойимплантацией,особенноширокоприменяемойвполупроводниковой промышленности [80], или так называемой имплантациейотдачи, суть которой заключается в нанесении на поверхность материала слояимплантированного элемента с последующим или одновременным вбиваниематомов этого элемента высокоскоростными ионами химически нейтральныхгазов (гелий, аргон)» [79]. Так, в работе [81] в поверхность вольфрама«вбивали» атомы меди ионами аргона.«В работах по имплантации отдачи использовался также непрерывныйпроцесс нанесения имплантационных слоев с одновременным их вбиванием вматериал матрицы [82]. Основным недостатком этого метода являютсябольшие времена достижениянеобходимойконцентрациивнедряемогоэлемента в поверхностный слой материала матрицы.
В 70-е годы прошлогостолетия при исследовании воздействия на поверхность алюминия движущихсясо скоростью ~8 км/с макрочастиц хрома методом авторадиографии былопоказано, что хром внедряется в алюминий на расстояние, существеннопревышающее видимые поверхностные кратеры [83]. Это было примеромударного легирования материалов и послужило основой идеи реализоватьпроцессударноголегированияспомощьювысокоинтенсивных,высокоплотных импульсных плазменных потоков, получаемых, например, наустановках типа плазменный фокус (ПФ).
Кроме того, при воздействииконцентрированных импульсных потоков энергии на материал возникаютнелинейные ударные волны, скорость распространения которых в материалепревышает скорость звука, а их диссипация на элементах кристаллическойструктуры порождает межузельные атомы и вакансии, которые влияют наглубину проникновения внедренных атомов и их коагуляцию.
Кроме того, самаударная волна может способствовать внедрению имплантированных атомов на65большие расстояния от поверхности. Это наблюдалось в работе [2], где атомыдейтерия при ударе импульсной дейтериевой плазмой в ванадии проникали наглубину ~2 мм при комнатной температуре, образуя видимые газовые поры, чтосущественно превышает глубину их термической диффузии» [79].В результате проведенного эксперимента в работе [79] не выявленаособая роль ускоренных дейтронов в передаче энергии атомам меди за счетупругих столкновений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
