強(qiáng)脈沖離子束產(chǎn)生的燒蝕等離子體特性的研究.pdf

1、近二十年來，起源于慣性約束核聚變項(xiàng)目(ICF)發(fā)展起來的強(qiáng)脈沖離子束技術(shù)(IPIB—IntensePulsedIonBeam)在表面強(qiáng)化和薄膜制備等領(lǐng)域發(fā)展極為迅速。然而，相對(duì)于其在工業(yè)應(yīng)用方面的迅猛發(fā)展，其物理過程的研究則顯得非常的滯后。利用強(qiáng)脈沖離子束產(chǎn)生的燒蝕等離子體是IPIB技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向，主要應(yīng)用于制備薄膜工藝和超細(xì)納米粉末的合成等領(lǐng)域。因此，從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面來研究燒蝕等離子體的物理特性，對(duì)于揭示燒蝕等離子體制備薄膜

2、工藝過程的微觀機(jī)制，提供理論和實(shí)驗(yàn)上的依據(jù)，為進(jìn)一步發(fā)展燒蝕等離子體制備薄膜技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 針對(duì)強(qiáng)脈沖離子束(IPIB)與固體靶相互作用產(chǎn)生燒蝕等離子體的快速劇烈變化過程，本文首次采用發(fā)射光譜法來研究燒蝕等離子體的特性。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，既利用了光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的快速響應(yīng)時(shí)間和極高的靈敏度等特點(diǎn)，又避免了強(qiáng)脈沖離子束放電信號(hào)在用常規(guī)電學(xué)診斷手段時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾的麻煩。因此，選擇發(fā)射光譜法來診斷燒蝕等離子體的特性是一種簡(jiǎn)便、可靠的方法

3、。在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得到的光譜線形，代表所測(cè)成分粒子的粒子數(shù)密度，因此，光譜線形強(qiáng)度隨時(shí)間的積分則是該成分粒子的總數(shù)。通過這種方法，我們半定量的計(jì)算出IPIB燒蝕聚乙烯靶產(chǎn)生的等離子體中各種成分粒子的相對(duì)密度值，并探討其在薄膜制備方面的利弊。利用這種方法測(cè)量燒蝕等離子體的壽命和相對(duì)密度，為發(fā)展燒蝕等離子體輔助化學(xué)氣相沉積薄膜工藝的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中得到：在燒蝕等離子體中，對(duì)于特定波長(zhǎng)的譜線所對(duì)應(yīng)的成分所作的時(shí)間分辨的發(fā)射光譜可以描述

4、燒蝕等離子體的動(dòng)力學(xué)特征和擴(kuò)散的物理過程；燒蝕等離子體由于IPIB與聚乙烯靶相互作用而產(chǎn)生在靶的近表面，而后由于靶的反沖作用，垂直靶表面向外擴(kuò)散，形成的時(shí)刻大約為IPIB脈沖后30μs；燒蝕等離子體的持續(xù)時(shí)間也就是壽命約為30μs；形成時(shí)間可以從上述任意成分的特征譜線中得到，而持續(xù)時(shí)間則只能從所有產(chǎn)物成分的譜線估算得到；實(shí)驗(yàn)中測(cè)量所得到的光譜線強(qiáng)度波形，被認(rèn)為是這種特征譜線成分總的粒子數(shù)。這可以半定量的表明這種成分粒子的數(shù)密度；IPIB

5、輻照聚乙烯靶形成的燒蝕等離子體成分比較復(fù)雜，但是主要只包含C和H兩種元素，我們?cè)O(shè)想燒蝕等離子體中含有H、C、C+、C2+、C2和CH等成分，對(duì)于他們的特征光譜線強(qiáng)度，分別進(jìn)行定量分析，計(jì)算出他們之間相對(duì)密度的比值；雖然離子束中40％是碳離子，且聚乙烯中碳的含量很高，然而，所產(chǎn)生的燒蝕等離子體中較多的C2含量并不利于含碳薄膜的制備。 面對(duì)IPIB技術(shù)在制備薄膜工藝和超細(xì)納米粉末等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)于燒蝕等離子體的特性研究就顯得尤為

6、重要。尤其是等離子體的擴(kuò)散速度對(duì)薄膜的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量起著決定的影響，本文利用發(fā)射光譜的空間分辨，精確的計(jì)算出燒蝕等離子體中各種成分粒子的擴(kuò)散速度，并且估算出燒蝕等離子體的整體擴(kuò)散速度。相對(duì)于其他診斷方法，如快速照相機(jī)連續(xù)拍照等方法給出了更為精確的結(jié)果，并為進(jìn)一步發(fā)展IPIB制備薄膜技術(shù)，提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。結(jié)果表明：當(dāng)TMEP-Ⅱ加速器產(chǎn)生的IPIB與聚乙烯靶相互作用產(chǎn)生出燒蝕等離子體，等離子體中的所有成分都以一個(gè)速度在真空中擴(kuò)散。通過光學(xué)測(cè)

7、量方法得到燒蝕等離子體的整體速度沿著靶的法線方向向外大約為1000m/s，這個(gè)結(jié)果是在加速器的工作參數(shù)為如下條件時(shí)獲得的：一個(gè)IPIB脈沖的平均能量密度約為4J/cm2，單脈沖總能量約為12J，脈沖寬度約為70ns。這種方法測(cè)量速度的相對(duì)誤差小于10％。 為了從微觀上揭示燒蝕等離子體的物理特性，我們建立了一個(gè)數(shù)學(xué)物理模型，來描述燒蝕等離子體的擴(kuò)散行為。用計(jì)算機(jī)模擬的方法，給出微觀的物理圖象，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)上所觀測(cè)到的現(xiàn)象符合的較好。

8、為繼續(xù)研究燒蝕等離子體的應(yīng)用提供理論依據(jù)。我們?cè)谘芯窟^程中，建立了隨時(shí)間變化的燒蝕等離子體擴(kuò)散的流體力學(xué)方程，描述了燒蝕等離子體的各項(xiàng)物理參數(shù)的時(shí)空演化，發(fā)現(xiàn)密度和速度的最大值并沒有出現(xiàn)在等離子體源處，而是某一時(shí)刻，遠(yuǎn)離靶表面的某一位置。按照燒蝕等離子體的產(chǎn)生時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間，分段給出初始條件和邊界條件，能夠很好的模擬出燒蝕等離子體擴(kuò)散和發(fā)展的變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好。建立的模型適用于IPIB轟擊任何固體靶的物理過程，調(diào)整計(jì)算參數(shù)能夠?qū)?/p>