強流脈沖離子束與靶材相互作用的數(shù)值研究.pdf

1、強流脈沖離子束因其自身的諸多優(yōu)越性，在材料領域里越來越受到重視。本文結合三束材料改性國家重點實驗室從俄羅斯引進的TEMP型強流脈沖離子束(IPIB)加速器，根據(jù)擬合實測磁絕緣二極管(MID)電壓波形，以及采用法拉第筒檢測的離子流密度建立的物理模型，研究了IPIB輻照靶材過程中二次電子發(fā)射問題，提出了混合離子束發(fā)射二次電子模型，對IPIB輻照期間產(chǎn)生的二次電子的演化及其形成的電場的演化等問題進行了研究。 1.研究了輻照過程中熱力學

2、效應，建立了燒蝕過程的一維、二維模型，對Ti靶的燒蝕過程進行了數(shù)值計算，給出了燒蝕斑痕的時空演化過程。燒蝕過程中，靶物質(zhì)被層層剝離，剝離速度為10m/s量級，遠遠小于等離子體的噴發(fā)速度。并且燒蝕過程中斑痕由碗狀變化到井狀，影響等離子體的噴發(fā)方向。同時發(fā)現(xiàn)在所研究的能量密度范圍內(nèi)，接近脈沖結束時，燒蝕深度和寬度不再增加，即等離子體噴發(fā)是在脈沖時間內(nèi)完成的。還得到了脈沖處理過程中靶材內(nèi)部的溫度場分布及其演化規(guī)律，計算了脈沖期間的升溫速率(-

3、109K/s)。模擬研究了MID陽極采用聚乙烯涂層和采用石墨時由于束流中不同種類離子份額不同而產(chǎn)生的不同效應。碳離子入射靶材射程較短，而質(zhì)子相對較長，因而MID采用石墨陽極時束流能量主要沉積在表層，而采用聚乙烯涂層時能量沉積相對較深。 2.研究了輻照過程中Al靶內(nèi)激波的傳播情況，建立了一維激波傳播模型。計算了能量密度為5J/cm2和10J/cm2時，Al靶內(nèi)的壓力的空間演化。脈沖剛剛結束時壓力衰減較快，隨后在靶內(nèi)衰減變慢。但產(chǎn)生

4、的等離子體向真空中噴發(fā)時壓力衰減較快，等離子體幾乎同時到達空間某處。 3.根據(jù)能量和動量守恒原理，建立了等離子體向不同壓強背景氣體中噴發(fā)的二維氣體動力學模型，計算了背景氣體壓強為真空、10-6大氣壓、10-4大氣壓、10-3大氣壓、10-2大氣壓及大氣壓時產(chǎn)生的等離子體的噴發(fā)情形。當背景氣壓為10-6大氣壓時，可以將其視為真空，10-4大氣壓時，背景氣體空間存在擾動；隨著背景氣壓升高，等離子體移動受到限制，壓力越大，移動速度越小