強(qiáng)流脈沖離子束與靶材相互作用的數(shù)值研究.pdf

1、強(qiáng)流脈沖離子束因其自身的諸多優(yōu)越性，在材料領(lǐng)域里越來越受到重視。本文結(jié)合三束材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從俄羅斯引進(jìn)的TEMP型強(qiáng)流脈沖離子束(IPIB)加速器，根據(jù)擬合實(shí)測(cè)磁絕緣二極管(MID)電壓波形，以及采用法拉第筒檢測(cè)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(duì)IPIB輻照期間產(chǎn)生的二次電子的演化及其形成的電場(chǎng)的演化等問題進(jìn)行了研究。 1.研究了輻照過程中熱力學(xué)

2、效應(yīng)，建立了燒蝕過程的一維、二維模型，對(duì)Ti靶的燒蝕過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，給出了燒蝕斑痕的時(shí)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(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)在所研究的能量密度范圍內(nèi)，接近脈沖結(jié)束時(shí)，燒蝕深度和寬度不再增加，即等離子體噴發(fā)是在脈沖時(shí)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(chǎng)分布及其演化規(guī)律，計(jì)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(shí)由于束流中不同種類離子份額不同而產(chǎn)生的不同效應(yīng)。碳離子入射靶材射程較短，而質(zhì)子相對(duì)較長(zhǎng)，因而MID采用石墨陽極時(shí)束流能量主要沉積在表層，而采用聚乙烯涂層時(shí)能量沉積相對(duì)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(jì)算了能量密度為5J/cm2和10J/cm2時(shí)，Al靶內(nèi)的壓力的空間演化。脈沖剛剛結(jié)束時(shí)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(shí)壓力衰減較快，等離子體幾乎同時(shí)到達(dá)空間某處。 3.根據(jù)能量和動(dòng)量守恒原理，建立了等離子體向不同壓強(qiáng)背景氣體中噴發(fā)的二維氣體動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了背景氣體壓強(qiáng)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(shí)產(chǎn)生的等離子體的噴發(fā)情形。當(dāng)背景氣壓為10-6大氣壓時(shí)，可以將其視為真空，10-4大氣壓時(shí)，背景氣體空間存在擾動(dòng)；隨著背景氣壓升高，等離子體移動(dòng)受到限制，壓力越大，移動(dòng)速度越小