Моделирование динамики конденсированных сред, облучаемых мощными пучками заряженных частиц

• Автор: Лейви, Артем Ячеславович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 159 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Состояние проблемы

1.1 Параметры пучков заряженных частиц

1.2 Основные способы модификации материалов

1.3 Явления, наблюдаемые при воздействии на мишень интенсивными потоками заряженных частиц

1.3.1. Образование кратеров на поверхности облучаемого материала

1.3.2 Сглаживание микрорельефа облучаемой поверхности

1.3.3. Массоперенос вещества в облучаемой мишени

1.4 Методы описания воздействия интенсивных потоков излучения

на мишень
1.4.1. Расчет термодинамических параметров облучаемого вещества
1.4.2. Описание динамики поверхности облучаемой мишени
1.5. Электронно-ионные лучевые технологии- достижения и проблемы
Выводы
2. Разработка и реализация метода описания динамики системы «пленка-подложка» под действием интенсивных потоков излучения
2.1. Система уравнений
2.1.1. Линейное приближение
2.1.2. Нелинейная динамика системы «пленка-подложка»
2.2. Влияние поверхностного натяжения и вязкости на динамику
границ системы «пленка-подложка»
2.3 Решение системы уравнений нелинейной динамики

Выводы
3. Прямое моделирование сложных течений в конденсированных средах
3.1 Разделение поля скоростей в среде на вихревую и потенциальную составляющие
3.2 Решение системы уравнений механики сплошных сред методом разделения скоростей на вихревую и потенциальную составляющие
3.3 Тестовые расчеты
Выводы
4. Численные исследования нелинейной динамики облучаемых слоев конденсированных сред
4.1 Сглаживания микрорельефа поверхности мишени при
облучении интенсивным потоком заряженных частиц
4.2 Влияния исходного состояния поверхности на результат
лучевой обработки
4.3 Роль НРТ и НРМ в процессах массопереноса вещества в объеме облучаемой мишени
4.4 Роль капиллярноконвективной неустойчивости в процессах массопереноса вещества в облучаемой мишени
4.5 Сравнение результатов физического и численного экспериментов
4.6 Динамические явления в веществе при воздействии ультракоротких импульсов излучения
Выводы
Заключение
Список публикаций автора
Литература

Введение
В настоящее время обработка твердотельных мишеней мощными потоками ускоренных заряженных частиц с плотностью мощности >10б Вт/см2 широко используется для модификации свойств различного рода материалов. Радиационные технологии обладают рядом существенных преимуществ перед традиционно используемыми в машиностроении методами: возможностью обработки высокоточных деталей сложной формы, малым временем обработки, простотой автоматизации процесса.
Поэтому исследования, связанные с воздействием излучения на вещество, являются актуальными как с точки зрения понимания физических процессов протекающих в веществе при его облучении, так и с точки зрения создания теоретической базы для радиационных технологий.
Как правило, для модификации материалов используют: ионные пучки с энергией частиц, не вызывающей ядерные реакции [58]; низкоэнергетические сильноточные электронные пучки (НСЭП - энергия частиц составляет десятки кэВ) [71]; высокоэнергетические сильноточные электронные пучки (ВСЭП - энергия частиц составляет сотни кэВ) [62]. Длительность импульса ионных пучков составляет десятки и сотни наносекунд. Длительность электронных пучков варьируется в достаточно широком диапазоне от единиц наносекунд до сотен микросекунд. Последнее достижение в создании ускорителей это электронный ускоритель с субнано-и пикосекундной длительностью пучка [34]. Плотность тока для электронных и ионных пучков варьируется в диапазоне от десятков А/см2 до единиц кА/см2.
Быстрый ввод энергии пучка в вещество мишени вызывает протекание в нем интенсивных тепловых и деформационных процессов, приводящих к изменению структуры и фазового состава материала мишени. При этом

несжимаемую жидкостью. Пусть область расплава состоит из I слоев (рис. 1.9), течение в каждом из которых потенциально. Пронумеруем границы между слоями целыми индексами / = 0,1,—,Ь (/ = 0 соответствует свободной поверхности мишени, / = Ь - границе расплав - твердая фаза), а сами слои -полуцелыми индексами / + ~
Пусть на границах слоев заданы однородные вдоль оси ОУ гармонические возмущения а (/) соз(Ах) (борозды), причем выполняются условия малости возмущений: а,к -С1 и (а; / р){др / дг) <С 1 V/ е[0,Л]. Поле смещений, связанное с динамикой возмущений, внутри каждого слоя имеет структуру, которая соответствует течению несжимаемой жидкости и удовлетворяет уравнению Лапласа:
$Ък{г-г8
и‘;1'х,г
а,(1) {ск[/с(г - г,.)] - эЬ [к{г - г,)]с1Ь [кИм12 ]} + а,+] (/)-
ЗЬ [Щ+1/2 ]
а, (?) {сЬ [к(г - г,)] сЙ1 [кИ1+и2 ] - бЪ [к(г - г,)]} - ам (/)
соБ(кх),
зт(кх), (1-2)
(+1/2 ]
где кмп - гм - 2( - толщина слоя с номером / +1 / 2.
Построим функцию Лагранжа системы. Потенциальная энергия системы складывается из потенциальной энергии поля сил инерции и из энергии поверхностного натяжения и = ис+и8.
Подсчитаем ив. При отсутствии возмущений их-и,- 0 массовая плотность вещества меняется только по глубине р(х,гр) = /э0(г,/). В результате смещений распределение плотности среды изменяется и в точке с координатами (х,г) плотность равна р(х, г,/) = р0 (г- и: (х, г, /),/). Изменение потенциальной энергии малого объема жидкости 5х5х за счет смещений с точностью до членов второго порядка малости есть
8UG=g{z,t)
иг(х,:, I)
| р0(г - г',/>'8г
8x8 г
g(z, Ор0 (г, /)щ (х, г,8х 8г- 8х8г,