Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время вновь возрос интерес К традиционной области ядерной физики — взаимодействию заряженных частиц с веществом. Актуальность этих проблем связана как с необходимостью разработки эффективных источников рентгеновского н гамма-излучения для пмит цпонных экспериментов, созданием мощных лазерных систем с накачкой электронными пучками и систем очистки дымовых газов п экологпчсскп вредных выбросов, так ы с развитием новых высоких технологий, основанных на воздействии потоков аряжстшых частиц на поверхность твердого тела.
Конструирование таких сложных приборов, как и разработка физических основ новых технологий невозможны без глубокого понимания всей совокупности происходящих в среде процессов. Такое понимание и возможность предсказания результатов может дать лишь компьютерное, моделирование, основанное на наложных модельных представлениях п эффективных расчетных алгоритмах.
Эффективным методом решения задач взаимодействия заряженных частиц с веществом является метод Монте-Карло, хорошо разработанный для расчета характеристик потока электронов1 ,г. В то же время эти алгоритмы не дают возможности рассчитывать характеристики: низкотемпературной плазмы, создаваемой пучком электродов при взаимодействии с і азом, что важно для моделирования приборов п устройств ппжскшкяшой газовой электроники, основаниых на возбуждении газа электронными пучками [1, 2).
Развитие физпкп взаимодействия ионов с веществом невозможно без знания распределений ионов, дефектов и энергии, вложенной ,в поверхностные слои. Таблицы таких распределений, приведенные как в зарубежных3, так п в отечественных изданиях"1,5, содержат неполные, недостаточно точные и во многом ..'старевшие данные, не удовлетворяющие современным требованиям. В этих работах затабулированы лишь первые три момента реальных раслределеншї,
' Аккерман А.Ф. Моделирование траекторий зараженных частиц в веществе. — М.: Элерго-атомиэяат, 1991.200 с.
^Кольчужкин A.M., Учайккн В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. — М.: Атомиздат, 1978, 256 с.
''ion implantation range and energy deposition distributions. Vol 1,2 — N.Y.: JFJ/ Plenum Data Company, 1975.
^Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов M. А. и др. Таблипы параметров пространственного распределения иопяо-имплангировакных примесей. — Минск- Изд-во БГУ, 1080. 352 с.
>Буреиков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А. и лр. Прострапствепное распределение энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений а тверды* телах. Минск: Изд-во БГУ, 1985, 2!б с.
для восстановления которых нспользустся функция Пирсона типа IV. Кроме того, большинство монте-карловских программ расчета переноса ионов являются малопроизводительными, что сдерживало развитие теории моделирования ны-сокодозной ионной импланташш и основанных на этом явлении технологий.
Эффекты высокодозной ионной имплантации (ВИИ) проявляются при дозах Ф > 1014 см~2, при которых существенную роль начинают играть высокие концентрации примеси м наведенных дефектов, а также распыление и распухапне поверхностных слоен в результате столкновнгельных ц диффузионных процессов, приводящих к іізліенеїшю как распределения имплантируемой примеси, так и концентрации компонент мишени. ВИИ является основ .Ї ряда технологических процессов, позволяющих получать материалы с уникальными поверхностными свойствамп. Однако фпзпка процессов при ВИИ до конца не выяснена, поэтому пх анализ важен как в чисто научном, так п в рпкладдом аспектах.
В настоящее время наибольшими возможностями п точностью описання изменения концентрации примеси и компонент мишени при ВИИ обладают так называемые "динамические11 модели. Известные динамические модели TRIDYN0 и EVOLVE7 , а также модели Краутела8 к FRS9 основаны на предположении об аддитивности процессов при ВИИ на некотором шаге по дозе ДФ. Прцнщщ аддитивности позволяет построить последовательность операций по расчету состава мишени с учетом процесса релаксации и распыления, однако учет дополните 1Ы1ЫХ процессов вызывает необходимость перестройки всего алгоритма расчета. Кроме того, отсутствие математически строгого критерия применимости алгоритма приводит к тому, что результаты расчетов по разным, программам имеют существенные количественные, а иногда даже качественные различия. Поэтому актуальным является создание моделей и программ, учитывающих взаимозависимость лроцессоп ВИН и позволяющих легко расширять модель при учете'новых процессов.
В последнее время для решения ряда задач технической физики п, в частности, для имитации воздействия излучения ядерного взрыва в различных лабораториях мири разрабатываются мощные источники свсрхжссткого рентгеновского излучения с энергией к..актов 10-100 кэВ (СЖР-пзлучение).
Традиционный метод генерации СЖР-излучония основан на торможении электронных пучков в мишенях. Характеристики тормозного излучения (Тії) стандартних однопроходовых конверторов хорошо изучены, и существуют как теоретические, так и эмпирические выражения для их оценки. Однако известные рекомендации могут оказаться неприемлемыми, если решать задачу об га-
r>V.i,)U:r \V., Eckstein // Nucl. Jnstr. Mclh., 1984, v. ЕЮ, p. 814.
7C;IJkt.cpc O.K. el. at. Ij Nucl. Instr. Metli., I9S6, v. ШЗ, p. 439.
8Kr;iutc! II. Ij Nucl. Imtr. Meth.. 1976, v. 134, p. 167.
яКагЫ P., SiHgler 1., Rangaswaiiiy M. // M»t. Res. Sop. Symp. Proc, 1984, v. 27, p. Ш.
лученип не во всем спектре ТИ. а в определенном его участке (в данном случае в СЖТ-области 10 < 1ш < 100 кэВ).
Перспективным способом увеличения эффективности выхода СЖР-нзлучсипя считается реализация многопроходовых режимов торможения электронов в тонких фольгах10-14. К сожалению, во всех приведенных работах исследован выход ТИ при фиксированных параметрах пучка электронов л конверторного узла и открытым остается вопрос о предельных возможностях режимов генерации С Ж Р-излучения.
Поэтому ЦЄЛЬЮ ДИССертаЦИОННОЙ работы являлась разработка моделей физических процессов, алгоритмов я программ для исследования закономерностей воздействия электронов и ионов на газы и поверхность методом компьютерного моделирования, а также создание пакетов прикладных программ для компьютерной проработки конструкций приборов п исследования физических основ технологий, основанных на применении электронных и ионных пучков.
Положения, выносимые на защиту, н научная новизна работы
На защиту выносятся:
1. Модели расчета характеристик взаимодействия: электронов с газом и полу
пенные на пх основе закономерности возбуждения смесей газов атмосферно
го давления электронным пучком: значения средних энергий, затрачиваемых
ионизационным каскадом электронов на создание активных частиц плазмы
в электронно-возбужденных состояниях, являются универсальными констан
тами, определяющими пространственное распределение потерь энергии элек
тронами по уровням ионизации и возбуждения атомов и молекул и завися-;
пиши Только от состава газовой смеси.
Впервые получены данные по распределению потерь энергии электронов по уровням понпзацнп и возбуждения в смесях благородных газов с молекулярными, на основании которых уточнены предельные эффективности излучателей на эксимерных молекулах галогенидоз благородных газов.
2. Пакет программ MUFLON, предназначенный для моделирования процессов в
низкотемпературной плазме, созданной электронными пучками в смесях га-
10Halbicib J.A. // IEEE Trans. Nuel. Sci., 1980, NS-27, p. 14Є9.
^Литвинов E.A.,Месяц Г.А., Ршксв B.B., Шпак В.Г. Авторское свидетельство 1022236 СССР //3. И., 1983, ."* 21, с 176.
12Lee J.R., Backstorm R.C., HalbUab J.A. el. лі // J. Appl. Phys., 1981, v. 56(11), p. 3175.
13Байгарин K.A., Зинчеико B.O., Лебедев M.H., Баритов Н.У. М., 1989. 10 с. (Препринт / ИАЭ, X 4947/7.
''Бучслъпиков В.Д., Яловец А.П. // Всесогозв. сиып. по сильноточной электронике: Тез. докл. Ч. И, Свердловск, 1990, с. 77.
зов высокого давления, а также результаты моделирования мощных экснмер-ных лазеров с многосторонней накачкой пучками электронов: многосторонние схемы пыжекшт злектрондых пучков, в том числе и немопоэпергстичных, позволяют азимутально однородно воооуждать рабочий объем широкоапер-турных устройств икжєкціїошюй газовой электроники с высокой эффективностью и создавать компактные установки.
3. Линейная теория холодных конверторов СЖР-излучения при тор.можсипп
электронов п однопроходовых н многопроходовых (колебательных) режимах,
в рамках которой влерзые показано, что:
в в однопроходовых режимах энерги СЖР-пзяученп>., выходящего за конверторы оптимальной толщины -&ЕР\ при увеличении начальной энерпш электронов ограничена и сходится к предельному для данного материала конвертора значению ДЕ1^;
е увеличение энерпш СЖР-пзлученш для электронов с начальной анергил Ей < 1 МэВ возможно лишь для многопроходовых конверторных систем с коэффициентом возврата электронов / > 0,5 и мишенями из материала с большим атомним номером Z;
е доля энергии характеристического, талучекяя ш всем СЖР-спектре в од-ноироходовом режиме моасет достигать 40>%, б то время как для многоцро--ходовых стремится к пулю;
в ма снмальная эффективность генерации; СЖР-пзлучениж па энергии r;m ~ 0,3 — 0 4 % в многопроходовых режимах не превышает аналогичную в однопроходовых режимах, хотя начальные энерпш электронов, при которых они достигаются, смещаются в область больших значений.
4. Пакет программ ТШОГі, в котором перенос попов и вторичных атомных
каскадов моделируются методом Монте-Карло по схеме катастрофических
столкновений, а распределения пошшТимплантацнп впервые аппроксимиру
ются полной системой функций Пирсона с преобразование»? полубееконечных
расчетных моментов п бесконечные.
Полученная с помощью пакета TRION база данных по распределениям ионов, электронных и ядерных потерь и точечных дефектов для различных комбинаций ион-мишень, важных в микроэлектронике п технологиях модификации конструкционных материалов.
о. Математическая модель высокодозной ионной имплантации, учитывающая одновременность и взаимозависимость протекания основных процессов при высокодозной лонной имллалтащш, и основанный на этой міщели пакет программ DYCOD дл;: расчета динамики композиционного состава мишепи при гшшкодозной ионной имплантации.
Результаты исследований, которые показали, что процессы каскадного перемешивания и преимущественного распыления многокомпонентных систем
играют определяющую роль в технологиях, связанных с упрочнением и легированием конструкционных материалов.
Практическая ценность работы
Разработапные в группе компьютерного моделирования теоретической лаборатории пакеты программ MUFLON, DEGRAD, TIUON, HEAT, DYCOD используются а ИСЭ для решения практически всего спектра задач, связанных с взаимодейстппем электронных и ионных пучков. Так, результаты расчетов по программе MUFLON были использованы для предварительной проработки конструкции мощных экспмерных лазеров УФ Л-100 с тершей излучения в сотнп джоулей в импульсе и выходного модуля компактной лазерной системы с многосторонней накачкой электронными пучками на энергию лазерного излучения в несколько килоджоулей, разработанных в ИСЭ. Варианты программы MUFLON используются о ГНЦ ПХ (г. С.-Петербург) для анализа работы ла- зерпой системы на молекуле KrF п в ИЭФ УрО РАН (г. Екатеринбург) при анализе экспериментов по очистке дымовых газов от окислоо серы и азота.
Предложены оптимальные режимы технологических процессов создания каталитических и защитных покрытий, упрочнения мартенситных сталей и деталей сложной формы, которые разрабатываются в ИСЭ, РИТЦ, ИФПМ СО РАИ п других организаций, использующих пмпульсно-периодические имилантеры ионов.
Публикации и апробацгя результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и представлялись па международных конференциях: International Conference on Lasers (Lasers-79, Florida, 1979; Lasers-89. Los Alamos, 1989), International Conference on High-Power Particle Beams (Deams-92, Washington, 1992; Beams-94, 1994), International Pulsed Power Conference (Albuquerque, 1993; Albuquerque, 1995), International Conference on Ion Implantation in Semiconductors and Other Materials (Poland, 19S8), International Conference on Energy Pulse Modification of Semiconductors and Related Materials (Dresden, 1984, 1989), VII International Conference on Ion Beam Modification of Materials (Oak Ridge, 1990), International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams (Sumy, Ukraine, 1993), п всесоюзных семинарах и конференциях: Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике (Томск, 1978, 1988, 1992; Новосибирск, 1986; Свердловск, 1990), Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы (Кпг;, 1975), Всесоюзная конференция "Оптика лазеров" (Ленинград, 1977, 1990), Всесоюзная конференция "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Минск, 1984; Москва
1987, 1991, 1993), Всесоюзная конференция "Иоішо-лучевая модификация материалов" (Томск, 1987; Каунас, 1989), Всесоюзная конференция ''Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частпц"(Томск, 1988; Свердловск, 1991).
Кроме того, результаты работы докладывались на научных семинарах в ИСЭ СО РАН, ИОФ РАН, ИПМ РАН, ИЭФ УрО РАН, НИИ ЭФА им. Ефремова, КБ САЛЮТ и в других организациях.
Оснопные результаты диссертационной работы опубликованы в 2 монографиях, 35 статьях в центральной к зарубежноіі печати н 12 препріштах ТНЦ СО РАН.
Структура її объем диссертации
Диссертационная работа состоит цз введения, четырех глав п заключения. Материал работы изложен на 161 странице текста, содержащего 51 рисунок л 7 таблиц. Список цитируемой литературы включает 194 наименований, в том числе 40 работ с участием автора.
