Численное моделирование тепловых эффектов в металлах под

Численное моделирование тепловых эффектов в металлах под
действием импульсных ионных пучков
И.В. Амирханов, Е.В. Земляная, И.В. Пузынин, Т.П. Пузынина, Н. Саркар,
И. Сархадов
Лаборатория Информационных Технологий, ОИЯИ
На современном этапе развития науки и техники изучаются возможности
использования концентрированных потоков энергии (пучки ионов и электронов,
лазерное излучение) для создания материалов, обладающих заданными физикохимическими свойствами. Воздействие мощных пучков заряженных частиц приводит к
сверхбыстрому нагреванию поверхностных слоев мишени, плавлению и испарению
материала с поверхности. Процесс термического расширения материала может
привести к возникновению ударных волн напряжения. Тепловые процессы в
поверхностных слоях облучаемых материалов, а также возникающие при этом волны
напряжения приводят к серьезным структурным и фазовым изменениям и, как
следствие, к изменению свойств облучаемого образца. Таким образом, перспектива
технологического применения импульсных потоков ионов для модификации и
формирования новых физико-химических свойств материалов делает актуальным
теоретическое и численное моделирование взаимодействия таких пучков со средой.
В зависимости от условий эксперимента и целей компьютерного исследования
моделирование взаимодействия потока частиц с мишенью осуществляется на базе
уравнений сплошной среды [1], либо в рамках молекулярно-динамического подхода
[2]. В частности, как показано в [1], особенности процессов диссипации энергии
импульсных пучков умеренной интенсивности приводят к тому, что
1. возникновение и распространение волн термомеханических напряжений
может быть описано волновым уравнением упругости;
2. задача расчета эволюции температурных полей и определения фазового
состояния вещества может решаться в приближении задачи Стефана;
3. испарение носит поверхностный характер с четко выраженной границей
между паровой и конденсированной фазами.
В соответствии с указанными допущениями в наших работах [3-5] выполнено
численное моделирование распространения термоупругих волн и фазовых переходов в
образце металла под действием мощного импульсного потока заряженных частиц.
127
В работе [3] на основе численного исследования задачи Стефана первого рода
изучено влияние характеристик источника ионов (мощность, интенсивность, скорость
включения и т.д.) на процессы плавления и затвердевания в облучаемом образце.
Эволюция термоупругих волн в металлах с учетом вязкости под действием
импульсного ионного пучка описывается нелинейной системой уравнений. В [4]
разработана схема численного решения такой системы и проведено компьютерное
моделирование влияния вязкости на распространение термоупругих волн в облучаемом
образце. Проведен численный анализ зависимости формы волны от коэффициента
вязкости среды, интенсивности и скорости включения источника. Изучено влияние
волны на температуру среды. Установлено, что термоупругая волна возмущает
температуру среды; наличие вязкости среды приводит к затуханию волны, а затухание
волны, в свою очередь, приводит к изменению температуры среды. Показано, что учет
зависимости коэффициента вязкости от температуры приводит к изменению средней
скорости распространения термоупругой волны.
В работе [5] представлен метод численного решения однофазной задачи
Стефана (испарение металла) для образца, облучаемого сильноточным импульсным
источником ионов. Компьютерное моделирование влияния условий облучения на
процессы испарения, происходящие в образце, показало:
1. При небольших интенсивностях источника ( q0 ≤ q ∗ ) испарение образца не имеет
существенного влияния на профиль температуры и динамику ее изменения в
глубине образца.
2. При больших значениях интенсивности источника ( q0 ≥ 4q ∗ ) испарением образца
пренебрегать нельзя, так как на это расходуется значительная часть энергии
источника.
3. При увеличении интенсивности источника амплитуда профиля температуры
стремится к конечному значению, т.е. достигает насыщения (см. рис. 1a) при
Т ∼ 6000 K. Характер зависимости T (t ) качественно согласуется с результатами,
полученными в рамках молекулярно-динамического подхода.
4. Дальнейший рост интенсивности источника приводит к увеличению испарения
образца, а затем к насыщению глубины испарения ξ . Это связанно c поглощением
энергии пучка в области слоя испарения (см. рис. 1b).
128
Рис.1. Временная зависимость температуры ( T = T / 293K ; t = t /t ∗ ; t ∗ = 3 ⋅10−7 с )
на
разных
глубинах
образца
l = 0,1l0 k ,; k = 0,1, 2, 3; l0 = 10−5 м
зависимость максимальной глубины ξ max = ξ max /l0
(рис.1a);
испарения образца от
интенсивности источника q0 /q∗ ; q ∗ = 2,1 ⋅1017 Вт/м 3 (рис. 1b).
Литература
1. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко С.В. Тепломассоперенос в твердом теле
под действием мощных пучков заряженных частиц. Новосибирск, Наука, 1999.
2. Холмуродов Х.Т, Алтайский М.В., Пузынин И.В., Дардин Т., Филатов Ф.П. ЭЧАЯ,
Т.34, No.2, pp.474-515, 2003.
3. Amirkhanov I.V., Zemlyanaya E.V., Puzynin I.V., Puzynina T.P., Sarhadov I. Influence of
the source form in the phase moves model in мetals exposed to pulsed ion beams. JCMSE,
2004 (in press).
4. Амирханов И.В., Земляная Е.В., Пузынин И.В., Пузынина Т.П., Сархадов И.,
Саркар Н. Сообщение ОИЯИ Р11-2003-111, Дубна, 2003.
5. Амирханов И.В., Земляная Е.В., Пузынин И.В., Пузынина Т.П., Сархадов И.,
Саркар Н. Сообщение ОИЯИ Р11-2003-110, Дубна, 2003.
129