Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге

Предложена нелинейная модель ионизации цилиндрического потока плазмы вакуумной дуги, которая учитывает рекомбинацию ионов и позволяет рассчитать распределение ионов различных металлов в вакуумной дуге. Показано, что вблизи оси вакуумной дуги определяющее значение имеет энергия ионизации, вследстви...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Недоля, А.В., Пиваев, Е.И., Титов, И.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Schriftenreihe:	Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98894
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге / А.В. Недоля, Е.И. Пиваев, И.Н.Титов // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 210–213. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98894
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-988942016-04-20T03:02:36Z Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н. Предложена нелинейная модель ионизации цилиндрического потока плазмы вакуумной дуги, которая учитывает рекомбинацию ионов и позволяет рассчитать распределение ионов различных металлов в вакуумной дуге. Показано, что вблизи оси вакуумной дуги определяющее значение имеет энергия ионизации, вследствие малой длины свободного пробега ионов. С увеличением расстояния от оси вакуумной дуги более существенное влияние на распределение ионов оказывают их массы и процессы рекомбинации. Запропонована нелінійна модель іонізації потоку плазми вакуумної дуги, яка враховує рекомбінацію іонів і дозволяє розрахувати розподіл іонів різних металів у вакуумній дузі. Показано, що поблизу осі вакуумної дуги визначальне значення має енергія іонізації, внаслідок малої довжини вільного руху іонів. Зі збільшенням відстані від осі вакуумної дуги вплив процесів рекомбінації і маси іонів на їх розподіл стає більш суттєвим. A nonlinear model of a cylindrical ionization of the plasma flow of matter, which takes into account the recombination of ions and allows us to estimate distribution of ions of different metals in vacuum arc, was offered. It is shown that near the axis of the vacuum arc dominates the impact ionization energy, due to the small free length of ions. At a distance substantially influence of the masses of ions and values of the recombination coefficient. 2010 Article Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге / А.В. Недоля, Е.И. Пиваев, И.Н.Титов // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 210–213. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98894 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Предложена нелинейная модель ионизации цилиндрического потока плазмы вакуумной дуги, которая учитывает рекомбинацию ионов и позволяет рассчитать распределение ионов различных металлов в вакуумной дуге. Показано, что вблизи оси вакуумной дуги определяющее значение имеет энергия ионизации, вследствие малой длины свободного пробега ионов. С увеличением расстояния от оси вакуумной дуги более существенное влияние на распределение ионов оказывают их массы и процессы рекомбинации.
format	Article
author	Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н.
spellingShingle	Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н. Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге Физическая инженерия поверхности
author_facet	Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н.
author_sort	Недоля, А.В.
title	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге
title_short	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге
title_full	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге
title_fullStr	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге
title_full_unstemmed	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге
title_sort	численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98894
citation_txt	Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге / А.В. Недоля, Е.И. Пиваев, И.Н.Титов // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 210–213. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT nedolâav čislennoemodelirovanieprostranstvennogoraspredeleniâionovmetallovvvakuumnojduge AT pivaevei čislennoemodelirovanieprostranstvennogoraspredeleniâionovmetallovvvakuumnojduge AT titovin čislennoemodelirovanieprostranstvennogoraspredeleniâionovmetallovvvakuumnojduge
first_indexed	2025-07-07T07:12:06Z
last_indexed	2025-07-07T07:12:06Z
_version_	1836971276893159424
fulltext	210 ВВЕДЕНИЕ Исследование процессов, происходящих в плазме вакуумной дуге, является актуальной проблемой и имеет большое практическое значение для оптимизации технологических параметров при получении поверхностных слоев и пленок сверхпроводящего металла для резонаторов ускорителей элементарных частиц [1 – 3]. Из-за большого количества факторов, которые влияют на формирование вакуумной дуги, подбор условий осаждение металла для получения металлических по- верхностей с заданными свойствами без ис- пользования моделирования этого процесса, является очень трудоемкой задачей. Среди процессов, которые определяют свойства ва- куумной дуги, особое место занимает радиа- льная диффузия ионов [4]. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Для исходной модели рассмотрим процесс формирования вакуумной дуги на катоде: с катода испаряется металл, который ионизи- руясь, создает поток плазмы с известными параметрами (средний заряд иона Z, концен- трация ионов фоновой плазмы n0, темпера- тура электронов Te, температура ионов Ti). Для упрощения модели считаем, что с цилин- дрического катода происходит испарение нейтральных атомов, а ионизация этих паров происходит при их взаимодействии с элект- ронами плазмы [5]. При этом имеет место градиент температуры электронов, который обеспечивает необходимый подвод энергии, а ионизация пара происходит за счет высокой теплопроводности электронного газа. В моде- ли этот градиент считаем малым вследствие высокой теплопроводности электронного га- за, а константу ионизации Ki(Te), как функцию электронной температуры, считаем постоян- ной и заданной, что позволяет использовать эффективное значение этой константы. Основным приближением модели являет- ся предположение о диффузионном характере движения ионов в разлетающемся паровом облаке, что характерно для движения ионов в газоразрядной плазме высокого давления. Для плазмы вакуумной дуги также характе- ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ А.В. Недоля, Е.И. Пиваев, И.Н.Титов Запорожский национальный университет Украина Поступила в редакцию 25.09.2010 Предложена нелинейная модель ионизации цилиндрического потока плазмы вакуумной дуги, которая учитывает рекомбинацию ионов и позволяет рассчитать распределение ионов раз- личных металлов в вакуумной дуге. Показано, что вблизи оси вакуумной дуги определяющее значение имеет энергия ионизации, вследствие малой длины свободного пробега ионов. С увеличением расстояния от оси вакуумной дуги более существенное влияние на распределение ионов оказывают их массы и процессы рекомбинации. Ключевые слова: вакуумная дуга, математическая модель, ионизация, рекомбинация, плазма. Запропонована нелінійна модель іонізації потоку плазми вакуумної дуги, яка враховує реком- бінацію іонів і дозволяє розрахувати розподіл іонів різних металів у вакуумній дузі. Показано, що поблизу осі вакуумної дуги визначальне значення має енергія іонізації, внаслідок малої довжини вільного руху іонів. Зі збільшенням відстані від осі вакуумної дуги вплив процесів рекомбінації і маси іонів на їх розподіл стає більш суттєвим. Ключові слова: вакуумная дуга, математична модель, іонізація, рекомбінація, плазма. A nonlinear model of a cylindrical ionization of the plasma flow of matter, which takes into account the recombination of ions and allows us to estimate distribution of ions of different metals in vacuum arc, was offered. It is shown that near the axis of the vacuum arc dominates the impact ionization energy, due to the small free length of ions. At a distance substantially influence of the masses of ions and values of the recombination coefficient. Keywords: vacuum arc, a mathematic model, ionization, recombination, plasma.  А.В. Недоля, Е.И. Пиваев, И.Н.Титов, 2010 212 Результаты расчетов концентрации ионов плазмы вакуумной дуги приведены на рис. 1. Анализ полученных результатов распреде- ления ионов в плазме вакуумной дуги пока- зывает, что: 1. По характеру распределения ионов метал- лы можно разделить на 3 группы: 1) Ti и Zr; 2) Mo, W, Ta; 3) Cu. Элементы первой группы имеют близкий потенциал иони- зации (Ti = 6.82 эВ; Zr = 6.63 эВ) и отно- сятся к IV группе периодической систе- мы, т.е. имеют сходный характер образо- вания ионов, хотя и отличаются массами. Все это предопределяет близкий характер радиального распределения концентра- ции ионов для этих металлов. Различие масс сказывается на распределении толь- ко на большом расстоянии от оси ваку- умной дуги. 2. Элементы Mo и W принадлежат к VI груп- пе периодической системы, а Ta является соседом W и имеет близкую с ним массу. Радиальные распределение ионов Ta и W схожи между собой, а некоторое отличие вдали от оси дуги также связано с разно- стью в массах, однако более высокие зна- чения концентрации ионов по сравнению с первой группой можно объяснить низ- кими потенциалами ионизации. Такое по- добие поведения распределения концент- рации ионов для Ta и W указывает на сла- бое влияние заряда ионов на характер их распределения, что подтверждено экспе- риментальными данными [7] и указывает на адекватность выбранной модели. Что касается Mo, то вблизи оси вакуумной ду- ги распределение ионов близко к Ti и Zr, вследствие близкого с ними значения энергии ионизации. Вдали от оси ваку- умной дуги сказывается наличие малой массы ионов, в сочетании с высоким зна- чением коэффициента рекомбинации и концентрация ионов становиться близкой к Ta и W. 3. Аномальное поведение ионов Cu, имею- щее промежуточный характер, связано с сочетанием высокой энергии ионизации с низкой массой и высоким коэффициен- том рекомбинации. А наименьшее значе- ние концентрации ионов вдали от оси ва- куумной дуги указывает на определяющее значение процессов рекомбинации на этих расстояниях. 4. Вследствие квазистационарности пр- оцессов в вакуумной дуге в произвольный момент времени количество ионов и нейт- ральных атомов приблизительно постоян- Таблица 1 Значение параметров для решения задачи ионизации потока металлов в вакуумной дуге Металл σ, м2 Ti, эВ Tе, эВ I, эВ М, кг/моль Кi⋅1012 α β⋅1012σ i , м 2 Ti 4⋅10–10 0,31 3,07 6,82 0,0479 6,82 2,61⋅10–12 19,1 Zr 4,5⋅10–10 0,4 4,01 6,63 0,0912 7,8 2,81⋅10–12 6,93 Ta 5,5⋅10–10 0,49 4,91 7,89 0,181 8,63 3,91⋅10–12 4,86 Mo 5⋅10–10 0,42 4,21 7,09 0,0959 7,99 3,21⋅10–12 6,95 W 5,6⋅10–10 0,5 5,03 7,98 0,184 8,73 4,01⋅10–12 4,46 Cu 3,5⋅10–10 0,24 2,45 7,7 0,0636 6,09 2,41⋅10–12 59,6 Рис. 1. Радиальное распределение концентрации ионов металлов разного сорта в плазме вакуумной дуги. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3 213 но. Поэтому существует прямо пропорци- ональная зависимость между количеством ионов и нейтральных атомов. В свою оче- редь количество ионов напрямую связано с энергией ионизации. Так как связь этих величин с длиной свободного пробега об- ратно пропорциональна, то преимущест- венное влияние на распределение ионов вблизи оси вакуумной дуги имеет энергия ионизации, что связано с малыми значе- ниями длины свободного пробега ионов вследствие их большой концентрации. На больших расстояниях от оси вакуумной дуги концентрация ионов уменьшается, длина свободного пробега увеличивается, и влияние массы ионов и процесса реком- бинации на радиальное распределение становиться более существенным. ВЫВОДЫ 1. Предложена нелинейная модель иониза- ции цилиндрического потока вещества плазмы, которая учитывает рекомбина- цию ионов и позволяет определить харак- тер распределения ионов различных ме- таллов в вакуумной дуге. Модель позво- ляет оценить роль физических факторов, существенно влияющих на распределение ионов от оси вакуумной дуги, свойства осаждающихся вакуумно-дуговым мето- дом пленок и покрытий, а также оптими- зировать режимы осаждения для полу- чения металлических слоев с заданными параметрами. 2. Показано, что вблизи оси вакуумной дуги на распределение ионов преобладает влияние энергии ионизации, вследствие малой длины свободного пробега ионов: для ионов Cu, W, Ta с высокими значения- ми энергии ионизации (7.7 эВ, 7.98 эВ, 7.89 эВ соответственно) изменение кон- центрации происходит более плавно; для элементов с меньшими энергиями иони- зации (Mo – 7.06 эВ, Ti – 6.82 эВ, Zr – 6.63 эВ) такое изменение выражено более резко. 3. Радиальное распределение концентрации ионов Cu имеет промежуточный характер вследствие наличия следующих факторов: высокой энергии ионизации, сравнитель- но малой массы и высокой степени реком- бинации. Поведение ионов меди указыва- ет на тот факт, что в промежуточном ин- тервале расстояний от оси дуги сущест- венным является влияние всех трех ука- занных факторов. 4. Сравнение противоположного поведения изменения радиальной концентрации для Cu с высоким (β = 6.21) и Mo с низким (β = 0.541) коэффициентами рекомбина- ции, указывает на преимущественное вли- яние процессов рекомбинации на боль- ших расстояниях от центра вакуумной ду- ги. ЛИТЕРАТУРА 1. Strzyzewski P., Sadowski M.J., Nietubyc R., at. all.//Materials Science-Poland. – 2008. – Vol. 26, Nо. 1. – P. 213-220. 2. Langner J., Catani L., Russo R., at. all//Czechosl- ovac Journal of Physics. – 2002. – Vol. 52. – P. D829-D835. 3. Langner J., Russo R., Catani L, at. all.//Ser.: Plas- ma Physics (7). – 2002. – № 4. – P. 161-164. 4. Семиохин И.А. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме. – М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1988. – 142 с. 5. Козырев А.В.,Сытников А.Г.//Письма в ЖТФ. – 2008. – Т. 34, Вып. 7. – С. 88-94. 6. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том. Кн. І /Под ред. В.Е. Фортова. – М.: Наука, 2000. – 541 с. 7. http://www-sbras.ict.nsk.su/win/sbras/rep/2000/ fiz-mat/fmn2.html А.В. НЕДОЛЯ, Е.И. ПИВАЕВ, И.Н.ТИТОВ

Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге

Institution

Ähnliche Einträge