强流脉冲离子束辐照形成高温、高压高密度喷发等离子体碰撞输运特性研究

本项目采用理论分析和数值模拟相结合的方法，通过从理论上建立HIPIB辐照靶材的非线性热传导模型，建立辐照产生高温、高压高密度等离子体在真空中输运模型，建立辐照产生等离子体向不同种类、不同压力背景气体中碰撞输运模型，明确辐照不同靶材时产生高温、高压及高密度喷发等离子体的组成成分及其与HIPIB束流参数间的关系，明确等离子体喷射到基片上形成鞘层的特性，明确不同背景气体种类和压力对喷发等离子体在背景气体中碰撞输运（粒子间相互贯穿，交换能量和动量，使等离子体衰减、扩散形成浓度、温度和速度等梯度分布，在接触界面产生激波等）的影响，揭示喷发过程中等离子体的热力学状态，揭示鞘层对薄膜生长的作用，揭示纳米粉合成机理。建立HIPIB辐照产生高温、高压高密度喷发等离子体碰撞输运理论，为强流脉冲离子束技术在工业领域里的实际应用奠定基础。

强流脉冲离子束(IPIB）在材料表面改性、薄膜生长、纳米粉制备等领域有着广阔的应用前景。一般当能量密度较高时可使材料表面气化从而产生高温、高压及高密度喷发等离子体，可以利用其沉积到基片上进行薄膜生长或喷射到充满一定压力的气体靶室进行纳米粉的制备等。建立相应的IPIB辐照产生的等离子体的喷发理论以推进IPIB工业应用进程是非常有意义的事情。项目主要进行了下述内容的研究工作：（a）在前期预研基础上从理论上完善IPIB束流模型。（b）建立了IPIB辐照靶材的二维非线性热传导模型，解决辐照金、银、铜、镍等不同靶材时产生高温、高压及高密度喷发等离子体问题。（c）模拟高压、高密度等离子体的行为，不可避免地需要考虑带电粒子与中性背景气体粒子之间的碰撞问题。这一碰撞过程，需要用PIC-MCC方法模拟才能得到更详细的信息，为此我们采用PIC-MCC方法模拟计算IPIB产生等离子体向不同种类和压力下背景气体的传播问题。得到的下面几点重要结果。(a)根据离子束流密度及MID电压时空分布建立了IPIB辐照金、铜等靶的二维瞬态热传导模型，得知脉冲结束后靶材顶层材料因气化烧蚀掉形成喷发等离子体。(b) 采用烧蚀与喷发模型，研究了IPIB辐照烧蚀金、铜等靶材的情况。结果表明：等离子体在大气压背景气体中传播受限；在千分之一压强空气中喷发时会产生激波，等离子体分离成快速和慢速移动部分。(c) 根据建立的IPIB烧蚀等离子体喷发PIC-MCC模型计算得到下列结果：IPIB烧蚀靶材产生的等离子体中的电子将率先喷发；烧蚀产生的高温、高压高密度等离子体中的正离子将以激波形态向背景环境中传播；当IPIB辐照铜靶材产生等离子体向氩气背景气体中传播时出现快速和慢速分离部分；当IPIB辐照铜靶材产生等离子体向氦气和氖气背景气体中传播时快慢分离现象十分地不明显；等离子体中的铜离子在相同压力的背景气体氩气和氦、氖气体中传播时，发现激波前沿的铜离子在质量较大的氩气中传播得较快些。项目的科学意义在于建立了IPIB束流模型，建立了其辐照靶材的非线性热传导方程，建立了喷发等离子体的流体动力学模型，建立了描述等离子体在背景气体中传播的PIC-MCC模型；解决了IPIB辐照靶材过程中的能量沉积、能量传导、辐照产生的等离子体及其组成的带电粒子与背景粒子之间的相互作用以及基片成膜问题。