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...
Saved in:
| Published in: | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98894 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | 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| _version_ | 1859844107707351040 |
|---|---|
| author | Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н. |
| author_facet | Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н. |
| 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. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| 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.
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.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:38:25Z |
| format | Article |
| 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
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98894 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:38:25Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н. 2016-04-19T12:58:37Z 2016-04-19T12:58:37Z 2010 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 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98894 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. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге Article published earlier |
| spellingShingle | Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге Недоля, А.В. Пиваев, Е.И. Титов, И.Н. |
| title | 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_short | Численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге |
| title_sort | численное моделирование пространственного распределения ионов металлов в вакуумной дуге |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98894 |
| work_keys_str_mv | AT nedolâav čislennoemodelirovanieprostranstvennogoraspredeleniâionovmetallovvvakuumnoiduge AT pivaevei čislennoemodelirovanieprostranstvennogoraspredeleniâionovmetallovvvakuumnoiduge AT titovin čislennoemodelirovanieprostranstvennogoraspredeleniâionovmetallovvvakuumnoiduge |