[發明專利]利用計算機仿真計算被離子束轟擊的材料溫度的方法

有效

• 申請號: 201710127563.0
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106951608B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 梁斌;鄭奕
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 孫雪

本發明公開了一種利用計算機仿真計算被離子束轟擊的材料溫度的方法,以克服人工實驗測量被轟擊材料溫度不便的缺陷。本發明利用計算機仿真技術，通過熱力學仿真分析，模擬仿真出被離子束轟擊材料的溫度隨時間變化的曲線，在實際使用時只需要改變被轟擊材料的參數，便可得到某種被轟擊材料的溫度曲線。本發明改變了常規通過實驗測量離子束轟擊材料溫度的方式，將技術人員從繁瑣的實際測溫試驗中解放出來，避免了一次次實際測溫試驗的準備、試驗數據的記錄分析以及試驗后期數據的處理，大為提高科研人員利用離子束研究各種材料特性的工作效率，并可以較為方便地為被轟擊材料溫度上升導致不利狀況提供提前預防的空間。

技術領域

本發明涉及一種計算離子束轟擊材料溫度的方法，屬于離子束應用技術領域。

背景技術

離子束是在真空條件下，在離子源的離化室對惰性氣體離化后，經過加速、集束等步驟，獲得具有一定速度并且帶有一定束能的離子流，用得最多的是氬離子。離子束一般應用在以下四個方面：①離子刻蝕；②離子束濺射沉積鍍膜；③離子束濺射輔助鍍膜；④離子注入。

在離子束對材料表面的轟擊過程中，其部分動能轉移到被轟擊材料表面上，造成材料表面溫度上升，由于該工藝是在真空中進行，所以非常不利于散熱(沒有對流散熱，熱傳導也很有限，散熱主要是以輻射的方式進行)，這可能會對被轟擊材料表面的性質造成改變。因此，對離子束轟擊造成的熱效應進行研究、對被轟擊材料表面溫度上升造成危害的提前預防就顯得非常重要。

目前，現有技術中對于被轟擊材料表面溫度的測量，一般的測量手段都是實驗間接測量離子束轟擊某種材料后所產生的溫度，而實際的測溫試驗需要耗費較長的試驗準備時間，并且試驗過程中試驗數據的記錄分析和試驗后期數據的處理也需要耗費較長時間，對實踐中被轟擊材料的溫度測量造成了很多麻煩，浪費人力物力。

發明內容

為了解決上述問題，克服人工實驗測量被轟擊材料溫度的不便，本發明提供了一種利用計算機仿真計算被離子束轟擊的材料溫度的方法，本發明原理是利用計算機仿真技術，通過熱力學仿真分析，模擬仿真出被離子束轟擊材料的溫度隨時間變化的曲線，在實際使用時只需要改變被轟擊材料的參數，便可得到某種被轟擊材料的溫度曲線，而不需要每次都做實際的測溫試驗。

本發明采用的具體技術方案如下：

步驟一：計算離子束能量密度分布函數

1、使用離子束對被轟擊材料進行定點定時刻蝕，在離子束轟擊前與轟擊后，分別使用激光干涉儀測量被轟擊材料表面的面型數據，使用轟擊前的面型數據減去轟擊后的面型數據得到刻蝕量，再除以刻蝕所耗費的時間(即轟擊時間)，從而獲得被轟擊材料的單位時間刻蝕速率(以下稱為材料去除工作函數)；

材料去除工作函數＝(轟擊前面型數據-轟擊后面型數據)/轟擊時間；

2、將材料去除工作函數(類高斯分布)轉換為離子束能量密度分布函數，該離子束能量密度分布函數可以直接被下一步ANSYS熱力學仿真分析所調用。

計算離子束能量密度分布函數的具體方法為：

①單位時間內去除的材料體積＝材料去除工作函數×(1.0×10^-6)×像素尺寸²；

②單位時間內轟擊到材料上的離子數量＝(離子束電流/1000)/1.602176565×10^-19(1.602176565×10^-19是每個電子的帶電量)；

③一個離子去除材料的體積＝單位時間內去除的材料體積/單位時間內(1秒)轟擊到材料上的離子數量；