本發(fā)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(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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(jīng)過加速、集束等步驟，獲得具有一定速度并且?guī)в幸欢ㄊ艿碾x子流，用得最多的是氬離子。離子束一般應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)行，所以非常不利于散熱(沒有對流散熱，熱傳導(dǎo)也很有限，散熱主要是以輻射的方式進(jìn)行)，這可能會對被轟擊材料表面的性質(zhì)造成改變。因此，對離子束轟擊造成的熱效應(yīng)進(jìn)行研究、對被轟擊材料表面溫度上升造成危害的提前預(yù)防就顯得非常重要。

目前，現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)生的溫度，而實際的測溫試驗需要耗費(fèi)較長的試驗準(zhǔn)備時間，并且試驗過程中試驗數(shù)據(jù)的記錄分析和試驗后期數(shù)據(jù)的處理也需要耗費(fèi)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(fèi)人力物力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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(fā)明提供了一種利用計算機(jī)仿真計算被離子束轟擊的材料溫度的方法，本發(fā)明原理是利用計算機(jī)仿真技術(shù)，通過熱力學(xué)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(shù)，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(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

步驟一：計算離子束能量密度分布函數(shù)

1、使用離子束對被轟擊材料進(jìn)行定點(diǎn)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(shù)據(jù)，使用轟擊前的面型數(shù)據(jù)減去轟擊后的面型數(shù)據(jù)得到刻蝕量，再除以刻蝕所耗費(fèi)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(shù))；

材料去除工作函數(shù)＝(轟擊前面型數(shù)據(jù)-轟擊后面型數(shù)據(jù))/轟擊時間；

2、將材料去除工作函數(shù)(類高斯分布)轉(zhuǎn)換為離子束能量密度分布函數(shù)，該離子束能量密度分布函數(shù)可以直接被下一步ansys熱力學(xué)仿真分析所調(diào)用。

計算離子束能量密度分布函數(shù)的具體方法為：

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

②單位時間內(nèi)轟擊到材料上的離子數(shù)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(nèi)去除的材料體積/單位時間內(nèi)(1秒)轟擊到材料上的離子數(shù)量；

④計算得出單位時間內(nèi)離子束能量最大值＝單位時間內(nèi)轟擊到材料上的離子數(shù)量×每個離子的能量(1000～1200電子伏特)；ansys仿真里面需要用到單位時間內(nèi)離子束能量最大值參數(shù)，該參數(shù)用于指示單位時間內(nèi)離子束能量的最大值，也就是在ansys熱力學(xué)仿真中假設(shè)離子束所攜帶的能量沒有任何損失全部轉(zhuǎn)換為熱能傳遞到被轟擊材料上。

⑤計算得出離子束分布函數(shù)＝[材料去除工作函數(shù)×(1.0×10^-6)×像素尺寸²]/一個離子去除材料的體積；

⑥每個離子的能量是1000～1200電子伏特，根據(jù)以下公式計算得出離子束能量密度分布函數(shù)：離子束能量密度分布函數(shù)＝[離子束分布函數(shù)×每個離子的能量×(1.602176565×10^-19)]/[(像素尺寸/1000)×(像素尺寸/1000)],單位是焦耳/平方米；

經(jīng)過計算得出：離子束能量密度分布函數(shù)＝88500/exp(({x}²+{y}²)/0.081)

上述單位時間內(nèi)均指1秒內(nèi)。

步驟二：進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析

使用ansys軟件對被轟擊材料進(jìn)行建模，調(diào)用步驟一所產(chǎn)生的離子束能量密度分布函數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，設(shè)定分析時間和選取被轟擊材料模型背面溫度點(diǎn)，經(jīng)過ansys軟件的計算得出所選溫度點(diǎn)隨時間變化曲線。

ansys熱力學(xué)仿真分析的步驟具體為:

①進(jìn)入ansys軟件的前處理器，定義被轟擊材料模型的單元類型采用熱分析單元solid90單元類型，它屬于高階精度的求解單元。定義材料的熱傳導(dǎo)率、密度和比熱容這三個參數(shù)，ansys熱力學(xué)分析是與材料的這三個參數(shù)直接密切相關(guān)的,這三個參數(shù)缺少一個就無法進(jìn)行ansys熱力學(xué)仿真分析；

②建立被轟擊材料模型，指定其單元類型為solid90并劃分單元網(wǎng)格；

③使用ansys軟件讀入步驟一產(chǎn)生的離子束能量密度分布函數(shù)＝88500/exp(({x}²+{y}²)/0.081)，x和y是施加在模型節(jié)點(diǎn)上離子束能量密度分布函數(shù)的值，然后ansys會自動計算出施加在該點(diǎn)(x,y)的離子束能量大小。離子束能量密度分布函數(shù)，該函數(shù)在數(shù)學(xué)表達(dá)上一個連續(xù)曲面函數(shù)，但是在ansys熱力學(xué)仿真過程中，因為計算機(jī)模型是一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，把離子束能量密度分布函數(shù)這個連續(xù)曲面覆蓋在由一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的模型上，計算機(jī)會自動找到覆蓋在模型節(jié)點(diǎn)上離子束能量密度分布函數(shù)的(x，y)值，從而自動計算出覆蓋在該節(jié)點(diǎn)上的離子束能量密度分布函數(shù)的大小。定義高斯熱源表格，提前設(shè)置熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)為可變量系數(shù)(0～100％)，高斯熱源＝單位時間內(nèi)離子束能量最大值×88500×熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)/exp(distance**2/0.081),其中的distance＝sqrt(a**2+b**2)，a和b是步驟一中離子束的像素尺寸的值；

④施加高斯熱源表格到被轟擊材料模型表面，設(shè)定初始溫度，設(shè)置求解選項瞬態(tài)分析，然后加熱求解。

進(jìn)一步，像素尺寸是指使用若干個正方形小塊分割材料去除工作函數(shù)，這些正方形小塊水平和垂直方向的尺寸大小，單位是毫米，該參數(shù)屬于自定義，取值范圍根據(jù)材料去除工作函數(shù)的大小來定，如果材料去除工作函數(shù)大小在40mm×40mm以內(nèi)，像素尺寸大小可以取值1.5mm，也就是使用1.5mm×1.5mm的正方形小塊來分割材料去除工作函數(shù)。一般來說，像素尺寸大小取值范圍是0.5mm，1mm,1.5mm,2mm。取值依據(jù)是，當(dāng)材料去除工作函數(shù)大小在20mm×20mm以內(nèi)，像素尺寸可以選取0.5mm；當(dāng)材料去除工作函數(shù)大小在30mm×30mm以內(nèi)，像素尺寸可以選取1mm；當(dāng)材料去除工作函數(shù)大小在40mm×40mm以內(nèi)，像素尺寸可以選取1.5mm；當(dāng)材料去除工作函數(shù)大小在50mm×50mm以內(nèi)，像素尺寸可以選取2mm。

進(jìn)一步，在熱力學(xué)仿真分析中，需要設(shè)定離子束能量密度分布函數(shù)的熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，也就是在ansys中定義熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)為可變量系數(shù)(范圍在0～100％)，該系數(shù)是用以調(diào)節(jié)實際測溫曲線與熱力學(xué)仿真分析得到的測溫曲線之間的差異大小，該系數(shù)的取值應(yīng)盡量做到模擬測溫曲線和實際測溫曲線誤差最小。

定義離子束熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)的原因是，離子束所攜帶的能量(包含熱能)，一部分直接傳遞給被轟擊材料，另一部分通過原子之間的碰撞，把離子的動能轉(zhuǎn)化成為熱能傳遞給被轟擊材料，把這兩種熱傳遞綜合為一個熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，該系數(shù)的作用是用于指示離子束所攜帶的能量有多少轉(zhuǎn)換成了熱能傳遞給被轟擊材料。

進(jìn)一步，在步驟二④的ansys求解前，設(shè)定施加高斯熱源總的時間是30分鐘，一般離子束對材料的表面進(jìn)行定點(diǎn)轟擊15分鐘材料就可以達(dá)到熱穩(wěn)定，故最大設(shè)定30分鐘已經(jīng)足夠。

通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)如下技術(shù)效果：

本發(fā)明的模擬仿真方法改變了常規(guī)通過實驗測量離子束轟擊材料溫度的方式，而是通過熱力學(xué)仿真分析，模擬仿真出被離子束轟擊材料的溫度隨時間的變化曲線，對于不同的轟擊材料，只需改變材料的三個參數(shù)即可得到該種材料的溫度變化曲線。經(jīng)試驗驗證，本發(fā)明方法與實際測溫試驗的結(jié)果僅存在微小誤差。

本發(fā)明方法的適用，能夠?qū)⒓夹g(shù)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(zhǔn)備、試驗數(shù)據(jù)的記錄分析以及試驗后期數(shù)據(jù)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。另外，由于某些材料在高溫下會面臨材料特性的改變，因此本發(fā)明的應(yīng)用可以較為方便地為被轟擊材料溫度上升導(dǎo)致不利狀況提供提前預(yù)防的空間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中實際測溫實驗的裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中實際測溫實驗的測溫點(diǎn)示意圖，圖中有兩個實際測溫點(diǎn)，一個是位于離子束中心的a測溫點(diǎn)，另一個是距離中心20毫米的b測溫點(diǎn)。

圖3是本發(fā)明實施例中實際測溫實驗的兩個測溫點(diǎn)a和b的溫度隨離子源中和燈絲熱輻射時間增加的溫度曲線圖。

圖4是本發(fā)明實施例中ansys熱模擬仿真和實際測溫實驗結(jié)果對比圖，c代表ansys模擬a測溫點(diǎn)，d代表ansys模擬b測溫點(diǎn)。

圖中標(biāo)記代表：1.離子源本體；2.匯聚離子束；3.被轟擊材料；4.五個溫度探頭。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

采用本發(fā)明方法得到測溫曲線的過程如下：

步驟一：計算離子束能量密度分布函數(shù)

1、使用離子束對被轟擊材料進(jìn)行定點(diǎn)定時刻蝕，刻蝕時間1.5分鐘。在離子束轟擊前與轟擊后，使用激光干涉儀測量被轟擊材料表面的面型數(shù)據(jù)，使用轟擊前的面型數(shù)據(jù)減去轟擊后的面型數(shù)據(jù)得到刻蝕量再除以刻蝕所耗費(fèi)的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(shù))；

材料去除工作函數(shù)＝(轟擊前面型數(shù)據(jù)-轟擊后面型數(shù)據(jù))/轟擊時間；

2、把材料去除工作函數(shù)(類高斯分布)轉(zhuǎn)換為離子束能量密度分布函數(shù)，該分布函數(shù)可以直接被下一步ansys模擬分析所調(diào)用。

計算離子束能量密度分布函數(shù)的具體方法為：

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

②單位時間內(nèi)(1秒)轟擊到材料上的離子數(shù)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(nèi)(1秒)去除的材料體積/單位時間內(nèi)(1秒)轟擊到材料上的離子數(shù)量；

④計算得出單位時間內(nèi)(1秒)離子束能量最大值＝單位時間內(nèi)(1秒)轟擊到材料上的離子數(shù)量×每個離子的能量(1000～1200電子伏特)；

⑤計算得出離子束分布函數(shù)＝[材料去除工作函數(shù)×(1.0×10^-6)×像素尺寸²]/一個離子去除材料的體積；

⑥每個離子的能量是1000～1200電子伏特，根據(jù)以下公式計算得出離子束能量密度分布函數(shù)：

離子束能量密度分布函數(shù)＝[離子束分布函數(shù)×每個離子的能量×(1.602176565×10^-19)]/[(像素尺寸/1000)×(像素尺寸/1000)],單位是焦耳/平方米；

經(jīng)過計算得出：離子束能量密度分布函數(shù)＝88500/exp(({x}²+{y}²)/0.081)。

步驟二：進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析

使用ansys軟件對被轟擊材料進(jìn)行建模，調(diào)用步驟一所產(chǎn)生的離子束能量密度分布函數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，設(shè)定分析時間和選取被轟擊材料模型背面溫度點(diǎn)，經(jīng)過ansys軟件的計算得出所選溫度點(diǎn)隨時間變化曲線。

ansys熱力學(xué)仿真分析的步驟具體為:

①進(jìn)入ansys軟件的前處理器，定義被轟擊材料模型的單元類型采用熱分析單元solid90單元類型；定義材料的熱傳導(dǎo)率、密度和比熱容參數(shù)；

②建立被轟擊材料模型，指定其單元類型為solid90并劃分單元網(wǎng)格；

③使用ansys軟件讀入步驟一產(chǎn)生的離子束能量密度分布函數(shù)＝88500/exp(({x}²+{y}²)/0.081)，x和y是施加在模型節(jié)點(diǎn)上離子束能量密度分布函數(shù)的值，然后ansys會自動計算出施加在該點(diǎn)(x,y)的離子束能量大小。定義高斯熱源表格，提前設(shè)置熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)為可變量系數(shù)(0～100％)，高斯熱源＝單位時間內(nèi)離子束能量最大值(88500)×熱轉(zhuǎn)換效率系數(shù)/exp(distance**2/0.081),其中的distance＝sqrt(a**2+b**2)，a和b是步驟一中離子束像素尺寸大小；

④施加高斯熱源表格到模型表面，指定初始溫度(環(huán)境溫度10攝氏度)，設(shè)置求解選項瞬態(tài)分析，然后加熱求解。在ansys求解前，設(shè)定施加高斯熱源總的時間是30分鐘，一般離子束對材料的表面進(jìn)行定點(diǎn)轟擊15分鐘材料就可以達(dá)到熱穩(wěn)定，故最大設(shè)定30分鐘已經(jīng)足夠。

為了驗證本發(fā)明方法，下面進(jìn)行被離子束轟擊材料的背面溫度實際測溫實驗：

試驗對象：直徑100mm，厚度5mm的石英玻璃圓片。

測溫儀器：wzp-pt100溫度傳感器，美控meacon數(shù)顯溫控儀。

試驗過程：使用束流20～30毫安的聚焦離子束對石英玻璃圓片進(jìn)行定點(diǎn)轟擊，轟擊點(diǎn)有兩個，a測溫點(diǎn)位于圓片背面中心，b測溫點(diǎn)距離中心點(diǎn)20mm，轟擊距離12cm，離子源工作參數(shù)見表1。

表1離子源工作參數(shù)表

步驟一：如圖1、圖2所示，準(zhǔn)備一塊厚度約5mm的石英玻璃板。板材的一面畫一個直徑約40mm的圓(此圓的大小根據(jù)離子束斑覆蓋面積的大小而定，本試驗中離子束斑直徑約100mm，該圓的大小取值范圍在0～100mm)，使用耐高溫的膠粘牢兩個溫度探頭，該圓中心放置一個溫度探頭，在圓上放置一個溫度探頭。因為離子束斑所產(chǎn)生的溫度分布呈現(xiàn)圓對稱分布，所以也可以在圓心的上下左右等距離各分布一個溫度探頭，故溫度探頭的數(shù)量可以在兩個到五個之間。溫度探頭的信號線分為真空室內(nèi)線和真空室外線，通過真空接插件穿過真空室壁進(jìn)行連接。

步驟二：啟動真空泵對真空室抽真空，當(dāng)真空度到達(dá)10^-3pa這個級別時，向真空室釋放惰性氣體(一般是氬氣)，流量10sccm，此時可以啟動射頻離子源，射頻離子源的射頻功率在100～130瓦，束能在1000～1200電子伏，加速電壓在100～110伏，中和燈絲電子流約100～200毫安，此時的真空度在2.5×10^-2～3.5×10^-2pa，此時的離子束流20～30毫安。

步驟三：離子束產(chǎn)生后，把離子源移動到被轟擊板材的12cm處停留，離子束的中心需要正對位于中心的溫度探頭，此時離子源口距離被轟擊材料表面12cm。根據(jù)不同材料的板材，溫度探頭所測溫度的穩(wěn)定時間不一，慢的需要十幾分鐘，快的大概一兩分鐘就可穩(wěn)定。記錄穩(wěn)定后的兩個溫度探頭的溫度值，每間隔1分鐘記錄一次。

實際測溫實驗結(jié)果如下：

圖3是a測溫點(diǎn)和b測溫點(diǎn)的溫度隨離子源中和燈絲熱輻射時間增加的溫度曲線圖，初始溫度都是13℃，真空度是1.9×10^-3pa。需要預(yù)先做a測溫點(diǎn)和b測溫點(diǎn)隨中和燈絲熱輻射時間增加的溫度曲線圖，因為離子束在工作的過程中需要中和燈絲產(chǎn)生的電子流來中和離子束所帶的正電荷，否則離子束會因為不導(dǎo)電的介質(zhì)材料上堆積太多正電荷而無法正常工作。而中和燈絲在工作的過程中會產(chǎn)生大量輻射熱，從而會影響到在ansys熱力學(xué)仿真中僅僅只有離子束對被轟擊材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)，所以實際測溫試驗需要把中和燈絲產(chǎn)生的熱效應(yīng)排除在外。

ansys熱分析模擬試驗，環(huán)境溫度是10℃，離子束能量轉(zhuǎn)換系數(shù)是1.5％，同時去除中和燈絲熱輻射的影響，也就是在同一時間減去中和燈絲造成的材料溫度上升。ansys熱力學(xué)仿真分析中并未考慮離子源中和燈絲對被離子束轟擊的材料所造成的溫度上升，所以在實際測溫試驗中，環(huán)境溫度是10℃，圖4中的a測溫點(diǎn)和b測溫點(diǎn)的溫度都扣除掉中和燈絲照射所造成的溫升影響，見圖3。

將上述實際測溫實驗結(jié)果與本發(fā)明方法的仿真結(jié)果相比較，參見圖4。c代表ansys模擬a測溫點(diǎn)，d代表ansys模擬b測溫點(diǎn)。圖4中的a和c代表了位于離子束斑中心點(diǎn)的溫度曲線，溫度誤差第15分鐘有10攝氏度的誤差，12分鐘前這兩條溫度曲線吻合的比較好。圖4中的b和d曲線代表了位于離子束斑中心點(diǎn)20mm出的溫度曲線圖，二者的趨勢吻合的比較好，但是存在10攝氏度的誤差，這是因為該方法中計算機(jī)建模是采用了簡化了的模型。ansys熱力學(xué)仿真得到的溫度曲線和實驗記錄溫度探頭得到的溫度曲線會存在一些誤差，但是總體趨勢是一樣的。因為在真空環(huán)境中溫度場比較復(fù)雜，ansys熱力學(xué)仿真是建立在理想化的溫度場基礎(chǔ)上的，故存在一些誤差。一般誤差在10攝氏度范圍之內(nèi)，這對于被離子束轟擊的材料能夠達(dá)到200攝氏度來說，誤差5％是可以接受的。

本發(fā)明不限于上述實施例，一切采用等同替換或等效替換形成的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。