Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Электромагнитный запуск объектов применяется для ускорения макроскопических тел [1] до скоростей, превышающих 2 км/с, ускорения плазмы [2, 3] и др. Однако для рельсотронов одной из серьезных проблем, ограничивающих скорость метания, является эрозия канала ускорителя [2, 3]. В качестве причин эрозии рассматривается тепловое воздействие протекающего тока и ускоряющей плазмы [2, 3] и механическое воздействие [4].
Тепловая эрозия в рельсотроне имеет свои особенности по сравнению с системами, в которых движения плазменной дуги не происходит. Поскольку в этом случае эрозионная масса уносится вдоль канала ускорителя, в зоне катодного пятна понижена концентрация и повышена длина свободного пробега частиц плазмы [5]. При этом в приэлектродном слое плазмы наблюдаются сильные электрические поля (до 109 В/м), что приводит к ускорению ионов до значительных энергий, способных вызывать образование радиационных дефектов по Шоттки и по Френкелю, следствием чего будет изменение физических и механических свойств материала в приповерхностном слое.
Схожий процесс известен как ионное легирование материалов. В рамках этого процесса движение одного высокоэнергетичного иона может приводить к выбиванию из узлов кристаллической решетки сотен атомов мишени прямыми и непрямыми столкновениями. Тем не менее зачастую междоузлия и вакансии, созданные каскадом от первично-выбитого атома, находятся в локальной области столкновения [6]. В этом случае энергия, выделенная в такой области, может быть использована для оценки количества дефектов, согласно теории образования радиационных дефектов Кинчина — Пиза:
где W – начальная энергия иона, Дж; Wd – энергия образования радиационного дефекта, Дж; Ndef — общее число дефектов.
В данной работе использована теория ионного торможения Линхарда — Шарфа — Шиотта (ЛШШ) [7], теория образования радиационных дефектов Кинчина — Пиза [6] и распределения ионов плазмы в приэлектродной области (fi(W)). Также для расчета изменения проводимости материала использованы соотношения, полученные Джонсом и Моттом [8].
Для математического моделирования удобно выразить начальную энергию иона как обратную функции глубины его проникновения:
где x – глубина проникновения иона, м; LambertW — специальная функция Ламберта, а коэффициенты a, Дж/м, иb, Дж–1/2/м, заданы следующими соотношениями:
индекс i относится к иону, а индекс Me – к металлу,e – заряд электрона, Кл; Z – зарядовое число элемента, M – массовое число элемента, n – концентрация частиц, м-3. Также необходимо учесть площадь поверхности (S), подверженной влиянию плазмы, и дисперсию дефектов относительно выбранной глубины с помощью нормального распределения с дисперсией Δy. Окончательно зависимость концентрации дефектов от глубины проникновения иона задается следующей зависимостью:
Для учета эффектов, связанных с изменением во времени напряженности электрического поля в канале ускорителя, концентрации ионов плазмы, состава плазмы и других характеристик удобнее перейти к скоростям образования дефектов. Для этого указанная величина отнесена ко времени, за которое все частицы в приэлектродной области провзаимодействуют с поверхностью:
где λ – длина свободного пробега иона, м; R – универсальная газовая постоянная; T – температура ионной компоненты, К. Типичный график зависимости скорости роста относительного количества дефектов приведен на рисунке, полученный при использовании распределения Максвелла при температуре 30 000 К, напряжённости электрического поля 5 кВ/мм, в процессе проникновения в медные электроды ионов азота из плазмы с концентрацией 1024 м-3, что соответствует разряду в атмосфере.
Согласно [8] изменение удельного сопротивления материала задается следующим соотношением:
где — рационализованная постоянная планка, σeff – сечение рассеяния на дефекте кристаллической решетки.
Исходя из представленных данных, авторы заключают, что ионная бомбардировка поверхности металла приводит к накоплению от 5 до 90 % дефектов в кристаллической структуре меди за микросекунду воздействия на глубине до 3 нм. В свою очередь дефектообразование в структуре приводит к увеличению удельного сопротивления материала на величину до 90 % относительно исходного.
