《離子束表面處理提升負載能力的規律和工藝研究》是依託電子科技大學,由向霞擔任醒目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：離子束表面處理提升負載能力的規律和工藝研究
- 依託單位：電子科技大學
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：向霞
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
大口徑光學元件的負載能力目前已成為限制ICF驅動器輸出能力的瓶頸問題之一，去除元件表面、亞表面缺陷是提高元件負載能力的重要手段之一。離子束刻蝕作為一種可主動控制的非接觸式加工方式，可在不影響元件表面質量（包括表面粗糙度、面形、殘餘應力）的前提下有效去除或鈍化熔石英元件表面和亞表面缺陷，是一項非常有前景的技術。本項目擬採用氬離子束表面處理方法去除或鈍化熔石英表面、亞表面缺陷，建立離子束刻蝕物理模型。從實驗和理論上研究離子束刻蝕對熔石英的熱損傷和力學損傷特性；元件表面缺陷的離子束鈍化、去除工藝；離子束參數對表面粗糙度、面形變化的影響規律，以及對熔石英元件負載能力的影響規律。本項目可為改善元件表面質量、提升負載能力提供新思路和依據，也可作為熔石英元件上架運行前期處理的技術儲備，具有重要的學術價值和強烈的工程套用背景。
結題摘要
本項目主要針對熔石英光學元件表面拋光沉積層和表面缺陷的大面積鈍化、去除，以及熔石英元件經化學刻蝕後表面粗糙度的改善，以及雷射預處理和損傷修復後元件表面誘發的大面積密集小尺寸損傷、燒蝕碎片和凸起圓環的去除，系統地開展了離子束表面刻蝕的模擬仿真和實驗研究。 為弄清氬離子與熔石英材料表面相互作用的微觀動力學過程以及氬離子輻照對熔石英材料表面產生的熱效應，採用分子動力學方法進行模擬仿真，得到了Ar離子與石英表面碰撞隨時間演變的動力學過程及結構變化，獲得了熔石英玻璃溫度、矽氧配位數以及矽氧鍵長隨離子能量的變化規律，給出了在熔石英表面濺射隨氬離子入射角度和入射能量的變化情況，給出了氬離子束對損傷點進行修復的最佳化參數。此外，針對熱效應問題，直接從傅立葉定律和能量守恆角度入手，提出了一種更加簡潔直觀的數值研究熱傳導問題的方法，仿照濺射率公式，提出了蒸發率的物理公式，用於研究離子束與材料相互作用時的熱效應。 利用基於Monte-Carlo方法開發的SRIM軟體分別模擬計算了從離子束能量200~200keV，離子束入射角度0°～89°時熔石英表面原子的濺射產額以及氬離子導致的損傷。通過SRIM軟體模擬仿真，綜合考慮刻蝕效率和損傷深度，認為Ar離子能量控制在1keV以下為最佳能量參數，此時，Ar離子射程不超過10Å。此外，考慮到刻蝕效率問題，在相同束流密度的情況下，採用60°入射刻蝕效率最高。計算結果為工藝實驗提供了依據和指導。 工藝實驗研究表明，在設備潔淨度不高的情況下，隨著實驗時間的累積，實驗樣品受到嚴重污染，經過對污染樣品的成分分析，得出樣品中主要污染元素有C、Fe等雜質，由於不同實驗設備使用不同的材料，其受污染元素也不盡相同。在設備清潔度較高的情況下，離子束表面處理能明顯鈍化和去除加工元件表面CeO2等拋光沉積層和表面缺陷，同時能有效改善化學刻蝕元件的表面粗糙度，從而明顯提升元件雷射損傷閾值，平均提升幅度為32%。此外，離子束表面處理能有效去除二氧化碳雷射修復坑周圍的燒蝕碎片和凸起圓環，改善修復形貌，降低修復元件再損傷的風險。 通過研究發表標註基金論文15篇，其中SCI收錄14篇，EI收錄1篇；申請中國發明專利2項；國際會議特邀報告2次；作為Co-Chair組織國際會議1次；培養博士生3人（其中2人已畢業），碩士生1人（已畢業）。
