О.А. БАРЫШЕВ КОМПЬТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТРА- ЖЕНИЯ И РАСПЫЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ МИКРОПИНЧЕВОГО

УДК 533.9(06) Физика плазмы
О.А. БАРЫШЕВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
КОМПЬТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТРАЖЕНИЯ И РАСПЫЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ МИКРОПИНЧЕВОГО
РАЗРЯДА
Микропинчевой разряд является одним из источников низкоэнергетических
ионов. Из-за технологической сложности создания таких источников ионов с заданными параметрами возникает необходимость компьютерного моделирования
процессов, происходящих в плазме микропинчевого разряда. В работе представлены результаты взаимодействия потоков ионов из плазмы разряда с материалом
мишени.
Моделирование проводилось для следующих пар частица-мишень:
медь–железо и железо–медь. Значения энергии бомбардирующих частиц
принималось равной 33, 210 эВ для меди и 29, 180 эВ для железа, что соответствует первому и второму пику в энергетическом спектре частиц
разряда.
Для моделирования была использована программа Simulation Kit (автор M. Karolewski), доступная через Internet. Программа работает по методу молекулярной динамики, который предусматривает исследование
движения атомов в твердом теле как функцию времени. В этом методе
учитывается взаимодействия налетающей частицы или атома со всеми
атомами мишени. Поэтому его можно назвать моделью многочастичного
взаимодействия. Траектории всех движущихся атомов прослеживаются с
малым временным шагом, так что столкновения между движущимися
атомами учитываются [1].
С алгоритмической точки зрения в программах на основе этого метода
конструируются блоки для регистрации необходимой информации. Построение программы выполняется весьма прямолинейно. При постановке
задачи в первую очередь необходимо выбрать подпрограмму для решения
системы обыкновенных линейных дифференциальных уравнений. Молекулярно-динамические расчеты требуют довольно больших затрат машинного времени. К числу явлений, которые нельзя корректно исследовать без этих расчетов, относятся плавление материалов в последней стадии каскада столкновений и процессы, появляющиеся при бомбардировке
кластерами. Наиболее простые процессы, моделируемые на основе этого
метода, это распыление, отражение и внедрение частиц [2].
Компьютерное моделирование выполнялось в три основных этапа [3]:
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 4
73
УДК 533.9(06) Физика плазмы
1) подготовка входных данных, включая определение физической системы и различных опций моделирования;
2) непосредственное выполнение моделирования при бомбардировке
атомов различной массы и энергии при нормальном падении на мишень
различного атомного состава;
3) извлечение полезной физической информации (спектры, траектории, вычисление коэффициентов отражения, прохождения и распыления
частиц, получение энергетического и углового распределения отраженных частиц) из данных, полученных в результате моделирования.
Коэффициент распыления сравнивался с расчетами, полученными по
формуле [4]
 *QKsn  
где U s
2,8
  Eth  0,5 
1  
(1)
Y  E   0,42
  ,
U s 1  0,35U s s e     E  
– энергия сублимации в эВ, E – энергия налетающей частицы,
* , Q , Eth (пороговая энергия распыления) – экспериментальные данные, зависящие от соотношения массы налетающей частицы к массе атома мишени. Значения Q и U s можно взять, например, из таблиц в работе
[5], если же Q в таблице отсутствует, то его значение принимается равным единице. sn   и se   – нормированное сечение упругого и неупругого торможения по Линдхарду, зависящие от приведенной энергии  .
Список литературы
1. Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия атомных частиц с твердым телом. М.: Мир. 1995 г.
2. Хайланд В. Взаимодействие ионов, атомов и молекул низких энергий с поверхностью.
М.: Высшая школа. 1994 г.
3. Karolewski M. An introduction to classical dynamics simulation of atomic collisions in surface. 1997 г.
4. Ymamura Y., Matsunami N. // N. Itoh. Radiat. Eff. 1983. 71. 65.
5. Ymamura Y., Matsunami N. et al. Energy dependence of ion-induced sputtering yield of
monoatomic solids // Atomic data and nuclear data tables. 1984. 31. 1-80.
74
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 4