Рисунок 2.7 - Остаточные концентрационные напряжения в поверхностном слое материала подложки после имплантации.

Остаточные концентрационные напряжения определяют свойства материала после имплантации. Для расчета концентрационных напряжений по соотношению (2.40) необходимо определить распределение концентраций примесных атомов C_i(x) и вакансий C_v(x). Для их расчёта необходимо определить пробеги ионов, которые рассчитываются с помощью метода Монте-Карло (см. раздел 3.1). Использование этого метода позволяет учесть вероятностный характер физических процессов, протекающих при ионной имплантации в мишенях сложного химического состава, - таких как металлы и сплавы.

3. Методики расчёта основных параметров физических процессов, происходящих при ионной имплантации

Методики расчёта основных параметров физических процессов, происходящих при ионной имплантации основаны на следующих допущениях:

1) при прохождении иона через вещество не учитывается изменение его заряда и массы;

2) мишень считается аморфной (не учитывается кристаллическая решетка);

3) потери энергии ионом определяются только упругими и неупругими столкновениями, причём оба вклада считаются независимыми в процесс торможения;

4) ион останавливается, когда его энергия меньше потенциальной энергии взаимодействия его с атомом решётки перед столкновением;

5) изменение химического состава материала в процессе имплантации не учитывается.

Допущение 1 основано на том, что после имплантации азот находится в атомарном состоянии в материале подложки. Заряд и масса имплантируемых ионов меняются не только в процессе столкновений с атомами решётки, но и при подлёте к поверхности материала за счёт эффекта нейтрализации. Учёт этих эффектов сильно осложняет расчёты, но, как показано в работах [21, 22], незначительно повлияет на их точность. Допущение 2 соответствует немонокристаллическим мишеням, таким как металлы и сплавы.

Для аналитического расчета распределения по глубине мишени концентрации внедренных ионов по формуле (2.36) необходимо определить средний проецированный пробег и его страгглинг. Для одноатомных веществ можно воспользоваться соотношением (2.3). Реальные материалы имеют более сложный химический состав и физические процессы, протекающие при ионной имплантации в них имеют вероятностный характер. Для учёта этих факторов используется метод имитационного моделирования Монте-Карло.

3.1 Методика расчета пробегов ионов методом Монте-Карло

Для определения среднего проецированного пробега R_p и его отклонения ?R_p воспользуемся методом имитационного моделирования Монте-Карло. Этот метод используется для расчёта пробегов ионов в подложках сложного химического состава. Он основан на расчёте потерь энергии ионом из соотношений (2.8) и (2.34) при каждом отдельном взаимодействии с атомом мишени.

При этом случайными величинами при моделировании каждого взаимодействия будут прицельный параметр р, а также характеристики очередного атома мишени М₂, Z₂. Такой метод имитационного моделирования позволит учесть неоднородность химического состава обрабатываемого материала.

Таким образом, для моделирования процесса внедрения ионов в рамках методики расчета концентрационных напряжений воспользуемся формулой (2.36). Для определения входящих в (2.36) параметров (среднего проецированного пробега ионов и его отклонения) разработана методика расчета методом Монте-Карло.

В соответствии с теорией Линхардта-Шарфа-Шиотта учитываются потери энергии только при неупругих взаимодействиях с электронами и упругих взаимодействиях с ядрами

(3.1)

где Т - общие потери энергии при одном взаимодействии, Дж.

В качестве потенциала взаимодействия используется универсальный потенциал Томаса-Ферми (2.27), так как для него рассчитана прямая зависимость энергетических потерь от прицельного параметра (2.34).

Модель одного взаимодействия иона с атомом материала подложки. Потери энергии ионом в материале подложки рассчитываются в соответствии с (3.1). После каждого взаимодействия энергия иона уменьшается на величину T.

Электронные потери рассчитываются по формуле (2.34). При этом E - текущая энергия иона (энергия иона до столкновения). Скорость иона рассчитывается в соответствии с энергией иона перед столкновением. Прицельный параметр p генерируется как случайная величина в пределах половины межатомного расстояния; М₂, Z₂ - атомный номер и атомная масса элемента вещества подложки, генерируются в соответствии с процентным содержанием элемента в материале мишени. Затем определяются Z_min и Z_max для использования в формуле (2.34).

Преобразуем (2.8) к более наглядному виду для вычислений, подставив (2.9) в (2.8):

. (3.2)

Для расчёта потерь энергии при столкновении иона с ядрами атомов мишени выполняется по формуле (3.2).

Интеграл в формуле (2.21), использующейся для вычисления угла ?, можно вычислить в аналитическом виде лишь для некоторых определенных зависимостей потенциала взаимодействия частиц от их взаимного расстояния. В общем виде интеграл в выражении (2.21) приходится вычислять численным методом, что не всегда легко сделать, так как подынтегральное выражение содержит особенность при r = r_min.

В этом случае удобно провести следующие величины:

(3.3)

В результате получаем угол отклонения частицы в силовом поле в виде, удобном для численных расчётов [57]:

, (3.4)

В данном виде подинтегральная функция не имеет особенностей [57], так как

(3.5)

Дифференциальное сечение рассеяния для потенциала Томаса--Ферми--Фирсова вычислено Линдхардом, Нильсоном и Шарфом [72]:

, (3.6)

где , .

Значения функции , найденные численным методом, приведены в работе [57]. Для практического использования функцию можно представить в виде:

, (3.7)

где константа [73].

Из вышесказанного следует, что применение потенциала Томаса-Ферми-Фирсова наиболее целесообразно для расчёта ядерных потерь энергии ионами газов при имплантации в металлы или сплавы, так как для него рассчитана прямая зависимость энергетических потерь от прицельного параметра (2.34) и дифференциальное сечение рассеяния d?; причём он даёт более точные результаты, чем, к примеру, потенциал Бора.

В основе метода Монте-Карло лежит алгоритм расчета среднего и среднего проецированного пробега иона и его отклонения итерационным методом, основанным на расчёте энергетических потерь иона при каждом отдельном столкновении с атомом мишени. Схема алгоритма приведена на рисунке 3.1. Последовательность действий расчета среднего проецированного пробега следующая:

a) случайным образом, в пределах половины межатомного расстояния, генерируется прицельный параметр p, а также характеристики очередного атома мишени (атомный номер Z₂ и атомная масса М₂), в соответствии с процентным содержанием элемента в материале мишени;

b) определяются потери энергии по формуле (3.1);

c) рассчитывается текущая энергия иона:

;

рассчитывается текущее значение пробега иона, при условии :

;

d) определяется значение среднего проецированного пробега иона:

где ?₁ - угол отклонения в ЛСК, определяется по формуле (2.6);

e) если , то R_pi принимается в качестве значения пробега, в противном случае пункты a - e повторяются;

f) для расчета распределения количества ионов по глубине пункты a - f повторяются для каждого иона (количество ионов в потоке задаётся экспериментатором);

g) обрабатывается полученный массив значений R_pi, при этом рассчитывается средний проецированный пробег и среднее квадратичное отклонение пробега.

Расчет среднего проецированного пробега ведется по формуле (3.8) [10]:

, (3.8)

где N - количество элементов массива (число ионов в потоке), i - номер элемента, R_pi - проецированный пробег, рассчитанный по приведенному выше алгоритму для каждого иона, м.



Рисунок 3.1 - Алгоритм расчета методом Монте-Карло пробега иона в материале подложки

Среднее квадратичное отклонение пробега (страгглинг пробега) рассчитывается по формуле [3]:

, (3.9)

где - средний проецированный пробег, рассчитанный по формуле (3.8), м.

Размер фазовых зерен в реальном материале, как правило, значительно превышает длину среднего проецированного пробега. На основании этого предположения предлагается методика расчета распределения концентрации внедренных ионов по глубине реального материала.

3.2 Методика расчета распределения концентрации внедренных ионов по глубине материала

Расчет распределения концентрации внедренных ионов по глубине материала будем проводить следующим образом:

1) Получим зависимости среднего проецированного пробега R_p и страгглинга пробега ?R_p ионов для данной фазы материала мишени от энергии ионов. Для получения этих зависимостей необходимо провести расчет распределения количества внедренных ионов по глубине мишени в соответствии с алгоритмом, приведенном на рисунке 3.1 и определить характеристики полученного распределения его математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение (по формулам 3.8 и 3.9);

2) Расчет распределения концентрации внедренных ионов будем проводить, исходя из аналитической формулы (2.36), с использованием полученных зависимостей. Для учета химического состава и фазовой структуры материала введем весовые коэффициенты для фаз, которые можно получить из процентного содержания каждой фазы в материале мишени [3]:

(3.10)

где P_i - процентное содержание каждой фазы в материале мишени.

С учетом весовых коэффициентов соотношение (2.36) примет вид [3]:

, (3.11)

где Ф - полная доза имплантации, м^-2; n - количество фаз в материале мишени, i - номер фазы, R_pi и ?R_pi - средний проецированный пробег и его отклонение для каждой фазы, м; x - глубина проникновения ионов, м.

3) Расчет распределения концентрации дефектов (возникающих вследствие выбивания ионом межузельного атома) будем проводить, исходя из аналитической формулы (2.37). С учетом весовых коэффициентов соотношение (2.37) примет вид [3], аналогичный (3.11):

, (3.12)

где , ?x_i, k_di - характеристики распределения вакансий [3] для различных фаз; x - глубина проникновения ионов, м.

Входящая в соотношение (3.11) и (3.12) полная доза имплантации Ф может быть определена на основании экспериментальных данных (по результатам измерения ионного тока) в соответствии с формулой (2.35). Максимальная концентрация внедрённых атомов рассчитывается по формуле (2.38).

Рассчитанные по формулам (3.11) и (3.12) распределения азота и дефектов по глубине материала после имплантации используются при определении остаточных концентрационных напряжений.

3.3 Методика расчёта остаточных концентрационных напряжений

Как показано в ряде литературных источников (в частности в работах [17, 36, 37]), установить связь между технологическими параметрами имплантации и механическими свойствами обработанных изделий возможно путем расчета полей концентрационных напряжений. Возникновение напряжений при имплантации обусловлено внесением в поверхностный слой обрабатываемого материала примеси и различного рода радиационных дефектов в высокой концентрации, которые деформируют кристаллическую решетку [17].

Будем считать, что глубина модифицированного слоя значительно меньше размеров обрабатываемого изделия. Тогда имплантированный инструмент можно схематизировать как полупространство. Предполагаем, что до обработки поверхность была свободна от напряжений, а начальные концентрации дефектов и примесей равнялись нулю, при наличии примесей и дефектов поверхностный слой растягивается или сжимается и затем остается в таком состоянии. Напряжения в поверхностном слое описываются уравнением (2.40).

Величина ?V определяется в соответствии с зависимостями, приведенными в [36]. Согласно им релаксационный объем вакансии . Вакансии и примеси замещения, имеющие атомный объем меньший, чем атомный объем матрицы, имеют . В этом случае концентрационные напряжения являются растягивающими. Примеси внедрения и крупные примеси замещения создают поля сжимающих напряжений [36, 37]. Как показано в [36], имплантированные атомы азота являются примесью внедрения.

Для расчета концентрационных напряжений необходимо определить параметры уравнения (2.40) для примесных атомов и вакансий.

Таким образом, методика расчета остаточных концентрационных напряжений включает в себя:

1. Расчет по формулам (3.11) и (3.12) распределений азота и вакансий по глубине материала: C_i(x) и C_v(x).

2. Определение остаточных концентрационных напряжений по формуле (2.40).

Расчет параметров физических процессов, происходящих при ионной имплантации, производился с помощью разработанного для этой цели программного обеспечения (см. Приложение 1). Результаты расчёта по описанным методикам с помощью вышеупомянутой программы приведены в следующем разделе.

4. Результаты расчёта параметров процессов взаимодействия имплантируемых ионов с материалом подложки

В соответствии с предложенной методикой проведён расчёт характеристик распределения азота (средний проецированный пробег R_p и страгглинг пробега ?R_p) для встречающихся в сталях фаз при различных значениях энергий ионов с помощью программного обеспечения (приложения А и Б). Результаты расчёта приведены в таблицах 4.1 - 4.4.

Таблица 4.1 - Зависимость пробегов ионов азота от их начальной энергии в диапазоне 1 - 10 кэВ ( Дж)

	Пробег, A
E0, кэВ	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Фаза
-Fe	65,1	84,6	128,9	165,9	200,4	230,3	255,0	283,8	306,7	330,4
Mo	52,4	91,9	125,3	153,1	179,3	201,4	218,9	240,8	260,9	277,1
V	76,0	96,8	154,4	204,7	246,4	281,4	322,6	355,8	385,8	416,8
?-W	39,6	61,1	77,3	90,9	104,1	115,1	124,5	133,2	142,7	151,8
?-Cr	69,3	86,3	136,0	177,9	215,4	243,1	272,5	305,4	329,9	355,6
?-Co	58,2	79,2	119,0	151,6	182,9	207,7	230,1	256,4	276,8	298,2

Таблица 4.2 - Страгглинги пробегов ионов азота с энергией 1 - 10 кэВ ( Дж)

	Страгглинг пробега, A
E0, кэВ	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Фаза
?-Fe	19,0	24,7	37,7	48,5	58,6	67,3	74,6	83,0	89,7	96,6
Mo	12,8	22,4	30,5	37,3	43,7	49,0	53,3	58,6	63,5	67,5
V	22,8	29,1	46,4	61,5	74,0	84,5	96,9	106,9	115,9	125,2
?-W	7,4	11,4	14,5	17,0	19,5	21,6	23,3	24,9	26,7	28,4
?-Cr	20,7	25,8	40,6	53,1	64,3	72,6	81,4	91,1	98,5	106,2
?-Co	16,8	22,8	34,2	43,6	52,6	59,7	66,2	73,8	79,6	85,8

Таблица 4.3 - Зависимость пробегов ионов азота от их начальной энергии в диапазоне 15 - 40 кэВ ( Дж)

	Пробег, A
E0, кэВ	15	20	25	30	35	40
Фаза
?-Fe	436,9	511,4	582,4	643,4	704,2	768,0
Mo	357,5	413,0	474,3	512,8	564,2	600,1
V	549,1	650,8	743,9	825,1	907,3	991,1
?-W	188,9	220,6	250,0	271,3	290,8	308,7
?-Cr	470,5	559,2	637,1	703,2	771,6	841,3
?-Co	388,4	464,2	528,8	584,9	625,7	682,2

Таблица 4.4 - Страгглинги пробегов ионов азота с энергией 15 - 40 кэВ (Дж)

	Страгглинг пробега, A
E0, кэВ	15	20	25	30	35	40
Фаза
?-Fe	127,7	149,5	170,3	188,1	205,9	224,6
Mo	87,1	100,6	115,5	124,9	137,4	146,1
V	164,9	195,5	223,4	247,8	272,5	297,7
-W	35,4	41,3	46,8	50,8	54,5	57,8
-Cr	140,5	167,0	190,2	210,0	230,4	251,2
?-Co	111,7	133,5	152,1	168,3	180,0	196,2

Из анализа результатов расчётов, приведённых в таблицах 4.1 - 4.4 следует, что значение пробега существенно зависит от элементного состава и характеристик атомов (M₂, Z₂) материала подложки. Большая величина страгглингов пробегов в таблицах 4.2 и 4.4 по сравнению с пробегами в таблицах 4.1 и 4.3 объясняется тем, что для лёгких ионов азота, когда , происходит сильное рассеяние первичного пучка ионов при внедрении в материал подложки и получается большой разброс пробегов по величине.



Рисунок 4.1 - Зависимость пробегов ионов азота в различных фазах, встречающихся в сталях, в зависимости от энергии имплантации.

На рисунке 4.1 изображён график зависимости пробегов ионов азота в различных фазах в зависимости от энергии имплантации, построенный на основе данных из таблиц 4.1 - 4.4.

Значения пробегов из таблиц 4.1 - 4.4 используются для расчёта распределения ионов азота в поверхностном слое подложки после ионной имплантации. На рисунках 4.2 и 4.3 приведены графики распределения концентрации азота и распределения дефектов по глубине подложки из стали Р6М5, полученные на основе результатов расчётов с помощью разработанного программного обеспечения (приложение 1). Вычисления проводились для энергий ионов 2, 4,5 и 7 кэВ. Доза имплантации составляла 10²¹ м^-2.



Рисунок 4.2 - График распределения внедрённой примеси в стали Р6М5 после имплантации.

Рисунок 4.3 - График распределения дефектов в стали Р6М5 после имплантации.

Анализ графиков на рисунках 4.2 и 4.3 показывает, что максимум концентрации дефектов находится приблизительно на 20 A глубже максимума концентрации примесных атомов. Также получается, что максимальная концентрация дефектов превышает максимальную концентрацию внедрённой примеси, например, при 2 кэВ в 3,4 раза, и, с увеличением энергии, максимумы концентраций резко сближаются до почти полного совпадения при 7 кэВ. Это объясняется тем, что с увеличением начальной энергии иона уменьшается вклад ядерного торможения в общие потери энергии. Например, из (2.4) следует, что при E_кр > 1,7 кэВ для фазы ?-Fe ядерные потери, которые определяют величину коэффициента k_di в (3.12), становятся пренебрежимо малыми. Таким образом для 2 кэВ большую часть общих потерь энергии составляют ядерные потери энергии, а для 7 кэВ электронные потери энергии.

Из анализа графиков на рисунках 4.2 и 4.3 можно предположить, что на физико-механические характеристики поверхностного слоя образцов из стали Р6М5 более существенное влияние оказывают вакансии, чем примесные атомы, что согласуется с данными работ [3, 58, 89, 93].

Рисунок 4.4 - График распределения остаточных концентрационных напряжений в стали Р6М5 после имплантации.

По результатам расчёта распределений дефектов и примесных атомов на рисунке 4.4 построены графики остаточных концентрационных напряжений в стали Р6М5 в безразмерных координатах ?/?, где ? - модуль Юнга стали Р6М5. Для аналогичных условий проведения процесса имплантации азота (сталь Р6М5, энергия ионов 2, 4,5 и 7 кэВ, доза имплантации 10²¹ м^-2) в литературе [3] приведены экспериментальные данные по изменению относительной микротвёрдости ?:

, (4.1)

где HV₁ - микротвёрдость образца после ионной имплантации азота, HV - микротвёрдость образца до имплантации.

Экспериментальные данные по изменению относительной микротвёрдости объединены в таблице 4.5 с данными характеристик имплантации ионов азота с энергией 2, 4.5 и 7 кэВ для стали Р6М5, взятых из таблиц 4.1 - 4.4 и из анализа графиков, приведённых на рисунках 4.1 - 4.4.

Таблица 4.5 - Зависимость характеристик материала подложки от энергии имплантируемых ионов

Ускоряющее напряжение U, кВ	2	4,5	7
Энергия ионов Е0, кэВ	2	4,5	7
Средний проецированный пробег Rp, A	84,6	183,6	255,0
Страгглинг среднего проецированного пробега ?Rp, A	24,7	53,7	74,6
Максимальная концентрация внедрённой примеси Сi max * 1028, м-3	12,9	5,9	4,3
Максимальная концентрация дефектов Сv max * 1028, м-3	44,3	9,1	4,1
Глубина максимальных остаточных концентрационных напряжений x? max, A	80,0	180,0	260,0
Максимальные остаточные концентрационные напряжения ?max * 109, Н/м2	- 3,5	- 1,8	- 1,3
Предел прочности при разрыве ?в * 109, Н/м2	6,2
Относительная микротвёрдость ?	1,19	1,47	1,89

Из анализа данных, приведённых в таблице 4.5 следует, что с увеличением энергии на 2,5 кэВ относительная микротвёрдость увеличивается в среднем на 21 %. Увеличение микротвёрдости объясняется тем, что с повышением начальной энергии ионов они проникают на большую глубину, и их распределение по глубине становится более равномерным. Следовательно, более равномерно распределены и напряжения сжатия, благодаря действию которых происходит упрочнение материала. Также необходимо отметить, что с повышением энергии иона уменьшается концентрация вакансий (они создают напряжения растяжения, разупрочняющие материал), а значит уменьшается вклад создаваемых ими напряжений в остаточные концентрационные напряжения.

Из анализа результатов расчётов, приведённых в таблице 4.5 и графика на рисунке 13 следует, что для стали Р6М5 при дозе имплантации 10²¹ м^-2 максимальные остаточные концентрационные напряжения ?_max меньше предела прочности при разрыве ?_в. Таким образом, модифицированный поверхностный слой материала подложки обладает некоторым запасом прочности и, если напряжения, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации изделия не будут превышать ?_в, то изделие пригодно к эксплуатации; иначе в его поверхностном слое могут возникнуть трещины и произойдёт разрушение материала.

Итак, складывая остаточные концентрационные напряжения ?_max и эксплуатационные напряжения ?_эксп (которые определяются на месте эксплуатации), мы можем предсказать, выдержит ли материал нагрузки при эксплуатации. С помощью разработанной методики и программного ообеспечения можно решить и обратную задачу: подобрать такую энергию иона E₀ и дозу имплантации Ф, при которых для данного материала ?_max+?_эксп<?_в. Итак, в работе решена поставленная задача - составление прогноза о эксплуатационном поведении материала в зависимости от ТПО. Взаимосвязь между ТПО и эксплуатационными свойствами поверхностных слоёв материала подложки изображена в виде схемы на рисунке 4.5.

Чем больше ток на катоде, тем больше полная доза имплантированных ионов азота, тем выше лежат максимумы концентраций ионов и дефектов после имплантации на графиках их распределений (рисунки 4.2 и 4.3). Чем больше время процесса имплантации, тем более сглажены (максимумы понижаются) кривые распределений дефектов и остаточных концентрационных напряжений, так как в материале подложки происходят процессы рекомбинации точечных дефектов, уменьшающие их концентрацию.



Рисунок 4.5. Схема связи между технологическими параметрами обработки и эксплуатационными свойствами модифицированных поверхностных слоёв материала.

Чем выше напряжение между промежуточным анодом и катодом, между анодом и катодом, между анодом и экстрактором, тем выше энергия иона, а значит больше и его пробег. Вследствие этого сглаживаются кривые распределения ионов, дефектов и остаточных концентрационных напряжений после имплантации. В конечном итоге это сказывается на повышении микротвёрдости и износостойкости поверхностных слоёв легируемого материала.

В следующем разделе описано экспериментальное оборудование, позволяющее производить имплантацию ионов азота с энергией 1 - 10 кэВ ( Дж) в металлы и сплавы.

5. Экспериментальное оборудование

5.1 Установка для ионной имплантации азота в инструментальные материалы

Для экспериментальной проверки получившихся результатов создается установка для имплантации ионов азота с энергией 1 - 10 кэВ ( Дж) в металлы и сплавы. Установка для ионной имплантации азота в инструментальные материалы включает в себя следующие элементы:

1) ионный источник (плазмотрон);

2) система электропитания ионного источника;

3) система вакуумирования;

4) устройство для измерения дозы имплантации.

Ионный источник должен обеспечивать формирование и экстрагирование ионного пучка из газообразного азота при нормальных условиях рабочего вещества. Система вакуумирования должна обеспечивать остаточное давление в рабочей камере порядка 10^-2 - 10^-3 Па [3]. Конструкция системы электропитания установки должна обеспечивать функционирование ионного источника, подачу высокого (от 1 кВ) ускоряющего напряжения между рабочей камерой и ионным источником и безопасность персонала при работе с высоким напряжением. Устройство для измерения дозы имплантации должно обеспечивать измерение дозы с максимально возможной точностью.



Рисунок 5.1 Схема размещения узлов экспериментальной установки.

1 - вакуумные насосы; 2 - вакуумная камера; 3 - ионный источник; 4 - источник питания плазмотрона; 5 - высоковольтный источник питания; 6 - стойка управления системой вакуумирования; 7 - блок управления системой электропитания ионного источника.

В соответствии с изложенными требованиями создаётся установка для ионной имплантации ВИУ-1, схема размещения элементов которой показана на рисунке 5.1, а общий вид установки для ионной имплантации приведен на рисунке 5.2.

В качестве ионного источника использован дуоплазмотрон, разработанный в МАТИ им. К.Э. Циолковского (рисунок 5.3), который предназначен для ионизации газообразных веществ.

В качестве системы вакуумирования используется вакуумная установка для напыления покрытий методом КИБ ВУ-1Б, которая обеспечивает требуемое остаточное давление в вакуумной камере. В состав установки ВИУ-1 входит система электропитания дуоплазмотрона.



Рисунок 5.2 - Общий вид экспериментальной установки.

1 - ионный источник; 2 - вакуумная камера на базе установки ВУ-1Б; 3 - стойка управления системой вакуумирования; 4 - блок управления системой электропитания ионного источника.

5.2 Устройство системы электропитания имплантационной установки

Функциональная схема системы электропитания имплантационной установки, изображенная на рисунке 5.3, включает следующие элементы:

· блок управления;

· источник питания плазмотрона;

· высоковольтный источник питания (ВИП).

Блок управления предназначен для выдачи необходимых регулирующих сигналов на источники питания плазмотрона и ВИП. Источник питания плазмотрона предназначен для поддержания на заданном уровне электрических сигналов, обеспечивающих функционирование дуоплазмотрона.



Рисунок 5.3 - Функциональная схема системы электропитания имплантационной установки.

Высоковольтный источник питания предназначен для подачи на установку высокого ускоряющего напряжения. В схеме пульта управления предусмотрена возможность не только ручного, но и внешнего регулирования электрических параметров, в том числе от персонального компьютера.

Система электропитания установки ВИУ-1 обеспечивает возможность реализации процесса ионной имплантации азота в инструментальные материалы с целью модификации их поверхностных свойств. Широкие диапазоны регулирования электрических параметров, позволяют проводить исследования с целью оптимизации технологии ионного модифицирования поверхностных свойств металлов и сплавов. Безопасность персонала обеспечивается оптической развязкой цепей управления от высоковольтных цепей.

Для измерения дозы имплантации применено оригинальное устройство [3].

5.3 Устройство датчика ионного тока

В установках ионной имплантации уделяется повышенное внимание измерению ионного тока, так как эти измерения, что следует из соотношения (2.35) лежат в основе правильного задания и контроля дозы имплантации. Трудность при измерении ионного тока заключаются в том, что при прямом измерении значительную (до 10 раз) ошибку вносят вторичные электроны, выбитые с поверхности мишени (эффект нейтрализации).

В установке ВИУ-1 использовано устройство для измерения ионного тока, работающее по принципу цилиндра Фарадея. Схема измерительного устройства приведена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Устройство для измерения ионного тока.

1 - вакуумная камера; 2 - ионный поток; 3 - плазмотрон; 4 - коллектор электронов; 5 - мишень; 6 - стол; 7 - изоляторы; 8 - микроамперметр для измерения ионной составляющей тока; 9 - микроамперметр для измерения электронной составляющей тока.

В состав устройства входят: коллектор электронов 4 (металлический цилиндр с отношением длины к диаметру 6:1), изолированный от стенок вакуумной камеры 1, источник постоянного напряжения 100 В и два микроамперметра 8 и 9 для измерения ионной и электронной составляющих тока соответственно. Отличительной особенностью измерительного устройства является то, что рабочий стол 6 с обрабатываемыми образцами 5 размещается внутри данного устройства.

Разрабатываемое оборудование позволит осуществлять имплантацию ионов азота с энергией 1 - 10 кэВ ( Дж) в металлы и сплавы, модифицируя их свойства в нужном направлении.

Заключение

Несмотря на большое количество исследований в области ионной имплантации, остаётся ещё множество вопросов, стоящих перед исследователями [3]. В частности, мало изучены процессы, происходящие при внедрении ионов с энергией от 1 кэВ ( Дж) до 10 кэВ ( Дж) в материал подложки и от 50 МэВ ( Дж) и более [12]. Данные многочисленных экспериментов свидетельствуют о наличие эффекта дальнодействия, когда радиационные дефекты и упругие напряжения в имплантированном слое могут проникать на значительно большие глубины нежели имплантированные атомы, оказывая существенное влияние на свойства легируемого изделия. Это сложный и малоизученный процесс, поэтому в настоящее время в литературе существуют лишь очень приблизительные модели его описания [21, 22].

С помощью анализа литературы были установлены основные процессы, происходящие при ионной имплантации, разработан комплекс моделей, позволяющих перейти от ТПО к эксплуатационным свойствам материала и составить прогноз о его эксплуатационном поведении.

Таким образом по работе можно сделать следующие выводы:

1. Анализ состояния вопроса поверхностной модификации свойств металлов и сплавов методом ионной имплантации азота позволил установить, что:

· ионная имплантация является высокоэффективным методом поверхностной модификации;

· не предложено модели модификации поверхностного слоя металлов и сплавов в результате имплантации ионов азота, наиболее полно учитывающей процессы, происходящие при этом;

· формулы, связывающие параметры ионной имплантации с пробегами ионов в мишенях действуют лишь в определённых энергетических диапазонах; поэтому необходимо внимательно следить за областью их применения в расчётах;

· недостаточно исследована возможность применения имплантации ионов газов с энергией в диапазоне 1 - 10 кэВ ( Дж) в целях улучшения физико-механических и эксплуатационных характеристик материалов.

2. Предложена модель модификации поверхностного слоя металлов и сплавов в результате имплантации ионов азота, которая позволяет при заданных технологических параметрах имплантации спрогнозировать эксплуатационные свойства металла или сплава;

3. На основе анализа литературы разработана методика, позволяющая наиболее точно рассчитать по предложенной модели параметры основных процессов, происходящих при ионной имплантации азота с энергией 1 - 10 кэВ ( Дж) в металлы и сплавы;

4. Для выполнения расчётов разработано программное обеспечение (приложения А и Б), позволяющее при заданных ТПО рассчитать остаточные концентрационные напряжения, возникающие при имплантации ионов азота в металлы и сплавы;

5. Полученные теоретические результаты согласуются с данными, приведёнными в литературе, с точностью в пределах 10 - 15 %, что свидетельствует об адекватности построенной модели.

Несмотря на то, что мы не учитывали процесс дальнодействия, разработанная методика позволяет с достаточной степенью точности рассчитать основные параметры процессов, происходящих при ионной имплантации и предсказать на основе их значений эксплуатационные свойства материала.

Ионная имплантация обладает очень широкими возможностями для изменения свойств материалов. При ионной имплантации газов в поверхностном слое металлов и сплавов создаются условия, способствующие протеканию реакций между атомами внедренной примеси и атомами матрицы, а также растворенными в ней примесями. Это позволяет легировать металл или сплав ионами недостающего для образования соединения элемента; синтезировать как известные соединения, так и соединения, которые не могут быть созданы другими методами. Ионная имплантация может быть применена для получения равновесных и метастабильных фаз с существенно расширенными границами правила Юм-Розери по сравнению с его применением при традиционных способах образования твердых растворов. Эмпирическое правило Юм-Розери для образования метастабильного твердого раствора при ионной имплантации: "Метастабильный твердый раствор образуется, если имплантированная примесь имеет: а) атомный радиус в пределах от 15 до 40 % от радиуса матрицы, б) электроотрицательность в пределах ±0,6 от атомов матрицы".

Таким образом, благодаря возможности воздействия на механические и химические свойства, фазовый состав и структуру поверхностных слоев металлов и сплавов метод ионной имплантации, не ограниченный условиями равновесных фазовых диаграмм, открывает широкие возможности для целенаправленного и управляемого изменения поверхностных свойств металлов и сплавов, синтеза новых метастабильных растворов и создания новых материалов с необычными свойствами.

Список Литературы

1. Ионная имплантация. Сб. статей. Пер. с англ. / под ред. Хирвонена Д.М.: Металлургия, 1985.

2. Хирвонен Дж.К. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985. 285 с.

3. Инзарцев Ю.В. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента методом ионной имплантации азота. Дисс. канд. техн. наук. / Тульский Государственный Университет - Тула. -2002. -129 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.: ил.

5. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под. ред. Дж. М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. М: Машиностроение, 1987. 424с.

6. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия, 1990. 134с.

7. Афанасьев В.П., Манухин В.В., Нуекс Д. Взаимодействие лёгких ионов средних энергий с неоднородными поверхностями // Инженерные проблемы термоядерной энергетики. М.: МЭИ, 1989. №220. С. 27-32.

8. Погребняк А.Д., Ремнев Г.Е., Чистяков С.А., Лигачёв А.Е. Модификация свойств металлов под действием ионных пучков // Изв. ВУЗов. Физика. 1987. №1. С. 52-65.

9. Калачев М.И. Деформационное упрочнение металлов. Мн., Наука и техника, 1980, 256 с.

10. Теория термической обработки. Учебник для вузов. Блантер М.Е. М.: Металлургия, 1984, 328с.

11. Бельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Стефанович В.А. Химико-термическая обработка инструментальных материалов.-Мн.: Наука и техника, 1986.-247 с.

12. Теория и технология азотирования / Лахтин Ю.М., Коган Я.Д, Шпис Г.И., Бемер 3. - М.: Металлургия, 1991, 320с.

13. X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация: Пер. с нем. В.В. Климова, В.Н. Пальянова. / Под ред. М.И. Гусевой. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 360с.

14. Кумахов М.А., Комаров Ф.Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах. - Мн.: Изд-во БГУ, 1979.-320с.

15. Костерин К.В. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: адатомные механизмы и возможная роль фононов. // Физика и химия обработки материалов № 3 - 1995. с. 43-48.

16. Оборудование ионной имплантации/ В.В. Симонов, Л.А. Корнилов, А.В. Шашелев, Е.В. Шокин. - М.: Радио и связь, 1988. - 184с.

17. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. - М.: Мир, 1986. - 488 с.

18. Барвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. -М.: Машиностроение, 1990.-384 с.

19. Сулима A.M., Шулов В.А. Ионное легирование конструкционных материалов.// Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства и надежность деталей машин и приборов. - М.: МДНТП, 1989. -с. 73-78.

20. Никитин А.А., Травина Н.Г. Ионная имплантация металлов и сплавов. // Бюллетень ЦНИИЧ. - 1986. - № 23.

21. Васильева Е.В. Влияние имплантации ионов азота и углерода на стойкость подшипниковой стали // Физика и химия обработки материалов №1. - 1989. с. 43-48.

22. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

23. Синебрюхов А.А., Харлов А.В., Бурков П.В. Исследование модификации поверхности быстрорежущей стали под воздействием ионного пучка// Материалы международного научно-технического симпозиума Славянтрибо-4. Трибология и технология. С.-Пб. 1997, Т. 1. с.74-77.

24. Lindhard J., Scharff M., Schiott H.E. - Mat. -Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk, 1963, 33, N 14.

25. Lindhard J., Scharff M. - Phys. Rev., 1961, v. 124, p. 128.

26. Каминский М.А. Атомные и ионные столкновения на поверхности металлов. -М.: Мир, 1967. 506 с.

27. Титов В.В. Роль механических напряжений при легировании материалов с помощью ионных пучков. М.: Препринт ИЛЭ им. И.В. Курчатова, 1983. 48с.

28. Бобровский С.М. Повышение эксплуатационных свойств режущего инструмента методом ионной имплантации. Дисс. канд. техн. наук. / Тольятти. - 1998. - 245 с.

29. Смирнов М.Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий: дисс. к.т.н. Ульяновск, 2000. - 232 с., ил.

30. Буренков Л.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск.: БГУ, 1980. 348 с.

31. Готт Ю.В., Явлинский Ю.Н. Взаимодействие медленных частиц с веществом и диагностика плазмы. М., 1973.

32. Sommerfeld A. - Rend. Acad. Lincei, 1935, 6,759.

33. Caspar R. - Acta Phys. Hung., 1952, 11,151.

34. Teitz T. -Ann. d.Phys., 1955, 15, 186.

35. Wedephol P. - J. Phys., 1968, B1, 307.

36. Белый А.В., Догодейко В.Г., Макушок Е.М., Миневич А.Л. Прогрессивные методы изготовления металлорежущего инструмента. Минск.: БЕЛНИИТИ, 1989. 56 с.

37. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. М., Физматгиз, 1963.

38. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика. М., Физматгиз, 1958.

39. Lindhard J., Nielsen V., Scharff М. Mat.-fys. Medd. Dan. Vid. Sel., 1968, 36, №10.

40. Фирсов О. Б. "Ж. эксперим. и теор. физ.", 1959, 36, 1517.

41. Кишиневский Л. М. "Изв. АН СССР. Сер. физ.", 1962, 26, 1410.

42. Абов Ю.Г., Иванов Л.И., Заболотный В.Т., Суворов А.Л. Динамические процессы при облучении твёрдых тел. Препринт №81. М.: ИТЭФ, 1985. 52 с.

43. Бабаев В.П., Бобков А.Ф., Заболотный В.Т. и др. Каскады атомных столкновений в металлах. М.: Препринт ИТЭФ-110, 1982, 40 с.

44. Иолфи Ф.В. Фазовые превращения при облучении. - Челябинск: Металлургия, 1989.312 с.

45. Искандерова З.А., Раджабов Т.Д., Рахимова Г.Р. Формирование упрочненного приповерхностного слоя с выделениями новой фазы на объемных дефектах при ионной имплантации. Поверхность. - 1985. - №10. с. 115-126.

46. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов: Пер. с англ.-М.: Атомиздат, 1979. 296 с.

47. Константы взаимодействия металлов с газами: Справ, изд. Коган Я.Д., Колачев Б.А., Левинский Ю.В. и др. - М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

48. Бойко В.И., Кадлубович Б.Е., Шаманин И.В. Влияние дефектности структуры металлов на профиль расперделения внедренных ионов. // Физика и химия обработки материалов № 3 - 1991. с. 56-61.

49. Влияние никоэнергетической имплантации на механические свойства сплавов титана и железа. / В.О. Вальднер, В.П. Квядрас и др.// Физика и химия обработки материалов. - 1987. - № 2 -с. 18-24.

50. Бериш Р. Распыление твёрдых тел ионной бомбардировкой. М.: Мир, 1986. Т. 2. 484 с.

51. Баранов И.А., Мартыненко Ю.В., Цепелевич С.О., Явлинский Ю.Н. Неупругое распыление твёрдых тел ионами // УФН. 1988. Т. 156. С. 477-511.

52. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. // Диффузия в металлах и сплавах: Справочник. Киев: Наукова думка, 1986. - 565 с.

53. Ноздрин В.Ф., Умеренко С.М., Губенко С.И. О механизме упрочнения металлов при сверхглубоком проникновении высокоскоростных частиц. // Физика и химия обработки материалов № 6 - 1991. с. 73-79.

54. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В., Моделирование распределений ионной имплантации методом Монте-Карло.// Физика и химия обработки материалов № 2 - 1993. с. 22-26.

55. Диденко А.Н., Лигачёв А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 184 с.

56. Диденко А.Н., Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Ночевная Н.А. Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Свердловск: ГКНТ СССР, 1991. Т. 3. С. 3.

57. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. 306 с.

58. Ершов Г.С., Бычков Ю.Г., Физико-химические основы рационального легирования сталей и сплавов М.: Металлургия, 1982. 360 с.

59. Ионное облучение инструмента из быстрорежущей стали. / Н.В. Плешивцев, Д.В. Бондарев, П.П. Сидоров, С.Е. Дукачев, Г.Л. Давыдов // СТИН. - 1994. - № 6. - с. 21-23.

60. Ибрагимов Ш.Ш., Кирсанов В.В., Пятилетов Ю.С. Радиационная повреждаемость металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.

61. Дидык А.Ю., Регель В.Р., Скуратов В.А., Михайлова Н.Ю. Радиационное упрочнение металлов, облучённых тяжёлыми ионами // ЖТФ. 1989. Т. 59. №5. С. 107-111.

62. Аксёнов А.И., Бугаев С.П., Емельянов В.А. и др. Получение широкоапертурных пучков ионов металлов // ПТЭ. 1987. №3. С. 139-142.

63. Бабаев В.П., Заболотный В.Т., Суворов А.Л. Фокусировка в каскадах атомных столкновений // Вопр. атомной науки и техники. Сер. ФРПРМ. 1985. Вып. 4(37). С. 7-9.

64. Геринг Г. И., Полещенко К.Н., Вершинин Г. А., Поворознюк С. Н., Орлов П.В. Роль диффузионных процессов в повышении износостойкости модифицированных твердых сплавов // Трение и износ, 1998. Т. 19. №4. С. 453-457.

65. Заболотный В.Т., Иванов Л.P, Суворов А.Л. Автоионная микроскопия и фундаментальные аспекты повреждаемости твердых тел. // Физика и химия обработки материалов № 2 - 1994. с. 34-39.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Программа ION_IMPLANTATION, разработанная в среде Borland C++ для расчёта остаточных концентрационных напряжений в поверхностных слоях материала подложки после имплантации ионов азота

#include <vcl\vcl.h>

#include <stdlib.h>

#include <math.h>

#pragma hdrstop

#include "Main_Form.h"

#include "About.h"

#pragma resource "*.dfm"

TIonImpl *IonImpl;

AnsiString InfoTemp,EInf;

int i,j,k,l,m,n,o,p,ENum=0,EndInf=0,VInf_N,X_coord;

AnsiString SubInf[14][4];

double

LP, AC, AM, AR, Density, IE, IC, IM, IR, INum, IBD, SAD, E_EW, NE_EW, Rmin, IV, E_Step, E_Cntr, E_Int, E_ND, Energy, TgtPrm, TgtPrmRange, TgtPrmMIN, TgtPrmMAX, TPPrc, Rm_Range, Rm_Cntr, Rm_ND, Rm_IL, Rm_SL, Rm_Step, Rm,Differ, DifferTemp, Temp, Temp1, Temp2, Ci, Cv, sigma_max, Ci_max, Cv_max, ro_ND, ro_IL, ro_SL, ro_Range, ro_Cntr, ro_Step, fi, fi_ND, fi_IL, fi_SL, fi_Range, fi_Cntr, fi_Step, fi_Int, lambda, epsilon, ro, alpha, ksi_e, P, B, H, U, r, f_psi_arg, InactE, RelE, E_EW_Int, ShldPrm_tf, ShldPrm_f, func_ls_prm, func_ls, Tmax, psi, psi_S, psi_G, psi_T, psi_W, R, Rp, EW, tau, E_NE, R_sqr, delta_R, delta_Rp, LP_gpu, En=0, En_Temp=0, Rmin_0, VInf[14][3];

const struct EquivalentTable

{

double A, AMU, EV, EC;

} ET = {1E-10,1.66053E-27,1.602192E-19,1.602192E-19};

double ShldPrm0=0.529E-10,eps0=8.85E-12,eps=1,EC=ET.EC,PI=3.14159,V0=2.2E6,Vv_relax=-0.05,Vi_relax=1.10,MU,V_atom,Ed=6.408768E-18;

double fTFF(double R)

{

//Аргумент Фирсова функции экранирования Томаса-Фарми-Фирсова

f_psi_arg=R/ShldPrm_tf;//(Firsov's psi argument)

//Аппроксимации функции экранирования Томаса-Фарми-Фирсова

//Аппроксимация Зоммерфельда

Temp1=f_psi_arg/pow(12,double(2)/double(3));

Temp2=1+pow(Temp1,0.772);

psi_S=pow(Temp2,-3.885);//psi of Sommerfeld

//Аппроксимация Гаспара

Temp1=-0.1837*f_psi_arg;

Temp2=1+1.05*f_psi_arg;

psi_G=exp(Temp1)/Temp2;//psi of Gaspar

//Аппроксимация Тейтца

Temp=1+f_psi_arg*pow(PI/double(8),double(2)/double(3));

psi_T=pow(Temp,-2);//psi of Teitz

//Аппроксимация Видефола

Temp=-6.62*pow(f_psi_arg,0.25);

psi_W=317*f_psi_arg*exp(Temp);//psi of Wedephol

//Функция экранирования Томаса-Фарми-Фирсова

psi=psi_T;

return psi;

}

__fastcall TIonImpl::TIonImpl(TComponent* Owner)

: TForm(Owner)

{

}

void __fastcall TIonImpl::About1Click(TObject *Sender)

{

AboutBox->ShowModal();

}

void __fastcall TIonImpl::ResultClick(TObject *Sender)

{

if (EndInf) {ENum=0;VInf_N=0;}

//Get data

//Element Information

Elem_Info->SelectAll(); InfoTemp=Elem_Info->SelText; EInf=InfoTemp;

SubInf[ENum][0]=EInf;

Elem1_Name->Caption=SubInf[0][0];

Elem2_Name->Caption=SubInf[1][0];

Elem3_Name->Caption=SubInf[2][0];

Elem4_Name->Caption=SubInf[3][0];

Elem5_Name->Caption=SubInf[4][0];

Elem6_Name->Caption=SubInf[5][0];

Elem7_Name->Caption=SubInf[6][0];

Elem8_Name->Caption=SubInf[7][0];

Elem9_Name->Caption=SubInf[8][0];

Elem10_Name->Caption=SubInf[9][0];

Elem11_Name->Caption=SubInf[10][0];

Elem12_Name->Caption=SubInf[11][0];

Elem13_Name->Caption=SubInf[12][0];

Elem14_Name->Caption=SubInf[13][0];

//Lattice Parameter 1

LatParam1->SelectAll(); InfoTemp=LatParam1->SelText; LP=InfoTemp.ToDouble();

//Lattice Parameter 2

LatParam2->SelectAll(); InfoTemp=LatParam2->SelText; LP_gpu=InfoTemp.ToDouble();

//Atom Charge

AtomCharge->SelectAll(); InfoTemp=AtomCharge->SelText; AC=InfoTemp.ToDouble();

//Atom Mass

AtomMass->SelectAll(); InfoTemp=AtomMass->SelText; AM=InfoTemp.ToDouble();

//Atom Radius

AtomRadius->SelectAll(); InfoTemp=AtomRadius->SelText; AR=InfoTemp.ToDouble();

//Atoms In Low Level Cell

AILLCell->SelectAll(); InfoTemp=AILLCell->SelText; Density=InfoTemp.ToDouble();

//Ion Energy

IonEnergy->SelectAll(); InfoTemp=IonEnergy->SelText; IE=InfoTemp.ToDouble();

//Ion Charge

IonCharge->SelectAll(); InfoTemp=IonCharge->SelText; IC=InfoTemp.ToDouble();

//Ion Mass

IonMass->SelectAll(); InfoTemp=IonMass->SelText; IM=InfoTemp.ToDouble();

//Ion Radius

IonRadius->SelectAll(); InfoTemp=IonRadius->SelText; IR=InfoTemp.ToDouble();

//Ion Number

IonNum->SelectAll(); InfoTemp=IonNum->SelText; INum=InfoTemp.ToDouble();

//Ion Beam Density

IonBeamDensity->SelectAll(); InfoTemp=IonBeamDensity->SelText; IBD=InfoTemp.ToDouble();

//Processing data

if ((IE<10)&&(IE>0)) VInf_N=IE/1000;

LP*=ET.A; AR*=ET.A; IR*=ET.A;//To Angstrems

AM*=ET.AMU; IM*=ET.AMU;//To Atomic Mass Unit

IE*=ET.EV;//To Electron-Volt

SAD=Density/AM;//Substrate Atoms Density

V_atom=4/3*PI*pow(AR,3);

R=0;Rp=0;delta_R=0;delta_Rp=0;En=0;

ResultData->Lines->Append(InfoField6->Caption);

ResultData->Lines->Append(IE);

//Ion implantation task solution

//Общие константы

lambda=1.309;

ksi_e=pow(IC,double(1)/double(6));

//Рассчёт параметра экранирования

Temp=pow(IC,double(2)/double(3))+pow(AC,double(2)/double(3));

ShldPrm_tf=0.8853*ShldPrm0/pow(Temp,double(1)/double(2));//Параметр экранирования Томаса-Ферми

Temp=pow(IC,double(1)/double(2))+pow(AC,double(1)/double(2));

ShldPrm_f=0.8853*ShldPrm0/pow(Temp,double(2)/double(3));//Параметр экранирования Фирсова

randomize();//Инициализация счётчика случайных чисел

TPPrc=11;//Target Parameter Precision

//Вычисление минимального значения прицельного параметра

TgtPrmMIN=0;

//Вычисление максимального значения прицельного параметра

TgtPrmMAX=LP/2;

//Интервал значений прицельного параметра

TgtPrmRange=TgtPrmMAX-TgtPrmMIN;

for (k=1;k<=INum;k++)

{

//Начало цикла по энергии.

//Потери энергии вычисляются в соответствии с типом модели.

E_ND=100;//Число разбиений (Number of Divisions)

E_Cntr=IE;//Счётчик (Counter)

E_Step=IE/E_ND;//Приращение (Step)

E_Int=0;

for (i=E_ND;i>=1;i--)

{

Energy=E_Cntr-E_Step/2;//Ion Energy

Rm_IL=0;//Rmin First Value

Rm_SL=LP/2;//Rmin Last Value

Rm_Range=Rm_SL-Rm_IL;

Rm_ND=100; DifferTemp=1;

Rm_Step=Rm_Range/Rm_ND;

Rm_Cntr=Rm_IL+Rm_Step;

for (j=1;j<=Rm_ND;j++)

{

Rm=Rm_Cntr-Rm_Step/2;

Temp=1-(IC*AC*pow(EC,2)*fTFF(Rm)*(IM+AM))/(4*PI*eps*eps0*Rm*Energy*AM);

Differ = (Temp<0) ? -Temp : Temp;

if (Differ<DifferTemp)

{DifferTemp=Differ; Rmin_0=Rm;}

Rm_Cntr+=Rm_Step;

}

IV=sqrt(2*Energy/IM);

Temp=pow(IC,double(2)/double(3))+pow(AC,double(2)/double(3));

NE_EW=(8*PI*ShldPrm0*SAD*ksi_e*IC*AC*pow(EC,2)*IV)/(V0*4*PI*eps*eps0*pow(Temp,double(3)/double(2)));//Неупругие потери E_NE=0.525*pow(Temp,2)*pow(IM,2)*EC*1E3/(pow(ksi_e,2)*pow(IM+AM,2));

E_EW=0;En_Temp=0;

if (Energy<E_NE)

{

//Потери энергии при столкновениях (модель Томаса-Ферми-Фирсова)

ro_ND=100;//Число разбиений (Number of Divisions)

ro_IL=0; ro_SL=LP/2-Rmin_0;//Пределы интегрирования: Inferior Limit - нижний, Superrior Limit - верхний

ro_Range=ro_SL-ro_IL; //Длина интервала

ro_Cntr=ro_IL+ro_Range/ro_ND; ro_Step=ro_Range/ro_ND;//Счётчик и приращение

E_EW_Int=0;

for (l=1;l<=ro_ND;l++)

{

ro=ro_Cntr-ro_Step/2;//Переменная цикла

//Вычисление расстояния максимального сближения частиц

Rm_IL=0;//Rmin First Value

Rm_SL=LP/2;//Rmin Last Value

Rm_Range=Rm_SL-Rm_IL;

Rm_ND=100; DifferTemp=1;

Rm_Step=Rm_Range/Rm_ND;

Rm_Cntr=Rm_IL+Rm_Step;

for (j=1;j<=Rm_ND;j++)

{

Rm=Rm_Cntr-Rm_Step/2;

Temp=1-pow(ro/Rm,2)-(IC*AC*pow(EC,2)*fTFF(Rm)*(IM+AM))/(4*PI*eps*eps0*Rm*Energy*AM);

Differ = (Temp<0) ? -Temp : Temp;

if (Differ<DifferTemp)

{DifferTemp=Differ; Rmin=Rm;}

Rm_Cntr+=Rm_Step;

}

//Потенциал Томаса-Ферми-Фирсова

U=IC*AC*pow(EC,2)*fTFF(Rmin)/(4*PI*eps*eps0*Rmin);

fi_ND=100;//Число разбиений (Number of Divisions)

fi_IL=Rmin; fi_SL=1E-9;//Пределы интегрирования: Inferior Limit - нижний, Superrior Limit - верхний

fi_Range=fi_SL-fi_IL; //Длина интервала

fi_Cntr=fi_IL+fi_Range/fi_ND; fi_Step=fi_Range/fi_ND;//Счётчик и приращение

fi_Int=0;

for (p=1;p<=fi_ND;p++)

{

fi=fi_Cntr-fi_Step/2;//Переменная цикла

Temp=1-pow(ro/fi,2)-IC*AC*pow(EC,2)*fTFF(fi)*(IM+AM)/(4*PI*eps*eps0*Energy*AM*fi);

Temp = (Temp<0) ? -Temp : Temp;

fi_Int+=(ro/pow(fi,2))*fi_Step/sqrt(Temp);

fi_Cntr+=fi_Step;//Приращение переменной цикла

}

alpha=PI-2*fi_Int;

alpha = (alpha<0) ? -alpha : alpha;

Temp=sin(alpha/2);

En_Temp+=4*Energy*IM*AM*pow(Temp,2)/pow(IM+AM,2);

E_EW_Int+=pow(Temp,2)*ro*ro_Step;

ro_Cntr+=ro_Step;//Приращение переменной цикла