Данейкин Юрий Викторович, Степанов Николай Валерьевич

Томский политехнический университет, г.Томск, Россия

Поиск оптимальных по эффективности и безопасности технологических решений вызвал интерес к применению для восстановления металлов из их фторидных соединений, импульсных потоков энергии, в частности сильноточных электронных пучков (СЭП) [1].

При относительно низкой концентрации свободных электронов, образующихся при взаимодействии электронного пучка с газом, основным процессом является их диссоциативная рекомбинация на молекулярных ионах. Кинетика этого процесса , а следовательно и кинетика восстановления металла во многом обусловлена закономерностями формирования и эволюции спектра свободных электронов.

Нами разработана модель формирования квазиравновесного спектра свободных электронов образующихся при термализации нерелятивистского электронного пучка в газе, которая базируется на квазистационарном приближении.

Предполагалось что за время релаксации в электронной подсистеме параметры пучка меняются незначительно и в каждый момент времени существует равновесный спектр свободных электронов. При построении модели учитывались наиболее значимые процессы происходящие в рассматриваемой системе: ионизация молекул, диссоциативная рекомбинация электронов на молекулярных ионах а также упругие столкновения приводящие к потерям энергии электронами. Такой подход оправдан тем, что в рассматриваемой системе, большую роль играют процессы взаимодействия электронов с молекулами и молекулярными ионами, что обусловлено сильной неравновесностью электронной и молекулярной температур [2].

Энергетическое распределение термализующихся свободных электронов определялось из решения квазистационарного уравнения:

(1)

где ,- интегральное и дифференциальное макроскопические сечения передачи энергии; - макроскопическое сечение рекомбинации электрона и иона.

Источник свободных электронов задается спектром вторичных электронов, образующихся при взаимодействии электронного пучка с газом [3].

Интегральные и дифференциальные характеристики взаимодействия электронов взяты в виде [4].

Для определения сечения диссоциативной рекомбинации электрона и иона в зависимости от энергии электрона было использовано приближение, в котором предполагалось что все молекулярные ионы находятся в основном колебательном состоянии [5].

Уравнения (1) решалось численно, многогрупповым методом. Весь энергетический диапазон спектра электронов источника разбивался на неравномерные интервалы, с наибольшей дискретизацией в области тепловых энергий.

На рис. 1. представлен расчетный спектр свободных электронов, образующихся при воздействии микросекундного моноэнергетического пучка, плотностью тока 1кА/см²с и энергией электронов 100кэВ, на гексафторид вольфрама, при исходной концентрации 10¹⁸ см^–3.

Средняя энергия спектра 175 эВ. Максимум спектра составляет 150–160 эВ. В области малых энергий наблюдается сильное поглощение электронов, обусловленное наличием максимума в сечении процесса диссоциативной рекомбинации в области энергий порядка энергии автоионизационных уровней молекул. Это свидетельствует о большой интенсивности диссоциативного восстановления. Разработанная модель, является базой для рассмотрения вопроса о кинетике восстановления металла при мощном импульсном воздействии.

Литература:

1. В. И. Бойко, Т. И. Гузеева, В. А. Красильников и др. Использование сильноточного электронного пучка для осуществления плазмохимических реакций с гексафторидами тугоплавких металлов – тез. VII Междун. конф. Физико-химические процессы в неорганических материалах 6-8 октября. Кемерово, 1998.

2. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда - М.: Изд-во физ.-мат. литературы, 1987.

3. Ю.В. Данейкин Н.В. Степанов Закономерности формирования спектра вторичных электронов при взаимодействии СЭП с газами – тез. VI Междун. конф. Современные техника и технологии г. Томск 28 февраля–3 марта,2000.