强流脉冲离子束(HIPIB)使材料表面气化产生喷发等离子体从而进行薄膜生长、纳米粉的制备等工作。金属钨的熔点高,热导性好,是耐高热流密度防护层最可能的材料。为了研究金属钨在高热负荷下的响应,建立了HIPIB辐照钨靶的考虑相变的非线性热力学方程,并采用有限元方法数值求解了靶材辐照后的二维温度场演化问题,得到了钨靶温度场的时空演化规律。当离子束流密度为100 A/cm2时,脉冲结束后束流入射中心表层约0.3μm厚的材料熔化,且熔化是从表面开始的,而后因热传导固化;脉冲结束后开始时靶材表面温度急剧下降,而后变得
### 强流脉冲离子束辐照钨靶温度场演化数值研究
#### 一、研究背景及意义
本文探讨的是强流脉冲离子束(HIPIB)辐照下金属钨靶材的温度场演化问题。强流脉冲离子束作为一种新型的技术手段,近年来在材料科学领域得到了广泛的应用。它能够通过短时间内对材料表面注入大量的能量,引起材料表面的快速加热、熔化乃至气化,进而产生一系列物理化学变化。这些变化可用于改善材料性能,例如提高耐磨性和耐腐蚀性,或用于薄膜生长和纳米粉体制备。
钨因其具有极高的熔点(高达3422°C)和良好的热导性,成为了制造高热流密度防护层的理想材料之一。这对于未来国际托卡马克实验反应器(ITER)的第一壁设计尤为重要,因为这些部件需要承受极端的热负荷。因此,深入理解钨在强流脉冲离子束辐照下的温度变化规律对于评估和优化这些部件的设计至关重要。
#### 二、研究方法与模型
本研究采用了数值模拟的方法,基于HIPIB辐照钨靶的情况,建立了考虑相变效应的非线性热力学方程。该方程综合考虑了材料的热物理性质随温度的变化,并通过有限元法求解了钨靶在辐照后的二维温度场演化问题。
具体而言,研究中使用的二维热传导方程如下:
\[ \rho C(T)\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x}[\kappa(T)\frac{\partial T}{\partial x}] + \frac{\partial}{\partial y}[\kappa(T)\frac{\partial T}{\partial y}] + \lambda E_{\text{tot}}(x, y, t) \]
其中:
- \( \rho \) 是材料的质量密度;
- \( C(T) \) 是热容,随温度变化;
- \( \kappa(T) \) 是热导率,同样随温度变化;
- \( E_{\text{tot}}(x, y, t) \) 是总能量沉积项,由能量沉积项 \( E_{s}(x, y, t) \) 和与熔解潜热及气化潜热相关的项 \( E_{\text{ph}} \) 组成;
- \( \lambda \) 是标识项,在辐照期间取值为1,辐照结束后取值为0;
- \( E_{\text{ph}} \) 项包含了熔解潜热 \( L_l \) 和气化潜热 \( L_v \),它们分别在温度达到熔点和沸点时发挥作用。
#### 三、主要结果分析
根据模拟结果,当离子束流密度为100 A/cm²时,辐照后钨靶的表面温度变化表现出以下特点:
1. **熔化现象**: 脉冲结束时,束流入射中心表层约0.3 μm厚的材料发生熔化,熔化过程从表面开始并向内部扩展。
2. **温度变化趋势**: 辐照结束后,靶材表面温度最初急剧下降,随后降温速度逐渐减缓。这一过程中,温度下降的速率在不同时刻存在峰值,且这些峰值随着时间的推移向材料内部移动。
#### 四、讨论
这些结果揭示了HIPIB辐照下钨靶温度场的时空演化规律,特别是关于材料表面熔化和温度变化的趋势。熔化的出现以及温度变化的特性对于理解材料的微观结构变化至关重要,同时也为后续的材料改性和功能化提供了理论依据。
#### 五、结论
综上所述,本研究通过建立和求解考虑相变效应的非线性热力学方程,成功地模拟了强流脉冲离子束辐照钨靶后温度场的时空演化规律。这些发现不仅有助于加深我们对于钨这种高熔点材料在极端热负荷条件下行为的理解,也为进一步优化托卡马克实验反应器等高温环境下使用的防护材料提供了重要的参考数据。
### 参考文献
1. 国际托卡马克实验反应器(ITER)官方资料。
2. 强流脉冲离子束(HIPIB)技术的相关文献。
3. 钨材料的物理性质及应用的研究文献。
