Прохождение электронов и ионов через вещество

Развитие систем генерации мощных пучков электронов и ионов создало уникальную возможность получения новых видов воздействия концентрированных потоков энергии на материалы. Процессы, сопровождающие взаимодействие концентрированных потоков энергии с веществом, могут использоваться для решения большого числа научных и технологических задач, в том числе: модификация прочностных, триботехнических, антикоррозийных свойств металлов и сплавов, синтез новых композиционных материалов, включающих метастабильные фазы и соединения; получение тонких пленок и покрытий. Детально области применения концентрированных потоков энергии рассмотрены в монографиях [1–3], а также в библиографии к ним.

Для того чтобы выбрать наиболее эффективный режим обработки поверхности изделий, очень важно знать следующие зависимости: распределение поглощенной дозы по глубине проникновения в образец, распределение внедренной примеси; распределение и перераспределение различных дефектов кристаллической решетки, а также распределение других величин, влияющих на прочностные свойства поверхности. Также необходимо знать зависимости перечисленных величин от характеристик облучаемого пучка (таких как кинетическая энергия заряженных частиц, плотность тока, время облучения и т.д.) и от характеристик обрабатываемого вещества (температура, плотность, теплопроводность и т.д.).

Ионизационные потери и потери на излучение при прохождении электронов через вещество

Когда электроны определенной энергии проходят через слой вещества, их энергия уменьшается, а энергетический спектр размывается и становится несимметричным. Следовательно, точно определить потери энергии невозможно, рассчитываются лишь средние потери энергии .

Для относительно малых начальных энергий электрона средняя энергия, затраченная на ионизацию и возбуждение электронной подсистемы на 1 см пути, определяется выражением:

(1.2)

где - концентрация атомов в решетке, - атомный номер,

- потенциал взаимодействия, значения которого представлены в таблице1.

Таблица 1

Потенциал взаимодействия для расчета поглощенной дозы

	Li	Be	Al	Fe	Cu	Ag	Sn	W	Pb
, Эв	34	60,4	150	24,1	279	422	472	680	737
1/z	11,3	15,1	11,5	9,4	9,6	9,0	9,4	9,2	9,0

В релятивистской области

(1.2)

где - плотность,

- отношение скорости электрона к скорости света,

атомная масса.

При замедлении электронов в кулоновском поле ядер возникает тормозное излучение. Средняя энергия на 1 см пути составляет

.

Потери энергии увеличиваются с ростом атомного номера:

(1.2)

Энергетические потери на излучение и столкновения становятся равными при [¹].

Однако, при торможении частиц не слишком высокой энергии потери энергии на ионизацию в индивидуальных столкновениях происходят преимущественно малыми порциями. Поэтому траектории близки друг к другу и мало отличаются от некоторой средней, которая соответствует непрерывному среднему замедлению. Эта модель позволяет делать шаги по энергии, а флуктуации в потерях энергии могут быть выражены через флуктуации в пробегах на каждом шаге [²].

Рис. 1. Поглощенная доза в железе в зависимости от энергии электронов.

На рисунке 2, в качестве примера, изображены графики поглощенной дозы в V, Cr ³

Рис. 2. Поглощенная доза в Cr и V при облучении пучком электронов с энергией Е=2,7 МэВ.