9CaKrnKonQm lx.huanqiu.comarticle等离子体物理学研究领域创新者——刘成森/e3pmh20mi/e3pt1klf4<article><section data-type="rtext"><p>当前，等离子体技术已经广泛应用于科学技术及国民经济各个领域中，在新能源、新材料、生物医疗和航空航天等行业取得了巨大成功。一般而言，在等离子体技术实际应用中都需要针对具体的生产工艺设置一定的等离子体工作条件，这就要求在生产设备的研发过程中进行实验检验。实验设备的复杂性和高昂的研发费用使得等离子体计算机模拟软件系统应运而生，计算机模拟软件可以揭示等离子体应用过程中各种粒子之间的相互作用的物理机理以及它们与材料之间的作用过程，全面了解具体加工过程中各种物理参数与生产设备控制参数之间的相互关系，避免生产工艺过程和参数选择的盲目性，可以缩短研发时间，降低研发成本，对开发新的加工工艺和技术、改进产品质量、提高产量和加工效率，都具有极大的指导意义。</p> <p>等离子体源离子注入是用于材料表面改性的一种新型的、低成本的、非视线技术，现已成功应用于材料表面加工领域。由于材料上所加的电压很高，等离子体中的离子能够从中获得足够高的能量，从而穿透材料的表面，和晶格原子相碰撞，在材料表面薄层中产生新的化合物，形成新的金相组织结构。因此，通过等离子体源离子注入过程能够获得性能优良的、膜基结合牢固的薄膜，精密部件的表面性能便得到了很大的改善。Monte Carlo simulation of ions inside a cylindrical bore for plasma source ion implantation(《等离子体源离子注入圆柱孔内离子的蒙特卡罗模拟》)是中国著名物理学专家刘成森发表在美国最有影响力的权威期刊Journal of Applied Physics(《应用物理杂志》)上的一篇论文。该论文主要通过利用蒙特·卡罗技术给出了离子在不同压力下注入材料表面的模拟结果，得出了离子注入圆柱孔内表面时的冲击能量和角度分布。这项研究成果极具实际应用意义，对于确定离子注入深度分布和表面溅射效应方面具有非常重要的指导价值。</p> <p>近年来，新材料开发领域特别关注等离子体源离子注入技术，这种材料表面加工技术克服了传统束线离子注入的缺点，在注入过程中不仅容易控制注入离子的能量和剂量，使得离子注入均匀性好，而且不需要转动样品台和离子束扫描设备就可以使离子在适当条件下垂直注入样品表面，减少了溅射损失，非常适合具有复杂形状表面的样品。此外，该技术还能对样品的所有表面进行同时处理，适用于大面积样品的批量处理。更重要的是，此技术还具有设备造价低廉、操作简单、运行成本低等众多优势，为模具、衬套、管道等工业部件内表面的加工提供了高效方案，从而备受关注。在论文中，刘成森基于著名专家T. E. Sheridan的相关研究成果，在半径为10厘米的圆柱孔的轴线上引入半径为1毫米的零电位导电圆柱棒作为辅助电极，利用蒙特·卡罗方法(也叫统计模拟方法，是指使用随机数或伪随机数来解决很多计算问题)建立了等离子体源离子注入的计算机模拟模型，模拟了等离子体鞘层中Ar+(氩离子)的运动轨迹，经过一系列缜密的计算和分析，获得了对于不同的压力(1毫托、10毫托、30毫托、60毫托)、注入到孔内表面的离子的冲击能量和角度分布。</p> <adv-loader __attr__inner="7004636" __attr__style="width: auto;position: relative;float: left;border: 1px solid #ebebeb; padding: 20px;overflow: hidden;margin: 10px 30px 40px 0;"></adv-loader> <p>刘成森指出，当压力较低时，孔中的大多数离子会以最高能量撞击目标;随着压力的增加，离子的平均自由程变小，运动过程中离子将与中性粒子发生碰撞损失能量，从而使注入材料表面的低能离子数量增加。但对于那些出发时其位置靠近圆管内壁的离子而言，由于行进的距离小于离子平均自由程，它们仍能以最高能量注入到内壁。由于等离子体鞘层中电场很强，那些运动到管壁附近时与中性粒子发生弹性散射碰撞的离子，将会对注入角度分布有影响。该计算机模拟结果揭示了等离子体源离子注入过程中各种粒子的动力学行为以及与电场相互作用的物理规律，在实际应用中有助于确定离子注入所使用的各个控制参数，为生产工艺的优化、生产效率的提高、研发成本的降低提供了强有力的技术支撑，推动了材料表面加工行业的技术进步与发展，并催生了一大批符合市场需求的新材料和新技术。</p> <p>此外，刘成森的这项研究工作还获得了国家自然科学基金和高等教育博士项目的极力支持，在业内颇受关注。当刘成森的论文在《应用物理杂志》发表后，受到业内权威专家的高度肯定和赞许，引发了众多物理学家和材料科学家的热议，在整个物理学界形成了很大影响力。同时，这一研究成果也为相关科研人员的后续研究工作奠定了重要的理论基础。毫无疑问，刘成森凭借深厚的学术造诣和勇于创新的科研精神，为我国材料表面加工产业的技术进步与市场繁荣做出了重要贡献。(李东尧)</p> </section></article>1576571880000环球网版权作品，未经书面授权，严禁转载或镜像，违者将被追究法律责任。责编：陈全环球网157657188000011[]{"email":"chenquan@huanqiu.com","name":"陈全"}