УДК 517.946
А.Г. Петрова
О математической модели жидкостной эпитаксии из тройного раствора
Ключевые слова: фазовый переход, обратная задача, автомодельное решение.
Key words: phase transition, inverse problem, selfsimilar solution.
1. Построение модели и постановка задач. Будем рассматривать одномерный процесс роста пленки AxB1-xC в двух вариантах: неподвижный жидкий раствор, из которого растет пленка, занимает в момент t ограниченную область 0 < x < s(t), сужающуюся в ходе процесса (задача 1); и жидкий раствор занимает полубесконечный интервал x > s(t), граница которого движется вправо в процессе роста пленки (задача 2). Диффузией компонент пленки пренебрегаем. Перенос компонент в жидкости подчиняется закону Фика с постоянными коэффициентами диффузии (D1 и D2 = kD1). Температуру системы считаем заданной функцией времени: в = 6(t). На фронте роста пленки x = s(t) ставятся условия сохранения массы компонент и задается зависимость их концентрации от температуры в, выражающая условия равновесия фаз. Обозначим массы компонент AC и BC в единице объема пленки через р1 и р2, а плотности твердых бинар-
* *
ных составляющих AC и BC - через р и Р2 . Плотность р + р2 пленки AxB1-xC предполагается зависящей линейно от y (y есть функция от x):
Pi +Р2 = УР* +(1 - У) р2 •
При этих предположениях процесс роста пленки в задаче 1 описывается следующей начальнокраевой задачей с неизвестными функциями С (x, t) (i = 1,2), s(t), y(t):
В задаче 2 уравнения (1.1) выполняются в другой области:
dCi
д 2 с;
дс д 2с -t- = Di -2-, 0 < x < s(t); dt -x (1.1)
д2с- Di . 2 = s(t)(KPi Ci X dx (1.2)
Ci = 4 (t) = u (e(t)), x = s(t);
s(0) = 1, ci (x, 0) = ф (x), 0 < x < 1; (1.3)
ci (0, t) = ci0; (1.4)
P +P2 = УРр +(1 - y) P*, У = P1(P1 +P2)-1. (1.5)
(1.1)’
Работа выполнена при поддержке программы «Развитие научного потенциала Высшей школы 20092010 гг.» (проект 2.2222.2.4.4278).
дТ = ’ х > ^
д дх
начальные условия (1.3) принимают вид:
5(0) = 0, сг-(х,0) = ф (х), 0 < х <да; (1.3)’
краевые условия (1.4) заменяются на следующие:
С К *) = с^. (1.4)’
В задачах 1 и 2 функции с1 (х, *) представляют собой массу компоненты с номером 1 в единице объема раствора; к - заданные положительные постоянные, а постоянная у есть отношение молекулярных весов первой и второй компонент; ф (х), ' (в), в(*) - заданные непрерывно дифференцируемые функции своих аргументов, такие, что ' '(в) > 0, в '(*) < 0, причем в задаче 1 ф/ (х) < 0, а в задаче 2 ф/ (х) > 0, и выполнены следующие условия:
0 <л, (/) < 1,
(1.6)
Х (0) + Я2 (0) < тт(р*, рр);
ф (х) >Х (0), I = 1,2. (1.7)
Также считаются выполненными условия согласования граничных и начальных данных, необходимые для классической разрешимости задач. В случае задачи 2 на бесконечности ставятся условия ограниченности функций с1 (х, *) .
Пусть МА, Мв - атомные веса элементов А, В, а МАС, Мвс - молекулярные веса АС, ВС. В случае к = МА/МАС , к2 = Мв/Мвс задача (1.3), (1.4) моделирует рост пленки из раствора с компонентами А, В, С. Значениям к1 = 1, к2 = Мв/Мвс соответствует рост из раствора АС, в, С.
Если к = 1, к2 = 1, то имеем рост из раствора АС, вС, С.
Сформулированные задачи 1, 2 служат для определения состава растущей пленки у(х) в зависимости от заданной рабочей температуры процесса в(*) и начального распределения концентраций ф (х). Назовем эти задачи «прямыми».
Поставим также задачу определения рабочей температуры процесса в(*) по заданному составу образовавшейся пленки у(х) и начальной концентрации компонент ф (х): требуется найти функции с (х, *), 5(*), в(*), удовлетворяющие уравнени-
ям (1.1) - (1.5), в которых ф (x) и y(x) со значениями из интервала (0,1) являются заданными функциями. Назовем такую задачу «обратной задачей 1». Аналогично ставится «обратная задача 2». Отметим, что обратные задачи 1 и 2 в нашем случае, в отличие от обратных задач кристаллизации бинарного сплава [2], являются корректными в смысле Адамара и отличаются формально от соответствующих прямых условиями на свободной границе, которые приобретают вид: дс■
C2 = а с + 3, Di = s'(t)(Kp - ci), i = 1, 2,
дx
где р > 0, i = 1, 2 - известные функции; a, S - положительные константы.
Оба типа задач представляют собой задачи со свободной границей для системы двух параболических уравнений. При этом «прямые» задачи представляют собой так называемые переохлажденные задачи Стефана [3]. В них уравнения «перевязаны» алгебраическим условием на свободной границе, тогда как «обратные» близки к задаче затвердевания бинарного сплава: если интерпретировать сф (x, t) как температуру и концентрацию, то три равенства (1.8) представляют собой условие термодинамического равновесия (линия «ликвидус» на диаграмме фазового состояния) и пару условий Стефана для случая нулевых коэффициентов теплопроводности и диффузии в твердой фазе.
2. Прямая задача в ограниченной области.
Заметим, что в случае
4 (t) = ci0 = const, задача 1 (1.1) - (1.6) имеет решение только в случае ф (x) = 4, и это решение есть
s(t) = 1, ct (x, t) = c,0 (i = 1, 2), y(x), где y(x) - произвольная функция.
Будем считать в дальнейшем, что 4 (t) ^ const для i = 1 или i = 2 и выполнены условия на характер поведения входных функций, а также неравенства (1.6), (1.7). Кроме того, будем исследовать разрешимость задачи в предположении
с1,0 + с2,0 < min(p1\Р*)- (2.1)
Лемма 2.1. При выполнении соответствующих условий на гладкость входных функций, неравенства ф'(0) -Ф2(0) * 0 и необходимых условий согласования начальных и граничных данных задача 1 разрешима в гельдеровских классах функций на достаточно малом интервале времени. При этом s(t)- невозрастающая функция и справедливы неравенства р (s(t)) > 4 (t).
Доказательство этой леммы базируется на применении теоремы Шаудера о неподвижной точке к оператору, построенному по задаче аналогично [4]. Монотонность свободной границы x = s(t) устанавливается при помощи принципа максимума и
условия (1.6). После этого неравенства Р (s(t)) > 4 (t) очевидны.
Лемма 2.2. Пусть, помимо (2.1) и условий леммы 2.1, выполнены следующие условия:
Фф (x) < Ht • (1 - x) + 4 (0)x, 0 < x < 1,
sT = inf (s(t)) > 0,
(0,T)
и существует постоянная d e (0, sT), такая, что сг 0 > Htd + 4 (0)(1 - d). Тогда |s '(t)| ограничена на (0,T) постоянной, зависящей от d, sT, 4 (0),
*
pi , ci,0 .
Доказательство проводится при помощи теоремы сравнения и принципа максимума.
Предположение о неограниченности скорости свободной границы ведет к противоречию с условиями (1.2) и (2.1).
Замечание. В случае Ht = ci 0 для классического решения, в силу принципа максимума, справедлива оценка ci (x, t) < oi0 (1 - x) + 4 (0) x.
Аналогично можно получить оценку для |s '(t)| в явном виде.
Теорема 2.1. При выполнении условий на характер поведения входных функций, сформулированных в п. 1, неравенств (1.6), (1.7), (2.1) и условий лемм 2.1 и 2.2 с Ht = ct 0 задача (1.1) - (1.6) имеет классическое решение на интервале времени (0,T), где T- время окончания процесса (т.е. s(T) = 0).
Доказательство. Заметим, что для рассматриваемой задачи (1.1) - (1.5), поскольку она относится к типу задач с переохлаждением, имеют место следующие три возможности:
1) классическое решение существует для всехt > 0 ;
2) существует время окончания процесса TB такое, что lim s(t) = 0 ;
t ^TB
3) существует TC > 0 такое, что lim s(t) > 0
t ^TC ~
и inf s' (t) = -да.
(0,TC )
Умножая уравнения (1.1) на x, затем интегрируя по х на (0, s(t)) и по t на (0, t), получим
s (t) 1
J xct (x, t) dx-J xфi (x) dx =
0 0
= J s (t) s' (t) рi (s (t)) dt + (22)
0
+DiJ (c,0 - 4 (t))dt.
0
Последний интеграл неограниченно растет при t ^-да , так как 4 (t) - убывающие функции, тогда как остальные слагаемые ограничены, следо-
вательно, случай (А) невозможен. В силу леммы 2.2 случай (С) тоже невозможен. Таким образом, реализуется случай (В). Отметим, что в условиях теоремы
/х(^1 (х) + (р2 (х))йх < тт{р*, р**}. о
Теорема 2.2. Если
|х(^1 (х) + ф2(х))йх > тах{р*,р**}, (2.3)
о
то имеет место случай (С).
Доказательство. Суммируя равенства (2.2) и принимая во внимание условие (2.3), получим
X X
^1 I^1,0 — А(х))+^2 I(с2,0 —^2(Х))^ =
= - {х(^(x) + ^2(x)) dx -о
t
- {5(t)5'(t)(p (5(t)) + P2 (s(t))) dt +
0
s(t) * *
+ { x(q(x, t) + c2(x, t)) dx <- max{p , p2} -о
-maxp,p2,}(s2(t) -1) +
s (t)
+ { x(c1(x, t) + c2(x, t)) dx. о
Поскольку случай (А) исключен, а в случае (В) s(TB) = 0 , то последнее неравенство при t = TB противоречит условию 0 < 4 (t) < ci0 , что и завершает доказательство.
Автомодельные решения задачи 1
Предположим, что в уравнениях (1.1)—(1.4)
4 (t) = 4 0 = const < ci0, y(x) = y0 = const.
Тогда p1 (x) = p1 = const, p2 (x) = p2 = const, и вследствие уравнений (1.5)
(ЛУо + p2(1 - Уо))ГУо ГУо +1 - Уо ’
(p* Уо + P*(1 - Уо))(1 - Уо)
в -в2 a=(p-Ai,0)-D exp( 4dx i=1,2;
(2.5)
Рі + Рг = Р / (Рі + Рг) + Рг / (Рі + УРг)• (2.6)
Покажем, что система (2.4)-(2.6) имеет положительное решение
в = і/^Т, уо, р,А, і = і, г.
Для этого выразим р из первой пары уравнений, в которых в качестве Аі взяты правые части
второй пары уравнений: p =
ci,0 Лі
в exp(-в2 ,в
2D, 4 D,
-+Л.
(2.7)
) f exp(---------)dx
0 4 D,
Рг = +,
УУо +і - Уо
При подходящих начальных распределениях концентраций задача і имеет точное решение вида
я(0 =у!і - г / Т = /ЗЛ—Пт, у(х) = у0;
в
Єї (х, г) = А | ехР(х / 4Д )ёх + 4 0
ХІ^Т — ’
на интервале времени (0, Т). Константы
в = \/Я, у0, А, Р, і = і 2 определяются из следующей системы уравнений, полученной из условий на свободной границе (і.2), (і.3):
в хг
А іехр(—^ = єі,о -Л■о, 1 = і, г; (г.4)
о 4Ді
Очевидно, p > 4 для любых положительных в. Подставим выражения p из (2.7) в уравнение
(2.6) и обозначим левую и правую части полученного выражения через Ft (в) и Fr (в) соответственно. Нетрудно проверить, что
lim F{ (в) = тс, 0 < lim Fr (в) < тс, в—0+ в—*0+
lim F (в) = c1,0 + c2,0,
в—™
У J7 I в p1 c1,0 + p2c2,0
lim Fr (в) =--------:- .
в—“ c1,0 + yc2,0
Очевидно, Fl (0) > Fr (0).
Таким образом, для пересечения непрерывных кривых Ft (в) и Fr (в) достаточно потребовать выполнения неравенства Ft (^) - Fr («>) < 0, которое в терминах входных данных ci 0, 4 0 приобретает вид
c1,0 + c2,0 < p1 c1,0 t (c1,0 + yc2,0 ) + p2c2,0^/ (c1,0 + Yc2,0).
Сформулируем полученный результат.
Теорема 2.3. При выполнении неравенств
0 < 4 0 = const < ci 0,
c1,0 + c2,0 < p1 c1,0 t (c1,0 + Yc2,0) + p2c2,0Y/ (c1,0 + Yc2,0) для подходящих начальных данных задача 1 имеет решение вида
s (t) = вT -1, y (x) = У0; :в2 в -А
ci(x,t) = (p -4,0)вe4Di J e4Didx+4,0
2D,
x
JT-t
с положительным в . При этом Т = і / в1 есть время окончания процесса. Таким образом, реализуется случай (В).
3. Прямая задача на полубесконечном интервале. Рассмотрим теперь задачу (і.і)’ (і.2), (і.3)’, (і.4)’, (і.5)’. В этом случае растущая пленка занимает область (0, я(г)), а жидкая фаза - полубеско-нечный интервал (я(г), ^). Эта однофазная задача для системы уравнений также относится к типу за-
дач с «неправильным» знаком в условии Стефана, т.е. задач с переохлаждением, если пользоваться терминологией моделей плавления-затвердевания. В случае решения задачи на полубесконечном интервале имеются две принципиальные возможности поведения классического решения в зависимости от входных данных:
- (А)’ классическое решение существует для всех г > 0;
- (В)’ классическое решение существует лишь на конечном интервале времени (0, Т).
Случай (А)’ соответствует бесконечному по времени процессу роста, при этом скорость роста стремится к нулю с течением времени; случай (С)’ означает, что рост прекращается за конечное время вследствие градиентной катастрофы, т.е. 3 Т > 0
такое, что Иш 5(г) = s(T) < & и И 5'(г) = & .
г ^Т - (0,Тс)
Теорема 3.1. При выполнении условия
с1~ + с2~ < шт(р*,р*), (3.1)
аналогичного условию (2.1), в задаче (1.1)’ (1.2),
(1.3)’, (1.4)’, (1.5)’ классическое решение существует на любом интервале времени, т. е. реализуется (А)’.
Доказательство. Локальная по времени разрешимость задачи и монотонность свободной границы (в этом случае 5 (г) возрастает) доказываются тем же способом, что и в лемме 2.1 со стандартными изменениями, связанными с неограниченностью области. Ограниченность 5'(г) доказывается методом, использованным в доказательстве леммы 2.2 с соответствующими изменениями неограниченности области. При этом выполнение условия (3.1) существенно для выбранного способа доказательства.
Теорема 3.2. Если выполнено условие
с1~ + с2,& ^ шах(р*, р*), (3.2)
и с. &- ф (х) е Ц_ (0, &), то классическое решение
задачи 2 может существовать лишь конечное время, т.е. реализуется случай (С)’.
Доказательство. Проинтегрируем уравнения
(С,& - С(х, г))г = Д (сг> - с(х, г))хх
по х от х = 5(г) до х = & , затем по г - от 0 до г . Принимая во внимание (1.2), (1.3/ - (1.4/ и суммируя полученные равенства для . = 1, 2, приходим к тождеству
I (С1,& + С2,& - с (х, г) -С2 (х, г))йх -
5 (г)
-](С1,& + С2,& -ф(х,г)-ф,(х,г))& = (3.3)
0
г
= 15(г)(Р1 + р2 - Су &- С2 & )йг.
0
Первый интеграл в левой части (3.3) неотрицателен для всех г > 0 , второй конечен, следователь-
но, выполнение условия (3.1) влечет ограниченность s (t) для всех t > 0 .
Далее умножим обе части уравнений (3.1/ на exp(-Д p t - px), p > 0 и проинтегрируем по x от x = s(t) до x = <™ , затем по t - от 0 до t. Принимая во внимание (1.2), (1.3/ - (1.4/, и устремляя t к бесконечности, приходим к равенству
°j (s'(t)р. + Di pA) exp(-DiP2t - ps(t))dt =
0
= J <pt (x)exp(- px)dx.
0
Предел левой части при p, стремящемся к нулю, в предположении ограниченности s (t) для всех t > 0 конечен, тогда как правая часть последнего равенства неограниченно возрастает при p ^ 0. Полученное противоречие и завершает доказательство теоремы.
Автомодельные решения задачи 2. В предположениях
A (t) = A 0 = const < ci0, y(x) = y0 = const задача 2 имеет автомодельное решение вида s(t) = fijt, y(x) = У0;
ct (x, t) = Ai J exp(x2 / 4 Д )dx + ci^, i = 1, 2, x/>/F
где постоянные в, У0, Ai, i = 1, 2 определяются из системы уравнений
4D
- AD exp
-в
dx + c.,
■2 ^
= A
4D,
i,0, . = l, 2; в
(3.4)
= (Pi -A,0)f, i = 1,2; (3.5)
Pl +P2 = P1 Уо +P2/(l - Уo), Уо =Pl/(Pl +fP2).
(З.б)
Существование положительного в, положительного и не превышающего единицы у0 , а также отрицательных констант Д при выполнении условия на входные данные, аналогичного условию теоремы 2.3, доказывается тем же способом, что и в вышеназванной теореме.
Таким образом, имеет место следующий аналог теоремы 2.3.
Теорема 3.3. При выполнении неравенств
0 <4,0 < С„,
Pl cl,.
p2c2-Y (3.7)
(Сх~+ГС2~ ) (Сі~ + /С2,^ )
и при начальных условиях щ (х) = сі ^ прямая задача
жидкостной эпитаксии на полубесконечном интервале имеет решение вида
s(t) = p4t, y(x) = уо;
i = 1, 2.
С (х, 1) = Д J exp(x2 / 4Д. )dx + c{,
x /^1
Более того, для исследования асимптотического поведения решения задачи со свободной границей на полубесконечном интервале нетрудно убедиться в справедливости следующей теоремы, характеризующей асимптотическое поведение границы растущей пленки в задаче 2.
Теорема 3.4. Пусть А (t) — А. 0 при t — ж , где
0<Ао <Сж. При выполнении условия (3.7) для
решения задачи 2 имеет место асимптотическая формула
s(t) ~ p4i, t —— Ж.
Замечание 3.1. Данные теоремы 3.3, очевидно, не удовлетворяют условиям согласования. Вместо автомодельных переменных s(t) = /3^1, = х / 41
можно рассмотреть
s(t) = [Цt + а, £ = х / Vt + а, а> 0
и получить серию точных решений, соответствующих начальным распределениям специального вида.
Замечание 3.2. Если вместо второго неравенства
(3.7) значения концентраций на бесконечности подчинены равенству
Р\с\,~ , рС2~Г
(Cl,~ + rc2,^) (q +Yc^ )
s(t) = Vt, y(x) =-
Ll,‘
c (x, t) = (Ao - ct^) exp
:1, - + Yc2,=
Ґ (Vt - x)V Л D;
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
cit = cixx,i =1,2, x >s(t);
ДCx = s'(t)(pk - с X Ci = А (°(t)), x = s(t);
с. (x, 0) = <Pi (x), s(0) = 0, t = 0;
lim c( x, t) = с.ж;
x—^
Pi +P2 = P* У + P*/(1 - У), y = Pi/(Pi + p).
Здесь y (x), x e (0, s(T)), где T - время окончания процесса является заданной функцией, принимающей значения из интервала (0,1). Эта функция характеризует состав пленки в точке x при x < s(T). Отметим, что в предыдущих задачах фигурировала функция у(1 ), связанная с нынешней простым соотношением y(t) = y(s(t)). В этой задаче будем считать, что заданные функции А., i = 1, 2 подчинены условию А = а А + b, где a ,b - положительные константы.
Выразим р1 и р2 через у из уравнений (4.5):
(Pi* У + Р*(1 - У))ГУ
(4.6)
Pl =
P2 =
1 - У + УУ (Pl* У + p2(1 - У))(1 - у)
то для подходящих начальных распределении концентрации задача 2 имеет решение вида бегущей волны:
4. Обратная задача. В п. 1. была сформулирована задача определения рабочей температуры процесса по заданному составу пленки в конце процесса в ограниченной области и названа «обратной» задачей 1. Здесь мы сосредоточим внимание на «обратной» задаче 2, т.е. на задаче управления составом пленки, занимающей в момент времени ї область (0, я(ї)), (соответственно жидкая фаза - полу-бесконечный интервал (я(ї),^)) с помощью управляющего параметра - температуры процесса. Отметим, что эта задача является корректной и по своей математической природе близкой к задаче затвердевания бинарной смеси. «Обратной» она названа только по отношению к предыдущей задаче нахождения состава растущей пленки по заданной рабочей температуре процесса.
Итак, задача состоит в нахождении функций в(1), $(1), сі (х, ї), і = 1, 2 , удовлетворяющих следующим уравнениям и условиям:
1 - У + УУ
Теорему о разрешимость задачи (4.1)-(4.5) и примеры ее численного решения можно найти в работе [5].
Автомодельные решения «обратной» задачи.
Автомодельная постановка задачи определения рабочей температуры процесса по заданному (постоянному в нашем случае) составу пленки соответствует заданию y (x) = y = const, или, в силу формул
(4.6), постоянных плотностей Pl и P2 и постоянных начальных концентраций. Таким образом, автомодельная задача состоит в нахождении положительных констант в и A1 по заданным положительным
константам с0 = p (x), pi = pt (x), i = 1, 2. При этом
s(t) = , Cj (x, t) = Cj (x / 4t)
должны удовлетворять уравнениям (4.1) - (4.3), где
A = a A + b .
В силу (4.1) и (4.3)
cj = A °f exp(-£2 / 4Dj )dg + c0, i = 1, 2. (4.7)
x /Vt
Из условий (4.2) получим систему для определения постоянных в, A, A1, A2 :
A j exp(-£2 / 4Д )d£ + c0, i = 1, 2.
(4.8)
в
(4.9)
-Д-Д ехр(в2/4Д) =
= рп-(КР -Л), = 1,2.
Теорема 4.2. Пусть Ь = 0 и а лежит между числами е°/с]0 и (с2 -к2р2)/(с° -к1р1). Тогда существует автомодельное решение «обратной» задачи в > 0, Л > 0, Л2 = а Л. Если при этом с0 < к р , то Л < с0 и градиенты концентраций в жидкой фазе положительны.
Действительно, разрешим систему (4.8)-(4.9) относительно Л, Л :
Л =
0 Р
cl - 2D" kipi exP
(в_ л
4Д
( _. л
4Д
і в
1 —— exp
2 Dj
(в_ л
4Dj
j exp
в
(_.l л 4д
(4.10)
d.
Л2 =-
в
2D2
к2р2 exp
(в_ л
4 D2
j exp
в
(_.l л
4 D2
d.
1 -
в
2D2
exp
(в л
4D2
j exP
в
f _.l л
4D2
(4.11)
d.
Обозначим правую часть (4.10) через g1(в), а правую часть (4.11) - через g2(в). В силу равенства Л = аЛ имеем
g2(в)/ gl(в) = а. (4.12)
При этом нетрудно убедиться в том, что
g2(0)/ ^(0) = с2/ с0;
g2 (да) / gl (да) = (с2 - К2р2 ) / (с10 - К1р1 ).
Следовательно, в силу принятых условий уравнение (4.12) имеет решение в> 0. Константы Л,, = 1,2 находятся из уравнений (4.10), (4.11). Последнее же утверждение теоремы 4.2 следует из анализа формул (4.10), (4.11).
Библиографический список
1. Бадратинова, Л.Г. О задачах со свободной границей, моделирующих процесс жидкофазной эпитаксии из тройных растворов / Л.Г. Бадратинова, В.В. Кузнецов, А.Г. Петрова, В.В. Пухначев // Динамика сплошной среды. - Новосибирск, 1986. - Вып. 78.
2. Петрова, А.Г. Обратная задача затвердевания бинарного сплава / А.Г. Петрова // Известия АлтГУ. - Барнаул, 2009. - №1.
3. Petrova, A.G. The one-phase supercooled Stefan problem with temperature boundary conditions / A.G. Petrova,
D.A. Tarzia, C.V. Turner // Advances in Math. Sciences and Applications. - 1994. - V. 4, №1.
4. Петрова, А.Г. Локальная разрешимость термодиффузионной задачи Стефана / А.Г. Петрова // Динамика сплошной среды. - Новосибирск, 1984. - Вып. 64.
5. Зальцман, Б.Б. Задача управления составом материала, получаемого методом жидкостной эпитаксии в условиях невесомости / Б. Б. Зальцман, А. Г. Петрова // Космическая наука и техника. - Киев, 1990. - Вып. 4.
0