Научная статья на тему 'О математической модели жидкостной эпитаксии из тройного раствора'

О математической модели жидкостной эпитаксии из тройного раствора Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
105
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД / ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА / АВТОМОДЕЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ / PHASE TRANSITION / INVERSE PROBLEM / SELFSIMILAR SOLUTION

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Петрова Анна Георгиевна

Изучается рост пленки сложного состава методом жидкостной эпитаксии из раствора, состоящего из жидких бинарных соединений AC и BC в растворителе C. Исследуется математическая модель, представляющая собой одномерную однофазную задачу Стефана с начальным переохлаждением для системы двух уравнений диффузии, связанных условиями на границе фазового перехода. В задачах 1-го типа, названных прямыми, искомыми являются распределения концентраций и закон движения границы фазового перехода при заданной рабочей температуре процесса, тогда как в задачах 2-го типа, названных обратными, требуется определить рабочую температуру процесса, обеспечивающую нужный состав растущей пленки. Для рассматриваемых задач найдены условия их разрешимости, сформулированные в виде теорем, и исследованы свойства решений в зависимости от входных данных. Исследованы также условия существования семейств точных (автомодельных) решений и построены алгоритмы их нахождения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

On the Mathematical Model for Liquid-Phase Epitaxy Processes from the Ternary Solution

The growth of complex binary fi lm from the ternary solution be the method of liquid-phase epitaxy is under consideration. The mathematical model that is one-dimensional one-phase supercooled Stefan problem for the system of diffusion equations coupled in the interface conditions is studied. In the problems of 1-st type called direct the concentration distribution and the free boundary motion law must be determined when the temperature of the process is given. In the problems of the 2-nd type called inverse the temperature of the process provides the desired film composition is searching. The solvability condition for the problems are found and the properties of the solutions in dependence on input data are studied. Also the conditions of existence and the algorithm of construction of the family of exact (self-similar) solutions are formulated.

Текст научной работы на тему «О математической модели жидкостной эпитаксии из тройного раствора»

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)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

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).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(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

( _. л

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.