當前，等離子體技術已經廣泛應用於科學技術及國民經濟各個領域中，在新能源、新材料、生物醫療和航空航天等行業取得了巨大成功。一般而言，在等離子體技術實際應用中都需要針對具體的生產工藝設置一定的等離子體工作條件，這就要求在生產設備的研發過程中進行實驗檢驗。實驗設備的複雜性和高昂的研發費用使得等離子體計算機模擬軟體系統應運而生，計算機模擬軟體可以揭示等離子體應用過程中各種粒子之間的相互作用的物理機理以及它們與材料之間的作用過程，全面了解具體加工過程中各種物理參數與生產設備控制參數之間的相互關係，避免生產工藝過程和參數選擇的盲目性，可以縮短研發時間，降低研發成本，對開發新的加工工藝和技術、改進產品質量、提高產量和加工效率，都具有極大的指導意義。
等離子體源離子注入是用於材料表面改性的一種新型的、低成本的、非視線技術，現已成功應用於材料表面加工領域。由於材料上所加的電壓很高，等離子體中的離子能夠從中獲得足夠高的能量，從而穿透材料的表面，和晶格原子相碰撞，在材料表面薄層中產生新的化合物，形成新的金相組織結構。因此，通過等離子體源離子注入過程能夠獲得性能優良的、膜基結合牢固的薄膜，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(《等離子體源離子注入圓柱孔內離子的蒙特卡羅模擬》)是中國著名物理學專家劉成森發表在美國最有影響力的權威期刊Journal of Applied Physics(《應用物理雜誌》)上的一篇論文。該論文主要通過利用蒙特·卡羅技術給出了離子在不同壓力下注入材料表面的模擬結果，得出了離子注入圓柱孔內表面時的衝擊能量和角度分布。這項研究成果極具實際應用意義，對於確定離子注入深度分布和表面濺射效應方面具有非常重要的指導價值。
近年來，新材料開發領域特別關注等離子體源離子注入技術，這種材料表面加工技術克服了傳統束線離子注入的缺點，在注入過程中不僅容易控制注入離子的能量和劑量，使得離子注入均勻性好，而且不需要轉動樣品臺和離子束掃描設備就可以使離子在適當條件下垂直注入樣品表面，減少了濺射損失，非常適合具有複雜形狀表面的樣品。此外，該技術還能對樣品的所有表面進行同時處理，適用於大面積樣品的批量處理。更重要的是，此技術還具有設備造價低廉、操作簡單、運行成本低等眾多優勢，為模具、襯套、管道等工業部件內表面的加工提供了高效方案，從而備受關注。在論文中，劉成森基於著名專家T. E. Sheridan的相關研究成果，在半徑為10釐米的圓柱孔的軸線上引入半徑為1毫米的零電位導電圓柱棒作為輔助電極，利用蒙特·卡羅方法(也叫統計模擬方法，是指使用隨機數或偽隨機數來解決很多計算問題)建立了等離子體源離子注入的計算機模擬模型，模擬了等離子體鞘層中Ar+(氬離子)的運動軌跡，經過一系列縝密的計算和分析，獲得了對於不同的壓力(1毫託、10毫託、30毫託、60毫託)、注入到孔內表面的離子的衝擊能量和角度分布。
劉成森指出，當壓力較低時，孔中的大多數離子會以最高能量撞擊目標;隨著壓力的增加，離子的平均自由程變小，運動過程中離子將與中性粒子發生碰撞損失能量，從而使注入材料表面的低能離子數量增加。但對於那些出發時其位置靠近圓管內壁的離子而言，由於行進的距離小於離子平均自由程，它們仍能以最高能量注入到內壁。由於等離子體鞘層中電場很強，那些運動到管壁附近時與中性粒子發生彈性散射碰撞的離子，將會對注入角度分布有影響。該計算機模擬結果揭示了等離子體源離子注入過程中各種粒子的動力學行為以及與電場相互作用的物理規律，在實際應用中有助於確定離子注入所使用的各個控制參數，為生產工藝的優化、生產效率的提高、研發成本的降低提供了強有力的技術支撐，推動了材料表面加工行業的技術進步與發展，並催生了一大批符合市場需求的新材料和新技術。
此外，劉成森的這項研究工作還獲得了國家自然科學基金和高等教育博士項目的極力支持，在業內頗受關注。當劉成森的論文在《應用物理雜誌》發表後，受到業內權威專家的高度肯定和讚許，引發了眾多物理學家和材料科學家的熱議，在整個物理學界形成了很大影響力。同時，這一研究成果也為相關科研人員的後續研究工作奠定了重要的理論基礎。毫無疑問，劉成森憑藉深厚的學術造詣和勇於創新的科研精神，為我國材料表面加工產業的技術進步與市場繁榮做出了重要貢獻。(李東堯)