КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 25-19-00745

НазваниеНаучные основы генерации электронных пучков субмиллисекундной длительности в источнике на основе высоковольтного тлеющего разряда с плазменными эмиттерами для эффективной модификации поверхности металлов и сплавов

Руководитель Дорошкевич Сергей Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые слова Источник электронов, дуговой разряд, плазменный катод, электронный пучок, плазменный анод, высоковольтный тлеющий разряд, электронно-пучковое воздействие, облучение поверхности материала, микрократеры

Код ГРНТИ29.27.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
При облучении металлических материалов интенсивными энергетическими потоками значительной площади (единицы-десятки см^2) с целью улучшения функциональных и эксплуатационных свойств поверхности материала на ней образуются микрократеры, которые приводят к росту ее шероховатости и созданию в поверхностном слое локальных неоднородностей микроструктуры, что может ухудшить функциональные и эксплуатационные свойства поверхности. В настоящее время существует несколько объяснений развития микрократеров, однако все они основаны на наличии в сплаве различных загрязнений и включений, которые, чаще всего, имеют отличную от матрицы теплопроводность и температуру плавления, и которые аблируют и испаряются, оставляя следы в виде микрократеров после облучения поверхности. При этом наиболее часто большое количество микрократеров наблюдается в наиболее интенсивных режимах облучения, отличающихся короткой длительностью импульса воздействия (до нескольких микросекунд) и плотностью мощности пучка уровня 10^6-10^7 Вт/см^2 и даже выше. Применение для решения задач, связанных с воздействием интенсивного энергетического потока с поверхностью различных материалов, источников электронов с плазменным эмиттером на основе дуги низкого давления представляется в данном случае наиболее целесообразным и перспективным, в первую очередь, благодаря способности достижения больших амплитуд эмиссионных токов на уровне сотен ампер при микро- и миллисекундной длительности импульсов, а также возможности взаимно независимого изменения тока пучка и энергии ускоренных электронов, что позволяет достигать высокой (десятки-сотни Дж/см^2) плотности энергии электронного пучка, достаточной для модификации поверхности металлического материала, с возможностью управления скоростью ввода энергии в поверхность облучаемого образца даже в течение генерации импульса тока пучка. Контроль мощности пучка в течение импульса его генерации может быть использован для определения оптимальных режимов облучения как для изменения функциональных свойств поверхности (закалка, полировка и др.), так и для минимизации на ней микрократеров. Также в рамках проекта предлагается использовать новые принципы и режимы генерации электронного пучка, основанные на инициировании импульсным электронным пучком дугового разряда на поверхности облучаемой мишени. В этом случае предполагается очистка поверхности мишени катодными пятнами первого и/или второго рода с электронно-пучковым ассистированием за счет инициирования высоковольтного тлеющего разряда с токами уровня десятков ампер при субмиллисекундной длительности импульса. Так, основной целью проекта является определение основных механизмов и закономерностей генерации субмиллисекундных интенсивных (десятки, сотни ампер) электронных пучков в источнике с сеточным плазменным катодом и плазменным анодом с открытой границей плазмы, которая нарабатывается как самим электронным пучком, так и генерируется дополнительным дуговым разрядом низкого давления при инициировании катодных пятен на обрабатываемой мишени, а также облучение и исследование поверхности металлических материалов в исследуемых режимах генерации электронного пучка для модификации свойств поверхности и ее очистки в условиях минимизации вероятности образования на ней микрократеров. По результатам данного проекта будет получен новый научный результат по генерации и транспортировке в продольном магнитном поле электронных пучков с уникальными параметрами, превосходящими параметры известных из литературы мировых аналогов, отличающегося кроме этого высокой энергетической эффективностью с возможностью дальнейшей автоматизации источника, упрощенной схемотехникой и повышенной стабильностью генерации, что позволит существенно расширить сферу его применений как в научных целях, так и при решении производственных задач.

Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта в части генерации интенсивного субмиллисекундного электронного пучка в электродной системе источника электронов с сеточным плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления является исследование эмиссионных свойств плазменного катода при наличии плотной анодной плазмы, которая создается как самим электронным пучком за счет ионизации им рабочего газа, так и вспомогательным дуговым разрядом, который загорается в результате инициирования катодных пятен на мишени этим же электронным пучком. Такая, на первый взгляд, сложная и взаимосвязанная система позволит не только получить новое качество обрабатываемой пучком поверхности, но и выявить несколько важных, интересующих многих специалистов, моментов: - оценить вклад ионно-электронной эмиссии в механизм рождения электронов на поверхности катода дугового разряда (отношение тока электронов, рожденных в результате ионно-электронной эмиссии при бомбардировке катода ускоренными ионами, к току электронов, рожденных в катодном пятне), а также описать механизм стабилизации тока пучка в источнике электронов, используя электротехнический подход; - определить минимальную плотность энергии электронного пучка, необходимую для инициирования катодного пятна на мишени в зависимости от различных условий генерации электронного пучка (параметров пучка, давления рабочего газа, потенциала смещения на коллекторе, величины ведущего магнитного поля и др.); - определить условия минимизации вероятности образования кратеров на облучаемой мишени путем очистки ее поверхности как за счет энергетического воздействия импульсным электронным пучком с контролируемо изменяемой мощностью в течение импульса субмиллисекундной длительности или за счет горения импульсного дугового разряда низкого давления с амплитудой сотни ампер при инициировании катодного пятна на загрязнениях и включениях на поверхности мишени, так и за счет синергетического эффекта, ожидаемого в результате использования обоих способов очистки мишени (то есть горения импульсного дугового разряда на поверхности мишени при ее интенсивной электронной бомбардировке в течение импульса тока пучка); - оптимизировать режим облучения мишени с точки зрения получения выглаженной поверхности с минимальной шероховатостью и улучшенными структурой и свойствами. В рамках заявляемого проекта предлагается разработать и создать источник электронов, удовлетворяющий вышеописанным требованиям, а кроме этого, ориентированный на введение новых способов диагностики плотности ионного тока в ускоряющем промежутке за счет использования уникальных конструктивных и схемных решений. Отдельно нужно отметить планируемый результат по определению оптимальных режимов облучения металлических материалов с плотностью энергии, минимально необходимой для инициирования катодного пятна на мишени для очистки этой поверхности непосредственно перед более мощным импульсом тока пучка с энергией, достаточной для модификации свойств поверхности облучаемого образца. Данный результат обладает безусловной научной новизной и будет востребован специалистами как в области ускорительной техники, так и в области материаловедения, поскольку в ближайшей перспективе позволит усовершенствовать известные результаты, связанные с модификацией поверхности различных неорганических материалов в ранее недостижимых режимах обработки, а именно регулируемых в течение субмиллисекундных импульсов тока пучка с плотностью мощности мегаваттного уровня. Создание такого оригинального источника электронов позволит получить новые знания в инженерной области исследований, которые позволят разработать и создать новый класс источников электронов с программируемо- управляемыми основными параметрами пучка, который по совокупности полученных параметров будет превосходить известные отечественные и зарубежные аналоги. Используя модернизированный источник электронов будет проведен цикл исследований по использованию электронно-пучкового облучения для модификации поверхности сталей, а с использованием современного диагностического оборудования будет осуществлен комплексный анализ свойств наноструктурированных поверхностных слоев и модифицируемого образца в целом (микро- и нанотвердость, коэффициент трения, износостойкость в условиях трения и резания). С целью разработки принципов упрочнения и обоснования выбора практически значимых металлов и сплавов, а также оптимизации режимов интенсивной электронно-пучковой обработки, будут выработаны рекомендации для дальнейшего использования результатов, полученных при выполнении проекта, в прикладной области, а именно для предприятий реального сектора экономики.На основании результатов исследований будут сформулированы основные принципы формирования наноструктур при сверхвысоких скоростях нагрева и охлаждения при воздействии интенсивного электронного пучка, плотность мощности которого контролируемо изменяется в течение импульса субмиллисекундной длительности для управления тепловыми процессами на облучаемой мишени, и экспериментально продемонстрирована возможность использования таких пучков для модификации поверхности металлических материалов и изделий в режимах, пригодных для использования в конкретных технологиях с минимизацией вероятности образования кратеров на поверхности облучаемого образца. Кроме того, исследуемые режимы могут найти применение в реализации технологий импульсного распыления материалов, например для термобарьерных покрытий на лопатках турбин в авиа- и энергостроении, а также в процессах пучково-плазменного метода переработки отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. Ожидаемые результаты будут новыми и оригинальными, поскольку в мировой литературе отсутствуют данные о возможности генерации, а тем более о применении для модификации и очистки поверхности металлических материалов широких интенсивных электронных пучков, не только за счет изменения управления скоростью ввода энергии в поверхность облучаемого образца, но и за счет инициирования на его поверхности катодного пятна первого или второго рода с сопутствующим образованием анодной плазмы источника электронов с открытой границей плазмы. Реализовать такой подход с использованием других источников концентрированных потоков энергии (лазерных, плазменных и др.) в настоящее время не представляется возможным вследствие явных общеизвестных преимуществ электронно-пучковых систем с плазменными эмиттерами перед другими источниками. Следует особо подчеркнуть, что реализация проекта позволит сформулировать и реализовать абсолютно новые режимы облучения поверхности многих материалов и изделий, а, следовательно, существенно улучшить функциональные свойства этих материалов, что будет иметь большое прикладное значение для многих передовых отраслей отечественной промышленности. Поэтому все планируемые результаты проекта будут иметь мировой уровень новизны и направляться для опубликования в ведущие научные журналы. Достигнутые результаты могут быть использованы на предприятиях Российской Федерации для решения прикладных задач по увеличению износостойкости поверхности наиболее ответственных деталей машин, пар трения, узлов и инструмента для предприятий атомной, авиакосмической и нефтегазовой отраслей и смежных областей, а также на инструментальных участках машиностроительных производств, что позволит занять России лидирующие позиции в этом важном технологическом направлении исследований и разработок

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---