Результаты исследований по инициативной тематике
в рамках плана научно-исследовательских работ института

Импульсная энергетика и формирование сильноточных электронных и ионных пучков

В рамках создания проекта мощного импульсного генератора, способного ввести в низкоимпедансную нагрузку ток со временем нарастания ~ 100 нс без дополнительных ступеней усиления мощности, изготовлен и испытан первичный накопитель энергии в виде ступени линейного трансформатора LTD100/40 с запасаемой энергией 8 кДж, позволяющий получить на согласованной нагрузке импульс тока с фронтом ~ 100 нс при пиковой мощности ~ 50 ГВт.

Конструкция ступени LTD100/40 подобна конструкции ступени LTD100/18, разработанной в 2000 г., имевшей запасаемую энергию 3,6 кДж и обеспечивавшую на согласованной нагрузке импульс тока с фронтом 100 нс при пиковой мощности 20 ГВт. Строительство новой, более мощной ступени, было предпринято с целью подтвердить принципиальную возможность повышения энергозапаса и мощности ступеней типа LTD100 без увеличения длительности фронта выходного импульса.

Внешний вид ступени LTD100/40 со снятой боковой крышкой показан на рис. 1. Она содержит 40 конденсаторов Maxwell 31165 (100 кВ, 20 нФ) (1), сгруппированных в 20 пар. Конденсаторы каждой пары заряжаются до 100 кВ, при подаче пускового импульса в контуре каждой пары срабатывает свой газовый многозазорный разрядник (2) и все конденсаторы включаются на нагрузку.

Рис. 1. Внешний вид ступени LTD100/40

Руководитель работ - академик РАН Ковальчук Борис Михайлович.


Установлено, что инжекция интенсивного электронного пучка в плазму вакуумного дугового разряда приводит к эффективной генерации многозарядных ионов, особенно для материалов катодов, обеспечивающих при горении дуги высокий уровень содержания паров в плазме. При этом наблюдаемое максимальное зарядовое состояние для ионов свинца возрастает с 2+ до 7 +, а для ионов висмута с 2+ до 8+. Полученные результаты перспективны для использования в ионных инжекторах ускорителей тяжелых ионов, а также в технологических процессах ионной имплантации.

Основной результат исследований состоит в повышении доли многократно ионизованных частиц в плазме вакуумной дуги при воздействии электронного пучка. Эффект влияния электронного пучка для катода из висмута представлен на рисунке. Как видно из представленных данных в обычных условиях горения вакуумной дуги без инжекции электронного пучка в зарядовом спектре плазмы регистрируются только одно- и двухзарядные ионы висмута (верхний луч). Электронный пучок обеспечивает существенное увеличение доли высоких зарядовых состояний (нижний луч). С электронным пучком удалось достичь восьмикратной ионизации висмута. При этом средняя зарядность ионного пучка Q увеличилась практически вдвое, с 1,7 до 3,3

Рис. 2. Зарядовое распределение ионов висмута
с электронным пучком (нижний луч) и без него (верхний луч).

Руководитель работы -д.т.н., профессор, Окс Ефим Михайлович.


На основе спиральной формирующей линии и трансформатора Тесла разработан сильноточный импульсно-периодический ускоритель электронов с длительностью импульсов 130 нс, частотой повторения 200 Гц и средней мощностью электронного пучка 100 кВт в пачке длительностью 1 с.

Увеличение длительности импульсов высоковольтных генераторов приводит к необходимости увеличения длины формирующих линий. При относительно высокоомных нагрузках генератора проблема увеличения длительности импульсов может быть решена на основе использования спиральных формирующих линий. При сохранении запасаемой энергии применение спиральной линии позволяет увеличить импеданс генератора и длительность формируемых импульсов без существенного изменения размеров высоковольтного генератора. В результате проведенных экспериментов, была показана возможность создания высоковольтного наносекундного импульсно-периодического генератора на основе спиральной формирующей линии, зарядка которой осуществляется с помощью трансформатора Тесла с большим коэффициентом связи. Использование спиральной формирующей линии позволило увеличить длительность импульсов генератора в 4 раза по сравнению с обычной коаксиальной линией без изменения размеров генератора и увеличить эффективность передачи энергии в высокоомную нагрузку.

Рис. 3. Конструктивная схема сильноточного ускорителя.
1 - спиральная формирующая линия; 2 - трансформатор Тесла;
3 - газовый разрядник; 4 - вакуумный диод; 5 - соленоид; 6 - электронный пучок


Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения

Подпрограмма «Физика микроволн»

Предложена физическая модель, объясняющая возможность генерации излучения в системах, основанных на формировании виртуального катода. Показано, что основным механизмом генерации излучения в релятивистской области энергии электронов является модуляция тока электронного пучка за счет изменения потенциала виртуального катода в ВЧ-поле. На основе высоковольтного генератора с индуктивным накопителем энергии впервые в виркаторе получена одномодовая генерация с длиной волны ~ 15 см импульсной мощностью 1 ГВт и энергией в импульсе 60 Дж. Одной из возможных причин ограничения длительности импульсов в виркаторах с планарным вакуумным диодом является изменение во времени структуры эмиссионной поверхности взрывоэмиссионного катода.

В отличие от приборов с длительной инерциальной группировкой, в системах с виртуальным катодом генерация излучения возможна вследствие модуляции тока электронного пучка за счет изменения потенциала виртуального катода в ВЧ-поле. В области релятивистских энергий электронов этот механизм является преобладающим над инерциальной группировкой частиц. В нерелятивистских виркаторах генерация возможна за счет монотронного эффекта, а также вследствие инерциальной группировки отраженных от виртуального катода частиц. В двухсекционных виркаторах электронный поток может участвовать во взаимодействии с ВЧ-полем также и за счет механизма "отражательного клистрона".

На основе высоковольтного генератора с индуктивным накопителем энергии впервые в двухсекционном виркаторе получена одномодовая генерация с длиной волны 15 см импульсной мощностью 1 ГВт и энергией в импульсе 60 Дж. В экспериментах показано, что длительность СВЧ-излучения в несколько раз меньше длительности тока электронного пучка. Одной из возможных причин ограничения длительности импульсов в виркаторах с планарным вакуумным диодом является изменение во времени структуры эмиссионной поверхности взрывоэмиссионного катода. Предварительные эксперименты показали, что при относительно постоянном токе вакуумного диода происходит уменьшение его импеданса, что сопровождается падением потенциала катода. Уменьшение импеданса вакуумного диода связано с развивающейся во времени эмиссией электронов с поверхности фокусирующего электрода.

Рис. 1. Зависимость мощности СВЧ-излучения, мощности электронного пучка и энергии в СВЧ-импульсе от времени.

Руководитель работ - чл.-корр. РАН Коровин С.Д.

Подпрограмма «Синхротронное излучение. Лучевые применения»

Проект "Поиск и разработка эффективных методов получения интенсивных потоков заряженных частиц и плазмы и создание на этой основе методов поверхностной модификации конструкционных и инструментальных сталей"

Проведены исследования режимов зажигания и горения непрерывного сильноточного тлеющего разряда в трехэлектродной системе, состоящей из холодного полого катода в магнитном поле, промежуточного электрода с каналом контрагирования и полого анода. Использование импульсного поджига в такой системе позволило осуществить стабильное зажигание и горение в непрерывном режиме тлеющего разряда с током до 5 А при напряжении ~ 500 В и давлении ~ 10-2 Па. На основе цикла исследований по генерации низкотемпературной плазмы в больших вакуумных объемах и изучения физики воздействия ее на материалы, разработана и создана вакуумная ионно-плазменная установка "ДУЭТ" и с ее использованием реализована технология, позволяющая в едином вакуумном цикле осуществлять финишную очистку и активацию поверхности материалов и изделий, создание азотированного подслоя и плазменно-ассистированное нанесение на него композиционных покрытий с целью создания многослойных структур, обладающих улучшенными эксплуатационными свойствами.


Рис. 2. Блок-схема установки "ПИНК".

Проект "Разработка эффективных методов генерации потоков заряженных частиц и плазмы и создание на этой основе новых образцов наукоемкого оборудования и электронно-ионно-атомарно-лучевых и плазменных технологий поверхностной обработки материалов и изделий"

Разработан и экспериментально исследован протяженный ионный источник с замкнутым дрейфом электронов, имеющий высокую однородность линейной плотности ионного тока. Исследованы режимы работы источника и факторы, определяющие однородность тока. Полученные результаты перспективны в технологиях ионной обработки с высокими требованиями к однородности ионного пучка, например, в микроэлектронике при ионной обработке полупроводниковых пластин большого диаметра.

Руководитель работы - академик РАН Бугаев Сергей Петрович.

Подпрограмма "Наукоемкие технологии"

Проект "Создание нового поколения наукоемкого оборудования и разработка высокоэффективных электронно-ионно-плазменных технологий поверхностной модификации материалов для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и инструмента"

Исследованы неравновесные структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях легированных сталей (инструментальная сталь типа 9ХВГ и высокомарганцевая износостойкая аустенитная сталь типа 110Г13), реализуемые при закалке из жидкого состояния с помощью низкоэнергетичного электронного пучка (20-40 кэВ, 2.5 мкс, 3-40 Дж/см2). Показано, что в приповерхностных слоях, где достигаются максимальные температуры, экстремально высокие значения скорости закалки из жидкого и твердого состояний, а также максимальный уровень квазистатических напряжений, формируются метастабильные структурно-фазовые состояния, обеспечивающие изменение поверхностно-чувствительных свойств материала. В сталях типа 9ХВГ, содержащих сравнительно крупные карбидные частицы, структуро- и фазообразование при импульсном плавлении определяются мартенситным превращением и процессами ячеистой кристаллизации, а в случае однофазных сталей типа 110Г13 - динамической рекристаллизацией, деформационным двойникованием и мартенситным превращением.

Руководитель работы - д.ф.-м. Ротштейн Владимир Петрович.

Подпрограмма “Перспективные технологии и устройства микро- и наноэлектроники”

Проект "Исследование эффективных методов получения атомарных частиц и разработка источников атомарного водорода (АВ) для технологии микро- и наноэлектроники"

Исследован и разработан метод измерения относительной плотности потока АВ, основанный на использовании оригинального тонкоплёночного детектора. Установлено, что скорость изменения основной характеристики детектора в первые моменты времени его экспонирования в потоке, состоящем из смеси нейтральных атомов и молекул водорода, а также атомарных, молекулярных ионов и электронов, пропорциональна концентрации атомарных частиц в потоке. Предложено использовать величину скорости изменения основной характеристики детектора для измерения относительной плотности потока атомарных частиц.
Закономерности формирования потока АВ в основном определяются характеристиками электронной подсистемы плазмы газового разряда. Увеличение концентрации электронов и молекул водорода в плазме, приводящее к росту частоты столкновения электронов с молекулами и молекулярными ионами, увеличивает концентрацию атомов водорода в газовом разряде. Рост температуры электронов (увеличение напряжения горения) также приводит к увеличению концентрацию атомов за счёт увеличения сечения диссоциации молекул электронным ударом. Закономерности гибели (рекомбинации) атомов водорода определяются давлением водорода (количеством столкновений атомов со стенками разрядной ячейки), площадью стенок и коэффициентом рекомбинации атомов в молекулы. Баланс между процессами генерации и рекомбинации определяет устанавливающуюся плотность потока АВ, выходящего из источника.

Руководитель работы - д.ф.-м. Проскуровский Дмитрий Ильич.

Грант конкурса молодёжных проектов СО РАН, посвященный 100-летию со дня рождения академика М.А. Лаврентьева "Квазипериодическое упрочнение металлических материалов при импульсном электронном воздействии".

Теоретически вычислены поля напряжений, включающие температурный и изгибный компоненты, формируемые в поверхностных слоях тонких металлических мишеней при воздействии низкоэнергетического ИИЭП. Выяснена роль таких напряжений в формировании микроструктуры облученных образцов. Показано, что величина критического напряжения двойникования в тонких образцах из меди и никеля приблизительно в четыре раза ниже, чем значение этой величины при ударном-волновом нагружении массивных мишеней.
Экспериментальные исследования включили в себя, во-первых, определение оптимальных, с точки зрения проявления квазиперодического упрочнения, режимов облучения стальных мишеней низкоэнергетическим ИИЭП. В этих исследованиях было обнаружено сильное влияние параметров ИИЭП (импульса и профиля осциллограммы плотности тока на образце) и исходного состояния материала на характер поведения зависимости микротвердости по глубине. Во-вторых, исследовалась динамика деформационных процессов в облучённых образцах при статическом одноосном растяжении. В этих экспериментах было выявлено наличие подслоя, расположенного между зоной теплового влияния и областью мишени, не подвергнувшейся модификации, который является мощным мезоконцентратором напряжений.

Руководитель работ - к.ф.-м.н. Марков Алексей Борисович.