«Утвержден решением Ученого совета ИСЭ СО РАН Протокол от 09.01.2006 г. № 1 Зам. председатель Совета Зам. директора по НР ИСЭ СО РАН Д.ф.-м.н. _ Н. А. Ратахин ОТЧЕТ ИНСТИТУТА СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ СО РАН за 2005 г. ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Утвержден решением

Ученого совета ИСЭ СО РАН

Протокол от 09.01.2006 г. № 1

Зам. председатель Совета

Зам. директора по НР ИСЭ СО РАН

Д.ф.-м.н.

_ Н. А. Ратахин ОТЧЕТ

ИНСТИТУТА СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

СО РАН за 2005 г.

Томск — 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

2. СВОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ИНСТИТУТУ НА 01.12.2005 г

3. ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,

ЗАВЕРШЕННЫХ В 2005 г.

4. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. ОТДЕЛ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКИ

4.2. ОТДЕЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.3. ОТДЕЛ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ

4.4. ЛАБОРАТОРИЯ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. ЛАБОРАТОРИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ

4.6. ЛАБОРАТОРИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЭМИССИОННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. ЛАБОРАТОРИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. ЛАБОРАТОРИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

4.9. ЛАБОРАТОРИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

4.10. ЛАБОРАТОРИЯ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ

4.11. ЛАБОРАТОРИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

4.12. ЛАБОРАТОРИЯ ПРИКЛАДНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

5. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ, ЗАВЕРШЕННЫЕ в 2005 г. И ГОТОВЫЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

6. ПРОГРАММЫ И ГРАНТЫ

7. ИННОВАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

8. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СВЯЗИ

9. УЧАСТИЕ В ВЫСТАВКАХ

10. ПРЕМИИ, НАГРАДЫ, ПОЧЕТНЫЕ ЗВАНИЯ

11. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ КОНФЕРЕНЦИЙ

12. ЗАЩИТА ДИССЕРТАЦИЙ

13. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВУЗАМИ

14. ПУБЛИКАЦИИ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Основное научное направление деятельности Института, утвержденное Президиумом СО РАН — научные основы сильноточной электроники и разработка на этой базе новых приборов, устройств и технологий.

• Импульсная энергетика и формирование плотных пучков заряженных частиц;

• Получение мощных потоков рентгеновского, СВЧ и оптического излучения;

• Исследование плазмы вакуумных и газовых разрядов;

• Исследование процессов воздействия потоков частиц, плазмы, электромагнитного излучения на поверхность.

2. СВОДНЫЕ ДАННЫЕ ПО ИНСТИТУТУ НА 01.12.2005 г.

2.1. КАДРЫ Общая численность В том числе научных сотрудников Из них академиков РАН Членов–корреспондентов РАН Докторов наук

Кандидатов наук Научных сотрудников без степени Количество аспирантов очного и заочного обучения 2.2. ФИНАНСИРОВАНИЕ (РУБ.) ПОЛНЫЙ ОБЪЕМ ФИНАНСИРОВАНИЯ, в том числе 126 Бюджетное финансирование, в т. ч. 38 Базовое финансирование 31 Программы Президиума РАН 1 Программа произв. импортозамещ. оборудования СО РАН 2 Интеграц. проекты, фонд содейств. энергосбереж. СО РАН 2 Дополнительное бюджетное финансирование за счет сдачи в аренду федерального имущества От заказчиков на выполнение работ, услуг, в т.ч. 77 Целевые средства, и безвозмездные поступления, в т.ч. 9 Доклады в сборниках международных конференций Число охранных документов (патенты и лицензии)

3. ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ, ЗАВЕРШЕННЫХ В 2005 г.

3.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ

«СЖАТОГО» СОСТОЯНИЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Впервые экспериментально подтверждено существование «сжатого» состояния сильноточного электронного пучка — состояния с релятивистским фактором частиц меньшим, чем при предельном токе транспортировки.

Ранее в теории транспортировки интенсивных потоков заряженных частиц и численном моделировании было предсказано, что сильноточный электронный пучок, распространяющийся в круглой трубе дрейфа, может при одной и той же величине тока находиться либо в состоянии с относительно высокой кинетической энергией частиц и низкой плотностью — «быстрое» состояние — либо в состоянии с низкой кинетической энергией частиц и высокой плотностью — «медленное» или «сжатое» состояние (от англ.

squeezed state). Однако на практике при обычных условиях реализуется лишь «быстрое»

состояние пучка. Сжатое «состояние» пучка до настоящего времени в эксперименте не регистрировалось.

В проведенных экспериментах, выполненных на сильноточном ускорителе электронов СИНУС-7 (длительность импульса 50 нс), исследовалась транспортировка плотного электронного пучка в двухсекционном канале дрейфа круглого сечения с образованием виртуального катода. Были проведены измерения электростатического потенциала пучка, тока за виртуальным катодом и тока перехода, при инжекции которого виртуальный катод, образованный в канале транспортировки большего радиуса вблизи плоскости соединения секций, начинает движение через канал меньшего радиуса к области инжекции, формируя за собой «сжатое» однопотоковое состояние пучка.

Рис. 1. Нормированный потенциал пучка в двухсекционном канале дрейфа в зависимости от инжектируемого тока (Ilim — предельный ток транспортировки): — моделирование, — эксперимент.

Кривые ABCD и FBCEF — результаты аналитических расчетов в идеализированной модели.

Экспериментальные результаты (рис. 1) хорошо согласуются с теоретическими оценками для токов и потенциалов при образовании «сжатого» состояния пучка, основанными на законе сохранения энергии и z-компоненты обобщенного импульса, а также с результатами компьютерного моделирования (PIC-код KARAT). Таким образом, впервые экспериментально зарегистрировано «сжатое» состояние электронного пучка, характеризуемое высокой плотностью заряда и малой кинетической энергией электронов:

b < 1/3, здесь = 1 + eU mc 2 — релятивистский фактор, соответствующий полному ускоряющему напряжению U.

Отдел физической электроники, заведующий — академик РАН С. Д. Коровин.

Группа компьютерного моделирования лаборатории теоретической физики (заведующий группой — д.ф.-м.н. В. В. Рыжов).

3.2. ДЕМОНСТРАЦИЯ ФАЗОВОЙ ПРИВЯЗКИ МОЩНЫХ СВЧ-ИМПУЛЬСОВ В

РЕЖИМЕ ГЕНЕРАЦИИ С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ

С использованием разработанного, не имеющий мировых аналогов, источника сверхкоротких (2.5 нс) СВЧ-импульсов черенковского типа с частотой излучения 3.7 ГГц, пиковой мощностью до 1 ГВт и частотой следования импульсов в непрерывном режиме работы 100 Гц, впервые продемонстрирован эффект фазовой привязки мощных СВЧ-импульсов в режиме импульсно-периодической генерации.

Разработанный источник мощных СВЧ-импульсов (рис. 1) построен на основе сильноточного импульсно-периодического ускорителя электронов СИНУС с длительность импульсов тока ~ 12 нс и черенковского СВЧ-генератора типа ЛОВ. Конструкция источника обеспечивает возможность для декомпрессии рабочего электронного пучка в неоднородном магнитном поле, а также коррекцию формы импульса ускоряющего напряжения за счет использования промежуточного обостряющего разрядника. Пиковая мощность СВЧ-импульсов ~ 1 ГВт достигается при амплитуде ускоряющего напряжения 450 кВ и токе электронного пучка 4.5 кА. При этом коэффициент конверсии мощности электронного пучка в мощность излучения составляет ~ 0.5 (при меньшей мощности пучка и излучения — до 0.7). Данный результат получен с использованием существенной декомпрессии электронного пучка, когда магнитное поле на катоде в 2 с лишним раза превышает среднюю величину в замедляющей системе.

Рис. 2. Внешний вид источника сверхкоротких СВЧ-импульсов с частотой 3.7 ГГц Оптимальный режим генерации достигнут путем коррекции формы импульса ускоряющего напряжения. При отсутствии обострения фронта импульса, когда качество электронного пучка было самым низким, после 103—104 импульсов происходило заметное (в ~ 1.5 раза) снижение средней амплитуды регистрируемых СВЧ-сигналов.

Одновременно возрастал амплитудный разброс и возрастала временная задержка.

Значительная деградация процесса генерации (пропуски импульсов) наблюдалась после ~ 105 импульсов. При оптимально скорректированной форме импульса напряжения наступление данных негативных явлений отодвигалось: заметных изменений или дрейфа параметров импульсов излучения не происходило при непрерывной генерации 105— импульсов.

В результате исследований были найдены условия для долговременной стабильной работы микроволновых источников и проведены тесты на ресурс, показавшие высокую стабильность параметров микроволнового излучения по крайней мере до 106 импульсов.

Предпринятые меры по улучшению качества и стабилизации параметров рабочего электронного пучка позволили в ходе описанных выше экспериментов впервые продемонстрировать режим импульсно-периодической генерации коротких импульсов сверхизлучения с высокой стабильностью длительности импульса, амплитуды и фазы ВЧ поля по отношению к фронту ускоряющего напряжения электронного пучка. На приведенной осциллограмме (рис. 3) зафиксировано накопление 30 радиоимпульсов (без детектирования) в режиме запуска осциллографа от импульса напряжения в вакуумном диоде. Видно, что разброс высокочастотной фазы значительно меньше, чем /2.

Рис. 3. Последовательность из 30 СВЧ-импульсов, зафиксированных в режиме накопления, демонстрирующая эффект их фазовой привязки Данный результат дает возможность для решения задачи когерентного сложения мощности СВЧ-импульсов в возможной схеме питания линейки СВЧ-систем от одного низкоимпедансного высоковольтного генератора, открывает возможности для фазового анализа сигналов при использовании мощных коротких СВЧ-импульсов для радиолокации.

фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы нано- и пикосекундной электроники большой мощности».

(Отдел физической электроники, заведующий — академик РАН С. Д. Коровин)

3.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ БЫСТРЫХ ИОНОВ РАЗЛЕТАЮЩЕГОСЯ

ПЛАЗМЕННОГО СГУСТКА

В экспериментах по генерации быстрых ионов в устройстве типа «обратный Z-пинч»

впервые измерен энергетический спектр быстрых ионов (дейтонов), генерируемых при разлете сформированного плазменного сгустка.

Данные исследования направлены на понимание физики процессов и механизмов генерации быстрых ионов при формировании и последующем разлете в вакуум плазменных сгустков.

Проведено измерение энергетического спектра быстрых ионов, генерируемых при радиальном (от оси) ускорении плазмы в конфигурации обратного Z-пинча (рис. 4).

Эксперименты выполнены на сильноточном генераторе МИГ при уровне тока через плазменную оболочку до 2 МА. Энергетический спектр ионов в плазменном потоке измерялся набором ионных коллекторов по времяпролетной методике. Были разработаны и применялись коллекторы со смещением, с поперечным магнитным полем и с тонкопленочными фильтрами (рис. 5).

Эксперименты показали, что при энергии дейтонов в основном плазменном сгустке 2—10 кэВ быстрые ионы с энергией более 20 кэВ могут содержать существенную часть энергии генератора, переданной ускоренному сгустку (см. рис. 6).

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: Рис. 5. Схема размещения диагностической 1 — пояс Роговского, 2 — сетка; 3 — сопло; 4 — аппаратуры (IC- ионный коллектор).

токоперехватывающая структура; 5-анод; 6-катод.

Рис. 6. Энергетическое распределение ионов, восстановленное по сигналам коллекторов ионов Исследования проведены при поддержке РФФИ и администрации Томской области (грант 05-02-98003).

(Отдел высоких плотностей энергии, заведующий — д.ф.-м.н. Н. А. Ратахин)

3.4. ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВЫЙ ЭНЕРГОКОМПЛЕКС С ПЛАЗМЕННЫМ

ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОНОВ С ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИРОВКИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТВЕРДОГО WC-CO (ВК) СПЛАВА

НА ЕГО ОСНОВЕ

Создан не имеющий аналогов электронно-пучковый энергокомплекс для научных и технологических целей (модификация поверхности материалов и изделий) на основе плазменного источника электронов с дуговым разрядом низкого давления. На основе созданного комплекса впервые осуществлена электронно-пучковая полировка образцов из твердого WC-Co (ВК) сплава без нарушения структуры поверхностного слоя. Разработанная методика полировки может быть использована при изготовлении штампов из твердых сплавов.

Сильноточные электронные источники милли- и микросекундного диапазона длительности импульсов на основе дуговых разрядов низкого давления обладают рядом общеизвестных преимуществ перед другими типами электронных источников. При разработке таких источников и их применений является важным является комплексный подход к проблеме, когда наряду с физическими исследованиями разрядов проводятся исследования и разработка схем их электропитания и управления на основе современной элементной базы, позволяющей автоматизировать процесс зажигания разряда, поддержание его горения в течение заданного времени с определенным током, а также процессы извлечения из разрядной плазмы электронов, их ускорения и транспортировки.

Разработанный и изготовленный энергокомплекс предназначен для изучения процессов генерации плазмы, эмиссии из нее электронов, формирования и диагностики пучков, а также использования их в технологических целях. Он состоит из собственно плазменного источника электронов и схем его электропитания, смонтированных в специальной стойке (рис. 7). Электродная система включает две разрядные ячейки, соединённые каналом, помещенным в магнитное поле с индукцией 0.1 Тл. Рабочий газ подается в первую разрядную ячейку. Давление в ней выше, чем во второй основной ячейке, что облегчает зажигание тлеющего разряда, переходящего в дуговой с катодным пятном на внутренней поверхности канала. Электрод с магниевым каналом выполняет роль катода как для первого вспомогательного разряда, так и для основного дугового разряда, который горит с током до 200 А при длительности импульса до 200 мкс.

Основной разряд генерирует плазму в полом аноде диаметром 80 мм и длиной 100 мм с концентрацией до 10 11см-3. На торце полого анода расположено эмиссионное окно диаметром 40 мм, затянутое металлической сеткой с геометрической прозрачностью 50 %.

Через ячейки сетки, под действием высокого (до 20 кВ) ускоряющего напряжения электроны извлекаются из плазмы и ускоряются до энергии, соответствующей приложенному напряжению. Диаметр пучка на мишени, расположенной на расстоянии 200 мм от сеточного эмиссионного окна составляет 1 — 3 см и зависит в основном от амплитуды тока пучка, давления и величины внешнего продольного импульсного магнитного поля, индукция которого варьируется в пределах 0,01—0,02 Тл.

Использование в схемах электропитания дуги мощных IGBT транзисторов позволило изменять ток пучка от 20 А до 200 А с шагом 10 А и длительность импульсов тока от мкс до 200 мкс с шагом 5 мкс. В этих же пределах регулировался и ток пучка, т. к.

эффективность извлечения электронов из плазмы, равная отношению тока пучка к току разряда, составила около единицы. Ускоряющее напряжение варьировалось в пределах от 2 кВ до 20 кВ, причем ток пучка, длительность импульсов и частота их следования практически не зависели от величины ускоряющего напряжения.

Рис. 7. Энергокомплекс на основе плазменного источника для импульсной термообработки материалов:

а) плазменный источник электронов, б) стойка автоматизированного блока энергопитания и управления.

На основе созданного комплекса впервые осуществлена электронно-пучковая полировка образцов из твердого WC-Co (ВК) сплава без нарушения структуры поверхностного слоя.

Разработанная методика полировки может быть использована при изготовлении штампов из твердых сплавов.

В большинстве случаев финишная обработка штампов заключается в выглаживании поверхности. Как правило, это осуществляется путем механического полирования, что требует больших затрат времени, расхода шлифовочного материала, что приводит к удорожанию технологии производства штампов. Одним из способов снижения шероховатости поверхности является облучение штампов концентрированными потоками энергии (КПЭ) в режиме плавления поверхностного слоя. Несмотря на явные преимущества данного метода над традиционными (высокая скорость обработки, отсутствие дорогостоящих шлифовочных материалов, экологическая чистота и т. д.) до настоящего времени все попытки использования КПЭ для выглаживания поверхности штампового инструмента из твердых сплавов не приводили к успеху. Причиной этому являлось растрескивание поверхностного слоя материала, свызванное сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения поверхности, а также присутствием в составе материала штампа значительного количества частиц карбидной фазы с коэффициентом термического расширения иным, чем у связующего материала.

Разработанная методика электронно-пучковой обработки образцов из твердого вольфрамо-кобальтового сплава (ВК11) основана на предварительном его нагреве электронным пучком до температуры в несколько сотен градусов и последующей обработке низкоэнергетическим (до 20 кэВ) электронным пучком в интервале плотности энергии пучка до 102 Дж/см2 и длительности импульса 10-4 с. Проведенные исследования облученных образцов, выполненные методами сканирующей электронной микроскопии, выявили существенное выглаживание поверхности образцов (рис. 8; уровень шероховатости до и после обработки Ra = 0,36 мкм и Ra = 0,07 мкм соответственно).

Микротрещины и микрократеры на поверхности облучения практически отсутствуют. В оптимальном режиме электронно-пучковая обработка приводит к плавлению слоя толщиной ~ 10 мкм; микротрещин и микропор на границе раздела расплав — твердое тело также не обнаружено (рис. 9 а).

Установлено, что кроме сглаживания рельефа электронно-пучковая обработка ВК сплава приводит к увеличению микротвердости его приповерхностного слоя (рис. 9 б).

Полученные результаты являются основой для разработки технологии электроннопучковой полировки штампов из твердых вольфрамо-кобальтовых сплавов, которые применяются во многих отраслях современной промышленности.

Рис. 8. Изображение поверхности твердого сплава ВК8 в исходном состоянии (а) и после обработки электронным пучком (б). Сканирующая электронная микроскопия.

10 мкм Рис. 9. Структура поперечного сечения образца твердого сплава с составом WC–11%Co, обработанного электронным пучком. Сканирующая электронная микроскопия (а). Зависимость микротвердости поверхности образца от величины нагрузки на индентор (б).

Работа выполнялась при финансовой поддержке СО РАН в рамках интеграционных проектов № 7, № 20.

(Лаборатория плазменной эмиссионной электроники, заведующий д.т.н. Н. Н. Коваль, Лаборатория прикладной электроники, заведующий к.ф.-м.н. А. П. Хузеев, зам.

заведующего к.ф.-м.н. Н. С. Сочугов).

3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИОННОЙ И КАПЕЛЬНОЙ ЭРОЗИИ

МАТЕРИАЛА КАТОДА В ВАКУУМНОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ

На основании измерения полного ионного тока из плазмы вакуумного дугового разряда для широкого спектра катодов определены значения нормированных на величину тока разряда ионных токов, а также коэффициенты удельной ионной эрозии материалов катодов. Показано, что существует обратная зависимость между нормированным ионным током и энергией связи атомов материала катода.

На основании сравнительного анализа осадка капель измерено количество капель, испарившихся при их пролете через плазму вакуумной дуги. Установлено, что повышение энерговклада в плазму разряда приводит к увеличению эффективности испарения капель за счет обеспечения лучших условий возбуждения на них термоэмиссионных капельных пятен.

В процессе функционирования катодного пятна вакуумной дуги эрозия катода обусловлена главным образом ионами материала катода, а также каплями. Коэффициент ионной эрозии i является одним из фундаментальных параметров катодного пятна вакуумной дуги. Принципиальным отличием предложенной методики определения i от ранее известных состояло в возможности измерения в идентичных условиях полного тока ионов и их зарядового распределения. Для измерения полного ионного тока из плазмы вакуумного дугового разряда использовалась оригинальная система вакуумного дугового разряда, в которой анод и коллектор были выполнены в виде полусфер. В качестве модельных материалов для исследования были выбраны 14 металлов с различными физическими и поверхностными свойствами, а также графит. В экспериментах наблюдался линейный характер зависимости тока ионов от тока дуги, таким образом, извлекаемая из плазмы вакуумной дуги доля ионного тока i является постоянной величиной. Полученные значения i и i в сравнении с результатами других работ представлены в таблице. Существует обратная зависимость между нормированным ионным током и энергией связи атомов материала катода.

катода Создание магнитного поля в прикатодной области вакуумного дугового разряда приводило к возрастанию извлекаемого ионного тока, однако это было связано с известным эффектом увеличения средней зарядности ионов в магнитном поле при неизменном расходе материала самого катода.

Продолжено начатое ранее экспериментальное исследование испарения покидающих катод капель в плазме вакуумного дугового разряда за счет инициирования на них капельных пятен. Впервые измерялось количество испаренных капель. Методика измерений заключалась в сравнительном анализе осадков капель (неиспарившейся доли капель), полученных при различных параметрах плазмы — электронной концентрации ne и температуры kTe. Управление этими параметрами достигалось посредством перехода от обычной вакуумной дуги к вакуумной дуге в ячейке Пеннинга (в последнем случае достигались более высокие значения ne и kTe).

Измерения показали, что увеличение ne и kTe с (6—8)1011 см-3 и 3—4 эВ до (3—4)1012 см-3 и 6—8 эВ, приводило к 4—6 кратному уменьшению количества капель в осадке для Zr катода, и не приводило к заметному изменению осадка капель Cu катода.

Такое различие объясняется условиями возбуждения капельных пятен на этих материалах Для повышения эффективности возбуждения капельных пятен были реализованы более энергоемкие разряды (типичные распределения капель по размерам приведены на рис. 10, 11 для случаев Zr и Cu катодов, соответственно). Видно, что повышение энергоемкости разрядной плазмы приводит к более существенному уменьшению количества капель в осадке: для медного катода — (3—5)-кратному, для Zr — (10—20)кратному.

Nd, шт./ Кл sr диаметрам в различных режимах разряда: ne= (4– 6)1012 см-3 и kTe ~ 3.5–4.5 эВ (1); ne ~ (2.5–3.5) см-3, kTe ~ 8–10 эВ (2) Таким образом, повышение энерговклада в плазму разряда приводит к увеличению эффективности испарения капель; наибольшая эффективность испарения достигается для материалов, на которых легко возбуждается термоэмиссионное капельное пятно (Zr).

Достигнутое в настоящем эксперименте эффективное испарение капель доказывает возможность очистки плазмы дуговых разрядов для широкого круга катодных материалов с различными теплофизическими и эмиссионными свойствами. Полученные результаты имеют принципиальное значение для технологий вакуумно-дугового нанесения покрытий.

(Лаборатория плазменных источников заведующий — д.т.н. Е. М. Окс, лаборатория вакуумной электроники заведующий — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский).

4. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. ОТДЕЛ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКИ (заведующий — академик РАН Б. М. Ковальчук) 1.1. Разработан проект модуля конденсаторной батареи с энергозапасом 860 кДж при зарядном напряжении ~ 24 кВ для ламп накачки твердотельных лазеров.

Изготовлены и смонтированы два модуля. Разработана программа испытаний и начато их проведение.

Модуль конденсаторной батареи включает 10 конденсаторов ёмкостью ~ 300 мкФ, конденсатор контура предионизации с ёмкостью 75 мкФ, разрядники для коммутации основного контура и контура предионизации, зарядное устройство, систему управления и контроля, десять кабельных каналов для транспортировки энергии к лампам. Внешний вид смонтированных модулей представлен на рис. 12.

Для коммутации основного контура и контура предионизации используются многокулонные разрядники типа МР-70 и МР-4, разработанные ранее в институте.

Предварительные испытания, проведённые на одном из модулей, показали, что из кДж энергии, запасаемой в конденсаторах основного контура при зарядном напряжении 24 кВ, в 20 ламп доставляется энергия ~ 745 кДж. Длительность импульса на уровне 10% мощности ~ 370 мкс. Потери энергии в передающих кабелях и формирующих индукторах составляют 80 кДж. Около 4—4.5 % от запасённой энергии рассеиваются в разряднике и на внутреннем сопротивлении конденсаторов основного контура. Испытания модулей будут продолжены в 2006 г.

1.2. Проведены разработка и исследование конденсаторного модуля для генераторов импульсов тока мегаамперного диапазона с регулируемым законом нарастания тока для экспериментов по изоэнтропическому сжатию и экспериментов с лайнерными нагрузками.

В качестве накопителя энергии в модуле используется конденсатор фирмы HAEFELY емкостью 3.95 мкФ с напряжением 90 кВ. Для включения конденсатора разработан двадцатиканальный многозазорный разрядник с индуктивностью ~8 нГн и точностью включения ~10-8 с. При изменении зарядного напряжения конденсатора от до 80 кВ при его включении через разрядник на систему плоских шин с индуктивностью ~1 нГн ток в контуре изменяется от 470 до 800 кА при времени нарастания ~0.55 мкс.

Исследованы два типа конденсаторных модулей — по схеме регулирования закона изменения тока с использованием промежуточного конденсатора и многоканального многозазорного разрядника (рис. 13 а) и по схеме регулирования с помощью переключателя на взрывающихся проводниках и разрядника с разрядом по поверхности диэлектрика (рис. 13 б).

Возможность регулирования закона нарастания тока в нагрузке L3=20 нГн, R3=24 мОм в модуле по схеме рис. 13 а иллюстрируется на рис. 14. Промежуточный конденсатор здесь коммутируется на нагрузку специально разработанным многоканальным многозазорным разрядником работающим в режиме самопробоя. Момент срабатывания разрядника от которого зависит закон нарастания тока в нагрузке определяется пробивным напряжением. Разрядник заполнен смесью аргона и азота при атмосферном давлении и его пробивное напряжение изменяется за счет изменения процентного соотношения азота и аргона.

На рис. 15 приведены осциллограммы тока в первичном контуре модуля по схеме рис. 13 б, напряжения на нагрузке с параметрами L3=20.8 нГн, R3=24.5 мОм и тока в нагрузке при зарядном напряжении 80 кВ при изменении зазора в разделительном разряднике от 0 до 8 мм.

В экспериментах достигнута временная стабильность срабатывания всех коммутирующих элементов модуля ~10-8 с. Это позволяет использовать оба типа модулей в качестве параллельно включаемых элементов в мультимегаамперных генераторах.

1.3. Для генератора с выходной мощностью ~1 ТВт по схеме линейного трансформатора с вакуумной изоляцией вторичного витка из 10 последовательно включенных ступеней в 2005 г. собраны и испытаны три ступени трансформатора, а также разработан и изготовлен 40-канальный генератор запускающих импульсов.

Трансформаторные ступени показаны на рис. 16, пусковой генератор на рис. 17.

Рис. 17. Пусковой генератор для запуска 10 ступеней LTDZ 1.4. Исследована возможность создания ступеней линейного трансформатора с временем нарастания на согласованной нагрузке 50 нс.

Быстрая ступень линейного трансформатора состоит из нескольких элементарных разрядных контуров, включенных параллельно. Каждый элементарный контур содержит два накопительных конденсатора, разрядник и выходные шины, и представляет собой RLC контур. Поэтому временные характеристики ступени определяются временными характеристиками элементарного контура. Для создания ступени с временем нарастания на согласованной нагрузке 50 нс предложено использовать накопительные конденсаторы с емкостью ~ 8 нФ.

Для проверки возможности создания быстрой ступени LTD с временем нарастания импульса 50 нс создан испытательный стенд, на котором испытан единичный контур с накопительными конденсаторами емкостью 8 нФ. На рис. 18 показана осциллограмма импульса напряжения на нагрузке 8.7 Ом при зарядном напряжении ±100 кВ. Напряжение на нагрузке равно 113 кВ, время нарастания импульса составляет ~30 нс, длительность импульса на полувысоте равна 62 нс. Полученный результат подтверждает возможность создания быстрой ступени линейного трансформатора с временем нарастания выходного импульса на согласованной нагрузке 50 нс при обеспечении точности включения разрядников ~10 нс.

1.5. Исследована возможность увеличения скорости нарастания тока в индуктивной нагрузке при использовании двух последовательных каскадов с плазменными размыкателями.

Эксперименты выполнены на генераторе ГИТ-12. При токе генератора 4 МА с фронтом 1.1 мкс в межкаскадную коаксиальную линию с индуктивностью ~ 70 нГн вводится ток 2.5 МА при скорости роста тока 1.51013 А/с. В нагрузке ~ 70 нГн, установленной на выходе второй ступени, получен ток 1 МА при скорости роста А/с. При подключении к выходу второй ступени вакуумного коаксиала с волновым сопротивлением 100 Ом на входе в линию зарегистрировано напряжение 4 МВ, что соответствует 7 кратному умножению выходного напряжения генератора ГИТ-12 в данном эксперименте.

Полученные результаты подтверждают возможность использования схемы с двумя каскадами обострения в генераторах тераваттного диапазона мощности.

1.6 Продемонстрирована возможность использования трансформатора с вакуумной изоляцией для увеличения скорости ввода тока в низкоимпедансные нагрузки в мегаамперном диапазоне токов. В лайнерной нагрузке, установленной на выходе трансформатора, подключенного к генератору ГИТ-12, скорость роста тока увеличена в 1.3 раза в сравнении с прямым включением.

Разрез трансформатора и его фото приведены на рис. 19. Трансформатор представляет собой два отрезка коаксиальных линий, соединенных последовательно на входе со стороны генератора ГИТ-12, и параллельно на выходе со стороны нагрузки. Объем между коаксиальными линиями выполняет роль разделительной индуктивности.

Трансформатор монтировался на верхнем фланце центрального узла генератора ГИТ-12. Подвод к нагрузке выполнен в виде вакуумного коаксиала с диаметрами 370мм/350мм. Для симметричного ввода тока в нагрузку использован 12 канальный переход штырь-отверстие.

На рис. 20 приведены осциллограммы тока генератора и тока в нагрузке 6 нГн при зарядном напряжении ГИТ-12 50 кВ и рассчитанный по отношению этих токов коэффициент трансформации. Постоянство коэффициента трансформации во времени свидетельствует об отсутствии существенных утечек тока в объеме трансформатора и системе подвода тока к нагрузке.

На рис. 21 приведены осциллограммы тока при коротком замыкании генератора ГИТ-12 через трансформатор и без трансформатора. Дополнительная индуктивность, вносимая трансформатором в разрядный контур генератора ГИТ-12, составляет ~ 30 нГн.

Из-за влияния дополнительной индуктивности реальный коэффициент усиления по току при использовании трансформатора ~ 1.3.

Перспективы дальнейшего увеличения реального коэффициента усиления тока можно связывать с использованием в трансформаторе ферромагнитного сердечника и повышения напряженности электрического поля в элементах трансформатора за счет магнитной изоляции.

Ш Рис. 19. Конструкция центрального узла ГИТ12 с установленным трансформатором тока.

Рис. 20. Осциллограммы токов в нагрузке Id, тока генератора IG и коэффициента умножения тока Рис. 21. Осциллограммы токов генератора ГИТ-12 при коротком замыкании 1.7 Создан генератор импульсов тока для накачки газоразрядного источника крайнего ультрафиолета (=13 нм) Магнито-тиристорный генератор с двумя звеньями сжатия показан на рис. 22.

Зарядка и стабилизация напряжения на накопительной емкости генератора осуществляется с помощью IGBT-модуля. Для уменьшения числа звеньев магнитного сжатия длительность импульса тиристорного коммутатора, состоящего из параллельных ТБ-343-500-18, уменьшена до 4 мкс. Тиристоры коммутируют общий ток 7,5 кА при зарядном напряжении 1 кВ на повышающий импульсный трансформатор.

Надежная работа тиристоров достигнута за счет высокой симметрии разрядных контуров тиристоров и наличия защитных насыщающихся дросселей.

Емкости звеньев сжатия набраны 70 конденсаторов КВИ3 – 12 кВ – 6800 пФ, дроссели звеньев выполнены на сердечниках из металлоаморфного сплава 2НСР и пермаллоя 50НП – 0,01 мм. Амплитуда напряжения импульса в звеньях – 6 кВ. Ввиду малости сопротивления газового разряда (единицы миллиом) генератор настраивался при работе на короткое замыкание Амплитуда тока генератора составляет 40 кА, длительность импульса – 200 нс, максимальная частота следования импульсов – 500 Гц.

1.8. Создан генератор, формирующий на нагрузке 50 Ом биполярный импульс длительностью 0.5 нс, амплитудами ±150—200 кВ с частотой 100 Гц.

Высоковольтный импульс с амплитудой 180 кВ с фронтом ~2 нс по линии с волновым сопротивлением 50 Ом от генератора типа «СИНУС» поступает в формирователь биполярного импульса. Схема формирователя приведена на рис.12.

Промежуточная линия FL1 заряжается через разделительную индуктивность L и через разрядник S1 и высокоомную линию FL2 разряжается на линию FL3. При зарядном напряжении на линии FL3 близком к максимальном срабатывает разрядник S2 и линия FL3 разряжается на линию FL4, к выходу которой последовательно подключены линии FL5 и FL6. Разрядник S3 включается через время двойного пробега волны от срабатывания разрядника S2 по линии FL3. Объем формирователя и разрядников заполнен азотом при давлении 90 ати. Осциллограмма формируемого импульса приведена на рис. 13.

4.2. ОТДЕЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(Заведующий академик РАН С. Д. Коровин) 4.2.1. С использованием разработанного, не имеющий мировых аналогов, источника сверхкоротких (2.5 нс) СВЧ-импульсов черенковского типа с частотой излучения 3.7 ГГц, пиковой мощностью до 1 ГВт и частотой следования импульсов в непрерывном режиме работы 100 Гц, впервые продемонстрирован эффект фазовой привязки мощных СВЧ-импульсов в режиме импульсно-периодической генерации.

4.2.2. Предложен и исследован релятивистский СВЧ-генератор черенковского типа, работающий без использования внешнего магнитного поля с эффективностью преобразования мощности электронного пучка в мощность излучения 8 %. В эксперименте на сильноточном ускорителе электронов СИНУС-7 с использованием сплошного цилиндрического электронного пучка с током 12 кА получены импульсы микроволнового излучения с пиковой мощностью 1.2 ГВт на частоте ~ 4 ГГц.

В процессе формирования сплошного цилиндрического пучка и его транспортировки через замедляющую систему генератора существенную роль играет собственное азимутальное магнитное поле пучка, препятствующее его радиальному расширению под влиянием сил объёмного заряда. Таким образом, большая часть тока электронов может транспортироваться через короткую (L 3, где — длина волны излучения) резонансную замедляющую систему без использования внешнего магнитного поля (рис. 25). Электронный пучок взаимодействует с собственным колебанием резонатора с двугорбым продольным и однородным поперечным распределением поля ВЧ поля. Интенсивная модуляция электронов пучка по энергии, возникающая уже на входе в пространство взаимодействия, создаёт условия для эффективного энергообмена при фазовой скорости синхронной волны, несколько превышающей скорость электронов. За счет этого обеспечивается близкое к равномерному распределение продольной компоненты электрического поля синхронной волны в области торможения частиц. В численном моделировании получен режим генерации с эффективностью около 30 % при мощности 3.1 ГВт и частоте 3.95 ГГц. В эксперименте достигнуто преобразование мощности из сильноточного электронного пучка в электромагнитное излучение моды Е с эффективностью около 8% при мощности 1.2±0.3 ГВт и частоте генерации 4.05 ГГц.

Рис. 25. Электронный пучок в СВЧ-генераторе (К — катод, С — сетка, ЗС — замедляющая система). Расчет PIC-методом с помощью кода KARAT 4.2.3. Впервые экспериментально подтверждено существование «сжатого» состояния сильноточного электронного пучка — состояния с релятивистским фактором частиц меньшим, чем при предельном токе транспортировки.

(Совместно с лабораторией теоретической физики; см. подробнее на с. 5).

4.3. ОТДЕЛ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ

(заведующий д.ф.-м.н. Н. А. Ратахин) 4.3.1. Для выполнения экспериментов по обжатию миллиметровых оболочек на тераваттном (1.5—1.7 ТВт) генераторе МИГ была укорочена в 1.5 раза оконечная водяная формирующая линия с волновым сопротивлением = 0,65 Ом. Это позволило за счет резонансной перезарядки водяных конденсаторов увеличить напряжение в формирующей линии в 1.1—1.2 раза и уменьшить время зарядки оконечной формирующей линии. Для лучшего согласования генератора с узлом нагрузки вместо передающей линии с постоянным волновым сопротивлением установлена трансформирующая линия (0.65 Ом / 0.32 Ом, длина 1.5 м). Разработан специальный низкоиндуктивный секционированный изолятор, в котором используется эффект увеличения пробойного напряжения по вакуумной поверхности высоковольтного изолятора за счет магнитной самоизоляции (дрейф электронов от поверхности изолятора) и вакуумная низкоимпедансная передающая линия с магнитной самоизоляцией (минимальный зазор 4 мм). Все это позволило получить индуктивность узла нагрузки около 12 нГн и генерировать импульсы тока с амплитудой до 3.5 МА с фронтом 50—60 нс.

4.3.2. Впервые в России на установке МИГ проведены эксперименты по транспортировке электрического импульса с токами 400—800 кА по магнитноизолированной вакуумной линии (МИВЛ). Показана эффективность транспортировки электрического импульса по линиям с геометрическим импедансом 5.3 Ома длиной 1.36 м и 3.6 м в индуктивную нагрузку и нагрузку в виде электронного пинч-диода.

С целью исследования эффективности транспортировки энергии электрического импульса по магнитноизолированной вакуумной линии (МИВЛ) и передачи ее в нагрузку проведены эксперименты с токами 400—800 кА. В условиях проведения экспериментов были получены следующие результаты.

Коаксиальная МИВЛ длиной 1,36 м с геометрическим импедансом 5,3 Ом:

• При значениях нагрузочной индуктивности менее 60 нГн ток без потерь в МИВЛ передается в нагрузку, при значении нагрузочной индуктивности ~ 60 нГн — около 75 % от тока на входе в МИВЛ передается в нагрузку.

• Нагрузка — электронный пинч-диод с импедансом ~2,5 Ома: ток в нагрузке составляет не менее 90—95% от тока в МИВЛ по всей длительности импульса, электрический импульс без потерь в МИВЛ передается в нагрузку. Максимумы напряжения на диоде, тока и импульса излучения примерно совпадают во времени.

Коаксиальная МИВЛ длиной 3,6 м с геометрическим импедансом 5,3 Ом:

• При значениях нагрузочной индуктивности меньше или порядка 10 нГн в нагрузку передается 80—90% от тока на входе в МИВЛ; при увеличении нагрузочной индуктивности до 43,4 нГн в нагрузку передается порядка 30% от тока на входе в МИВЛ; характерные осциллограммы напряжения на входе в МИВЛ, тока на входе в МИВЛ и тока в нагрузке 43,4 нГн приведены на рис. 26.

• Нагрузка – электронный пинч-диод с импедансом порядка 2,5 Ома: существенные утечки тока наблюдаются только на переднем фронте импульса тока, после достижения током на переднем фронте значения 0,9 Iмакс утечки тока в МИВЛ не превышают 5% на оставшейся длительности импульса. Хотя максимум тока в нагрузке составляет не менее 95 % от максимума тока на входе в МИВЛ, максимум мощности излучения смещен на 20 нс от максимума тока на задний фронт импульса тока. Это свидетельствует об иной динамике формирования электронного пучка в диоде, при этом в нагрузку — электронный пинч-диод передается энергии приблизительно в 1,3 раза меньше, чем в случае диода с МИВЛ длиной 1,36 м. Осциллограммы токов в МИВЛ и диоде, напряжения на входе в МИВЛ и импульса гамма-рентгеновского излучения приведены на рис. 27.

Вопросы транспортировки электрического импульса по длинным МИВЛ и передачи их в нагрузку требуют дальнейших исследований.

Эксперименты проводились при давлении в вакуумной системе (1—5)*10-4 Торр, зависимости токопрохождения в МИВЛ от давления в вакуумной системе не обнаружено.

Рис. 26. Осциллограммы напряжения на входе в МИВЛ (Uвх), тока на входе МИВЛ (Iвх) и тока в нагрузке (Iнагр) при индуктивной нагрузке 43,4 нГн Рис. 27. Осциллограммы напряжения на входе в МИВЛ (Uвх), тока на входе в МИВЛ (Iвх), тока в нагрузке (Iнагр) и мощности гамма-рентгеновского импульса (Pизл) 4.3.3. На сильноточном мегаамперном ускорителе МИГ проведена серия экспериментов по электровзрыву полых металлических нагрузок миллиметрового диаметра в выраженном скиновом режиме. Впервые измерена напряженность электрического поля на внутренней и внешней поверхностях цилиндра с толщиной стенки 0,1 мм. По одномерной лагранжево-эйлеровой МГД модели произведен расчет взрывов полых медных и алюминиевых оболочек. Установлено, что момент взрыва, совпадающий с началом мощного излучения в ультрафиолетовом диапазоне, и время появления поля на внутренней поверхности хорошо согласуются с расчетами.

Обнаружена продольная стратификация области взрыва.

4.3.4. В экспериментах по сжатию многокаскадных лайнеров на генераторе ГИТ- при микросекундных временах имплозии и уровне тока 3.5 МА достигнут выход излучения в К-линиях неона – 11 кДж/см, в К-линиях алюминия – 4 кДж/см.

На генераторе ГИТ-12 совместно проведены исследования динамики имплозии и генерации К-излучения многокаскадных лайнеров при микросекундном времени имплозии. В экспериментах использовались трехкаскадные газовые лайнеры и комбинированные лайнеры, состоящие из двух внешних газовых каскадов и внутреннего проволочного каскад. Эксперименты проводились на уровне тока 3.5—4.4 МА при времени имплозии лайнеров 0.7—1.2 мкс.

В ходе экспериментов было найдено оптимальное для получения компактного пинча соотношение масс каскадов. Показано что, если масса внутреннего или среднего каскада выше массы внешнего каскада, в финальной стадии сжатия формируется компактный пинч диаметром около 2 мм. Таким образом, показана принципиальная возможность формирования компактного пинча миллиметрового диаметра при имплозии с начального радиуса 8—12 см. Максимальный выход К-излучения аргона (h = 3—4 кэВ) составил 500 Дж/см (2.6 МА, 0.7 мкс), максимальный выход К-излучения алюминия составил (h = 1.5—2 кэВ) составил 4 кДж/см (3.5 МА, 1 мкс), что примерно в два раза ниже ожидаемых значений для генератора с таким же уровнем тока и временем нарастания 100 нс. Выход К-излучения неона (h = 0.9—1.4 кэВ) составил 11 кДж/см (3.5 МА, 1 мкс), что соответствует типичным значениям выхода для генераторов со временем нарастания тока 100 нс.

Выход излучения в К-линиях, кДж/см

FALCON

GAMBLEII

GAMBLEII

Рис. 28. Сравнение экспериментальных данных по выходу излучения в К-линиях неона, полученных на генераторах с различной амплитудой и скоростью нарастания тока, с теоретической зависимостью выхода К-излучения от тока генератора (двухуровневая модель) при временах имплозии порядка 100 нс.

4.3.5. В экспериментах по генерации быстрых ионов в устройстве типа «обратный Zпинч» впервые измерен энергетический спектр быстрых ионов (дейтонов), генерируемых при разлете сформированного плазменного сгустка.

4.4. ЛАБОРАТОРИЯ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(Заведующий д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский) 4.4.1. С использованием скоростной видеорегистрации на основе камеры IMACON 468, импульсного (~1 нс) лазера и интерферометра Майкельсона, совмещенного с циклической линией задержки светового луча, впервые удалось зафиксировать с микронным пространственным и наносекундным временным разрешениями последовательные интерферограммы и теневые изображения катодного пятна слаботочной вакуумной дуги на резонансной длине поглощения атомов материала катода. Зарегистрированы два режима функционирования катодного пятна в пределах одного цикла горения. Первый режим составляет ~2% времени цикла и характеризуется формированием струи, в которой регистрируется рост концентрации паров. Этот режим может быть ассоциирован с взрывной электронной эмиссией. Взрывоэмиссионный режим сменяется квазистационарным режимом, характеризующимся неизменной либо медленно уменьшающейся концентрацией паров материала катода. Данные результаты являются прямым доказательством существования взрывоэмиссионной стадии при горении катодного пятна стационарной вакуумной дуги.

Эксперименты проводились в условиях высокого безмасляного вакуума. Слаботочный (~10 А) вакуумный разряд зажигался между игольчатым вольфрамовым катодом, покрытым пленкой жидкого галлия, и плоским анодом. Импульсное высокое напряжение, прикладываемое к вакуумному промежутку, приводило к формированию конуса Тейлора на вершине вольфрамовой иглы. Высокая воспроизводимость данного процесса гарантировала точную временню и пространственную синхронизацию катодного пятна вакуумной дуги и регистрирующей аппаратуры. В качестве средств диагностики плазмы катодного пятна использовался интерферометр Майкельсона и импульсный (~1 нс) лазер на органических красителях, настроенный на резонансную длину поглощения атомов галлия 417.2 нм. Скоростная многокадровая цифровая камера IMACON регистрировала интерференционные, либо теневые абсорбционные, изображения катодного пятна с интервалом между кадрами 10.5 нс, задаваемом циклической линией задержки светового луча. Было зарегистрировано и обработано с использованием обратного преобразования Абеля около 2000 интерференционных изображений и около 200 абсорбционных. Пример изображений с результатом их обработки показан на рис. 29.

Рис. 29. Типичный пример последовательных интерференционных (слева) изображений и результат их компьютерной обработки, и типичное абсорбционное изображение катодного пятна на резонансной длине волны поглощения атомов материала катода На изображениях зарегистрированы два режима функционирования катодного пятна в пределах одного цикла горения (~100 нс). Первый режим составляет ~2% времени цикла и характеризуется формированием струи, в которой регистрируется рост концентрации паров, и максимум концентрации удаляется от поверхности катода с тепловой скоростью.

Этот режим может быть ассоциирован с взрывной электронной эмиссией.

Взрывоэмиссионный режим горения пятна сменяется квазистационарным режимом, характеризующимся неизменными (~16% времени цикла) либо медленно уменьшающимися (~7%) концентрациями паров материала катода. В оставшейся части цикла (~75%) паровая фаза не регистрируется. Данные результаты являются прямым доказательством существования взрывоэмиссионной стадии при горении катодного пятна стационарной вакуумной дуги.

(Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский, отв. исполнитель — с.н.с., к.ф.-м.н. А.В. Батраков).

4.4.2. Ранее начатое исследование испарения капель в плазме вакуумных разрядов продолжено в направлении увеличения энерговклада в плазму разряда. Установлено что повышение тока и длительности разряда привело к существенному повышению эффективности испарения капель. Подтверждено, что максимальная эффективность испарения капли достигается при возбуждении на ней термоэмиссионного капельного пятна. С другой стороны, при реализованных в настоящем эксперименте параметрах плазмы и длительности разряда удалось достичь существенного испарения капель и для относительно легкоплавких катодных материалов (Cu), для которых вероятность возбуждения термоэмиссионных капельных пятен невелика.

Продолжено начатое в прошлом году исследование испарения капель материала катода в плазме вакуумной дуги. Теоретический анализ теплообмена капли с неравновесной плазмой вакуумной дуги показывает, что для эффективного испарения капель необходимо существенное повышение электронной концентрации и температуры плазмы. Измерения доли испаренных капель, выполненные в прошлом году методом сравнительного анализа неиспарившейся фракции капель (осадка капель) показали, что увеличение концентрации и температуры плазмы с (6—8)1011 см-3 и 3—4 эВ до (3—4)1012 см-3 и 6—8 эВ, достигнутое при переходе от обычной вакуумной дуги к вакуумной дуге в ячейке Пеннинга при длительности разрядов 300 мкс, привело к 4—6кратному уменьшению количества капель в осадке в случае катода из Zr. Эксперименты с медным катодом в этих же условиях продемонстрировали практическое отсутствие эффекта. Как следует из теоретического анализа, эффективное испарение капель в случае Zr обусловлено возбуждением термоэмиссионных капельных пятен.

С целью создания условий для более эффективного испарения капель были реализованы типы разрядов, аналогичные предыдущим, но обеспечивающие более энергоемкие параметры плазмы (электронная концентрация и температура составили (4–6)1012 см-3 и 3.5—4.5 эВ в случае обычного дугового разряда и (2.5–3.5)1013 см-3 и 8—10 эВ в случае дуги в условиях Пеннинговского разряда, длительность — 900 мкс).

Типичные распределения капель по размерам для обоих режимов разряда для случая Cu приведены на рис. 30, а для случая Zr — на рис. 31. В результате испарения капель происходит существенное уменьшение количества капель в осадке: для медного катода 3—5 кратное, для Zr 10—20 кратное. Повышение энерговклада в плазму разряда привело Nd, шт./ Кл sr Рис. 30. Распределение капель Cu в осадке по диаметрам в различных режимах разряда:

ne= (4–6)1012 см-3 и kTe ~ 3.5–4.5 эВ (1); ne ~ (2.5–3.5)1013 см-3, kTe ~ 8–10 эВ (2) Рис.31. Распределение капель Zr в осадке по диаметрам в различных режимах разряда:

ne= (4–6)1012 см-3 и kTe ~ 3.5–4.5 эВ (1); ne ~ (2.5–3.5)1013 см-3, kTe ~ 8–10 эВ (2) к существенному увеличению эффективности испарения капель по сравнению с предыдущими данными. Подтверждается также ранее сделанный вывод о том, что максимальная эффективность испарения капель достигается в случае материалов, для которых легко возбуждается термоэмиссионное капельное пятно. С другой стороны, достигнутое в настоящем эксперименте эффективное испарение медных капель доказывает возможность очистки плазмы дуговых разрядов для широкого круга катодных материалов с различными теплофизическими и эмиссионными свойствами.

(Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский, отв. исполнители — с.н.с., к.ф.-м.н. А.В. Батраков, н.с., к.ф.-м.н. С. А. Попов).

4.4.3. Исследована динамика радиальных утечек тока при формировании и транспортировке низкоэнергетического (10—30 кэВ) сильноточного (до 20 кА) электронного пучка в протяженном (до 54 см) плазменном канале, создаваемом с помощью сильноточного отражательного разряда в ведущем магнитном поле.

Установлено, что утечки электронного тока появляются в самом начале импульса тока пучка и локализованы, в основном, в области взрывоэмиссионного катода и виртуального катода.

Ограничение тока сильноточного электронного пучка (СЭП) при транспортировке в эквипотенциальном пространстве во внешнем ведущем магнитном поле проявляется, очевидно, в меньших значениях тока пучка на коллектор по сравнению с током инжекции (или током катода). При этом возникает естественный вопрос о канале стока излишка эмитированных катодом электронов. В случае ускоряющих промежутков с фольговым или сетчатым анодом отраженные от виртуального катода электроны поглощаются после нескольких осцилляций в аноде. При отсутствии металлического анода отраженные электроны должны найти путь дрейфа поперек силовых линий ведущего магнитного поля, в противном случае их быстро накапливающийся объемный заряд может подавить эмиссию катода. Радиальный дрейф электронов вполне возможен, например, из-за диокотронной неустойчивости.

Для понимания механизма этого дрейфа при формировании и транспортировке низкоэнергетического (10—30 кэВ) СЭП в пушке с плазменным анодом на основе сильноточного отражательного разряда нами проведена серия экспериментов по регистрации утечек тока с помощью пристеночных кольцевых коллекторов, располагавшихся на различных расстояниях от плоскости расположения катода по Zкоординате (см. рис. 32).

Рис. 32. Блок-схема установки. 1 — коллектор, 2 — катод, 3 — кольцевой анод отражательного разряда, 4 — труба дрейфа пучка, 5 — соленоид, 6 — катодная плазма, 7 — анодная плазма, 8 — вакуумный датчик, 9 — генератор высоковольтных импульсов, I—IV — пристеночные кольцевые коллектора Эксперименты показали, что плотность электронных токов утечек в заанодной области (коллектора I и II) увеличивается с уменьшением энергии пучка и напряженности ведущего магнитного поля, однако их относительный вклад является заметным лишь при низких давлениях рабочего газа (p < 0,15 мТорр) и больших длинах канала транспортировки (L > 40 см). Как правило, основные утечки регистрируются катодным и закатодным коллектором III и IV. Плотность тока на катодный коллектор слабо растет с ускоряющим напряжением, примерно линейно растет с давлением газа и сильно увеличивается при уменьшении напряженности ведущего магнитного поля. Как характер изменения плотности тока утечек, так и их величина (до 10 А/cм2) показывают, что именно электронные радиальные утечки в области взрывоэмиссионного катода и области формирования пучка определяют суммарные потери тока. Как показали эксперименты, сначала ток утечек достигает максимума на катодном коллекторе. Далее канал утечки тока перемещается в закатодную область (скорость перемещения канала превышает 106 cм/с).

Это перемещение связано, на наш взгляд, с разлетом катодной плазмы поперек силовых линий магнитного поля (аналогично тому, что наблюдалось в вакуумных сильноточных коаксиальных магнитоизолированных диодах).

(Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский, отв. исполнитель — с.н.с., к.ф.-м.н. Г.Е. Озур).

4.4.4. Исследованы закономерности генерации пучка атомов водорода большого сечения, формируемого при истекании частиц через отверстие малого диаметра из модифицированной ячейки Пеннинга с самонакаливающимся электродом.

Обнаружена возможность существования двух типов распределения плотности потока атомов водорода по сечению пучка. В режиме со струей плазмы, истекающей в вакуум, формируется пучок с резким максимумом в приосевой области пучка. В режиме, когда выход плазмы из разрядной ячейки минимизирован, формируется более однородный пучок атомов. Форма распределения плотности потока нейтральных атомов по сечению пучка слабо зависит от тока разряда и расхода газа.

Это дает возможность управления интенсивностью пучка в пределах 1013 — 51015 см-2с-1 при неизменном угловом распределении частиц.

Исследования углового распределения плотности потока атомов водорода (АВ), генерируемого модифицированной ячейкой Пеннинга с самонакаливающимся электродом, проводились с использованием автоматизированной восьмиканальной системы измерения.

Система включала восемь оригинальных миниатюрных датчиков АВ, равноудаленных друг от друга. Расстояние от отверстия источника до системы датчиков изменялась в пределах от 50 до 300 мм.

Обнаружена возможность существования двух типов распределения плотности потока атомов водорода по сечению пучка. В режиме функционирования разряда с малым ( 1 мм) эмиссионным отверстием не происходит истекание плазмы в вакуум. При этом наблюдается распределение плотности потока АВ по сечению пучка (рис. 33, кривая 1), близкое к распределению, описываемому законом косинуса (пунктирная кривая). В режиме функционирования источника со струёй плазмы, истекающей из отверстия в вакуум, в угле разлёта ±10° наблюдается резкое увеличение плотности потока (рис. 33, кривая 2). Рост неоднородности пучка в данном случае связан с дополнительной диссоциацией молекул водорода осциллирующими в струе электронами. Данные, приведённые на рисунке (кривая 3), подтверждают этот механизм увеличения неоднородности пучка атомов: уменьшение длины струи приводит к соответствующему уменьшению плотности потока атомов в приосевой области.

Экспериментально установлено, что интенсивность потока атомов уменьшается с увеличением расстояния от источника АВ приблизительно обратно пропорционально квадрату расстояния. Некоторое отклонение от этого закона обусловлено неизбежным присутствием фона атомов водорода, обратно рассеянных от стенок вакуумной камеры.

Установлено, что форма распределения плотности потока атомов водорода по сечению пучка слабо зависит от тока разряда и расхода газа в пределах рабочих режимов горения разряда. Это дает возможность управления интенсивностью пучка в пределах 1013 – см-2с-1 при неизменном угловом распределении частиц. На расстоянии 285 мм от источника АВ получен пучок атомов водорода диаметром 200 мм с неоднородностью + 10 %. Достигнутые параметры позволяют использовать источник атомарного водорода для технологических целей, в частности, для очистки полупроводниковых структур (Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский; отв. исполнители — с.н.с., к.ф.-м.н. В. А. Кагадей, с.н.с., к.ф.-м.н. Е.В Нефедцев).

4.4.5. Исследованы характеристики поверхностного сплава, формируемого при импульсном плавлении системы пленка (Cu, 512 нм) — подложка (сталь 316) низкоэнергетическим (20—30 кэВ) сильноточным электронным пучком (2—3 мкс, 2—10 Дж/см2). Установлено, что при однократном импульсном плавлении перемешивание компонентов происходит только вблизи границы пленка-подложка.

Увеличение числа циклов импульсного плавления до пяти позволяет сформировать поверхностный сплав толщиной ~ 2 мкм, содержащий ~ 20 ат.% Cu, в котором избыточная медь в виде субмикронных и нанокристаллические выделений локализована по границам субмикронных зерен -Fe твердого раствора.

Формирование такой структуры определяет повышенную твердость легированного слоя.

Исследованы топография поверхности, химический состав, микроструктура, нанотвердость и трибологические характеристики системы Сu (пленка, нм)/нержавеющая сталь 316 (подложка), подвергнутой импульсному плавлению низкоэнергетическим (20—30 кэВ) сильноточным электронным пучком (2—3 мкс, Дж/см2) (НСЭП). Установлено, что предварительная обработка подложки НСЭП резко снижает вероятность отслоения пленки при импульсном плавлении за счет кратерообразования и, следовательно, повышает ее термическую стабильность. Показано, что при однократном импульсном плавлении большая часть пленки сохраняется, а вблизи границы раздела формируется диффузионный слой, содержащий компоненты пленки и подложки. Толщина этого слоя составляет 120170 нм, независимо от плотности энергии в интервале 2,8–8,4 Дж/см2. Слой имеет субзеренную структуру -твердого раствора подложки, в которой избыточная медь присутствует в виде субмикронных и нанокристаллических частиц.

В поверхностном слое толщиной 0.5—1 мкм, включающем Cu пленку и диффузионный слой, нанотвердость и средняя скорость износа немонотонно зависят от плотности энергии, достигая максимума и минимума, соответственно, в интервале 4.3–6. Дж/см2. Улучшение свойств может быть связано с упрочнением данного слоя за счет высокоскоростной закалки из жидкого состояния.

Рост числа циклов импульсного плавления до пяти в том же интервале плотности энергии приводит к растворению пленки в подложке и формированию поверхностного слоя толщиной ~ 2 мкм, содержащего ~ 20 ат. % меди. Избыточная медь в процессе кристаллизации сегрегирует из -твердого раствора подложки, образуя вдоль границ зерен нанокристаллические прослойки (см. рис. 34). Формирование такой структуры определяет повышенную твердость легированного слоя.

Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский, отв. исполнитель — в.н.с., д.ф.-м.н. В. П. Ротштейн.

Рис. 34. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры приповерхностного слоя системы Cu / сталь 316, облученной при 5±1 Дж/см2, N = 5: а – светлопольное изображение; б, в – темнопольные изображения, полученные в рефлексах [111]-Fe (б) и [111]Cu (в); г – микроэлектронограмма к (а), на которой стрелками указаны рефлексы темных полей: 1 – для (б), 2 – для (в).

4.4.6. Исследовано влияние начальной температуры (T0 = 20—550 0С) на химический, фазовый состав и свойства поверхностных слоев сплава BT6, подвергнутого многократному импульсному плавлению низкоэнергетическим (до 30 кэВ) сильноточным электронным пучком (3 мкс, 2,5 Дж/см2). Показано, что рост T сопровождается снижением остаточных растягивающих напряжений, формируемых при импульсном нагреве, диффузией кислорода из остаточной атмосферы камеры, формированием закалочной -фазы. Эти факторы обуславливают заметное повышение микротвердости, износостойкости и коррозионной стойкости материала.

Методами оптической, лазерной, сканирующей электронной микроскопии, электронной Оже-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа исследованы топография поверхности, эволюция химического и фазового состава поверхностных слоев титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V), подвергнутого многократному воздействию низкоэнергетическим (до 30 кэВ) сильноточным электронным пучком (3 мкс, 2,5 Дж/см2) при начальных температурах мишени T0 = 20—550 0С. Согласно расчетам рост T0 приводит к увеличению толщины расплавленного слоя в несколько раз и уменьшению температурных градиентов в зоне теплового влияния в интервале температур, включающем температуру начала мартенситного превращения, на 1—2 порядка.

При начальных температурах T0 200 0С импульсное плавление приводит к очистке приповерхностного слоя от кислорода. При 400 и 550 0С, а также при 20 0С с последующим вакуумным отжигом в приповерхностных слоях, закаленных из расплава, происходит повышение концентрации кислорода вследствие его поглощения из остаточной атмосферы.

Рост начальной температуры приводит к снижению остаточных напряжений в поверхностном слое, формируемых при импульсном нагреве. При T0 200 0С в приповерхностном слое, закаленном из расплава, формируются мартенситные фазы ’ и ”. Увеличение начальной температуры до 550 0С приводит к образованию закалочной фазы.

Микротвердость поверхностного слоя, закаленного из расплава, и прилегающих к нему слоев монотонно растет с ростом начальной температуры. Повышенные значения микротвердости при 400 и 550 0С согласуются с ростом концентрации кислорода, а в последнем случае, и с образованием -фазы.

Износостойкость сплава ВТ6, подвергнутого импульсному плавлению, немонотонно зависит от начальной температуры. При 20, 200 и 400 0С облучение приводит к снижению износостойкости материала, что может быть связано с наличием остаточных растягивающих напряжений. При 550 0С, а также в результате облучения при 20 0С и последующего отжига происходит существенное (в десятки раз) повышение износостойкости (см. рис. 35). Этот эффект согласуется с образованием -фазы и заметным увеличением микротвердости.

Импульсное плавление, независимо от начальной температуры, приводит к росту коррозионной стойкости материала. Наибольший эффект достигается при 550 0С, что может быть связано с существенным уменьшением остаточных напряжений в поверхностном слое.

V x10, мкм Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский, отв. исполнители — в.н.с., д.ф.-м.н. В. П. Ротштейн, с.н.с., к.ф.-м.н. А.Б Марков).

4.4.7. Проведены предварительные исследования по тыльному отколу медных мишеней релятивистским сильноточным электронным пучком, сформированным с помощью ускорителя СИНУС-7. В экспериментальных исследованиях была получена зависимость толщины отколотых слоев от толщины мишени.

Сопоставление численных результатов и экспериментальных данных позволило определить значение откольной прочности меди. На растровом электронном микроскопе исследованы фрактограммы откола медных образцов и установлено, что характер разрушения зависит от исходного состояния структуры:

рекристаллизованный медный образец разрушается по вязкому механизму в теле зерна и хрупко-вязкому на его границе, в то время как механизм разрушения нерекристаллизованного образца является вязким по всей площади откола.

Полученные результаты использованы в начатых экспериментах с наноструктурными материалами для изучения влияния структуры материала на механизм откола.

В исследованиях использовался релятивистский сильноточный электронный пучок, сформированный с помощью импульсного ускорителя СИНУС-7 (1.4 МэВ, 20 кА и 50 нс).

Измерения показали, что доля попадающей на мишень энергии составляет приблизительно 70 % от энергии, запасенной в импульсе. Плотность тока пучка в его центральной области составила 7 кА/см2.

С помощью программы BETAINE1 было проведено компьютерное моделирование тепловых полей и полей механических напряжений при данных параметрах облучения.

Установлено, что амплитуда генерируемой в мишени ударной волны составляет 6 ГПа.

Волна движется, с затуханием к тыльной поверхности и на глубине 5 мм ее амплитуда падает до 1.3 ГПа, а ширина волны по основанию увеличивается от исходных 0.65 до 1. мм. При этом скорость деформации в момент перед отражением ударной волны от тыльной поверхности составляет 5x105 c-1.

На рис. 36 приведен график экспериментально полученной зависимости толщины отколотого слоя мишени от ее толщины. Видно, что с ростом толщины мишени толщина отколотого слоя растет пропорционально от 0.18 до 0.32 мм. Для мишени толщиной 6 мм откола не наблюдается. Из сопоставления этих данных с результатами расчетов, была определена величина откольнай прочности меди (равная амплитуде волны напряжений у тыльной поверхности самой толстой мишени, на которой еще наблюдается откол). Для реализуемой в нашем случае скорости деформации откольная прочность составила 1.3 ГПа. Данный результат хорошо согласуется с литературными данными.

Рис. 36. Зависимость толщины отколотого слоя (d) от Рис. 37. Растровое изображение поверхности откола На микрофотографии (рис. 37) приведена фрактограмма откола, полученная на рекристаллизованном медном образце. Видны как бывшие зерна, внутри которых наблюдается стандартная чашечная структура, свидетельствующая о вязком механизме разрушения, так и границы зерен, разрушение вдоль которых протекает по-другому, чем в теле зерен механизму. Действительно, размеры чашек откола существенно различаются и составляют 10—15 и 1—2 микрона для тела зерна и его границ, соответственно. Слаборельефная, с малым поперечным размером и глубиной чашечек поверхность разрушения на межзеренной границе свидетельствует о вязко-хрупком механизме откола. Полученные на медных образцах результаты использованы в начатых экспериментах с наноструктурными материалами для изучения влияния структуры материала на механизм откола.

Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский, отв. исполнители — в.н.с., д.ф.-м.н. В. П. Ротштейн, с.н.с., к.ф.-м.н. А.Б Марков).

4.4.8. Разработана усовершенствованная теоретическая модель процесса гидрогенизации полупроводниковых материалов в атомарном водороде, учитывающая зарядовые состояния частиц в твердом теле. Установлено, что электрическое поле, возникающее при обмене зарядами между подсистемами свободных носителей заряда и атомов водорода, является причиной ускоренного распространения ионизированных атомов водорода вглубь кристалла. Сложная форма расчетного профиля общего содержания водорода, качественно согласуется с экспериментальными профилями.

В ранее выполненных исследованиях нами отмечалось, что при рассмотрении процесса диффузии водорода в полупроводниках с концентрацией носителей заряда 1016 см-3 и более необходимо учитывать зарядовое состояние водорода в полупроводнике, а также возникновение встроенного электрического поля и дрейфа заряженных частиц в этом поле. В усовершенствованной модели учтены дрейфовые потоки заряженных частиц и возникновение электрического поля. Это позволило более полно представить картину процессов на начальном этапе гидрогенизации и корректно описать распространение водорода в полупроводниках, в частности, в GaAs.

В модели рассмотрены концентрации следующих частиц: Н0 (атом водорода), H+ (положительно заряженный ион водорода), L (отрицательно заряженный ион активной примеси), h+ (носитель заряда - дырка), HH0 (молекула водорода), HL0 (комплекс водородпримесь). Уравнения, описывающие изменение концентраций этих частиц, обусловленные их диффузионно-дрейфовым переносом и взаимодействием между собой, имеют следующий общий вид:

где Ni – концентрация частицы i–го типа; индексы i, j, k обозначают тип частицы; t — время, отсчитываемое от момента начала гидрогенизации; x – координата, отсчитываемая от поверхности кристалла; Di, i, qi — коэффициент диффузии, подвижность и заряд частицы i; — потенциал электрического поля; P(ijk) — коэффициент, характеризующий скорость генерации частиц j и k в процессе распада сложной частицы i; R(ijk) — коэффициент, характеризующий скорость генерации сложных частиц i в процессе взаимодействия частиц j и k. Коэффициенты приведенных выше уравнений полагаются зависимыми от концентрации всех частиц, способных занимать междоузлия кристалла и блокировать их для транспорта других частиц. «Невозмущенные» блокировкой междоузлий коэффициенты взяты из литературы.

(Руководитель работы — д.ф.-м.н. Д. И. Проскуровский; отв. исполнители — с.н.с., к.ф.-м.н. В. А. Кагадей, с.н.с., к.ф.-м.н. Е.В Нефедцев).

4.4.9. На основании сравнительного анализа осадка капель измерено количество капель, испарившихся при их пролете через плазму вакуумной дуги. Установлено, что повышение энерговклада в плазму разряда приводит к увеличению эффективности испарения капель за счет обеспечения лучших условий возбуждения на них термоэмиссионных капельных пятен.

(См. подробнее на с. 12).

4.5. ЛАБОРАТОРИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ

(заведующий д.т.н. Е. М. Окс) 4.5.1. На основании измерения полного ионного тока из плазмы вакуумного дугового разряда для широкого спектра катодов определены значения нормированных на величину тока разряда ионных токов, а также коэффициенты удельной ионной эрозии материалов катодов. Показано, что существует обратная зависимость между нормированным ионным током и энергией связи атомов материала катода.

(См. подробнее на с. 12).

4.5.2. В результате модификации конструкции и оптимизации параметров источника ионов непроводящих твердотельных веществ на основе отражательного разряда с полым катодом, при генерации ионов бора доля однозарядных ионов составила 70%, что в 2—2.5 раза превышает уровень однозарядных ионов бора в промышленных полупроводниковых ионных имплантерах.

В ионных имплантерах непроводящих твердотельных веществ (бор, фосфор, сурьма и др.), используемых для модификации поверхностей кремниевых пластин в полупроводниковой технологии, наряду с проблемой повышения средней зарядности ионов, в ряде случаев важным является преобладание в пучке ионов только определенного зарядового состояния. Это относиться, прежде всего, к однозарядным ионам бора. Чем больше в исходном пучке таких ионов, тем выше эффективность сепарации и тем меньше энергетические потери. В настоящее время в подавляющем большинстве промышленных ионных имплантеров ионы бора получают путем напуска в источник газа BF3 и его последующего разложения в разряде. Этот газ исключительно токсичен и требует специальных мер для хранения и использования. Для получения ионов бора нами предложено использование специального компаунда LiBF4. В нормальных условиях он находится в твердой фазе и не токсичен. Только при нагреве до 200 С он разлагается с выделением BF3. Для проверки возможности замены BF3 на LiBF4 произведена модернизация экспериментального макета ионного источника в результате добавления в конструкцию специальной печки (рис. 39). Результаты проведенных исследований убедительно свидетельствуют о возможности генерации в такой системе ионов бора.

Оптимизация оптимизации разрядных параметров источника привела к повышению доли однозарядных ионов бора в пучке до 70 % (рис. 40), что в 2—2.5 раза превышает уровень однозарядных ионов бора в промышленных полупроводниковых ионных имплантерах.

Финансирование: базовый бюджет при поддержке международного контракта.

Рис. 39. Схема экспериментального макета модернизированного ионного источника Рис. 40. Масс - зарядовое распределение ионов в пучке при использовании LiBF

4.6. ЛАБОРАТОРИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЭМИССИОННОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ

(Заведующий д.т.н. Н. Н. Коваль) 4.6.1. Электронно-пучковый энергокомплекс с плазменным источником электронов с дуговым разрядом низкого давления и технология полировки образцов из твердого WC-Cо (ВК) сплава на его основе. Создан не имеющий аналогов электроннопучковый энергокомплекс для научных и технологических целей (модификация поверхности материалов и изделий) на основе плазменного источника электронов с дуговым разрядом низкого давления. На основе созданного комплекса впервые осуществлена электронно-пучковая полировка образцов из твердого WC-Co (ВК) сплава без нарушения структуры поверхностного слоя. Разработанная методика полировки может быть использована при изготовлении штампов из твердых сплавов.

(Совместно с лабораторией прикладной электроники; см. подробнее на с. 9.

Работа выполнялась в рамках базового бюджета при поддержке интеграционных проектов № 7 и № 20 СО РАН).

4.6.2 Впервые продемонстрирована возможность азотирования технически чистого титана марки ВТ1-0 при низких давлениях (3—5 Па) и низких температурах (< 550°C) в плазме тлеющего разряда с полым катодом. Показано, что в плазме с концентрацией n=1010—1011 см-3 диффузионное насыщение титана азотом происходит при плотностях ионного тока на катоде (1,5—4,0) мА/см2. Установлено, что определяющую роль в процессе насыщения играет атомарный азот, образующийся в результате диссоциации молекулярного азота в плазме разряда с полым катодом. Методами металлографии, сканирующей и дифракционной электронной микроскопии выявлено формирование градиентной структуры, состоящей из слоя нитрида титана толщиной 0,5—1,5 мкм, слоя диффузионного насыщения (20—30 мкм) и слоя термического влияния (~ 100 мкм), плавно переходящего в основной объем материала. На поверхности азотирования получено 3-кратное увеличение микротвердости титана.

В настоящее время для увеличения поверхностной твердости, износостойкости и коррозионной стойкости титана и титановых сплавов используется метод диффузионного насыщения азотом в плазме тлеющего, дугового разрядов и облучение потоками ионов. В большинстве случаев азотирование осуществляется при высоких (800—900°C) температурах и давлениях порядка (1—10) Торр в течение нескольких часов.

Азотирование низколегированных сплавов титана и технически чистого титана при высоких температурах (температурах, превышающих температуру полиморфного превращения), как правило, приводит к росту кристаллитов и снижению служебных характеристик материала. Последнее существенно осложняет модифицирование данных материалов путем диффузионного насыщения азотом.

В настоящее время нет единой точки зрения на механизм диффузионного насыщения поверхности азотом, однако большинство авторов считают, что определяющую роль при азотировании, и особенно при низких температурах, играют ионы молекулярного и атомарного азота. При этом полагают, что при азотировании технически чистого титана одним из условий получения высокой твердости является бомбардировка поверхности, наряду с ионами, высокоэнергетичными нейтралами, которые в приповерхностном слое создают вакансии и дефекты, ускоряющие диффузию атомарного азота в объем материала.

Нами экспериментально показано, что процесс азотирования технически чистого титана марки ВТ1-0 в плазме тлеющего разряда с полым катодом, когда обрабатываемый образец помещается в катодной полости, происходит с высокой эффективностью при низких давлениях (3—6 Па) и низких температурах (< 550°C). Экспериментально установлено также, что процесс азотирования происходит с высокой эффективностью и в том случае, когда к обрабатываемой поверхности исключен доступ ионов, а поступают только атомарный и молекулярный азот. На этой поверхности отсутствует травление, поверхность имеет золотистый цвет, что свидетельствует об образовании TiN слоя с толщиной, зависящей от температуры азотирования, 0.1—1.5 мкм. Ввиду малости толщины слоя, микротвердость на этой поверхности практически совпадает с микротвердостью на обращенной к плазме поверхности, бомбардируемой ускоренными в прикатодном слое ионами. Насыщение титана азотом является плазмо-химическим процессом, в котором определяющую роль играет атомарный азот, образующейся в результате диссоциации азота, в основном, при возбуждении электронных состояний молекул электронами, ускоренными в прикатодном падении потенциала, с последующим распадом возбужденных молекул.

Анализ механических характеристик и структурно-фазового состояния образцов технически чистого титана, выполненный методами металлографии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей и дифракционной электронной микроскопии, вторичной масс-ионной спектрометрии и путем построения профиля нанои микротвердости показал, что диффузионное насыщение титана азотом приводит к формированию многослойной структуры с высокой микротвердостью (9—11 ГПа), которая закономерным образом изменяется по мере удаления от поверхности азотирования (рис. 41). При увеличении содержания Ar в смеси происходит повышение микротвердости, которое, вероятно, связано с повышением диссоциации молекул N2.

Полученные результаты имеют важное значение как для понимания физических процессов азотирования титана, так и для разработки новых технологических процессов его упрочнения и повышения коррозионной стойкости.

Рис. 41. Фрактография поверхности разрушения технически чистого титана марки ВТ1-0, подвергнутого азотированию в течение 4,5 часов в плазме газового разряда. На (а) стрелками указан слой диффузионного насыщения; на (б) — слой нитрида титана, формирующийся на поверхности насыщения.

(Работа выполнялась в рамках базового бюджетного фининсирования).

4.6.4. Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, путем построения профиля микротвердости впервые показано, что электронно-пучковая обработка углеродистой стали заэвтектоидного состава со структурой пластинчатого перлита приводит к формированию многофазной структуры, состоящей из -, - и карбидной фаз, глобуляризации частиц цементита, деформационному наклепу зерен феррита, мартенситному превращению, частичному растворению цементита и повторному распаду твердого раствора с формированием карбида на основе железа, ячеистой кристаллизации расплава.

(Совместно с лабораторией физики упрочнения поверхности ИФПМ СО РАН) Термическая обработка углеродистых сталей заэвтектоидного состава часто сопровождается формированием перлитной структуры, содержащей по границам зерен грубые включения частиц карбидной фазы, присутствие которых негативным образом сказывается на служебных характеристиках материала. Одним из способов модификации структуры стали является использование концентрированных потоков энергии (лазерный, электронные, ионные пучки, потоки плазмы) (КПЭ), позволяющих целенаправленно изменять физико-химические и прочностные свойства металлов и сплавов. К технологическим достоинствам обработки металлов и сплавов КПЭ относят локальность нагрева и отсутствие коробления, высокую скорость и производительность процесса, возможность обработки труднодоступных участков детали. В результате целенаправленного изменения структуры, фазового и химического состава поверхностных слоев, металлы и сплавы приобретают в локальных объемах свойства, недоступные при традиционных методах обработки.

Выявление закономерностей формирования дефектной субструктуры, фазового состава и механических характеристик материала, подвергнутого воздействию низкоэнергетического электронного пучка микросекундной длительности, осуществляли на углеродистой стали заэвтектоидного состава со структурой пластинчатого перлита.

Параметры электронного пучка: энергия ускоренных электронов Е 18,4 кэВ; ток пучка I 75 и 150 А; длительность импульсов тока пучка 30 и 50 мкс; частота следования импульсов тока пучка f 1 Гц; диаметр пучка в плоскости поверхности образца D 1,6 см.

Параметры электронно-пучковой обработки: количество импульсов воздействия N = 5, 30;

давление в вакуумной камере p~10-2 Па. Анализ состояния материала проводили методами оптической, электронной сканирующей и просвечивающей дифракционной микроскопии, рентгенофазового анализа, путем построения профиля микротвердости.

В результате проведенных исследований установлено, что обработка стали электронным пучком приводит к многочисленным изменениям структуры и фазового состояния приповерхностного слоя (рис. 42, 43): во-первых, к созданию многофазной структуры, состоящей из -, - и карбидной фаз, во-вторых, к глобуляризации частиц цементита, в-третьих, к деформационному наклепу зерен феррита, в-четвертых, к мартенситному превращению с образованием кристаллов пакетного и пластинчатого мартенсита, в-пятых, к частичному растворению цементита и формированию карбида на основе железа и, в-шестых, к ячеистой кристаллизации расплава. Установлено, что увеличение тока пучка электронов с 75 до 150 А сопровождается ростом толщины модифицированного слоя, увеличением объемной доли мартенситной структуры, снижением средних размеров глобул цементита и увеличением их линейной плотности.

Данные обстоятельства способствуют существенному (в ~ 1,7 раза) повышению микротвердости приповерхностного слоя стали.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности электронно-пучковой модификации поверхности сталей с целью улучшения их служебных характеристик.

42. Участок рентгенограммы образца заэвтектоидной стали после электронно-пучковой обработки (=30 мкс, I = 150 А, N=5 имп.).

0,25 мкм Рис. 43. Электронно-микроскопическое изображение структуры (а), формирующейся в приповерхностном слое заэвтектоидной стали после электронно-пучковой обработки по режиму = 50 мкс, I = 75 А, N=30 имп. и распределение частиц цементита сферической формы (б). На (а) стрелками указаны частицы цементита.

(Работа выполнялась в рамках базового бюджетного финансирования)

4.7. ЛАБОРАТОРИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(заведующий д.ф.-м.н. В. И. Кошелев) 4.7.1. Показана возможность формирования волновых пучков мощного сверхширокополосного излучения с ортогональными поляризациями и разнесенными во времени импульсами при возбуждении антенной решетки, разделенной на две подрешетки с ортогональным расположением излучателей, от одного генератора биполярных импульсов напряжения длительностью 1 нс через волновой трансформатор импедансов и кабельные фидеры различной длины для каждой подрешетки. Получены импульсы излучения, разнесенные во времени на 2 нс, с эффективным потенциалом ER = 300 кВ для ортогональных поляризаций и ER = 800 кВ для линейно поляризованного излучения при синхронном возбуждении решетки с одинаково расположенными излучателями.

Перспективным направлением создания источников волновых пучков сверхширокополосного излучения большой мощности с ортогональными поляризациями поля и разнесенными во времени (пространстве) импульсами является применение решеток, разделенных на две ортогональные подрешетки и возбуждаемых от одного высоковольтного генератора с последующим распределением мощности через фидеры разной длины, обеспечивающих задержку импульсов, излучаемых одной подрешеткой относительно другой. Создание таких источников расширяет возможности применения сверхширокополосного излучения, в том числе в радиолокации, так как возрастает объем информации об объекте, зондируемом импульсами с ортогональными поляризациями.

Рис. 44. Источник волновых пучков мощного сверхширокополосного При использовании данного подхода разработан источник волновых пучков с ортогональными поляризациями поля на основе 16-элементной решетки размером 0.7 м 0.7 м, разделенной на две подрешетки по 8 элементов (рис. 44). Антенная система возбуждается биполярным импульсом длительностью 1 нс, амплитудой 200 кВ через волновой трансформатор импедансов 50/3.125 Ом и 16-канальную фидерную систему.

Различные длины кабельных фидеров для двух подрешеток обеспечивают относительную задержку между импульсами 2 нс. Сформированы волновые пучки излучения с шириной диаграмм направленности 20°. В главном направлении эффективный потенциал, равный произведению пиковой напряженности поля E на расстояние R, составляет 300 кВ для ортогональных поляризаций. При синхронном возбуждении 16-ти элементной решетки с одинаково расположенными излучателями эффективный потенциал достигает 800 кВ.

Источник работает на частоте 100 Гц. Изменение максимальных значений ER в течение часов работы и нестабильность не превышали 10%. В решетках использовались разработанные комбинированные антенны с эффективностью преобразования электрического импульса в электромагнитное излучение 90% по энергии и 100% по пиковой мощности.

Разработан источник мощных сверхширокополосных электромагнитных импульсов субнаносекундной длительности. Получены импульсы излучения длительностью 0.7 нс с эффективным потенциалом ER = 230 кВ и пиковой мощностью 460 МВт.

Рис. 45. Источник сверхширокополосных электромагнитных импульсов субнаносекундной длительности На основе выполненных исследований разработан источник сверхширокополосных электромагнитных импульсов субнаносекундной длительности (рис. 45). В источнике использовалась специально разработанные формирователь биполярных импульсов на основе коаксиальных линий с двумя газовыми разрядниками и комбинированная антенна с эффективностью преобразования электрического импульса в электромагнитное излучение по энергии 90 % и пиковой мощности 80 %. Антенна возбуждалась биполярным импульсом напряжения длительностью 0.5 нс и амплитудой 170 кВ с частотой повторения 100 Гц. Для увеличения электрической прочности антенна помещалась в диэлектрический контейнер, заполненный элегазом под давлением 0.35 МПа. Ширина диаграммы направленности антенны на полувысоте по мощности составила 85° в горизонтальной плоскости и 110° в вертикальной плоскости.

Коэффициент направленного действия антенны равен 4. В главном направлении эффективный потенциал, равный произведению пиковой напряженности поля E на расстояние R, составил 230 кВ. Пиковая мощность излучения составила 460 МВт, а длительность импульса излучения равна 0.7 нс. Нестабильность излучения достигала 27% и обусловлена нестабильностью импульса напряжения (17%) и развитием разряда на входе в антенну.

Работа выполнена совместно с отделом импульсной техники в рамках комплексной программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы нано- и пикосекундной электроники большой мощности».

4.7.2. Для целей сложной формы разрешающая способность СШП сигналов позволяет выделять отражение от локальных центров рассеяния с размерами, составляющими малую долю общего размера объекта. Суть метода блестящих точек состоит в нахождении координат этих локальных центров. Найденные координаты блестящих точек могут быть как основным, так и дополнительным средством для построения радиолокационного изображения объекта и его последующего анализа человеком-оператором. Построение изображения может также предварять процедуру распознавания.

Рассеянное электромагнитное поле представляется суммой полей от локальных рассеивающих центров (блестящих точек). Для каждого приемника рассчитываются временные задержки откликов блестящих точек, которые затем пересчитываются в их пространственные координаты. Минимальное число приемников, используемых в данном подходе равно трем. Использование большего числа приемников, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, позволяет уменьшить погрешность расчёта координат блестящих точек.

Для тестирования данного подхода использовались результаты численного эксперимента по рассеянию на 8 проводящих площадках, размеры которых были существенно меньше пространственной протяженности зондирующего импульса и повернутые таким образом, что их плоскость совпадала с плоскостью фронта падающей волны. Данные рассеянного поля рассчитывались в 49 точках (приемниках), расположенных друг от друга на расстоянии 0.5 пространственной длительности импульса. Рассчитанные координаты блестящих точек представлены на рис. 46 в двух проекциях.

При расчете координат блестящих точек необходимо учитывать интенсивность излучения (энергию), рассеянного блестящей точкой, которая является важным информативным параметром. Визуализация блестящих точек зондируемого объекта является развитием метода расчёта координат блестящих точек, предложенного ранее и позволяет получить распределение энергии в заданном объёме пространства. В основе метода визуализации лежит когерентное сложение сигналов приёмников (фокусировка) относительно данной точки пространства.

Рис. 47. Положение объекта относительно приёмников и распределение энергии основной компоненты В численном эксперименте в качестве объекта использовался металлический параллелепипед, для которого рассчитывалось распределения энергии основной компоненты рассеянного поля в трех плоскостях (рис. 47). Точки на рисунке указывают положения вершин объекта. Из рисунка видно, что максимумы энергии формируются вблизи граней и вершин объекта. Таким образом, появляется возможность оценить геометрию зондируемого объекта.

4.8. ЛАБОРАТОРИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

(заведующий д.ф.-м.н. А. В. Козырев) 4.8.1. Впервые экспериментально подтверждено существование «сжатого» состояния сильноточного электронного пучка — состояния с релятивистским фактором частиц меньшим, чем при предельном токе транспортировки.

(Совместно с отделом физической электроники, см. подробнее на с. 5).

4.8.2. На основе законов сохранения энергии и z-компоненты импульса в волне магнитной самоизоляции в вакуумной передающей линии, в предположении, что все электроны, достигающие анода, имеют одинаковую энергию и одинаковый угол падения, найдена величина m релятивистского фактора электронов на внешней границе электронного потока с учетом потерь энергии в волн е-предвестнике, и исследовано влияние этих потерь на основные характеристики волны самоизоляции.

В современной теории вакуумных магнитоизолированных линий основной параметр m — релятивистский фактор, соответствующий напряжению на внешней границе электронного потока — определяется из эмпирического условия минимума тока в линии.

Ранее нами величина m найдена на основе законов сохранения энергии и продольной компоненты импульса. Однако, в ней не учитывается наличие волны-предвестника, которая влияет на величину m и, следовательно, на характеристики волны магнитной самоизоляции.

Для того, чтобы определить m с учетом предвестника, использовалось приближение «среднего электрона», в котором все электроны, достигающие анода, имеют одинаковую энергию и одинаковый угол падения. В рамках этого приближения необходимо потребовать, чтобы законы сохранения энергии и z-компоненты импульса в линии приводили к тождественному результату. В этом случае из законов сохранения было получено два уравнения для двух неизвестных параметров теории m и, что позволило определить m с учетом предвестника и исследовать его влияние на основные характеристики волны самоизоляции.

На рис. 48 приведены зависимости отношений характерных токов от напряжения в волне Г, полученных для коэффициентов k = 0 и k = 0.2, к токам, рассчитанным в приближении минимума полного тока в MITL. Здесь k — отношение напряжения в предвестнике к напряжению в ВМС. Учет предвестника приводит к дополнительному увеличению тока в электронной «шубе» Ib и уменьшению тока по катоду IC, хотя для полного тока линии I оба подхода дают близкие значения по сравнению с токами в приближении минимума полного тока в MITL.

Рис. 48. Зависимость отношения токов от напряжения в линии: I, IC и Ib — полный ток, ток по катодной трубе и ток электронов в слое. Индексом min отмечены токи, полученные в приближении минимума полного тока в MITL. Сплошные кривые соответствуют случаю без предвестника (k = 0), штрих-пунктирные — с предвестником (k = 0.2).

(

Научный руководитель работы д.ф.-м.н. В. В. Рыжов) 4.8.3. Решена задача о транспортировке пучка, состоящего из ионов различной зарядности, в плоском эквипотенциальном вакуумном зазоре. На основе численного решения уравнения Пуассона получены значения критических плотностей токов.

Показано, что для двухкомпонентного пучка существуют три режима транспортировки: без виртуального анода, с одним и двумя виртуальными анодами, разделенными в пространстве. Найдены режимы, при которых происходит полная сепарация двухзарядных и однозарядных ионов.

Рассмотрена одномерная стационарная задача о транспортировке многокомпонентного пучка ионов в плоском эквипотенциальном вакуумном зазоре. При решении задачи предполагалось, что ионы имеют одинаковую массу M, но различный заряд (+1, +2), а одно- и двухзарядные ионы имели энергии, некратные их заряду, так что потенциал, необходимый для полной остановки двухзарядных ионов был на 1 меньше, чем для однозарядных, здесь 1 - энергия однозарядных ионов.