КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

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

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-79-10015

НазваниеНаучные основы генерации мегаваттных амплитудно- и широтно- модулированных электронных пучков субмиллисекундной длительности на основе источника с плазменным катодом для эффективной модификации поверхности металлов и сплавов

РуководительВоробьёв Максим Сергеевич, Доктор технических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023  , продлен на 07.2023 - 06.2025. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые словаИсточник электронов, плазменный катод, плазма дугового разряда, электронный пучок, амплитудная модуляция, широтная модуляция, электронно-пучковое воздействие, облучение поверхности материала

Код ГРНТИ29.27.00 29.27.23 29.35.37


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Источники импульсных интенсивных электронных пучков представляют значительный интерес, прежде всего, в связи с перспективностью их использования для обработки поверхности материалов, повышения износостойкости режущего инструмента, увеличения усталостной прочности лопаток турбин и компрессоров, повышения коррозионной стойкости металлических материалов, увеличения электрической прочности вакуумной изоляции и др., и нуждаются в дальнейшем изучении и технологическом совершенствовании. К основным преимуществам импульсного электронно-пучкового облучения можно отнести высокий коэффициент полезного действия электронных источников (до 90 %), высокую эффективность энерговклада в поверхностный объем материала, возможность полного контроля и управления всеми параметрами облучения при высокой степени локализации энергии на поверхности материала, а также сравнительно низкую (±(10÷20)%) неоднородность распределения плотности энергии по сечению пучка, площадь которого может быть более 10 см^2. Кроме этого низкоэнергетические интенсивные электронные пучки генерируются при ускоряющих напряжениях <30 кВ и не требуют создания специальной радиационной защиты, так как сопутствующее рентгеновское излучение экранируется стенками рабочей вакуумной камеры. Кроме использования электронных пучков для улучшения функциональных свойств материалов в коммерческих целях в последние годы проявился интерес к использованию линейных пучково-плазменных систем в исследованиях взаимодействия мощных потоков частиц и плазмы с поверхностью материалов, моделирующих тепловые нагрузки в диверторе будущих токамаков-реакторов во время быстрых переходных процессов в плазме. В этих случаях тепловые нагрузки на материал могут достигать плотности энергии (5 ÷ 80) МДж·м^(-2), плотности мощности (5 ÷ 25) ГВт·м^(-2) в течение времени нагрева 0,3-3 мс. Вышеперечисленные задачи определяют следующие требования к параметрам электронного пучка: энергия частиц до 100 кэВ, мощность пучка (5 ÷ 20) МВт при длительности импульса в субмиллисекундном диапазоне (0,1 - 1) мс и даже выше. При этом электронный пучок со сравнительно невысокой плотностью тока эмиссии (~10 A·см^(-2)) при инжекции в камеру может адиабатически сжиматься в нарастающем магнитном поле, достигая необходимой плотности тока на мишени в области соленоида с максимальной величиной магнитного поля. Применение для решения таких задач, связанных с воздействием интенсивного энергетического потока с поверхностью различных материалов, источников электронов с плазменным эмиттером на основе дугового разряда низкого давления представляется в данном случае наиболее целесообразным и перспективным в силу ряда очевидных достоинств: инженерной простоты, относительной нечувствительности к вакуумным условиям, возможности взаимно независимого изменения тока эмиссии и энергии ускоренных электронов, а, в первую очередь, благодаря способности достижения больших амплитуд эмиссионных токов, что позволяет достигать высокой плотности энергии электронного пучка, достаточной для модификации поверхности металлического материала. Немаловажными факторами являются большой срок службы плазменного эмиттера и его меньшая чувствительность к вакуумным условиям, особенно при наличии значительных газовыделений с поверхностей обрабатываемых материалов. С использованием такого пучка реализуются такие эффекты электронного облучения как сверхвысокоскоростной нагрев, а затем охлаждение поверхности из расплавленного состояния, выглаживание (полировка) поверхности за счет сил поверхностного натяжения расплава при остывании, структурная перестройка и др. Все эти эффекты чрезвычайно сильно зависят от основных параметров пучка и их динамики в течение импульса. Так, поскольку генерация таких электронных пучков открывает новые возможности в материаловедении, а именно, при их использовании для модификации поверхности различных материалов, требующих прецизионных режимов обработки, а также в других исследовательских и технологических применениях, то основной целью настоящего проекта является определение основных механизмов и закономерностей генерации интенсивных электронных пучков, амплитудно- и широтно- модулированных в течение импульса субмиллисекундной длительности в источнике электронов с сетчатым плазменным катодом и плазменным анодом с открытой границей плазмы, что позволит обеспечить генерацию электронного пучка, мощность которого может контролируемо изменяться в течение импульса субмиллисекундной длительности. Дополнительной целью проекта является облучение и исследование поверхности металлических материалов в модулированном режиме генерации интенсивного электронного пучка субмиллисекундной длительности. В рамках заявляемого проекта предлагается создать источник электронов, удовлетворяющий вышеописанным требованиям, а кроме этого ориентированный на введение в таком источнике нового контролируемого параметра, а именно мощности пучка в течение его импульса субмиллисекундной длительности. Решение такой актуальной задачи как генерация интенсивного амплитудно- и широтно- модулированного субмиллисекундного электронного пучка, совокупность параметров которого не имеет мировых аналогов, открывает принципиально новые возможности использования такого электронного пучка как в научных, так и технологических целях. Для решения такой задачи будет использоваться источник электронов "СОЛО" с сетчатым плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Данный источник входит в Комплекс уникальных электрофизических установок России «УНИКУУМ», и запланированная работа, безусловно опирающаяся на многолетний опыт и достижения лаборатории плазменной эмиссионной электроники, в которой работают участники проекта, и смежных привлеченных специалистов, будет выполнена впервые, что определяет ее научную новизну, а описанные возможности использования такого пучка определяют его мировую научную и коммерческую значимость. Отдельно нужно отметить планируемый результат по определению оптимальных режимов облучения металлических материалов, что позволит создать расчетную модель оптимального ввода энергии в поверхность образцов различных материалов в течение субмиллисекундной длительности импульса пучка. Данный результат обладает безусловной научной новизной и востребован как специалистами в области ускорительной техники вне зависимости от типа используемого катода, так и специалистами в области материаловедения, поскольку в ближайшей перспективе использование такого модулированного интенсивного электронного пучка позволит усовершенствовать известные результаты, связанные с модификацией поверхности различных неорганических материалов. В итоге по результатам данного проекта будет получен новый научный результат по формированию, генерации и транспортировке в продольном магнитном поле амплитудно-широтно-модулированных интенсивных электронных пучков, применимый для источников электронов с сетчатыми плазменными катодами на основе разрядов различного типа. Возможность данного источника генерировать субмиллисекундный интенсивный электронный пучок с параметрами, превосходящими возможности известных из литературы мировых аналогов, его высокая энергетическая эффективность, а также возможность его дальнейшей автоматизации позволят существенно расширить сферу применений такого источника, а в частности, позволят в ближайшем будущем использовать такой источник для обработки легкоплавких материалов (например, силумин - активно используемый в авиационной промышленности), тугоплавких материалов (что важно для моделирования тепловых нагрузок в термоядерных исследованиях), а также конструкционных сталей (например, конструкционная сталь для создания на ней слоев и покрытий с заранее прогнозируемыми высокими эксплуатационными свойствами для машин, агрегатов и инструментов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации). Вероятность успешного завершения исследований обусловлена высоким уровнем профессионализма и опыта работы коллектива исполнителей, большим объемом результатов предварительно выполненных исследований по заявляемой тематике и наличием современного приборного обеспечения.

Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта в части исследования эмиссионных свойств сетчатого плазменного катода и создания на его основе источника электронов с контролируемо изменяемой мощностью пучка в течение импульса субмиллисекундной длительности, являются новые знания в инженерной области исследований, которые позволят разработать и создать новый класс источников электронов с программируемо-управляемыми основными параметрами пучка, в том числе с амплитудно- и широтно- модулируемым током пучка, который по совокупности полученных параметров будет превосходить известные отечественные и зарубежные аналоги. Используя модернизированный источник электронов будет проведен цикл исследований по использованию электронно-пучкового облучения для модификации поверхности и создания новых материалов, а с использованием современного диагностического оборудования будет осуществлен комплексный анализ свойств наноструктурированных поверхностных слоев и модифицируемого образца в целом (микро- и нанотвердость, коэффициент трения, износостойкость в условиях трения и резания). С целью разработки принципов упрочнения и обоснования выбора практически значимых металлов и сплавов, а также оптимизации режимов интенсивной электронно-пучковой обработки, будут выработаны рекомендации для дальнейшего использования результатов, полученных при выполнении проекта, в прикладной области. На основании результатов исследований будут сформулированы основные принципы формирования наноструктур при сверхвысоких скоростях нагрева и охлаждения при воздействии интенсивного электронного пучка, плотность мощности которого контролируемо изменяется в течение импульса субмиллисекундной длительности, и экспериментально продемонстрирована возможность использования таких пучков для модификации поверхности металлических материалов и изделий. Ожидаемые результаты будут новыми и оригинальными, поскольку в мировой литературе отсутствуют данные о возможности генерации, а тем более о применении для модификации поверхности металлических материалов широких интенсивных электронных пучков, мощность которых может контролируемо изменяться в субмиллисекундном диапазоне длительностей импульсов. Реализовать такой подход с использованием других источников концентрированных потоков энергии (лазерных, плазменных и др.) в настоящее время не представляется возможным вследствие явных общеизвестных преимуществ электронно-пучковых систем с плазменными катодами перед другими источниками. Следует особо подчеркнуть, что реализация проекта позволит сформулировать и реализовать абсолютно новые режимы облучения поверхности многих материалов и изделий, а, следовательно, существенно улучшить функциональные свойства этих материалов, что будет иметь большое прикладное значение для многих передовых отраслей как отечественной, так и зарубежной промышленности. Поэтому все планируемые результаты проекта будут иметь мировой уровень новизны и направляться для опубликования в ведущие отечественные и зарубежные научные журналы. Достигнутые результаты могут быть использованы на предприятиях Российской Федерации для решения прикладных задач по увеличению износостойкости поверхности наиболее отверственных деталей машин, пар трения, узлов и инструмента для предприятий атомной, авиакосмической и нефтегазовой отраслей и смежных областей, а также на инструментальных участках машиностроительных производств.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За первый год реализации проекта были получены следующие научные результаты: Исследованы условия формирования эмиссионной плазмы в плазменном эмиттере электронов на основе дугового разряда низкого давления в амплитудно-широтно-модулированном режиме при использовании регулировки тока пучка путем изменения тока разряда и, соответственно концентрации катодной эмиссионной плазмы в течение импульса тока субмиллисекундной длительности (сняты ВАХ разряда, основных токов электродной системы (ток полого анода, ток эмиссионного электрода, ток катода) и концентрации эмиссионной плазмы в зависимости от различных условий генерации электронного пучка: давления газа (10–65 мПа), формы тока основного дугового разряда при изменении амплитуды более чем на порядок – увеличение с 15 А до 200 А, уменьшение с 200 А до 15 А на разной длительности импульса тока пучка (от 100 мкс до 1000 мкс). Продемонстрировано, что для динамического управления мощностью электронного пучка в течение импульса субмиллисекундной длительности источник электропитания разряда должен быть размещен на высоковольтной (до 30 кВ) стороне (под потенциалом плазменного катода), что позволяет обеспечить минимальную выходную индуктивность на выходе источника питания разряда, а, следовательно, позволяет осуществлять наиболее быстрое изменение тока дугового разряда (с ≈5 А/мкс до ≈30 А/мкс) и, соответственно, тока пучка в этом же динамическом диапазоне. Использование системы электропитания плазменного катода, имеющей существенно меньшую выходную индуктивность (в ≈ 6 раз), позволило продемонстрировать, что в режимах, когда ток в ускоряющем промежутке Ig существенно (кратно) превышает ток дугового разряда Id, при завершении импульса тока Id ток Ig начинает экспоненциально спадать со значения (Ig - Id) до нуля. Это позволило получить косвенное подтверждение того, что в таких случаях коэффициент извлечения электронов из плазменного катода может быть близок к 100 %, а экспоненциальный спад тока Ig может объясняться скоростью релаксации анодной/пучковой плазмы. Используя новую систему электропитания и управления, позволяющую подавать «пачку» импульсов тока разряда (в количестве более 100 шт.), увеличивая при этом длительность паузы между импульсами и используя поджигающий импульс только для первого импульса, было продемонстрировано, что в диапазоне токов разряда (100–200) А для стабильного зажигания (с вероятностью близкой к 100%) каждого последующего импульса в «пачке» длительность паузы между импульсами тока разряда не должна превышать (80–150) мкс, соответственно. Наличие ускоряющего напряжения позволяет увеличить время паузы на несколько десятков мкс (в зависимости от условий генерации пучка – давления газа, ведущего магнитного поля, ускоряющего напряжения, амплитуды тока разряда и др.). Дальнейшее увеличение паузы между импульсами тока дугового разряда приводит к задержке зажигания разряда из-за релаксации плазмы. Проведенные зондовые исследования позволили установить, что вне зависимости от формы тока дугового разряда (растущая, падающая, постоянная) концентрация эмиссионной плазмы повышается с ростом давления рабочего газа, величины магнитного поля и амплитуды тока разряда Id. Повышение тока дугового разряда приводит к повышению его напряжения горения (растущая ВАХ). При повышении давления напряжение горения уменьшается за счет повышения концентрации плазмы и, соответственно, ее проводимости. Проведены исследования временно́й и пространственной неоднородности электронного пучка при использовании регулировки тока пучка путем изменения концентрации плазмы дугового разряда в течение импульса субмиллисекундной длительности, генерируемого в амплитудно- широтно- модулированном режиме, используя калориметрические измерения и измерения с помощью рентгеновской диагностики (в зависимости от различных условий генерации электронного пучка: давления газа (10–65 мПа), величины ведущего магнитного поля (300–1000 Гс), формы импульсов тока основного разряда). Используя несколько методик, а именно: осциллографирование, зондовый метод, калориметрические измерения, а также рентгеновскую диагностику, которые продемонстрировали удовлетворительное совпадение полученных результатов, было показано, что в первые 50 мкс импульса тока пучка (при общем токе пучка ≳ 100 мкс) имеется компрессия плотности тока и энергии пучка, что связано с перестроением тока разряда внутри плазменного катода, а также с наработкой пучковой/анодной плазмы. На оси пучка скорость изменения этих процессов определяется величиной ведущего магнитного поля, давлением рабочего газа, величиной ускоряющего напряжения, а также амплитудой тока разряда. При переходе к субмиллисекундным длительностям импульса тока пучка, описанное явление компрессии плотности тока эмиссии и плотности энергии пучка нивелируется, но радиальное распределение плотности энергии в плоскости мишени сохраняет форму близкую к функции Гаусса. Продемонстрировано, что возможны режимы генерации, когда удельная энергия импульса тока пучка, состоящего из 2-х ступеней тока разной амплитуды и длительности (вне зависимости от их следования), равна сумме плотностей энергии отдельных ступеней. Получены режимы генерации электронного пучка, мощность которого может контролируемо изменяться в диапазоне (0,4÷4) МВт в течение импульса тока пучка субмиллисекундной длительности при ускоряющих напряжениях (5–25) кВ. Показано, что используя такой сравнительно простой и эффективный способ модуляции тока электронного пучка, можно динамически изменять мощность субмиллисекундного пучка с малой инерционностью управления, ограниченной на уровне не более 0,5 MW/µs. Максимальная мощность пучка для данной системы была ограничена на уровне ≈10 MW имеющейся системой электропитания плазменного катода. При этом мощность пучка может быть не только монотонно или ступенчато падающей, но и постоянной или даже монотонно или ступенчато растущей. Методами математического моделирования проведены расчеты температурного поля, формирующегося в силумине марки АК18 при облучении интенсивным импульсным электронным пучком (при плотности энергии электронного пучка от 10 до 50 Дж/см2 и длительности импульса тока пучка от 50 до 500 мкс), на основе которых был осуществлен выбор режимов облучения и способов управляемого изменения температуры поверхности облучаемой мишени: с удержанием температуры поверхности образца выше температуры плавления силумина (около 1000°С) и с удержанием температуры близкой к температуре плавления силумина ⪅600°С. Показано, что удержание постоянной температуры возможно как за счет амплитудной, так и за счет частотно- или широтно- импульсной модуляции электронного пучка, что расширяет технологические возможности электронно-пучковой модификации поверхности. Выполнен анализ прочностных (микротвердость) и трибологических (износостойкость, коэффициент трения) свойств поверхностного слоя силумина, обработанного электронным пучком с регулируемой плотностью мощности. Показано, что твердость образца, облученного в режиме 20 Дж/см2, 200 мкс и с временем удержания температуры на уровне 600 ℃ в течение 800 мкс превышает микротвердость исходного образца в 2,2 раза, а скорость износа снизилась в 3,7 раз. Показано, что высокоскоростное плавление поверхностного слоя заэвтектического силумина сопровождается изменением параметра кристаллической решетки твердого раствора на основе алюминия. После облучения в течение первых 200 мкс параметр решетки алюминия возрастает, что, возможно, связано с внедрением в решетку алюминия атомов кремния и атомов примесных и легирующих элементов, атомный радиус которых больше атомного радиуса алюминия. Увеличение времени удержания температуры ведет к снижению параметра кристаллической решетки алюминия, что связано, вероятно, с распадом твердого раствора. После облучения заэвтектического силумина электронным пучком в режиме (20 Дж/см2, 200 мкс) содержание кремния, выявленное методами рентгенофазового анализа, снижается с 19% до 14 %, а затем с увеличением времени удержания температуры на уровне 600℃ постепенно возрастает, возвращаясь к исходному значению. Методами дифракционной электронной микроскопии проведены исследования дефектной субструктуры, элементного и фазового состава, морфологии упрочняющих фаз модифицированного слоя образца заэвтектического силумина, облученного в режиме (20 Дж/см2, 200 мкс, время удержания температуры 800 мкс), поскольку он обладает наилучшими прочностными и трибологическими свойствами. Показано, что в модифицированном слое формируется структура высокоскоростной ячеистой кристаллизации. Ячейки разделены прослойками эвтектики алюминий-кремний пластинчатой морфологии. В результате проведенного микрорентгеноспектрального анализа установлено, что в слое образца толщиной не менее 60 мкм, прилегающем к поверхности облучения, формируется структура высокоскоростной ячеистой кристаллизации. При большем удалении от поверхности облучения в структуре образца выявляются включения кремния, характерные для литого состояния исследуемого силумина. Методами микрорентгеноспектрального анализа (метод картирования) установлено, что объем ячеек кристаллизации обогащен атомами алюминия. Ячейки кристаллизации разделены прослойками, имеющими пластинчатую структуру. Данные прослойки обогащены преимущественно атомами кремния и алюминия и представляют собой эвтектику Al-Si пластинчатого типа. Наряду с атомами кремния и алюминия в исследуемом материале обнаружены атомы железа, меди и кислорода, относительное суммарное содержание которых составляет (1 – 2) вес. %. Средний размер ячеек алюминия увеличивается от 0,5 мкм до 2,9 мкм по мере удаления от поверхности облучения образца. Одновременно с этим увеличиваются и поперечные размеры прослоек, разделяющих ячейки от 120 нм до 700 нм. На основании микрорентгеноспектрального анализа выявлены зависимости содержания каждого из присутствующих элементов в зависимости от расстояния от поверхности образца. Содержание железа и меди в образцах заэвтектического силумина изменяется в пределах (0-0,1) % и (0,6 – 0,7) % соответственно. Содержание кремния же с увеличением глубины резко снижается и на уровне от 20 до 60 мкм колеблется между 8% и 10%. На глубине 85 мкм содержание кремния в образце достигает значений, близких к структуре исходного (литого) состояния. Несмотря на то, что в связи с высокой степенью шероховатости облученных образцов не удалось измерить модуль Юнга, при трибологических испытаниях было установлено, что облучение заэвтектического силумина при 20 Дж/см2 в течение 200 мкс с дополнительной выдержкой температуры около температуры плавления в течение 800 мкс приводит к увеличению износостойкости материала в 2,2 раза, а также к снижению скорости износа в 3,7 раз по сравнению с необлученным образцом. Основываясь на результатах исследований структурно-фазового состояния силумина, выполненных методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии, можно заключить, что выявленное увеличение износостойкости образцов обусловлено формированием ячеистой структуры и измельчением крупных включений кремния и интерметаллидов, что не наблюдалось при традиционных режимах электронно-пучковой модификации поверхности. За первый год реализации проекта подготовлено и направлено в печать рецензируемых российских и зарубежных научных изданий, индексируемых в системах “WoS”, “SCOPUS” и РИНЦ, 7 статей, одна из которых входит во второй квартиль, и сделано 10 докладов на конференциях различного уровня.

 

Публикации

1. В. И. Шин, П. В. Москвин, М. С. Воробьев, В. Н. Девятков, С. Ю. Дорошкевич, Н. Н. Коваль ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ УСКОРЯЮЩЕГО ЗАЗОРА В ИСТОЧНИКЕ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, № 2, с. 69–75 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.31857/S0032816221020191

2. Елизавета Петрикова, Юрий Иванов, Мария Рыгина, Александр Прудников, Антон Тересов, Максим Воробьев The Structure and Mechanical Characteristics of the Hypereutectic Silumin (Al–22–24 wt.% Si), Irradiated by a Pulsed Electron Beam IEEE, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241981

3. М.С. Воробьёв, П.В. Москвин, В.И. Шин, Н.Н. Коваль, К.Т. Ашурова, С.Ю. Дорошкевич, В.Н. Девятков, М.С. Торба, В.А. Леванисов Динамическое управление мощностью мегаваттного электронного пучка субмиллисекудной длительности в источнике с плазменным катодом Письма в ЖТФ, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.10.50972.18719

4. Максим Воробьёв, Антон Тересов, Павел Москвин, Николай Коваль, Сергей Дорошкевич, Владислав Шин A Method of Controlling a Rate of an Energy Input into a Target Surface Using a Submillisecond Electron Beam IEEE, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241895

5. Максим Воробьев, Сергей Дорошкевич, Елена Покровская, Константин Артемов Measurement and Calculation of the Absorbed Dose During Irradiation of the Grain by a Pulse Electron Beam with Energy up to 160 keV IEEE, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242035

6. Н.Н. Коваль, В.Н. Девятков, М.С. Воробьёв Источники электронов с сеточным плазменным эмиттером: прогресс и перспективы Известия высших учебных заведений. Физика., Том: 63 Номер: 10 (754) Год: 2020 Страницы: 7-16 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.17223/00213411/63/10/7

7. Сергей Дорошкевич, Степан Сулакшин, Максим Воробьёв, Арам Екавян, Николай Коваль, Алексей Чистяков Electron Accelerator Based on Ion-Electron Emission for Generation of a Wide-Aperture Beam IEEE, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241926

8. Воробьёв М.С., Тересов А.Д, Коваль Н.Н., Коваль Т.В., Ашурова К.Т., Москвин П.В., Петрикова Е.А., Яковлев В.В., Дорошкевич С.Ю., Шин В.И. СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ -, RU 2 746 265 C1 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За второй год реализации проекта были получены следующие результаты: 1. Спроектирована конструкция плазменного эмиттера и проведена модернизация имеющегося источника электронов для реализации сеточного режима управления током пучка в амплитудно- и широтно- модулированном режимах за счет контролируемого изменения протяженности ионного слоя на эмиссионном электроде в течение импульса субмиллисекундной длительности; 2. Разработано техническое задание на изготовление источника электропитания разряда плазменного катода, обеспечивающего возможность амплитудной и широтной модуляции напряжения в течение импульса до 1 мс (для реализации п.1); 3. Исследованы механизмы генерации электронного пучка при регулировке тока пучка путем изменения протяженности ионного слоя на эмиссионном электроде в течение импульса субмиллисекундной длительности (снятие ВАХ дугового разряда, основных токов электродной системы в зависимости от условий генерации электронного пучка: давления газа (15–60 мПа), величины ведущего магнитного поля (300–1000 Гс), формы импульса потенциала смещения на эмиссионный электрод); 4. Определены условия уменьшения фронта тока пучка с возможностью его генерации в модулированном режиме путем изменения протяженности ионного слоя, а также проведен поиск минимально возможной длительности импульса тока пучка в такой электродной системе (согласно модернизации п. 1) при достижении плотности энергии пучка ≈ 10 Дж/см2 при длительности импульса около 30 мкс на полувысоте. Показано, что фронт тока пучка уменьшается с увеличением давления аргона от 20 до 70 мПа наблюдается уменьшение скорости роста управляющего напряжения с 22 В/мкс до примерно 8 В/мкс, однако скорость роста токов в ускоряющем промежутке и на эмиссионный электрод в этом случае находилась в пределах (6-9) А/мкс, не существенно уменьшаясь при увеличении транспортирующего магнитного поля. 5. Для источника электронов, созданного при выполнении п.1, получены режимы генерации электронного пучка, мощность которого может контролируемо изменяться в диапазоне (0,4÷2,5) МВт в течение импульса тока пучка длительностью до 100 мкс в модулированном режиме путем изменения протяженности ионного слоя при ускоряющих напряжениях (5–25) кВ. Ограничивающим фактором максимальной мощности в ускоряющем промежутке является уменьшение коэффициента переключения тока разряда на эмиссионный электрод с увеличением тока разряда, а также электрические пробои на фронте и срезе генерируемых импульсов в режимах с увеличенным током на этих участках. 6. Проведены исследования радиальной неоднородности электронного пучка в плоскости мишени, генерируемого в амплитудно- широтно- модулированном режиме путем изменения протяженности ионного слоя на эмиссионном электроде как при субмиллисекундной длительности пучка, так и при переходе к длительностям импульса пучка до 100 мкс, используя калориметрические измерения и измерения с помощью рентгеновской диагностики (в зависимости от различных условий генерации электронного пучка: давления газа (15–60 мПа), величины ведущего магнитного поля (300–1000 Гс), формы импульса потенциала смещения на эмиссионный электрод). Показано, что профиль плотности энергии пучка на мишени зависит от условий генерации таким образом, что при увеличении давления рабочего газа, амплитуды тока в ускоряющем промежутке и величины ведущего магнитного поля проявляется пикирование плотности энергии пучка к оси системы источника электронов. 7. Проведены исследования по подбору режимов и способов управляемого изменения температуры поверхности облучаемой мишени (вольфрам в качестве мишени), используя сеточное управление током пучка как при субмиллисекундной длительности пучка, так и при переходе к длительностям импульса тока пучка до 100 мкс. Определены предельные режимы генерации модулированного электронного пучка в таком режиме; 8. Проведено напыление пленки ниобия толщиной ≈3 мкм на поверхность образцов стали марки 40Х электродуговым способом (сформирована система «пленка (Nb) / (40Х) подложка»); 9. Методами математического моделирования проведены расчеты температурного поля, формирующегося в системе «пленка (Nb) / (40Х) подложка» при легировании поверхности системы интенсивным импульсным электронным пучком (при плотности энергии электронного пучка от 10 до 50 Дж/см2 и длительности импульса тока пучка от 50 до 500 мкс). Осуществлен выбор режимов облучения, позволяющих проводить модифицирование системы «пленка (Nb) / (40Х) подложка» в предплавильном режиме для ниобия и режиме плавления для поверхностного слоя стали 40Х; 10. Проведено легирование поверхности образов, подготовленных в п. 8, электронным пучком, используя режимы облучения, выбранные на основании результатов математического моделирования и расчета температурного поля. Режимы облучения были выбраны таким образом, чтобы поверхностный слой был прогрет выше температуры плавления стали (1450-1550℃), но при этом не достигал температуры плавления ниобия (2500℃), то есть находился на уровне около 2000℃. Исходя из этого были выбраны следующие режимы: прямоугольные импульсы тока длительностью 50 мкс и 100 мкс, импульсы с изменяющимся током пучка, при которых достигается температура поверхности 2000℃ и происходит ее поддержание в течение 150 мкс (общая длительность импульса 300 мкс) и 350 мкс (суммарная длительность импульса 500 мкс). 11. Выполнены механические (измерение микротвёрдости) и трибологические (определение износостойкости и коэффициента трения) испытания образцов, облученных электронным пучком; 12. Экспериментально выявлены оптимальные режимы облучения образцов, подготовленных в п. 8, в модулированных режимах, позволяющие формировать поверхностный слой образца, обладающий сравнительно высокими износостойкостью и твердостью. Выявлено, что после облучения в каждом из четырех режимов значение микротвердости находится в диапазоне 800-900 кг/мм2, что превышает микротвердость исходного образца (500 кг/мм2) в 1.6 – 1.8 раз. После облучения снижается скорость износа – в режимах облучения с длительностью 50 мкс и 100 мкс в 30-35 раз, при удержании температуры около 2000 ℃ в 45-60 раз. 13. Методами рентгеноструктурного анализа, оптической, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии осуществлены исследования элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры образцов, подготовленных в п. 8, и облученных электронным пучком в выявленном оптимальном режиме (в режиме, позволяющем формировать поверхностный слой, обладающий относительно высокими значениями твердости и износостойкости); 14. Выявлены закономерности эволюции дефектной субструктуры, фазового и элементного состава, механических (твердость) и трибологических (износостойкость и коэффициент трения) свойств образцов, подготовленных в п. 8 и подвергнутых электронно-пучковой обработке. Выявлено, что по мере увеличения длительности воздействия электронным пучком на поверхность происходит залечивание микропор до практически полного их исчезновения при максимальной длительности облучения. Также выявлено, что с увеличением длительности прогрева поверхностного слоя уменьшается концентрация ниобия на поверхности с 97.7 at.% до 0.65 at.%, что может быть связано как с погружением ниобия в сталь, так и с растворением ниобия в поверхностном слое стали. 15. За первый и второй год реализации проекта опубликовано в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях 8 статей, индексируемых в системах “WoS” и “SCOPUS” и 13 статей в РИНЦ, 7 статей, одна из которых входит в первый квартиль, и сделано 10 докладов на конференциях различного уровня. Информация приведена без учета статей, направленных в журналы, но еще не опубликованных.

 

Публикации

1. Ашурова К.Т., Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Рыгина М.Е., Воробьев М.С. Структура и свойства заэвтектического силумина, модифицированного миллисе-кундным электронным пучком Пленки и покрытия-2021: Труды 15-й Международной конференции., сс. 322-324 (год публикации - 2021)

2. В.И. Шин, П. В. Москвин, М. С. Воробьёв, В. Н. Девятков, Н. Н. Коваль Energy density distribution of a modulated electron beam in a source with a plasma cathode based on a low pressure arc Journal of Physics: Conference Series, 2064 (2021) 012066 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012066

3. К. Т. Ашурова, М. С. Воробьёв, Е. А. Петрикова, Ю. Ф. Иванов, П. В. Москвин, М. Е. Рыгина Surface modification of hypereutectic silumin subjected to a millisecond modulated electron beam treatment Journal of Physics: Conference Series, 2064 (2021) 012045 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012045

4. М.С. Воробьёв, П.В. Москвин, В.И. Шин, Т.В. Коваль, В.Н. Девятков, С.Ю. Дорошкевич, Н.Н. Коваль, М.С. Торба, К.Т. Ашурова Отрицательная обратная связь по току в ускоряющем промежутке в источниках электронов с плазменным катодом Журнал технической физики, вып.6, том 92, с. 883-888 (год публикации - 2022)

5. Максим Воробьёв, Тамара Коваль, Владислав Шин, Павел Москвин, Ми Ким Ан Тран, Николай Коваль, Камилла Ашурова, Сергей Дорошкевич, Максим Торба Controlling the Specimen Surface Temperature During Irradiation With a Submillisecond Electron Beam Produced by a Plasma-Cathode Electron Source IEEE Transactions on Plasma Science, Volume: 49, Issue: 9, PP. 2550 – 2553 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3089001

6. Н.Н. Коваль, В.Н. Девятков, М.С. Воробьёв Electron sources with plasma grid emitters progress and prospects Russian Physics Journal, Vol. 63, No.10, pp. 1651-1660 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1007/s11182-021-02219-3

7. П. В. Москвин, В. Н. Девятков, В. И. Шин, М. С. Воробьёв, Н. Н. Коваль, И. В. Лопатин Methods of increasing the dielectric strength of the accelerating gap in an electron source with a plasma cathode Journal of Physics: Conference Series, 2064 (2021) 012119 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012119

8. П.В. Москвин, В.Н. Девятков, М.С. Воробьёв, В.И. Шин, И.В. Лопатин, Н.Н. Коваль, С.Ю. Дорошкевич, М.С. Торба Electron beam generation in an arc plasma source with an auxiliary anode plasma Vacuum, Volume 191, 110338 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110338

9. С. Ю. Дорошкевич, К. П. Артёмов, Н. Н. Терещенко, Т. И. Зюбанова, М. С. Воробьёв, Е. Е. Акимова, О. М. Минаева, Е. А. Покровская, В. И. Шин, М. С. Торба, В. А. Леванисов Предпосевная обработка семян яровой пшеницы импульсным электронным пучком в атмосфере ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, том 55, № 4, с. 326–332 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.31857/S0023119321040069

10. С. Ю. Дорошкевич, М. С. Воробьёв, М. С. Торба, Н. Н. Коваль, С. А. Сулакшин, В. А. Леванисов Efficiency of electron beam extraction to the ambient atmosphere in an electron accelerator based on ion-electron emission Journal of Physics: Conference Series, 2064 (2021) 012116 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012116

11. Шин В.И., Воробьёв М.С., Москвин П.В., Девятков В.Н. Генерация электронного пучка с управляемой в течение импульса субмиллисекундной длительности мощностью Быстрозакаленные материалы и покрытия: Материалы XVIII-й Международной научно-технической конференции, с. 372-377 (год публикации - 2021)

12. Ашурова К.Т., Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Рыгина М.Е., Воробьев М.С. Исследование влияния времени существования расплава на структуру и свойства силумина заэвтектического состава Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», с. 113-114 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.17223/978-5-907442-03-0-2021-065

13. К. Ашурова, Ю. Иванов, Е. Петрикова, М. Воробьёв, М. Рыгина Research of the melt life time influence on the structure and properties of hypereutectic si-lumin The book of abstracts of the 5 th International Summer School on the Physics of Plasma-Surface Interactions, pp. 9 (год публикации - 2021)

14. - Сибирские ученые управляют электронным пучком во время его импульса газета "Наука в Сибири", 12 августа 2021 (год публикации - )

15. - Управление энергией электронного пучка газета "Томские новости", № 34 (1104) от 20 августа 2021 года, стр.13 (год публикации - )

16. - Достичь цели одним импульсом газета «Академический проспект», 12 августа 2021 г. (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Спроектирована конструкция плазменного эмиттера и проведена модернизация имеющегося источника электронов для реализации комбинированного режима управления током пучка в течение импульса субмиллисекундной длительности в амплитудно- и широтно- модулированном режимах за счет контролируемого изменения концентрации эмиссионной плазмы и протяженности ионного слоя на эмиссионном электроде, имеющего увеличенную площадь эмиссии (диаметр эмиссионной сетки увеличен до 85 мм) с катодным узлом, обеспечивающего генерацию дугового разряда низкого давления при амплитуде и длительности импульса тока разряда до 500 А и до 1 мс, соответственно. 2. Реализовано увеличение сечение генерируемого модулированного электронного пучка с ≈3 см2 до ≈12 см2, т.е. в 4 раза, имеющего, однако, высокую степень неоднородности плотности тока (выше 50%). 3. Исследованы механизмы генерации электронного пучка при одновременной регулировке тока пучка как путем изменения концентрации эмиссионной плазмы, так и путем изменения протяженности ионного слоя на эмиссионном электроде, диапазон регулировки мощности пучка расширен на более чем два порядка в течение импульса субмиллисекундной длительности (с 6 до 1100 кВт.). 4. Проведены исследования радиальной неоднородности электронного пучка в плоскости мишени, генерируемого в амплитудно- широтно- модулированном режиме при одновременной регулировке тока пучка за счет изменения концентрации эмиссионной плазмы и протяженности ионного слоя на эмиссионном электроде в течение импульса субмиллисекундной длительности, используя калориметрические измерения в зависимости от условий генерации электронного пучка: давления газа (20–50 мПа), величины ведущего магнитного поля (300–1000 Гс), формы импульсов тока дугового разряда и потенциала смещения на эмиссионный электрод. Показано, что при генерации модулированного электронного пучка в указанном диапазоне давлений и умеренной величине магнитного поля неоднородности плотности энергии пучка на мишени имеют схожую формы и высокую неоднородность (более 50%). При превышении магнитного поля более 60 мТл удается снизить степень неоднородности пучка на мишени, однако управляемость тока в ускоряющем промежутке и его прогнозирование существенно затрудняются. 5. Разработан алгоритм, позволяющий реализовывать заданную функцию изменения температуры поверхности образца в следующей последовательности: «задание функции температуры – определение требуемой функции мощности электронного пучка – задание начальных условий генерации – определение требуемой функции изменения тока пучка и тока разряда – преобразование сигнала тока разряда в амплитудно-широтно-модулированный режим». Эксперимент показал удовлетворительное совпадение между ожидаемым и реальным графиками температуры в течение импульса генерации пучка. 6. Проведено напыление пленки титана толщиной 5 мкм и пленки алюминия толщиной 5 мкм на поверхность образцов стали 12Х18Н10Т электродуговым способом (сформирована система «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т) подложка»). 7. Методами математического моделирования проведены расчеты температурного поля, формирующегося в системе «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т) подложка» при легировании поверхности системы интенсивным импульсным электронным пучком (при плотности энергии электронного пучка от 10 до 50 Дж/см2 и длительности импульса тока пучка от 50 до 500 мкс). Осуществлен выбор режимов облучения, позволяющих проводить модифицирование системы «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т) подложка» в режиме плавления для пленки алюминия. 8. Проведено легирование поверхности образов, подготовленных в п. 6, электронным пучком, используя режимы облучения, выбранные на основании результатов математического моделирования и расчета температурного поля. Режимы облучения были выбраны таким образом, чтобы поверхностный слой был прогрет выше температуры плавления алюминия (>650℃), но при этом не достигал температуры плавления стали и титана (<1500℃), то есть находился на уровне около 1000℃. 9. Выполнены механические (измерение микротвёрдости) и трибологические (определение износостойкости и коэффициента трения) испытания образцов, облученных электронным пучком. 10. Экспериментально выявлены оптимальные режимы облучения образцов, подготовленных ранее, в модулированных режимах, позволяющие формировать поверхностный слой образца, обладающий сравнительно высокими износостойкостью и твердостью. Показано, что микротвердость поверхности у одного из образцов, облученных модулированным электронным пучком, может превышать микротвердость исходного образца более чем на 22%, а скорость износа снижается ≈ в 1300 раз при незначительном изменении коэффициента трения. Основываясь на результатах исследований структурно-фазового состояния модифицированной стали, выполненных методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии, можно заключить, что повышение механических (микротвердость) и трибологических (параметр износа) свойств системы «пленка (алюминий+титан)/(сталь 12Х18Н10Т) подложка» обусловлено формированием субмикро- нанокристаллической многофазной структуры, содержащей включения интерметаллидных фаз типа Al5NiFe, NiTi, Al6Fe, Al13Fe4, CrNiTiFe. 11. Методами рентгеноструктурного анализа, оптической, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии осуществлены исследования элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры образцов системы «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т) подложка», облученных электронным пучком в выявленном оптимальном режиме (в режиме, позволяющем формировать поверхностный слой, обладающий относительно высокими значениями твердости и износостойкости). Показано, что после обработки образцов в различных режимах на их поверхности присутствуют области, обогащенные алюминием, и области, на которых преобладает титан. Также были реализованы режимы, в которых происходит полное плавление всех структурных элементов и их дальнейшее перемешивание, соответственно, на поверхности присутствуют как элементы покрытия, так и подложки. 12. Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии установлено, что в поверхностном слое системы «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т) подложка» в результате облучения модулированным электронным пучком формируется субмикро- нанокристаллическая многофазная структура преимущественно столбчатого (ячеистого) типа. Толщина слоя с субмикро- нанокристаллической структурой достигает 20 мкм. При большем удалении от поверхности облучения выявляется поликристаллическая структура стали, характеризующаяся высокой плотностью дислокаций. Объем ячеек кристаллизации слоя подложки, контактирующего с пленкой, обогащен атомами железа, хрома и никеля. Ячейки разделены прослойками, обогащенными атомами алюминия и титана. Обратная картина наблюдается при анализе распределения элементов в слое покрытия, а именно, объем ячеек кристаллизации обогащен атомами титана и алюминия, прослойки, разделяющие ячейки, обогащены атомами железа, никеля и хрома. 13. За третий год реализации проекта опубликовано 10 статей и полных текстов докладов, 5 из которых индексируются в системах WoS и SCOPUS, 4 индексируются в базе RSCI. Написано и опубликовано 2 патента. Подготовлено и сделано 17 докладов на российских и международных конференциях различного уровня (в т.ч. с выездом в командировки). В итоге за три года реализации проекта опубликовано 27 статей и полных текстов докладов (из заявленных 15 статей), одна из которых имеет квартиль Q1, 18 из которых индексируются в системах WoS и SCOPUS, 8 индексируются в базе RSCI. Написано и опубликовано 3 патента. Подготовлено и сделано 40 докладов на российских и международных конференциях различного уровня (в т.ч. с выездами в командировки).

 

Публикации

1. В.И. Шин, М.С. Воробьёв, П.В. Москвин, В.Н. Девятков, В.В. Яковлев, Н.Н. Коваль, М.С. Торба, Р.А. Картавцов, С.А. Воробьёв ШИРОТНАЯ И АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ТОКА ПУЧКА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО МОЩНОСТЬЮ В ТЕЧЕНИЕ ИМПУЛЬСА СУБМИЛЛИСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ И З В Е С Т И Я В У З О В . Ф И З И К А, 2022, T. 65, № 11, С.176-184 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17223/00213411/65/11/176

2. М. С. Воробьёв, П. В. Москвин, В. И. Шин, Т. В. Коваль, В. Н. Девятков, Н. Н. Коваль, К. Т. Ашурова, С. Ю. Дорошкевич, М. С. Торба, В. А. Леванисов ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА ДУГИ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ГЕНЕРИРУЕМОГО ПУЧКА В ИСТОЧНИКЕ ЭЛЕКТРОНОВ С СЕТОЧНЫМ ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2022, том 60, выпуск 4, страницы 488–495 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0040364422040160

3. М.С. Воробьев, К.Т. Ашурова, Ю.Ф. Иванов, П.В. Москвин, Е.А. Петрикова, М.С. Петюкевич, М.Е. Рыгина, В.И. Шин, С.Ю. Дорошкевич TREATMENT OF SILUMIN SURFACE BY A MODULATED SUBMILLISECOND ELECTRON BEAM High Temperature Material Processes, 26(4):1–10 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2022043754

4. М.С. Воробьёв,П.В. Москвин, В.И. Шин, Т.В. Коваль, В.Н. Девятков, С.Ю. Дорошкевич,Н.Н. Коваль, М.С. Торба, К.Т. Ашурова Отрицательная обратная связь по току в ускоряющем промежутке в источниках электронов с плазменным катодом Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 6, с.883-888 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/JTF.2022.06.52519.14-22

5. С. Ю. Дорошкевич, М. С. Воробьёв, М. С. Торба, А. А. Гришков, Н. Н. Коваль, С. А. Сулакшин, В. В. Шугуров, В. А. Леванисов ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ И ВЫВОДА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В АТМОСФЕРУ В ШИРОКОАПЕРТУРНОМ УСКОРИТЕЛЕ НА ОСНОВЕ ИОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, № 3, с. 53–60 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0032816223020052

6. Д. Ю. Петухов, М. С. Воробьев, С. Ю. Дорошкевич, М. С. Торба, Н. Н. Терещенко, Е. С. Кашеутова Предпосевная обработка семян на импульсном широкоапертурном ускорителе электронов с плазменным катодом Материалы XII Международной конференции «Химия нефти и газа», с.327-328 (год публикации - 2022)

7. Дорошкевич С.Ю., Воробьёв М.С., Торба М.С., Артёмов К.П., Леванисов В.А., Коваль Н.Н., Сулакшин С.А. Генерация и применение электронных пучков большого сечения в ускорителях с плазменными эмиттерами и выводом пучка в атмосферу Материалы XII Всероссийской конференции Физическая Электроника-2022, 19–22 октября 2022 г., г. Махачкала, с. 62-67 (год публикации - 2022)

8. С. Ю. Дорошкевич, М. С. Воробьев, М. С. Торба, В. А. Леванисов, Н. Н. Коваль, С. А. Сулакшин Низкоэнергетические ускорители электронов с плазменным эмиттером и выводом пучка в атмосферу для обработки органических материалов Материалы XII Международной конференции «Химия нефти и газа», 26–30 сентября 2022 года, Томск, Россия, с.315-316 (год публикации - 2022)

9. Торба М.С., Дорошкевич С.Ю., Воробьёв М.С., Коваль Н.Н., Ежов В.В., Сулакшин С.А., Картавцов Р.А. Генерация радиально сходящегося электронного пучка в источнике с сеточным многодуговым плазменным катодом для всесторонней модификации поверхности металлических изделий сложной формы Материалы XII Всероссийской конференции Физическая Электроника-2022, 19–22 октября 2022 г., г. Махачкала, с. 100-103 (год публикации - 2022)

10. Шин В.И., Воробьев М.С., Москвин П.В., Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Картавцов Р.А. Способы управления мощностью электронного пучка в течение его импульса субмиллисекундной длительности генерируемого источником с плазменным катодом Материалы XII Всероссийской конференции Физическая Электроника-2022, 19–22 октября 2022 г., г. Махачкала, с. 104-109 (год публикации - 2022)

11. Воробьёв М.С., Москвин П.В., Шин В.И., Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Коваль Т.В., Дорошкевич С.Ю., Торба М.С., Ашурова К.Т., Леванисов В.А. Способ генерации электронного пучка для источников электронов с плазменными эмиттерами и анодной плазмой патент, 2021138931 (год публикации - 2022)

12. Рыгина М.Е., Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Тересов А.Д., Воробьёв М.С., Ашурова К.Т. Способ модифицирования заэвтектического силумина марки АК20 патент, 2022108420 (год публикации - 2022)


Возможность практического использования результатов
Созданный за время реализации проекта источник электронов отличается уникальностью параметров генерируемого пучка и превосходит известные отечественные и зарубежные аналоги. Используя модернизированный источник электронов был проведен цикл исследований по использованию электронно-пучкового облучения для модификации поверхности и создания новых материалов, а с использованием современного диагностического оборудования был осуществлен комплексный анализ свойств наноструктурированных поверхностных слоев и модифицируемого образца в целом (микро- и нанотвердость, коэффициент трения, износостойкость в условиях трения и резания). С целью разработки принципов упрочнения и обоснования выбора практически значимых металлов и сплавов, а также оптимизации режимов интенсивной электронно-пучковой обработки, были выработаны рекомендации для дальнейшего использования результатов, полученных при выполнении проекта, в прикладной области. На основании результатов исследований были сформулированы основные принципы формирования наноструктур при сверхвысоких скоростях нагрева и охлаждения при воздействии интенсивного электронного пучка, плотность мощности которого контролируемо изменяется в течение импульса субмиллисекундной длительности, и экспериментально продемонстрирована возможность использования таких пучков для модификации поверхности металлических материалов и изделий. Следует особо подчеркнуть, что реализация проекта позволила сформулировать и реализовать абсолютно новые режимы облучения поверхности многих материалов и изделий, а, следовательно, существенно улучшить функциональные свойства этих материалов, что имеет большое прикладное значение для многих передовых отраслей как отечественной, так и зарубежной промышленности. Достигнутые результаты могут быть использованы на предприятиях Российской Федерации для решения прикладных задач по увеличению износостойкости поверхности наиболее ответственных деталей машин, пар трения, узлов и инструмента для предприятий атомной, авиакосмической и нефтегазовой отраслей и смежных областей, а также на инструментальных участках машиностроительных производств. Для реализации возможностей оборудования, разработанного в рамках первых трех лет проекта, требуется проведение завершающей стадии исследований, ориентированных на снижение неоднородности плотности энергии электронного пучка, его сечения, а также повышение стабильности генерации пучка, заключающейся в удовлетворительной управляемости импульсов тока пучка и их воспроизводимости. Дополнительные исследования многодугового сеточного плазменного катода и создания на его основе источника электронов, позволяющего стабильно генерировать электронный пучок с хорошей управляемостью импульсов тока пучка, их повторяемостью, а также удовлетворительной неоднородностью плотности энергии пучка с контролируемо изменяемой мощностью в течение импульса субмиллисекундной длительности как за счет изменения концентрации эмиссионной плазмы, так и за счет изменения протяженности ионного слоя позволят не только получить новые знания в инженерной области исследований, но и в краткосрочной перспективе создать новый класс источников электронов с программируемо-управляемыми основными параметрами пучка пригодный для использования в Российской промышленности и не только. Ожидаемые результаты будут новыми и оригинальными, поскольку ориентированы на дальнейшее расширение диапазона параметров электронного пучка и стабильность его генерации в системе источника электронов с сеточной стабилизацией границы эмиссионной плазмы и открытой границей анодной плазмы, нарабатываемой самим электронным пучком. Поскольку в мировой литературе отсутствуют данные о возможности генерации, а тем более о применении для модификации поверхности металлических материалов широких интенсивных электронных пучков, мощность которых может контролируемо изменяться в субмиллисекундном диапазоне длительностей импульсов (кроме данных авторов), то полученные данные будут пользоваться востребованностью среди ученых всего мира.