Разработка научных основ экстремально высокодозовой имплантации ионов высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии.

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

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

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-19-01169

НазваниеРазработка научных основ экстремально высокодозовой имплантации ионов высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии.

Руководитель Рябчиков Александр Ильич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-303 - Сильноточная электроника и электроника больших мощностей

Ключевые слова Экстремально высокодозовая имплантация ионов, вакуумная дуга, макрочастицы, высокоинтенсивные ионные пучки, модификация свойств материалов.

Код ГРНТИ29.19.17, 29.19.21, 29.27.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие нового метода формирования ионных пучков и разработку источников высокоинтенсивных импульсно – периодических пучков ионов металлов и газов низкой энергии с плотностью тока до нескольких ампер на квадратный сантиметр, а также методов модификации такими пучками элементного состава, структуры и свойств металлов и сплавов. Актуальность проблемы обусловлена необходимостью разработки нового класса технологий ионной модификации структуры и свойств поверхностей деталей и изделий различного назначения, обеспечивающих формирование протяженных ионно - легированных слоев, на несколько порядков превышающих пробеги ионов, с соответствующим многократным увеличением эксплуатационных свойств. Научная новизна проекта заключается как в новизне метода формирования высокоинтенсивных пучков ионов низкой энергии, так и в новых подходах к ионному насыщению поверхности предусматривающих экстремально - высокодозовое ионное облучение поверхности мишени в твердом и даже ионно -расплавленном состоянии. Проект включает в себя несколько взаимосвязанных задач. Проводится исследование фундаментальных закономерностей импульсно периодического формирования высокоинтенсивных пучков ионов металлов и газов низкой (от долей до нескольких кэВ)энергии, но очень высокой плотности тока (до нескольких А/см^2). Для формирования пучков ионов газов используется плазма вакуумного дугового разряда с накаленным катодом. Пучки ионов металлов формируются из плазмы вакуумной дуги. Впервые для разделения пучка ионов и макрочастиц вакуумного дугового разряда предлогается система типа «солнечное затмение». Специальный диск на сеточном электроде исключает попадание макрочастиц в область пучка на мишени. В тоже время траектории ионов изменяют свое направление движения в ускоряющем зазоре, обеспечивая попадание сфокусированного пучка на мишень в область, затемненную от катодных пятен на рабочей поверхности катода. Формирование импульсно периодических сильноточных пучков ионов предусматривает плазменно - иммерсионное формирование ионного потока сеточным электродом под отрицательным потенциалом, погруженным в плазму. Впервые предлагается использовать плазменно – иммерсионное формирование ионного потока с его последующей транспортировкой и баллистической фокусировкой в эквипотенциальном пространстве дрейфа ионного пучка. В рамках проекта исследуется влияние конфигурации и структуры сеточного электрода, размеров и конфигурации, отсекающего макрочастицы, диска, характеристик эквипотенциального пространства дрейфа пучка, предварительной инжекции плазмы в область баллистической фокусировки пучка, амплитудно – частотных характеристик потенциала смещения, сорта и параметров плазмы на закономерности формирования высокоинтенсивных пучков ионов металлов и газов микросекундной длительности с плотностью тока до нескольких А/см^2. Проект предусматривает теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей формирования и трансформации температурных полей в металлических мишенях при воздействии на них импульсно периодических ионных пучков высокой интенсивности (длительность импульсов от 1 мкс до нескольких десятков мкс, частота импульсов – от одиночных до 10^5 имп/с, коэффициент заполнения импульсов - до 0,9). Особое внимание в проекте уделяется изучению условий и закономерностей создания ионным пучком расплавленного поверхностного слоя металла. В качестве облучаемых мишеней исследуются четыре сорта металлов широко используемых в различных областях промышленного производства и существенно отличающихся по составу и теплофизическим характеристикам (алюминий, титан, нержавеющая сталь, сталь 40 Х. В рамках проекта изучаются фундаментальные закономерности имплантации ионов азота, алюминия и титана пучками с плотностью тока в широком диапазоне от 5 мА/см^2 до 2 А/см^2 при плотности мощности в ионном пучке до 3 кВт/см^2. Планируется исследование влияния на закономерности накопления и пространственного распределения алюминия, титана в титановой и алюминиевой мишенях, а азота в нержавеющей стали, титане и стали 40 Х при высоких и сверх высоких дозах облучения в диапазоне от 10^18 ион/см^2 до 2·10^22 ион/см^2. Уделяется внимание изучению влияния коэффициента ионного распыления поверхности и его подавления на накопление легирующей примеси. Исследуются механизмы массопереноса внедряемой примеси при высокоинтенсивном ионном облучении, в том числе, в условиях ионного расплавления поверхностного слоя металлов (алюминий, титан) и сплавов (нержавеющая сталь, сталь 40 Х). Проект предусматривает исследование закономерностей изменения элементного состава и микроструктуры облучаемых мишеней по глубине. Исследуются макроскопические свойства ионно – модифицированных поверхностей(твердость по глубине модифицированного слоя, морфология поверхности, износостойкость, коэффициент трения). На основе анализа результатов всего комплекса экспериментальных и теоретических исследований формулируются основополагающие принципы модификации металлов и сплавов высокоинтенсивными импульсно - периодическими пучками ионов низкой энергии (от долей до единиц кэВ), с плотностью тока в диапазоне от долей до нескольких ампер на квадратный сантиметр.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.И. Рябчиков, Д.О. Сивин, П.С. Ананьин, В.В. Углов, О.С. Корнева Din 1.7035 steel modification with high intensity nitrogen ion implantation Russian Physics Journal, Vol. 61, Issue. 2, pp. 270–277. (год публикации - 2018)
10.1007/s11182-018-1397-3

2. А.И. Рябчиков, А.Э. Шевелев, Д.О. Сивин, Т.В. Коваль, Трэн Май Ким Эн High intensity, macroparticle-free, aluminum ion beam formation Journal of Applied Physics, Vol. 123 (23), P. 233301 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5034082

3. А.И. Рябчиков, Д.О. Сивин, О.С. Корнева, И.В. Лопатин, П.С. Ананьин, Н.А. Прокопенко, Ю.Х. Ахмадеев High-current-density gas ion ribbon beam formation Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A, Vol. 906, pp. 56–60 (год публикации - 2018)
10.1016/j.nima.2018.07.088

4. Н.Н. Коваль, А.И. Рябчиков, Д.О. Сивин, И.В. Лопатин, О.В. Крысина, Ю.Х. Ахмадеев, Д.Ю. Игнатов Low-energy high-current plasma immersion implantation of nitrogen ions in plasma of non-self-sustained arc discharge with thermionic and hollow cathodes Surface and Coatings Technology, Vol. 340, pp. 152–158 (год публикации - 2018)
10.1016/j.surfcoat.2018.02.064

5. А.И. Рябчиков, А.Э. Шевелев, П.С. Ананьин, Д.О. Сивин Generation of High-Intensity Aluminum-Ion Beams at Low Energy Technical Physics, Vol. 63, No. 10, pp. 1516–1524 (год публикации - 2018)
10.1134/S1063784218100195

6. А.И. Рябчиков, Д.О. Сивин, П.С. Ананьин, А.И. Иванова, И.В. Лопатин, О.С. Корнева, А.Э. Шевелев High intensity, low ion energy implantation of nitrogen in AISI 5140 alloy steel Surface and Coatings Technology, Vol. 355, pp. 129–135 (год публикации - 2018)
10.1016/j.surfcoat.2018.02.110

7. А.И. Рябчиков, Е.Б. Кашкаров, Н.С. Пушилина, М.С. Сыртанов, А.Э. Шевелев, О.С. Корнева, А.Н. Сутыгина, А.М. Лидер High-intensity low energy titanium ion implantation into zirconium alloy Applied Surface Science, Vol. 439, pp. 106–112 (год публикации - 2018)
10.1016/j.apsusc.2018.01.021

8. А.И. Рябчиков, Д.О. Сивин, А.Э. Шевелев, П.С. Ананьин Regularities of plasma-immersion formation of long-pulse high-intensity titanium ion beams Russian Physics Journal, Vol. 61, Issue 7, pp 1338–1346 (год публикации - 2018)
10.1007/s11182-018-1539-7

9. Рябчиков А.И., Кашкаров Е.Б., Шевелев А.Э., Обросов А., Сивин Д.О. Surface modification of Al by high-intensity low-energy Ti-ion implantation: Microstructure, mechanical and tribological properties Surface and Coatings Technology, Vol. 372, pp. 1-8 (год публикации - 2019)
10.1016/j.surfcoat.2019.05.020

10. Рябчиков А.И., Шевелев А.Э., Сивин Д.О., Божко И.А., Кашкаров Е.Б., Блейхер Г.А., Степанов И.Б., Иванова А.И. Ultra high fluence implantation of aluminum ions into CP–Ti Journal of Alloys and Compounds, Vol. 793, pp. 604-612 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jallcom.2019.04.179

11. Коваль Т.В., Ан Чан Ми Ким, Тараканов В.П. Modeling Transport in a System with Ballistic Focusing of a High Intensity Beam of Metal Ions Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 83, No. 11, pp. 1387–1391 (год публикации - 2019)
10.3103/S1062873819110145

12. Рябчиков А.И., Шевелев А.Э., Сивин Д.О., Кашкаров Е.Б., Божко И.А., Степанов И.Б. High Intensity low Aluminum Ion Energy Implantation into Titanium IEEE Xplore, Proceedings of the International Conference on Ion Implantation Technology, 8807970, с. 364-367 (год публикации - 2018)
10.1109/IIT.2018.8807970

13. Коваль Н.Н., Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Лопатин И.В., Крысина О.В., Ахмадеев Ю.Х., Игнатов Д.Ю. Reprint of «Low-energy high-current plasma immersion implantation of nitrogen ions in plasma of non-self-sustained arc discharge with thermionic and hollow cathodes» Surface and Coatings Technology, Vol.355, pp. 290-296 (год публикации - 2018)
10.1016/j.surfcoat.2019.06.039

14. Рябчиков А.И., Чан Ми Ким Ан, Коваль Т.В., Сивин Д.О., Ананьин П.С., Корнева О.С. Nitriding of steel 40x with a high-intensity ion beam Journal of Physics: Conference Series, 1115 (3) 032019 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1115/3/032019

15. Коваль Т.В. , Рябчиков А.И., Чан Ми Ким Ан, Шевелев А.Э., Сивин Д.О., Иванова А.И., Пальцев Д.М. Numerical simulation of high-intensity metal ion beam generation Journal of Physics: Conference Series, 1115 (3) 032007 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1115/3/032007

16. Лопатин И.В., Ахмадеев Ю.Х., Корнева О.С., Крысина О.В., Петрикова Е.А., Прокопенко Н.А., Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Low-energy plasma-immersion implantation of nitrogen ions in titanium by a beam with ballistic focusing Journal of Physics: Conference Series, 1115(3) 032043. (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1115/3/032043

17. Лопатин И.В., Ахмадеев Ю.Х., Крысина О.В., Прокопенко Н.А., Петрикова Е.А., Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Корнева О.С. Modification of stainless steel by low-energy focused nitrogen ion beam Journal of Physics: Conference Series, 1115(3) 032041 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1115/3/032041

18. Шевелев А.Э. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКОВ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОЙ ДУГИ Издательский дом Томского государственного университета, 158 с. (год публикации - 2019)

19. Чан Ми Ким Ан МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ВОЗДЕЙСТВИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА МЕТАЛЛЫ OOO "СПБ Графикс", 107 c (год публикации - 2019)

20. Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Шевелев А.Э., Модебадзе Г.С. Formation of high-intensity axially symmetric and ribbon beams of low-energy metal ions 18th International Conference on Ion Sources Abstract Book, p. 89 (год публикации - 2019)

21. Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Шевелев А.Э., Ю.Х. Ахмадеев, О.С. Корнева, А.И. Иванова, И.В. Лопатин Ballistic formation of high-intensity low-energy gas ion beams 18th International Conference on Ion Sources Abstract Book, p. 90 (год публикации - 2019)

22. Рябчиков А.И., Лопатин И.В., Ананьин П.С., Блейхер Г.А., Иванова А.И., Коваль Т.В., Модебадзе Г.С., Сивин Д.О. Temperature gradients in targets with high-intensity implantation and their influence on the characteristics of ion-modified layers Journal of Physics: Conference Series, 1393 (2019) 012021 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1393/1/012021

23. Рябчиков А.И., Ахмадеев Ю.Х., Лопатин И.В., Крысина О.В., Сивин Д.О., Корнева О.С., Ананьин П.С., Дектярев С.В. Low energy implantation of nitrogen ions by extended beam with a ballistic focusing in a stainless steel Journal of Physics: Conference Series, 1393 (2019) 012125 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1393/1/012125

24. А.И. РЯБЧИКОВ, Д.О. СИВИН, А.Э. ШЕВЕЛЕВ, П.С. АНАНЬИН PECULARITIES OF PLASMA-IMMERSION FORMATION OF LONG-PULSE HIGH-INTENSITY BEAM OF TITANIUM IONS Russian Physics Journal (год публикации - 2018)

25. Т.В. Коваль, А.И. Рябчиков, С.М. Кулигин Исследование плазменно-иммерсионного формирования высокоинтенсивного ионного пучка Газоразрядная плазма и ее применение. Тезисы докладов, стр. 80 (год публикации - 2017)

26. А.И. РЯБЧИКОВ, Д.О. СИВИН, П.С. АНАНЬИН, А.И. ИВАНОВА А, В.В. УГЛОВ, О.С. КОРНЕВА MODIFICATION OF AISI 5140 STEEL USING HIGH INTENSITY IMPLANTATION OF NITROGEN IONS Russian Physics Journal (год публикации - 2018)

27. Т.В. Коваль, А.И. Рябчиков, А.И. Иванова, Д.О. Сивин, А.Э. Шевелев, С.М. Кулигин ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ ПУЧКИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ И ГАЗОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИОННО – ЛУЧЕВОЙ МОДИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ Взаимодействие излучений с твердым телом., стр. 455-457 (год публикации - 2017)

28. Коваль Т.В., Рябчиков А.И., Шевелев А.Э., Тран Май Ким Ан, Тараканов В.П. Formation of high intensity ion beams with ballistic focusing Journal of Physics: Conference Series, Series 927 (2017) 012082 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/927/1/012082

Публикации