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

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 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

Руководитель Воробьёв Максим Сергеевич, Доктор технических наук

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

Конкурс №50 - Конкурс 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 слова Источник 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

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1109/EFRE47760.2020.9242035

2. 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)
10.1109/EFRE47760.2020.9241926

3. 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)
10.1109/EFRE47760.2020.9241981

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)
10.1109/EFRE47760.2020.9241895

5. 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)
10.17223/00213411/63/10/7

6. 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)
10.31857/S0032816221020191

7. 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)
10.21883/PJTF.2021.10.50972.18719

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)
10.1016/j.vacuum.2021.110338

9. 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)
10.1109/TPS.2021.3089001

10. 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)
10.31857/S0023119321040069

11. 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)
10.1088/1742-6596/2064/1/012066

12. 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)
10.1088/1742-6596/2064/1/012045

13. 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)
10.1088/1742-6596/2064/1/012116

14. 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)
10.1088/1742-6596/2064/1/012119

15. 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)

16. 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)
10.17223/978-5-907442-03-0-2021-065

17. 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)

18. 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)

19. 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)
10.1007/s11182-021-02219-3

20. 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)
10.21883/JTF.2022.06.52519.14-22

21. 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)
10.17223/00213411/65/11/176

22. 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)
10.31857/S0040364422040160

23. 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)

24. 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)

25. 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)

26. 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)

27. 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)

28. 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)
10.31857/S0032816223020052

29. 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)

30. 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)
10.1615/HighTempMatProc.2022043754

Публикации