Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивные пучки заряженных частиц и ускорительная техника широко используются в физических исследованиях и в таких приложениях, как атомная и космическая техника, микроэлектроника, модификация и обработка материалов. Высокая плотность, достигаемая в плазменных ускорителях (ПУ) благодаря квазинейтральности пучков, представляет интерес для исследования воздействия на материалы интенсивных высокоскоростных потоков вещества и в частности заряженных и нейтральных частиц кислорода.
В космической технике важней проблемой при длительном орбитальном полете в ионосф'ере является эрозия полимерных материалов наружных поверхностей космических аппаратов (КА) при воздействии набегающего потока атомарного кислорода (АК) с энергией 5-10 эВ. Для ускоренных имитационных испытаний этих материалов необходимы интенсивные потоки с энергией атомов 5-30 эВ с эквивалентными флюенсами порядка 1020-1023 см 2.
В атомной технике одной из инженерных проблем при создании, термоядерного реактора (ТЯР) считается эрозия первой стенки, в значительной степени обусловленная распылением ионами примесей и в частности кислорода. Максимальная плотность распыляющего потока приходится на энергию порядка 50 эВ, а в режиме газового диверто-ра энергия ионов снижается до 5-Ю эВ.
Таким образом, в рассмотренных областях науки и техники при решении матери-' аловедческих проблем возникают задачи исследования воздействия на материалы потоков кислородной плазмы со сходными параметрами: энергией атомных частиц в пределах 5-100 зВ, плотностью потока 101Э-1018 см сЛ флюенсом 102—1023 см"2, при отсутствии примесей в пучке и достаточном ресурсе работы установки. В тоже время в известных пучковых установках на кислороде доступными оказались только крайние участки рассматриваемого энергетического диапазона: ниже 16 эВ в газодинамических источниках с лазерным подогревом и выше 50-100 эВ в ионно-ллаэменных системах. Из-за отсутствия источников интенсивных пучков кислорода в интервале энергий 15-100 эВ экспериментальные данные о распылении материалов атомными и молекулярными частицами кислорода при высоких флюенсах (выше '\02-1021 см2) весьма ограничены. Задача создания такого источника является актуальной.
Цель диссертационной работы.- Создание ускорителя кислородной плазмы и имитационной установки для проведения испытаний материалов космических аппаратов и первой стенки термоядерных реакторов в потоках кислородной плазмы с флюенсами 1020— 1022 см'2 в диапазоне энергий ионов и атомов кислорода 5-100 эВ.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи исследования.
Создание ускорителя интенсивных низкоэнергетичных пучков кислородной плазмы (КП) с низким содержанием примесей и ресурсом работы, достаточным для испытаний материалов в потоках с флюенсами до 1020-10 см 2
Создание вакуумного имитационного стенда для испытаний материалов со средствами диагностики пучка и измерения потери массы образцов.
Исследование характеристик ускорителя плазмы и генерируемого потока заряженных и нейтральных частиц.
Исследование особенностей применения разработанного ускорителя для изучения воздействия потоков кислородной плазмы на материалы с измерением потерь массы и других характеристик распыления.
Методы исследований
Для решения поставленных задач в работе использованы эвристические, разнообразные экспериментальные физические и расчетные методы. Достоверность и обоснованность полученных результатов.
1. Достоверность результатов обеспечивается тщательностью отработки экспериментальных методов исследований, использованием апробированных методов расчета и подтверждается совпадением результатов, полученных разными методами, согласием расчетно-теоретических и экспериментальных
АаННЫ1 VQC НАЦИОНАЛыих \
3 | БИБЛИОТЕКА і
! ^^
Экспериментальные исследования проводились на основе апробированных методов измерений, с использованием экспериментальной базы НИИЯФ МГУ. НПО «Энергия», ИФХ РАН, ВЭИ, МАТИ и были метрологически обеспечены.
Результаты исследований распыления и эрозии материалов анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей. Так, имеется соответствие в пределах погрешности измерения с данными, известными на краях исследуемого энергетического диапазона для графита, нержавеющей стали, полимеров. Относительная стойкость к воздействию атомарного кислорода базовых материалов, измеренная в пучках кислородной плазмы в данной работе, соответствует известным данным, полученным в натурных условиях.
Личный вклад автора. Автору принадлежит выработка основных положений диссертации, касающихся создания ускорителя с двойным контрагированием разряда и противотоком газа, разработки методов диагностики пучка заряженных и нейтральных частиц, а также применения ускорителя для испытаний материалов. Результаты исследований по распылению материалов в пучках кислородной плазмы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Научная новизна.
1. Предложена и реализована схема ускорителя плазмы с двойным контрагированием
разряда (ДКР) и противотоком газа на основе магнитоплазмодинамического ускори
теля идуоплззматрона, признанная изобретением.
2. Разработан метод уменьшения уровня примесей электродных материалов в пучке
газоразрядного генератора плазмы постоянного тока путем использования двойного
контрагирования разряда с противотоком газа в месте сжатия положительного стол
ба. Метод дает возможность в источнике с эродирующими электродами формиро
вать пучки с низким содержанием примесей, приближающимся к уровню безэлект
родных ВЧ и СВЧ газоразрядных устройств, которые технически сложнее.
Впервые исследована работоспособность накаленного термохимического катода из гафния в плазме окислительного газа при давлении 0,1-1 Па. Показано, что в этих условиях эмитирующий слой оксинитридов разрушается катодным распылением.
Разработаны зондовые методы измерения содержания конденсирующихся примесей и потенциала пространства для применения в интенсивных пучках кислородной плазмы.
Предложен способ измерения средней скорости и интенсивности компонент с разной массой высокоскоростного пучка заряженных и нейтральных частиц радиочастотным масс-спектрометром, признанный изобретением.
Впервые измерены коэффициенты ионного распыления нержавеющих сталей различных классов и углеродных материалов различной структуры и степени легирования бором и кремнием в пучках кислородной плазмы в диапазоне энергий ионов 15-100 эВ с флюенсами порядка 102Эсм2 при имитации воздействия примесных ионоз на материалы первой стенки термоядерных реакторов.
Получены экспериментальные данные по стойкости полимерных материалов к воздействию атомарного кислорода при имитации длительного полета в ионосфере с флюенсом 1021-1022см 2.
Практическая и научная полезность результатов.
Разработан плазменный ускоритель, формирующий пучки заряженных и нейтральных частиц кислорода с плотностью потока до 5*1017 см"2*с'1 в энергетическом диапазоне 5-50 эВ с содержанием примесей на уровне 3,5*10 при длительности непрерывной работы до 100 час и на его основе создан стенд для проведения испытания материалов.
Технические решения, реализованные при создании ускорителя и средств диагностики пучка, могут быть использованы для повышения ресурса работы и снижения загрязнения пучков при разработке других типов источников заряженных частиц и установок на их основе для решения научных и прикладных задач.
3. Результаты испытаний материалов, проведенных по заказам ведущих
предприятий-разработчиков космической техники: РКК «Энергия» им. С. П. Королева» и ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, были использованы на этих предприятиях при создании целого ряда космических аппаратов (ЯМАЛ, МОНИТОР, орбитальная космическая станция ОКС МИР, Международная космическая станция МКС).
4. Результаты испытаний кандидатных материалов первой стенки термоядерных реакторов использованы в работах НИИЯФ МГУ по программе Миннауки РФ №15 «УТС и плазменные процессы».
Научные положения, выносимые на защиту
Схема источника плазмы дуоплазматронного типа на основе магнитоплазмодинами-ческого ускорителя с внешним магнитным полем, модифицированная введением ферромагнитного промежуточного электрода (ПЭ) с противотоком газа в его канале.
Метод уменьшения загрязнения плазменного потока продуктами эрозии катода путем создания противотока газа в канале ПЭ, снижающего выход атомных частиц из катодной части разряда в прианодную плазму.
Методики и результаты измерений содержания конденсирующихся примесей, массового состава и потенциала в интенсивном пучке кислородной плазмы.
Результаты исследования распыления нержавеющих сталей, углеродных материалов, полимеров, лакокрасочных и защитных покрытий в пучках кислородной плазмы в энергетическом диапазоне 5-100 эВ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 40 печатных трудах, включая 4 авторских свидетельства на изобретения, 1-монографию, 14 статей в научных журналах. Они докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, симпозиумах и конференциях:
Научн. конф МИРЭА (Москва, 1982, 1983), 5 Всес. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Москва, 1982), 8 Всес. конф. по динамике разреженных газов (Москва, 1985), научных конф. МГУ «Ломоносовские чтения» (Москва, 1991, 1992), семинарах НИИЯФ МГУ «Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы КА» (Москва, 1990, 1992, 1996, 2003), семинарах по радиационной стойкости органических материалов в условиях космического пространства (Обнинск, 1989,1996), 5 , 6th , 7* , 8th, 9th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm. (Cannes 1991, Noordwijk 1994, Toulouse 1997, Arcachon 2000, Noordwijk 2003), Int. Conf. Problems of Spacecraft Environment Interaction (Novosibirsk 1992), 11,12,13,14, 15,16 Межд. конф.по взаимодействию ионов с поверхностью (Москва, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003), 3 Междунар. совещание по радиационной физике материалов (Севастополь 1993), научн. конф. Физика и техника плазмы (Минск, 1994), 24th Intern. Electrical Propulsion Conf. (Moscow, 1995), 19,27 междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. (Москва, 1995, 2003), научно-техн. Конф. Моделирование и исследование сложных систем (Кашира, 1996), 5 Int. Conf. On Protection of Materials and Structures from the LEO Space Inviron. (Arcachon-France, 2000).
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 134 с. текста, включая 61 рисунок, 12 таблиц и списоклитературы из 152 наименований. Содержание работы
