Введение к работе
Актуальность работы. Перспективность использования мощных импульсных ионных пучков ( МИП) для различных технологических целей и изучения новых физических явлений, происходящих при взаимодействии МИП с конденсированными средами, обусловливает необходимость развития методов генерации и фокусировки МИП. Взаимодействие МИП с твёрдым телом и процесс модификации поверхности при облучении ионным пучком также находится в стадии интенсивного теоретического и экспериментального изучения. Актуальность указанных тем несомненна.
Целью настоящей работы является получение мощных ионных пучков с энергией до 2 МэВ и их фокусировка до плотности тока более 10 кА/см2, а также исследование модификации поверхности металлов под действием МИП, генерируемого в микросекундном плазменном прерывателе тока (МППТ).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Создание наносекундного ускорителя "ПАРУС" с импедансом 2,8 Ом и номинальной мощностью 2x10й Вт.
-
Исследование генерации и баллистической фокусировки МИП в различных схемах диодов с самоизоляцией.
-
Исследование однородности генерации ионных потоков в МППТ.
-
Исследование изменений микротвёрдости, коррозионной стойкости, усталостной прочности металлов и сплавов, обработанных ионным пучком, генерируемым в МППТ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые исследована работа сферического диода с магнитной самоизоляцией с пассивным анодом при применении плазменного прерывателя тока для обострения мощности на наносе кун дном ускорителе. Показано, что в отличие от магнитно-изолированного диода с внешним магнитным полем, генерация МИП происходит на фронте импульса и задержка генерации МИП относительно начала импульса мала.
Впервые исследована генерация и фокусировка МИП в плазмонаполненном диоде сферической геометрии, который работает в цепи с индуктивным накопителем в режиме плазменного прерывателя тока.
Впервые исследована модификация поверхности металлов под действием МИП, генерируемого в микросекундном плазменном
'У
прерывателе тока. Показано, что такая методика обладает рядом преимуществ перед развитой ранее технологией модификации, где МИП генерируется в стандартных ионных диодах.
Практическая значимость работы определяется тем, что её результаты могут быть использованы при проектировании схем ионных диодов. Полученные данные по модификации могут быть использованы для создания материалов с улучшенными свойствами поверхности ( микротвёрдость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и т.д.).
Положения , выносимые на защиту:
-
Отсутствие внешнего магнитного поля в ионных диодах с самоизоляцией электронного потока обеспечивает образование плазмы на диэлектрическом аноде на фронте импульса напряжения и малую задержку генерации МИП относительно начала импульса. Показано что, однородность ионного тока в инверсной модификации сферического диода выше, чем в прямой. В инверсном диоде получена плотность тока в фокусе 15 кА/см2 при плотности мощности 2x1010 Вт/см2.
-
Продемонстрирована возможность работы плазмонаполненного диода сферической геометрии в цепи с индуктивным накопителем в режиме плазменного прерывателя тока с обострением мощности и фокусировкой ионного потока. На наносекундном ускорителе ПАРУС получено увеличение мощности, выделяемой в плазмонаполненном диоде, в 2,5 раза по сравнению с идеально согласованной нагрузкой. Получена плотность мощности ионного пучка в фокусе на уровне 3,5x1010 Вт /см2. Показано, что экспериментальные данные согласуются с численными расчётами по плазмоэрозионной модели Оттингера-Голдстейна.
-
Предложено использовать ионный поток, генерируемый в МППТ, для модификации поверхности материалов и показан ряд преимуществ по сравнению с традиционными ионными диодами.
-
Показано, что в микросекундном плазменном прерывателе существует азимутальная неоднородность ионного потока, которая увеличивается по направлению от начала прерывателя к дальней от генератора границе плазмы.
-
При облучении алюминиевых сплавов ионным пучком с энергией 200 КэВ и плотностью тока 80-100 А/см2, генерируемым в МППТ, достигается увеличение коррозионной стойкости примерно на порядок и увеличение усталостной долговечности в коррозионной среде.
При облучении различных видов сталей ионным пучком с энергией 0,8-1 МэВ и плотностью тока 40-80 А/см2, генерируемым в МППТ, достигается увеличение микротвёрдости в 2-2,5 раза на глубину в сотни мкм.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7, 8, Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике ( 1988 - Новосибирск, 1990 - Екатеринбург); на Международном совещании по физике и технике мощных прерывателей тока ( Новосибирск, 1989); на Зсм Всесоюзном семинаре по плазменной электронике ( 1988, Харьков); на 50М Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков ( 1991, Киев); на 8, 9, 10, 11, 12 Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц ( 1990 - Новосибирск; 1992 - Washington, DC, USA; 1994 - San-Diego, CA, USA; 1996 - Прага, Чехия; 1998 - Haifa, Israel.); на 4ой Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц ( 1996, Томск); на 11, 12 Международных конференциях по импульсной технике ( 1997, Baltimore, MA, USA; 1999, Monterey, С A, USA); 25, Международной конференции по физике плазмы ( ICOPS - 97, San Diego, CA, USA).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей в центральных и зарубежных журналах ( ПТЭ, ЖТФ, Laser and Particle Beams, Material Science and Engineering, Nuclear Instruments and Methods, Theoretical and Applied Fracture Mechanics) и ряд докладов в материалах конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 44 рисунка, 14 таблиц и список литературы на 10 с.
Похожие диссертации на Генерация мощных ионных пучков в диодах с самоизоляцией и применение этих пучков для модификации поверхности материалов
