Введение к работе
Актуальность проблемы.
Работа посвящена экспериментальной отработке методов генерации сильнонеравновесной низкоэнтальпиинои плазмы инжекциеи непрерывного концентрированного электронного пучка (ЭП) в газообразные и гетерогенные среды, созданию достаточно простых и надежных устройств, способных осуществлять длительную генерацию электронно-пучковой плазмы (ЭП-плазмы), и исследованию возможностей использования ЭП-плазмы как основы высокоэффективных технологических процессов. Проблемы, изучаемые в работе, относятся к весьма перспективному направлению фундаментальных и прикладных исследований в области низкотемпературной плазмы, связанному с изучением генерации, свойств и применений неравновесной химически активной плазмы, направлению, интенсивно разрабатываемому и щедро финансируемому во многих экономически развитых странах в последние два десятилетия1.
Обычно сильнонеравновесную низкоэнтальпийную плазму получают с помощью газовых разрядов различных частотных диапазонов. Однако, этот способ генерации плазмы имеет естественные физические ограничения: диапазон условий, в которых газовые разряды горят устойчиво, достаточно узок. В частности, в газоразрядных устройствах сложно создать большой объем достаточно однородной холодной плазмы с давлением порядка 10 Торр и выше, а если плазмо-образующие среды агрессивны, то возникают проблемы, связанные с химической стойкостью электродов и возможным загрязнением плазмы продуктами их разрушения. Генерация потоков газоразрядной плазмы и использование аэрозолей в качестве плазмообразующих сред также наталкиваются на значительные трудности принципиального характера, многие из которых не преодолены до сих пор.
Генераторы плазмы, принцип действия которых основан на ин-жекции непрерывных ЭП в плотные среды, имеют ряд преимуществ перед газоразрядными устройствами. Во-первых, данный способ генерации плазмы некритичен к выбору плазмообразующего газа: ЭП может быть инжектирован практически в любые газы а также газовые и парогазовые смеси. При этом в плазменном объеме могут происходить неравновесные плазмохимические реакции, в том числе и реакции, не наблюдаемые в других условиях. Подбирая состав и величину давле-
1 См, например, отчеты Национального Совета США по науке:
National Research Council. Plasma Processing of Materials: Scientific Oportunities and Technological Challenges. (National Academy Press. Washington, D.C., 1991);
National Research Council. Database Needs for Modelling and Simulation of Plasma Processing. (National Academy Press. Washington, D.C., 1996).
ния плазмообразующей среды и управляя процессами наработки активных частиц ЭП-плазмы изменением параметров ЭП, можно реализовать широкий спектр плазмохимических превращений.
Во-вторых, в ЭП-плазме достаточно легко решается задача создания гетерогенных пучково-плазменных образований, поскольку в плазмообразующие газы технически не сложно внести мелкодисперсные добавки в виде капель жидкостей или твердых частиц. В плазменный объем можно помещать компактные твердые тела и впрыскивать жидкие струи. Изменяя режим испарения конденсированной фазы, удается эффективно влиять на химический состав, соотношение компонент, газодинамику и теплообмен в реакционном объеме.
В-третьих, ЭП удается инжектировать в область газового разряда различных частотных диапазонов: от разрядов в постоянном поле до СВЧ-разрядов. Одновременное или чередующееся действие на вещество двух плазмообразующих факторов существенно расширяет возможности практического использования ЭП-плазмы.
В-четвертых, при инжекции ЭП в газовые потоки (как дозвуковые, так и сверхзвуковые), в отличие от газоразрядной плазмы обычно не возникает проблем, связанных с устойчивостью плазменного образования.
В-пятых, удается генерировать пучково-плазменные образования большого объема (по крайней мере значительно большего, чем характерные объемы газоразрядной плазмы).
И, наконец, в-шестых, если плазма генерируется инжекцией концентрированного ЭП, а именно такие пучки использовались в настоящей работе, то открывается дополнительная возможность управлять температурой тяжелых компонент плазмы и температурой конденсированной фазы (если таковая внесена в плазменный объем) изменением плотности энергии ЭП и таким способом влиять на плазмохимиче-ские процессы.
Итак, способ генерации плазмы инжекцией непрерывных концентрированных ЭП в плотные среды является весьма перспективным, однако вплоть до последнего времени его практическое использование сдерживалось отсутствием надежных устройств для стационарной проводки мощных электронных пучков из вакуума в газ с достаточно высоким давлением. Найденное нами относительно простое техническое решение этой проблемы [1] позволило приступить к созданию генераторов плазмы для экспериментальных установок различного назначения - исследовательских и технологических [8].
Необходимо отметить, что теоретический анализ процессов в электронно-пучковых генераторах плазмы и численные расчеты состава и свойств ЭП-плазмы, особенно - гетерогенной, крайне затруднены, поскольку требуют самосогласованного решения целого ряда сложных (даже взятых по отдельности) тепловых, электронно- и мо-
лекулярно-кинетических, электродинамических и газодинамических задач. Именно поэтому в настоящей работе предпочтение отдано экспериментальным методам исследования.
Цель работы состоит в следующем:
Решить проблему осуществления управляемого комбинированного теплового и плазмохимического воздействия на вещество с помощью плазмы, генерируемой стационарной инжекцией концентрированных электронных пучков в газы, гетерогенные среды и газовые разряды. Разработать многофункциональный генератор низкоэнталь-пийной химически активной электронно-пучковой плазмы и создать на его основе экспериментальный образец плазмохимического реактора.
Дать экспериментально подтвержденное обоснование возможностей использования молекулярных превращений в электронно-пучковой плазме и ее теплового воздействия на вещество для реализации высокоэффективных процессов химико-термического модифицирования материалов и нанесения покрытий.
- Разработать физические основы теплового, молекулярно-
кинетического и газодинамического расчета технологических пучко-
во-плазменных установок непрерывного действия с умеренным и вы
соким давлением в реакционном объеме; предложить технические ре
шения для конструкций основных элементов таких установок.
Научная новизна работы состоит в экспериментальной реализации генерации ЭП-плазмы в ранее не исследовавшемся диапазоне параметров:
электронные пучки: энергия электронов инжектируемого ЭП Еь = 10 -* 150 кэВ, ток пучка 1ь = 10"3+ 10 А, плотность тока пучка jb = Ю3 * 107 А/м2, время инжекции пучка г от долей секунд до нескольких часов;
плазмообразующие среды: молекулярные газы и их смеси, пары неорганических и органических веществ и парогазовые смеси, гетерогенные среды с твердой и жидкой конденсированой фазой в виде аэрозолей или компактных тел; диапазон давлений газовой среды Pm = 10_1 -s-102Торр;
- характеристики плазменного объема: неподвижные пучково-
плазменные образования, дозвуковые и сверхзвуковые плазменные
струи; гибридная плазма, генерируемая ижекцией ЭП в ВЧЕ-разряд
(стационарный или модулированный радиоимпульсами); в условиях
проводившихся экспериментов зажигания пучково-плазменного раз
ряда не наблюдалось за исключением некоторых особых случаев.
Для инжекции ЭП в плазмообразуюшую среду были разработаны различные конструкции одноступенчатых и многоступенчатых выводных устройств (BY), использующих принцип проводки пучка из
вакуума в плотный газ через газодинамичекое окно, представляющее собрй канал в перегородке, отделяющей вакуумный объем, где формируется ЭП, от объема, заполненного плазмообразующим газом. Некоторые оригинальные технические решения, предложенные нами при разработке этих ВУ, признаны изобретениями. Авторские свидетельства получены и на различные варианты сопловых устройств для генерации потоков ЭП-плазмы.
Эксперименты по теме диссертационной работы велись на специально созданном стенде с несколькими электронно-лучевыми установками различной мощности, оснащенными системами диагностики инжектируемого пучка и ЭП-плазмы с автоматизированной обработкой данных. По своим техническим характеристикам созданный экспериментальный стенд аналогов не имеет, что позволило поставить не проводившиеся ранее эксперименты и получить новые результаты:
впервые в непрерывном режиме осуществлена генерация ЭП-ггаазмы ряда молекулярных газов: аммиак, газообразные углеводороды, некоторые фтор- и хлорсодержащие газы, борогидриды, пары органических жидкостей, воды, водных растворов кислот и щелочей и др.!;
для ЭП-плазмы газов, традиционно использующихся в пучково-плазменных экспериментах (воздух, азот, кислород), в не исследовавшихся ранее условиях генерации проведены измерения некоторых характеристик плазмы, важных для понимания процессов в ней происходящих;
- впервые осуществлена генерация неподвижного электронно-
пучкового плазмозоля и гетерогенных потоков ЭП-плазмы, содержа
щих мелкодисперсную конденсированную фазу (пыли С, AI2O3, Nb,
капли воды, высококипящих органических соединений и др.);
впервые осуществлена генерация гибридной плазмы инжекцйей ЭП в ВЧЕ-разряд, в одноэлектродный ВЧ-разряд, модулированный радиоимпульсами, и в область послесвечения такого разряда;
проведены оригинальные эксперименты по синтезу неорганических соединений, модификации свойств материалов и нанесению покрытий в ЭП-плазме.
Практическая и научная цезшоеть работы.
Результаты проведенных экспериментов позволили установить наиболее перспективные области применения электронно-пучковых генераторов плазмы, а именно:
- аэрофизический эксперимент (включая термогазодинамическке ис
пытания, имитацию факторов космического полета, эксперименты в
области неравновесной плазмодинамики);
1 Выбор плазмообразующих сред определялся спецификой решавшихся технологических задач, в привязке к которым проводились исследования.
бортовые пучково-плазменные системы для атмосферных и космических летательных аппаратов;
радиационно-термическая и химико-термическая модификация материалов;
плазменное нанесение покрытий методами осаждения из паровой и газовой фазы;
плазмохимические реакторы различного назначения, включая устройства электронно-лучевой очистки отходящих и топочных газов.
Поскольку специальные приложения ЭП-плазмы выходят за рамки настоящей работы, в представленной диссертации обсуждаются только ее технологические применения. Нами экспериментально подтверждена принципиальная возможность и высокая эффективность применения генераторов ЭП-плазмы для:
вневакуумных электронно-лучевых технологий поверхностного термического модифицирования материалов,
низкотемпературного синтеза и осаждения покрытий с особыми физико-химическими свойствами,
модификации свойств материалов природного происхождения, особенно - термолабильных биополимеров.
В ходе экспериментов по приложениям ЭП-плазмы параллельно решались физические задачи, связанные с изучением особенностей распространения непрерывных концентрированных дорелятивистских ЭП мощностью 0,1 -НО кВт в газообразных средах с давлениями КГ1 т-102 Торр и запыленных средах, определением состава генерируемой такими пучками плазмы и анализом основных ллазмохимических процессов, определяющих баланс активных частиц в плазме. Изучались также процессы нагрева макроскопических тел в различных зонах неподвижных пучково-плазменных образований и плазменных струй. При этом были получены экспериментальные данные, позволившие выработать основные подходы к конструированию плазменных электронно-лучевых установок технологического назначения и к расчету рабочих процессов в таких установках, а именно:
- экспериментально обоснованы модели плазмохимических процес
сов, определяющих состав ЭП-плазмы азота, кислорода и водяного
пара;
предложены различные варианты решений задачи генерации углеро-досодержащей ЭП-плазмы из углеводородов и из паров спектрально чистого графита;
найдены условия возникновения униполярной и неуниполярной зарядки аэрозоля в гетерогенной ЭП-плазме, зарядки макроскопического изолированного твердого тела, помещенного в ЭП-плазму, а также факторы, обуславливающие возникновение электрического пробоя в приповерхностной ЭП-плазме;
предложена физическая модель для учета особенностей газовой динамики внутренних течений ЭП-плазмы в каналах и внешнего обтекания тел ЭП-плазмой;
экспериментально подтверждена методика приближенного расчета плотности теплового потока в плоскую стенку твердого тела, помещенного в заданную область плазменного облака.
Результаты работы использованы следующими предприятиями и организациями: НИИГрафит, ВНИИ электротермического оборудования, ВНИИ рыбного хозяйства и океанографии, завод "Компонент", Архангельский государственный технический университет.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается:
тщательной методической отработкой экспериментов;
проведением серий контрольных экспериментов и достижением повторяемости результатов;
сравнением полученных экспериментальных данных с проверенными расчетно-теоретическими моделями и данными из смежных областей плазменного эксперимента, плазмохимических, электронно-лучевых и радиационных технологий;
проведением независимых химических и структурных анализов образцов веществ и материалов, полученных в ходе экспериментов, в сторонних лабораториях, располагающих отработанными методиками соответствующих исследований.
Личный вклад автора. Практически по всем разделам работы автором лично определена постановка задачи и методики проведения экспериментов. Задачи на разработку ВУ и на эксперименты по термической и химико-термической обработке металлов ЭП-плазмой поставлены А.С. Коротеевым. Автор лично разработал проекты экспериментального стенда, многофункционального генератора ЭП-плазмы, генератора гибридной плазмы и плазмохимических реакторов на их основе. Автором предложены конструкции принципиально важных узлов ВУ. Базовый вариант одноступенчатого ВУ разработан совместно с Е.Е. Голубковым. Отдельные системы диагностического комплекса отрабатывались совместно с А.В. Горшковым, А.П. Зуевым, В.Ф. Колесником, A.M. Яцуненко. Руководство монтажом и наладкой экспериментального стенда осуществлялось совместно с П. В. Белковым. Эксперименты по приложениям ЭП-плазмы и физическим задачам, связанным с этими приложениями, поставлены и проведены автором лично. Под научным руководством автора химические и структурные анализы материалов, подвергнутых пучково-плазменной обработке, были выполнены И.В. Александровым, Ю.В. Гавриловым, а исследования механических свойств обработанных материалов - в
лабораториях завода-ВТУЗа при ЗИЛ, Физико-технического института АН Белоруссии, Ивановского химико-технологического института, АО "Цвет". Плазмохимические модели процессов в ЭП-плазме разработаны совместно с В.Л. Бычковым.
На защиту выносятся:
Стендовый комплекс, методики и результаты экспериментов по исследованию непрерывной генерации и свойств ЭП-плазмы молекулярных газов, паров неорганических и органических веществ, газовых и парогазовых смесей, гибридной плазмы и плазмы, содержащей конденсированную дисперсную фазу, в следующих диапазонах параметров: Еь= 10ч-150кэВ, 1ь= 1(Н-г lO«A,jb= їОЗ-г 107А/м2.
Способы осуществления теплового и/или плазмохимического воздействия на вещество в неподвижных пучково-плазменных образованиях и плазменных струях в диапазоне температур 273 *- 2000 К и давлений 0,1-М00Торр.
Физические модели термогазодинамических, плазмохимических и электрофизических процессов вблизи границы контакта ЭП-плазма -твердое тело в приведенных выше условиях эксперимента.
Экспериментальное обоснование возможностей и преимуществ использования теплового воздействия и молекулярных превращений в ЭП-плазме, как основы технологических процессов термической и хи-микотермической обработки металлов и сплавов, нанесения углеродных покрытий, модифицирования материалов природного происхождения. Физические основы расчета и конструирования соответствующих установок.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на:
- V Межд. конф. по Термическим плазменным процессам. С.-Пб., 1998.
- 19-th and 18-th Summer School and Int. Symp. on the Physics of
Ionized Gases. Zlatibor, Yugoslavia, 1998;Kotor, Yugoslavia, 1996.
8-е Межнациональное совещ. "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, 1998.
Межд. научно-техническая конф. "Проблемы и прикладные вопросы физики". Саранск, 1997.
IV Всероссийская, II и I Всес. конф. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Томск, 1996; Свердловск, 1991; Томск, 1988.
V-th Int. Symp. on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry. Milovy, Czech Republic, 1996.
2-й и 1 -й Межд. симп. по теоретической и прикладной плазмохи-мии. Иваново, 1995; Рига, 1991.
1-я Межд. конф. по электромеханике и электротехнологии. Суздаль, 1994.
Конф. "Физика и техника плазмы". Минск, 1994.
Межд. конф. по проблеме долгоживущих плазменных образований и редких форм естественных электрических разрядов в атмосфере. Ярославль, 1994.
Межд. конф. Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике. Минск, 1993.
-11-я конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью". Москва, 1993.
8-я конф. по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 1993.
5-th Int. Conf. on Welding and Melting by Electron and Laser Beams. La Baule, France, 1993.
Int. Symp. on Theor. and Appl. Plasmachemistry. Riga, Latvia, 1993.
Сем. ИВТАН "Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов". Москва, 1992.
Int. Conf. on Adv. and Laser Technologies. Moscow, 1992.
Всес. научно-техническкая конф. "Совершенствование технологических процессов производства новых пищевых продуктов и добавок. Использование вторичного сырья пищевых ресурсов". Киев, 1991.
- VIII Всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы. Минск.
1991.
XI Всес. конф. по динамике разреженных газов. Ленинград, 1991.
Научно-техническая конф. "Проблемы обработки поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии". Минск, 1988.
X Всес. конф. "Генераторы низкотемпературной плазмы". Каунас, 1986.
VIII Всес. совещ. "Химическая физика процессов горения и взрыва". Черноголовка, 1986.
XIV конф. ФТИ АН БССР "Прочность, пластичность и новые процессы получения и обработки материалов". Минск, 1985.
XI, X и IX Рижское совещ. по магнитной гидродинамике. Рига, 1984, 1981,1978.
Материалы диссертации изложены в 56 печатных работах, в том числе одной монографии, 14-ти статьях в ведущих отечественных и международных журналах, 32-х опубликованных тезисах докладов международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 9-й авторских свидетельствах и патентах на изобретения. Кроме того материалы, относящиеся к конструкциям экспериментальных установок и оборудованию испытательного стенда, изданы в виде научно-технических отчетов (более 20).