Формирование импульсно-периодических пучков ионов металлов субмиллисекундной длительности с высокой плотностью мощности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследований импульсно-периодического формирования пучков ионов алюминия, хрома и титана субмиллисекундной длительности на основе источника с генерацией плазмы непрерывным вакуумным дуговым разрядом. Высокая импульсная плотность мощности в ионном пучке достигается за счет баллистической фокусировки ионов с помощью одноэлектродного сеточного экстрактора в виде части сферы. Для очистки пучка ионов в области его кроссовера от микрокапельной фракции плазмы вакуумной дуги использован метод, основанный на эффекте солнечного затмения. Исследованы особенности и закономерности генерации пучков ионов трех металлов при длительности импульсов 450 мкс, ускоряющем напряжении до 40 кВ, с плотностью мощности в импульсе, превышающей 105 Вт/см2. Установлено, что устойчивое формирование импульсно-периодических пучков ионов металлов высокой интенсивности при субмиллисекундной длительности на основе плазмы вакуумной дуги достигается благодаря ионно-электронной эмиссии, компенсирующей уход плазменных электронов в ускоряющий зазор.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Рябчиков

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: dektyarev@tpu.ru
Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30

С. В. Дектярев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dektyarev@tpu.ru
Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30

А. В. Гурулев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: dektyarev@tpu.ru
Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30

Список литературы

  1. Shulov V.A., Paikin A.G., Teryaev D.A., Bytsenko O.A., Engel’ko V.I., Tkachenko K.I. // Inorganic Materials: Applied Research. 2013. V. 4. P. 189. http://doi.org/10.1134/S2075113313030118
  2. Коваль Б.А., Месяц Г.А., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И., Янкелевич Е.Б. Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии. Сборник / Отв. ред. Г.А. Месяц. Новосибирск: Наука, 1983.
  3. Ozur G.E., Proskurovsky D.I. // Plasma Phys. Rep. 2018. V. 44. P. 18. http://doi.org/10.1134/S1063780X18010130
  4. Vorobyov M.S., Teresov A.D., Moskvin P.V., Koval N.N., Doroshkevich S.Y., Shin V.I. // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Tomsk, Russia, 2020. P. 492. http://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241895
  5. Kaikanov M., Kozlovskiy A., Abduvalov A., Dukenbayev K., Zdorovets M.V., Tikhonov A. // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2019. V. 30. P. 15724. http://doi.org/10.1007/s10854-019-01958-x
  6. Kuang X., Li L., Wang L., Li G., Huang K., Xu Y. // Surf. Coatings Technol. 2019. V. 374. P. 72. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.055
  7. Ryabchikov A.I., Dektyarev S.V., Korneva O.S., Lopatin I.V., Sivin D.O., Ivanov Y.F. // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020. P. 702. http://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242058
  8. Rej D.J., Davis H.A., Olson J.C., Remnev G.E., Zakoutaev A.N., Ryzhkov V.A., Strurs V.K., Isakov I.F., Shulov V.A., Nochevnaya N.A., Stinnett R.W., Neau E.L., Yatsui K., Jiang W. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1997. V. 15. P. 1089. http://doi.org/10.1116/1.580435
  9. Shulov V.A., Nochovnaya N.A., Remnev G.E., Pellerin F., Monge-Cadet P. // Surf. Coat. Technol. 1998. V. 99. P. 74. http://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00408-8
  10. Bandura N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Medvedev V., Taran V.S., Tereshin V.I., Skoblo T.S., Pugach S.G. // Intern. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2011. V. 5. P. 2. http://doi.org/10.34343/ijpest.2011.05.01.002
  11. Garkusha I.E., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Derepovski N.T., Müller G., Schumacher G., Poltavtsev N.S., Tereshin V.I. // Vacuum. 2000. V. 58. P. 195. http://doi.org/10.1016/S0042-207X(00)00168-8
  12. Uglov V.V., Cherenda N.N., Anishchik V.M., Stalmashonak A.K., Astashinski V.M., Mishchuk A.A. // Vacuum. 2007. V. 81. P. 1341. http://doi.org/10.1016/j.vacuum.2007.01.041
  13. Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. Surface Modification and Alloying by Laser, Ion, and Electron Beams. Berlin: Springer, 2013.
  14. Wang D., Yang Y., Guo T., Xiong X., Xie Y., Li K., Li B., Ghali M. // Sol. Energy. 2021. V. 213. P. 118. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.041
  15. Huang J. // Optik. 2021. V. 226. 165437. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165437
  16. Li Y., Wu Y., Wang W., Lei M., Li X. // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 405. 126567. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126567
  17. Williams J.S., Poate J.M. Ion Implantation and Beam Processing. Orlando: Academic, 1984.
  18. Wang F., Khan A., Ayaz M., Ahmad I., Nawaz R., Gul N. // J. Math. 2020. V. 2020. 8875976. https://doi.org/10.1155/2020/8875976
  19. Anders A. Handbook of Plasma Immersion Implantation and Deposition. New York: John Wiley & Sons, 2000.
  20. Komarov F.F., Yuvchenko V.N. // Tech. Phys. 2003. V. 48. P. 717. https://doi.org/10.1134/1.1583824
  21. Белый А.В., Кукареко В.А., Лободаева О.В. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. Минск: Беларус. навука, 1998.
  22. Kozlov E.V., Ryabchikov A.I., Sharkeev Yu.P., Stepanov I.B., Fortuna S.V., Sivin D.O., Kurzina I.A., Prokopova T.S., Mel’nik I.A. // Surf. Coat. Technol. 2002. V. 158. P. 343. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00275-X
  23. Moncoffre N., Jagielski J. // Surf. Coat. Technol. 1994. V. 65. P. 30. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(94)80005-7
  24. Shipilova O.I., Gorbunov V.L. Paperny S.P., Chernykh A.A., Dresvyansky V.P., Martynovich E.F., Rakevich A.L. // Surf. Coat. Technol. 2020. V. 393. 125742. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125742
  25. Zatsepin D.A., Boukhvalov D.W., Zatsepin A.F., Mikhaylov A.N., Gerasimenko N.N., Zaporochan O.A. // J. Mater. Sci. 2021. V. 56. P. 2103. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05319-6
  26. Hutchings R. // Mater. Sci. Eng. A. 1994. V. 184. P. 87. https://doi.org/10.1016/0921-5093(94)91023-5
  27. Zhang L.C., Chen L.Y., Wang L. // Adv. Eng. Mater. 2020. V. 5. 1901258. https://doi.org/10.1002/adem.201901258
  28. Pelletier J., Anders A. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005. V. 33. P. 1944. https://doi.org/10.1109/TPS.2005.860079
  29. Wei R. // Surf. Coat. Technol. 1996. V. 83. P. 218. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02828-5
  30. Wilbur P.J., Davis J.A., Wei R., Vajo J.J., Williamson D.L. // Surf. Coat. Technol. 1996. V. 83. P. 250. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02830-7
  31. Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Ananin P.S., Ivanova A.I., Lopatin I.V., Korneva O.S., Shevelev A.E. // Surf. Coat. Technol. 2018. V. 355. P. 129. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.110
  32. Ryabchikov A.I., Kashkarov E.B., Shevelev A.E., Obrosov A., Sivin D.O. // Surf. Coat. Technol. 2019. V. 372. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.020
  33. Ryabchikov A.I. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2021. V. 49. P. 2529. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3073942
  34. Ryabchikov A.I., Ryabchikov I.A., Stepanov I.B., Dektyarev S.V. // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. 03B516. https://doi.org/10.1063/1.2171674
  35. Ryabchikov A.I., Ananin P.S., Dektyarev S.V., Sivin D.O., Shevelev A.E. // Vacuum. 2017. V. 143. P. 447. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.03.011
  36. Koval T.V., Ryabchikov A.I., An T.M.K., Shevelev A.R., Sivin D.O., Ivanova A.I., Paltsev D.M. // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1115. 032007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032007
  37. Ryabchikov A.I., Tarakanov V.P., Korneva O.S., Sivin D.O., Gurulev A.V. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2022. V. 533. P. 29. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2022.10.015
  38. Brown I.G., Godechot X. // IEEE Transactions on Plasma Science. 1991. V. 19. P. 713. https://doi.org/10.1109/27.108403

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – вакуумный дуговой генератор плазмы, 2 – электрод для отсечки микрочасти, 3 – импульсный пирометр, 4 – сеточный фокусирующий электрод, 5 – вакуумная камера, 6 – термопара, 7 – коллектор, 8 – импульсно-периодический генератор высоковольтных импульсов положительной полярности.

Скачать (122KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фотография детектора с 19 коллекторами.

Скачать (114KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость амплитуды измеряемого тока на коллекторе из нержавеющей стали от средней энергии ионов титана при токах дугового разряда 130 и 170 А.

Скачать (85KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости коэффициента ионно-электронной эмиссии от энергии ионов при токах дугового разряда 130 и 170 А.

Скачать (95KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Суперпозиция профилей распределения плотности, регистрируемого коллекторами тока по сечению пучка, измеренных на разных расстояниях относительно геометрического фокуса системы баллистической фокусировки при токе дугового разряда 130 А и ускоряющем напряжении 20 кВ.

Скачать (142KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Профили распределения плотности тока по сечению пучка при токах дугового разряда 130 и 170 А на расстоянии F+20 мм, ускоряющее напряжение составляет 20 кВ.

Скачать (128KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Профили распределения плотности ионного тока по сечению пучка при токе дугового разряда 130 А на расстоянии F+20 мм и разных амплитудах ускоряющего напряжения.

Скачать (119KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Полный ток на сплошном коллекторе в зависимости от средней энергии ионов хрома при токах вакуумно-дугового разряда 130 и 170 А.

Скачать (82KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость коэффициента ионно-электронной эмиссии от энергии ионов для пучка ионов хрома при токах вакуумно-дугового разряда 130 и 170 А.

Скачать (92KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость тока на коллектор от средней энергии ионов при баллистической фокусировке пучка ионов хрома, формируемого из плазмы вакуумной дуги при токе разряда 130 и 170 А.

Скачать (77KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость амплитуды тока коллектора от средней энергии ионов алюминия при токах дугового разряда 130 и 170 А.

Скачать (91KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость коэффициента ионно-электронной эмиссии от энергии ионов для пучка ионов алюминия при токах вакуумно-дугового разряда 130 и 170 А.

Скачать (82KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025