авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Ускоритель кислородной плазмы и его применение для испытания материалов атомной и космической техники

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

им. Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Черник Владимир Николаевич

УСКОРИТЕЛЬ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ АТОМНОЙ

И КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 01.04.20

Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Отделе ядерных и космических исследований Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л. С. Новиков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В. К. Гришин (физический факультет МГУ) доктор физико-математических наук, профессор В. Т. Заболотный (ИМЕТ РАН)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт (Государственный университет)

Защита состоится «19»февраля 2004 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу:

119992, г. Москва, Ленинские Горы, НИИЯФ МГУ, 19 корп., ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан «09» января 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук Чуманова О. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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. Вы сокая плотность, достигаемая в плазменных ускорителях (ПУ) благодаря квазинейт ральности пучков, представляет интерес для исследования воздействия на материалы интенсивных высокоскоростных потоков вещества и в частности заряженных и ней тральных частиц кислорода.

В космической технике важной проблемой при длительном орбитальном полете в ионосфере является эрозия полимерных материалов наружных поверхностей космиче ских аппаратов (КА) при воздействии набегающего потока атомарного кислорода (АК) с энергией 5 –10 эВ. Для ускоренных имитационных испытаний этих материалов необхо димы интенсивные потоки с энергией атомов 5-30 эВ с эквивалентными флюенсами по рядка 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 рас пыляющего потока приходится на энергию порядка 50 эВ, а в режиме газового диверто ра энергия ионов снижается до 5-10 эВ.

Таким образом, в рассмотренных областях науки и техники при решении мате риаловедческих проблем возникают задачи исследования воздействия на материалы потоков кислородной плазмы со сходными параметрами: энергией атомных частиц в пределах 5-100 эВ, плотностью потока 1016–1018 см-2 с-1, флюенсом 1020–1023 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-плазменных системах. Из за отсутствия источников интенсивных пучков кислорода в интервале энергий 15-100 эВ экспериментальные данные о распылении материалов атомными и молекулярными час тицами кислорода при высоких флюенсах (выше 1020–1021 см-2) весьма ограничены. За дача 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.

1. Создание ускорителя интенсивных низкоэнергетичных пучков кислородной плазмы (КП) с низким содержанием примесей и ресурсом работы, достаточным для испыта ний материалов в потоках с флюенсами до 1020-1022 см- 2. Создание вакуумного имитационного стенда для испытаний материалов со средст вами диагностики пучка и измерения потери массы образцов.

3. Исследование характеристик ускорителя плазмы и генерируемого потока заряжен ных и нейтральных частиц.

4. 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, разнообраз ные экспериментальные физические и расчетные методы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

1. Достоверность результатов обеспечивается тщательностью отработки эксперимен тальных методов исследований, использованием апробированных методов расчета и подтверждается совпадением результатов, полученных разными методами, согласием расчетно-теоретических и экспериментальных данных.



2. Экспериментальные исследования проводились на основе апробированных методов измерений, с использованием экспериментальной базы НИИЯФ МГУ, НПО «Энергия», ИФХ РАН, ВЭИ, МАТИ и были метрологически обеспечены.

3. Результаты исследований распыления и эрозии материалов анализировались и со поставлялись 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, по лимеров. Относительная стойкость к воздействию атомарного кислорода базовых мате риалов, измеренная в пучках кислородной плазмы в данной работе, соответствует из вестным данным, полученным в натурных условиях.

Личный вклад автора. Автору принадлежит выработка основных положений диссерта ции, касающихся создания ускорителя с двойным контрагированием разряда и противо током 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 и дуоплазматрона, 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 безэлек тродных ВЧ и СВЧ газоразрядных устройств, которые технически сложнее.

3. 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.

4. Разработаны зондовые методы измерения содержания конденсирующихся примесей и потенциала пространства для применения в интенсивных пучках кислородной плазмы.

5. Предложен способ измерения средней скорости и интенсивности компонент с разной массой высокоскоростного пучка заряженных и нейтральных частиц радиочастотным масс-спектрометром, признанный изобретением.

6. Впервые измерены коэффициенты ионного распыления нержавеющих сталей раз личных классов и углеродных материалов различной структуры и степени легирова ния бором и кремнием в пучках кислородной плазмы в диапазоне энергий ионов 15 100 эВ с флюенсами порядка 1020см-2 при имитации воздействия примесных ионов на материалы первой стенки термоядерных реакторов.

7. Получены экспериментальные данные по стойкости полимерных материалов к воз действию атомарного кислорода при имитации длительного полета в ионосфере с флюенсом 1021-1022см-2.

Практическая и научная полезность результатов.

1. Разработан плазменный ускоритель, формирующий пучки заряженных и нейтраль ных частиц кислорода с плотностью потока до 5*1017 см-2*с-1 в энергетическом диапа зоне 5-50 эВ с содержанием примесей на уровне 3,5*10-6 при длительности непре рывной работы до 100 час и на его основе создан стенд для проведения испытания материалов.

2. Технические решения, реализованные при создании ускорителя и средств диагно стики пучка, могут быть использованы для повышения ресурса работы и снижения загрязнения пучков при разработке других типов источников заряженных частиц и ус тановок 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 це лого ряда космических аппаратов (ЯМАЛ, МОНИТОР, орбитальная космическая станция ОКС МИР, Международная космическая станция МКС).

4. Результаты испытаний кандидатных материалов первой стенки термоядерных реак торов использованы в работах НИИЯФ МГУ по программе Миннауки РФ №15 «УТС и плазменные процессы».

Научные положения, выносимые на защиту 1. 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.

2. Метод уменьшения загрязнения плазменного потока продуктами эрозии катода пу тем создания противотока газа в канале ПЭ, снижающего выход атомных частиц из катодной части разряда в прианодную плазму.

3. Методики и результаты измерений содержания конденсирующихся примесей, мас сового состава и потенциала в интенсивном пучке кислородной плазмы.

4. Результаты исследования распыления нержавеющих сталей, углеродных материа лов, 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 семина рах, 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 (Мо сква, 1985), научных конф. МГУ «Ломоносовские чтения» (Москва, 1991, 1992), семина рах НИИЯФ МГУ «Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы КА» (Москва, 1990, 1992, 1996, 2003), семинарах по радиационной стойкости органиче ских материалов в условиях космического пространства (Обнинск, 1989, 1996), 5th, 6th, 7th, 8th, 9th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm. (Cannes 1991, Noord wijk 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 взаимо действию ионов с поверхностью (Москва, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003), 3 Между нар. 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 кристал лами. (Москва, 1995, 2003), научно-техн. Конф. Моделирование и исследование слож ных систем (Кашира, 1996), 5th 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 список литературы из 152 наименований.

Содержание работы Во введении показана актуальность, цели и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ современного состояния техники генерации низко энергетичных пучков заряженных и нейтральных частиц и выбор прототипа ускорителя КП. Сформулированы специфические требования к ПУ для материаловедческих приме нений. Первостепенными являются низкая энергия частиц (5-50 эВ), состав пучка (ки слород), его интенсивность (1016-1017 см-2 с-1), отсутствие конденсирующихся на обраба тываемой поверхности примесей, долговечность. Проведен обзор и анализ источников, формирующих интенсивные потоки с энергией ниже 100 эВ. Рассмотрено состояние ис следований по содержанию примесей в пучках. По литературным данным содержание примесей продуктов эрозии электродов в несепарированных по массам пучках колеб лется от 0,005% до 5%. Среди источников с электродами дуоплазматpоны обладают преимуществом по чистоте пучка. Проводится анализ происхождения примесей в источ никах и возможности их уменьшения в плазменных пучках. Показано, что область наи большего загрязнения плазмы локализована в прикатодной части разряда. При выборе плазменного источника с низким содержанием примесей вводится классификация типов генераторов плазмы по направлению извлечения частиц и обсуждаются возможности уменьшения загрязнения плазменных потоков в разных классах. С точки зрения мини мизации загрязнения плазмы продуктами эрозии электродов схема секционированного источника с выводом ионов с анодной стороны имеет преимущества перед схемами с выводом ионов с катодной стороны разряда. Рассмотрены известные методы обеспече ния работоспособности термокатодов в генераторах КП: применение эмиссионных ма териалов, устойчивых к воздействию КП (термохимические и металлоподобные катоды), использование защиты эмиттера электронов инертным газом в форме завесы, плазмен ного катода или полого катода (ПК) с протоком инертного газа. Определяется принципи альная схема построения источника. В полной мере поставленным требованиям не удовлетворяет ни один из существующих типов источников КП, ионов и нейтральных частиц. Отдельные критерии могут выполняться в различных схемах, поэтому решение задачи предполагается путем комбинации в одном устройстве нескольких подходов. В качестве прототипа выбран МПДУ с внешним магнитным полем. Выбор сделан по сово купности характеристик, удовлетворяющих рассмотренным критериям: низкоэнергетич ность, высокие интенсивность и газовая экономичность, малая расходимость потока, его выведение со стороны анода и возможность секционирования источника. Недостатки прототипа: низкая долговечность термокатода в КП и загрязнение плазменного потока продуктами эрозии электродов могут быть устранены отмеченными выше методами:





усовершенствованием катодного узла и применением ДКР по типу дуоплазматрона.

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки ускорителя КП с уменьшен ным содержанием примесей на основе модификации схемы МПДУ с внешним магнит ным полем для длительной работы в окислительной среде. В схеме МПДУ исследована работоспособность в КП различных типов термоэлектронных накаленных катодов (вольфрамового, термохимического на основе гафния, металлоподобного из гексабори да лантана). Установлено, что в несамостоятельном дуговом разряде с накаленным ка тодом в условиях вакуума порядка 1 Па, характерного для МПДУ, термохимический ме ханизм эмиссии катода из Hf не реализуется из-за разрушения оксинитридного слоя ионной бомбардировкой. Рассмотренные типы катодов не пригодны для длительной ра боты в КП. Полученные результаты показали не перспективность сохранения схемы прототипа с накаленным катодом. Для повышения долговечности источника в КП ис пользовался метод газовой защиты эмиссионной поверхности в термоэлектронном ПК с протоком инертного газа. Схема ускорителя КП модифицирована введением контура подачи инертного газа через диа фрагмированный ПК, с откачкой по дополнительному тракту, что повы сило ресурс его непрерывной рабо ты. В качестве прототипа заимство ван разработанный в МАИ ПК борто вого ионного источника для зондиро вания спутника Марса "Фобос". Кон струкция ПК была переработана на требуемую размерность и упрощена благодаря возможности его обслужи вания и улучшения охлаждения в ла бораторных условиях. Данные по долговечности отдельных катодов приведены на рис.1. Разработанный Рис. 1. Долговечность использованных ка ПК при разрядном токе 10-15 А со тодов за время эксплуатации ПУ храняет работоспособность в тече ние нескольких десятков часов. За время эксплуатации ускорителя ремонт ПК произво дился 16 раз. При этом устанавливались, как новые, так и отремонтированные катоды с замененной эмиссионной вставкой. Общая наработка составила 748 час, средняя дол говечность - 47 час.

Для снижения загрязнения потока плазмы продуктами эрозии катода и инертным газом использован принцип ДКР введением в схему ПУ промежуточного ферромагнит ного электрода (ПЭ) с "плавающим" потенциалом. Для подавления выхода из полости ПЭ нейтральных примесей применен противоток газа навстречу электронному потоку в канале ПЭ, создаваемый путем дополнительной вакуумной откачки газа (ДВОГ) из ПЭ.

Полученная таким образом схема ПУ дуо плазматронного типа при знана изобретением и по 3 казана на рис. 2. Термока кислород тод 1 помещен внутри ферромагнитного ПЭ 2.

Между анодом 3 и ПЭ по тpубке 4 подается защит ксенон ный газ – H2, истекающий 1 чеpез отвеpстие в аноде в вакуумный объем 5, а чеpез канал ПЭ в его по лость. В полость анода по трубке 6 подается плазмо образующий газ-O2. H2 вы бран благодаря аномально Рис. 2. Ускоритель с двойным контрагированием разряда высокому порогу катодного pаспыления, что позволяет уменьшить pаспыление ПЭ, хотя это сопровождается загрязнением пучка водородом.

Как показали исследования, благодаря низкому распылению Fe ионами O ПУ обеспечи вает достаточно низкое содержание примесей и без подачи H2. Поэтому в большинстве описанных экспериментов его подача не применялась. Полость ПЭ откачивается допол нительной вакуумной системой через патрубок 7. Магнитное поле создается соленои дом 8. За сpезом анода pаспpеделение магнитного поля аналогично распpеделению в МПДУ, а на выходе из канала ПЭ - дуоплазматрону. Такое магнитное поле позволяет за анодом сформировать слабо расходящийся поток плазмы малой энергии и разделить анодную и катодную части разряда потенциальным барьером. Положительно ионизо ванные примеси при движении от катода по каналу ПЭ в анодную плазму отбрасывают ся электрическим полем потенциального барьера обратно в полость ПЭ. Благодаря этому эффекту ионной откачки, нагнетающей ионы обратно в полость ПЭ, давление в ней возрастает выше давления в анодной части, как это и происходит в дуоплазматро не. Под действием перепада давления возникает поток нейтрального газа из полости ПЭ в анод, выносящий в анодную плазму продукты распыления катода. Для подавления этого потока атомов в рассматриваемой схеме введена ДВОГ из ПЭ. Скорость ДВОГ подбирается такой, чтобы создать противоток газа, препятствующий диффузии ней тральных атомов примесей в сторону их меньшей концентрации у анода. Тем самым в дополнение к рассмотренному эффекту отражения ионной компоненты потенциальным барьером обеспечивается уменьшение потока и нейтральных пpимесей.

Эффект ДВОГ исследован в модельном эксперименте, в котором роль примеси играл инертный газ-Xe, подаваемый в ПК. Снимались зависимости от скорости ДВОГ давления в ПЭ и отношения пиков Xe и O в спектре масс ионов в ускоренном пучке КП.

По данным эксперимента на основе баланса частиц строилась расчетная модель рас пределения газовых потоков в ПУ.

Предполагалось, что в установившемся режиме вводимый в полость ПЭ поток q0 Xe выводится двумя потоками: потоком u, удаляемым ДВОГ, и потоком q, выходя щим через канал ПЭ в анод q0= u+q (1). Последний, в свою очередь, представляется су перпозицией потока f,определяемого движущей разностью давлений (p-pa) в ПЭ и ано де и проводимостью C канала, и потока r ионной откачки, направленного ему навстречу, т. е. q = f-r (2) и f=C*(p-pa) (3).

Величина потока r, как уста новлено при исследованиях дуоплазматронов, пропорцио потоки, нормированные по q 2, нальна току разряда, магнит ному полю и слабо зависит от 1, давления. На рис. 3 показаны расчитанные по данной моде 0, ли зависимости потоков от давления при токе 10 А. Изме -0,5 0 2 4 6 8 10 рялись давление p в ПЭ и по - ток u, по которым из (1) строи -1, лись зависимости q/q0 эксп. и - r/q0 эксп. из (2). Расчет q/q давление в ПЭ, Па расч. проводился по (2) с ис пользованием постоянного u/q0 эксп q/q0 эксп r/q0 эксп r/q0 расч значения r/q0=1,47 для тока f/q0 расч q/q0 расч А. Согласие эксперименталь Линейный (u/q0 эксп) ных и расчетных данных пока зывает адекватность модели.

Рис. 3. Зависимости потоков от p в ПЭ при токе 10 А Как видно, при снижении дав ления выходящий через канал ПЭ поток q уменьшается и меняет направление. Результаты определения потока q эксп.

для разрядных токов 0, 6 А, 8 А и 10 А, приведенные на рис. 4, показывают, что с ростом разрядного тока давление возникновения противотока газа в канале ПЭ увеличивается в соответствии с воз растанием потока ионной откачки, про порционального току.

При уменьшении по тока q до 0 наблюда ется снижение со держания Xe в пучке с 8-15% до 1%, как это видно на рис. 5.

Полное подавление выхода Xe ниже пре дела обнаружения (0,05%) методом ди намической масс спектрометрии дости гается при величинах противотока –2– отн. ед. (0,2-0,4 q0), Рис. 4. Зависимость от p в ПЭ выходящего потока q при раз- что показывает необ ходимость создания личных токах разряда : слева направо: 0, 6А, 8 А, 10 А.

противотока газа в канале ПЭ для эффективного подавления диффузии примеси. Следы металлов и других конденсирующихся примесей в масс-спектре также не наблюдаются.

Для измерения содержания конденсирующихся примесей в потоке КП применен метод собирающего зонда. Новизна применяемой методики состоит в определении ки нетики накопления осадка на зонде, по ви ду которой судят о со держании примесей в пучке плазмы. Элемент ный анализ осадка на поверхности собираю щего зонда из монокри сталлического Si после экспозиции в пучке про водился методом ре зерфордовского обрат ного рассеяния (РОР) ионов He. Результаты анализа осадка на зон де интерпретировались на основе баланса при месных атомов на его поверхности: dn/dF = c (n/n0)(1-f), где n - по верхностная концентра ция примесных атомов данного сорта в осадке, Рис. 5. Относительное содержание Xe в пучке в зависимости от по- F флюенс ионов кисло тока q при разных токах разряда. Xeo-0A, Xe6-6A, Xe8-8A, Xe10-10A. рода, c – атомная кон центрация примесей данного сорта в потоке, - вероятность ухода атома примеси с поверхности при переда че ему импульса, n/n0 - вероятность передачи импульса атому примеси, n0 – поверхно стная концентрация атомов на зонде, f - коэффициент рециклинга, показывающий долю распыленных атомов примеси, возвращающуюся на поверхность зонда в результате столкновений в плазме. Анализ РОР показал появление на облученной поверхности элементов группы Fe (Cr, Fe, Ni, Mn), не разрешаемых на спектре и идентифицируемых как Fe, а также следов W, Mo, La. Полученные данные в исследованном диапазоне флюенсов ионов кислорода F =(0,7-6)*1020 см-2 отображаются прямой с достоверностью аппроксимации 0,9983 и наклоном dn/dF=3,5*10-6. Хотя n увеличивается в 20 раз с до 2*1014 атомов/см2, уменьшения dn/dF не наблюдается, что позволяет пренебречь рас пылением осадка и оценить содержание Fe в потоке КП на уровне c=dn/dF=3,5*10-6. В потоке плазмы Ar n осадка увеличивается в 7 раз при тех же энергии, интенсивности и флюенсе, что объясняется более высоким распылением стали ионами Ar. Плазменный пучок кроме ионов плазмообразующего газа (технический O2 с 3% примесью Ar) содер жит примеси ионов газа ПК (Xe) ниже порога обнаружения (0,05%) масс-спектрометрией и примеси конструкционных материалов (Fe) на уровне 3,5*10-4 %., что свидетельствует об эффективности подавления загрязнения примесями потока плазмы.

Представлены интегральные характеристики ускорителя КП: вольтамперная ха рактеристика (ВАХ) ускорителя растущая 5-22 А, 50-75 В, газовая эффективность в ти повых режимах изменяется в пределах 0,18-0,45, цена иона кислорода при увеличении разрядного тока в диапазоне 9-15 А и B =0,01 Тс уменьшается с 2500 до 1300 эВ.

При имитации воздействия струй электрореактивных двигателей на материалы КА для повышения энергии ионов в пучке до 200 эВ базовая конфигурация с ДКР преоб разуется в схему ПУ с разрядом с замкнутым дрейфом электронов (РЗДЭ). Путем вве дения специальных вставок и магнитопроводов магнитное поле, возбуждаемое соле ноидом, концентрируется в кольцевом зазоре между полюсами с радиальным направле нием силовых линий, где, таким образом, создается скрещенное поле ВхЕ. В кольцевом канале возникает РЗДЭ. Образуется ускоряющий ионы слой с перепадом потенциала, близким к напряжению разряда, и формируется ускоренный кольцевой ионный пучок, скомпенсированный электронами, поступающими через кварцевую трубку с катода.

В третьей главе рассмотрена техника эксперимента в интенсивных пучках КП.

Описана конструкция экспериментального стенда «КОМПЛЕКС-2», в который установ лен разработанный ускоритель и аппаратура для диагностики пучка и контроля свойств образцов материалов. Стенд состоит из двух камер с вертикальной ориентацией осей:

камеры источника плазмы и измерительной. Дифференциальная откачка диффузион ными насосами на полифениловом эфире с быстротой действия 2 и 1 м3 с-1 с азотными ловушками обеспечивает рабочий вакуум (1-3)*10-2 Па в первой и (3-5)*10-3 Па во вто рой. Система питания рабочими газами ПУ состоит из 3-х идентичных трактов подачи O2, Ar или Xe, и H2. Блок электропитания содержит 3 цепи: анодную, накальную и соле ноидную. Система мониторинга пучка включает аппаратуру для диагностики потока плазмы и магнитную систему для отклонения заряженных частиц. Все устройства за ис ключением анализатора масс-спектрометра размещены на манипуляторе для позицио нирования датчиков в пучке. Система контроля свойств образца включает манипулятор образцов, с 4-мя держателями, цепь термометрии с 4-мя термисторами, вакуумные мик ровесы, устанавливаемые на один из держателей. Стенд позволяет проводить облуче ние образцов материалов пучками плазмы и нейтральных частиц кислорода и других газов с измерением потери массы материала и параметров пучка. Длительность непре рывной работы стенда позволяет проводить сеансы облучения ионным флюенсом до 1022 ион *см-2. Диагностика пучков заряженных частиц проводится электрическими зон дами: измерение плотности ионного тока ji и электроной температуры Te Iз(U) двухзондовым ме dJа/dUа тодом, энергетиче ского распределе ния ионов Fi(E) трехсеточным ана лизатором тормозя щего поля диффе ренцированием кри вой задержки радио техническим мето дом путем модуля ции малым гармони ческим сигналом ( кГц) напряжения за держки и регистра ции переменной со ставляющей тока коллектора на час Рис. 6. Зондовые характеристики Iз(U) и энергетическое рас тоте модуляции. Ти пределение dJа/dUа ионов в потоке кислородной плазмы. По пичная зондовая ха тенциал 0 плазмы 20 В. Разрядные ток 14 А, напряжение рактеристика пока В, катод заземлен. Ионный ток насыщения –2,6 мА. Площадь зана на рис.6. Сред зонда 0,28 см2. н -начало, к - конец облучения няя направленная скорость V и энергия ионов E в пучке оценивалась также по отношению ji продольного и поперечного зондов с ориентацией поверхности вдоль и поперек пучка. Ei максимальна на оси пучка (30 эВ) и спадает на периферии, диаметр пучка на уровне 0,5 составляет 4 см, Te =4-7 эВ. Путем интегрирования радиального распределения ji в круге получены значения полного ион ного тока 0,25-0,85 А. При регулировании режима изменением магнитного поля и раз рядного тока измеренный направленными зондами в неотклоненном пучке диапазон Ei - =10-40 эВ (см. рис.7), ji уменьшается с 0,35 до 0,003 А*см при смещении вдоль оси пуч ка от среза анода с 20 до 180 мм (см. рис. 8). Потенциал плазмы 0 при этом падает с до 20 В. В плоскости образца (180 мм) с 0 =20 В средняя Ei =34 эв. При контакте плаз мы с поверхностью образца возникает пристеночный скачок потенциала, изменяющий Ei бомбардирующих ионов. На проводящей поверхности потенциал может регулироваться внешним смещением, тем самым, позволяя управлять Ei бомбардирующих ионов. На диэлектрической стенке потенциал понижается зарядом плазменных и катодных электронов. Для уменьшения Ei при менялось отклонение заряженных частиц наложением поперечного маг нитного поля с одновременным пони энергия, эВ жением потенциала катода внешним отрицательным смещением. Зондовые характеристики прямого пучка для это го режима показаны на рис. 9. Легко видеть, что средняя энергия, плот ность тока ионов и температура элек тронов уменьшились. Максимум энер 0 0,5 1 1,5 гораспределения соответствует 14 В I*B,10 А*Тс при потенциале плазмы 9 В, что опре деляет среднюю энергию ионов в пуч Рис. 7. Зависимость энергии ионов в потоке ке на уровне 5 эВ. В этом режиме при кислородной плазмы от произведения маг- перезарядке ионов пучка на спутной нитной индукции B и разрядного тока I струе кислорода из ПУ формируется нейтральный поток с E=5 эВ. Характе ристики модифицированного в схему с РЗДЭ ускорителя исследовались при напряжени ях U=150-250 В и токах разряда I=0,5-1,5 А. При U=200В, I=0,6 А. формируется пучок ио нов Xe с Ei=183 эВ и ji=1 мА*см-2 на образце.

Разработана методика изме рения 0 в интенсивном потоке КП 80 эмиссионным зондом (ЭЗ) с нагре потенциал, В;

плотность ионного тока 10 мА/см вом электронной бомбардировкой по схеме рис. 10. Новизна заключа ется в использовании в качестве ЭЗ одиночного цилиндрического или плоского зонда Ленгмюра обычной конструкции (поз. 1, 2, 3) относи тельно большого диаметра (поз. d=0,5 мм) или площади вместо на 0 50 100 150 каленного зонда в виде тонкой (0, расстояние от анода, мм мм) проволоки с нагревом большим током накала от внешнего источни потенциал плазмы ка. Этот же зонд используется для плотность ионного тока определения Te и концентрации за ряженных частиц по обычной мето Рис. 8. Осевое распределение плотности ион дике одиночного зонда (переключа ного тока и потенциала в пучке кислородной тель 9). Нагрев до температуры плазмы. Плотность ионного тока на расстоя термоэлектронной эмиссии произ - нии 20 мм от анода составляет 350 мА*см.

водится бомбардировкой поверхно сти зонда электронами исследуе мой плазмы, которые ускоряются импульсами положительных полупериодов напряже ния, подаваемыми на зонд по цепи 7, 8, 6. В паузе между импульсами проводится изме рение плавающего потенциала (по цепи 10, 4, 5) ЭЗ, который достаточно близок к 0.

Такой метод позволяет повысить долговечность зонда благодаря большему диаметру и упростить технику измерений 0 в интенсивном потоке КП.

Методика оценки среднемассовых параметров нейтрального пучка основана на одновременном опреде лении потока импульса и 14 В мощности, по которым вычисляются V и j пучка.

Аппаратура представляет собой компактный изме ритель, состоящий из магнитоэлектрических 5В крутильных весов с авто балансировкой и терми сторного болометра, чув ствительные элементы В 20 10 которых совмещены в точке контроля.

Для измерения массового состава ионной компоненты использовал Рис. 9. Энергетическое распределение ионов и двухзондовая ся монопольный масс характеристика в режиме отклонении заряженных частиц спектрометр типа МХ 7305. При интерпретации спектров учитывались искажения, вызванные фокусировкой и перезарядкой ионов при движении плазменного пучка от диафрагмы к входному отверстию анализатора масс и дискриминацией по массам при регистрации ионов ВЭУ. Массовый состав ионов пучка КП при питании полого катода ксеноном характеризуется наличием трех линий: O, O2, Ar (3%). Ar является примесью O2 в баллоне. Степень диссоциации ионов кислорода из меняется в пределах 15-85 % в зависимо сти от режима и увеличивается с ростом магнитного поля и разрядного тока.

Обращаясь к анализу по массам нейтральной компоненты следует отметить ее низкую плотность по сравнению с фоном молекул газа тепловых энергий, наличие нестабильной O компоненты и потока ВУФ из ПУ. В результате взаимодействия атом ных частиц со стенками регистрируемый спектр искажается составляющими от рас сеянных и прорекомбинировавших частиц меньшей E. Для снижения искажений масс спектра автором был предложен способ энергомассанализа высокоскоростных мо лекулярных пучков нейтральных и заря Рис. 10. Схема метода эмиссионного зон- женных частиц с нестабильными компонен да с нагревом плазменными электронами тами с использованием радиочастотного масс-спектрометра (РМС) типа Беннета, на который в соавторстве с А. А. Похунковым, Ю. В. Кубаревым, А. Ф. Гековым и др. полу чено авторское свидетельство на изобретение. При анализе высокоскоростного пучка, движущегося вдоль оси РМС, ионы, образовавшиеся в камере ионизации, способны достигать селекционирующей системы за счет своей высокой начальной скорости без ускоряющего поля на вытягивающей сетке. Это позволяет устранять искажения спектра путем отсечки медленных частиц тормозящим полем этой сетки и им же производить энергоанализ ионов. Этот принцип дает возможность стандартным РМС без применения специального энергоанализатора определять все основные параметры молекулярного пучка: массовый состав, j и V массовых компонент.

Генерация плазмы сопровождается электромагнитным излучением (ЭМИ) в ви димом, УФ и ВУФ диапазонах. Измерение суммарного потока ЭМИ (0,2 мкм) проводи лось калориметрическим методом термисторным болометром с фильтром из кварцевого стекла. В диапазоне 0,3мкм0,215 мкм использовался измерительный вакуумный фо тоэлемент типа Ф-7. Оценка потока ВУФ осуществлялась по внешнему фотоэффекту с помощью открытого Al фотокатода с использованием метода задерживающих потен циалов. Полученные данные дают приближенную оценку мощности сопутствующего ЭМИ:

-2 мВт*см-2 на 200 нм,–0,2 мВт*см-2 на =0,2-0,3 нм, - 0,6 мВт*см-2 на 200 нм.

Средства диагностики дали возможность измерить основные параметры пучка частиц, падающего на поверхность экспонируемого образца материала в зависимости от режима ускорителя. Представление об относительном вкладе компонент дается ус редненными значениями: ионы - ji =1016-1017 ион см-2*с-1, E= 20-50 эВ, степень диссоциа ции 50-70%;

быстрые нейтралы перезарядки-j= 1015 см-2*с-1, E= 5-20 эВ, эффузионный поток молекул –j= 5*1016 см-2*с-1, E= 0,1 эВ, поток ВУФ-j= 5*1014 см-2*с-1, E= 10 эВ.

Рассмотрены методики контроля свойств образцов материалов при облучении.

Потери массы образцов определялись взвешиванием либо на аналитических весах типа АДВ-200М с точностью 0,1 мг вне вакуумной камеры до и после облучения, либо непо средственно в процессе облучения в камере миниатюрными (3*5*5 см3) вакуумными ав томатическими микровесами с чувствительностью 5 мкг, разработанными автором.

Влияние облучения на механические свойства исследовалось на основе снятия диаграмм растяжения образцов до и после облучения. Для контроля прочностных ха рактеристик образцов автором была разработана малогабаритная разрывная машина, позволяющая получать диаграмму растяжения образца непосредственно в вакуумной камере для исключения постэкспозиционных изменений свойств образца при воздейст вии атмосферного воздуха.

Четвертая глава посвящена применению ускорителя КП для изучения ионного распыления кандидатных материалов первой стенки ТЯР. Проведен анализ условий распылительного эксперимента при воздействии пучка КП, показавший, что эксперимен тальные условия, хотя и не соответствуют формальным критериям Гюнтершульце Мура, но для случая распыления материалов ионами кислорода низкой E вполне при годны для прикладных имитационных исследований. Результаты при E=15-100 эВ сов падают с известными данными на краях диапазона, полученными на сепарированных по массам и энергиям ионных пучках.

В экспериментах, имитирующих воздействие на материалы ТЯР потоков примес ных ионов O, определялись коэффициенты распыления S и угловые распределения эмитированных частиц нержавеющих сталей аустенитного (А) и ферритно мартенситного (ФМ) классов и графита МПГ-6. Для сравнения изучалось распыление в пучке плазмы Ar. Для имитации условий длительной работы в ТЯР распыление иссле довалось при достаточно высоких флюенсах до 5*1020 ион*см-2, получаемых в плазмен ных потоках с ji =1-10 мА* см-2, и средней E=10-100 эВ, регулируемой потенциалом об разца. Измерение S осуществлялось методом сбора распыленных частиц на коллекторе с последующим анализом осадка методом РОР ионов гелия с E=1,5 МэВ. Измеренные S сталей с различной структурой почти одинаковы при воздействии плазмы Ar и состав ляют при E =100 эВ: S=0,2 атомов/ион для А стали марки 10Х12Г20В и S=0,22 атомов / ион для ФМ стали 15Х12В-ФРТ-ВН. Эти значения совпадают с литературными данными, где для Fe S=0,2 атомов/ион при той же E. В потоке КП у сталей А и ФМ классов, имеющих различные типы кристаллических решеток и структуру, S существенно ниже и сильно различаются: при E =100 эВ для А сталей 10Х12Г20В и 25Х12Г20В получены S=7*10-3 и S =6*10-3 соответственно, а для ФМ стали 15Х12ВФРТ-ВН- S=1,4*10-2 ато мов/атом О. Измеренные угловые распределения не подчиняются закону косинуса, вы сока доля частиц, распыленных под углами к нормали 30-50 и 50-70 градусов соответст венно в Ar и КП. Такой вид распределения характерен для режима прямого выбивания поверхностных атомов ионами низкой энергии. Определен энергетический порог распыле коэффициент распыления, 0 50 100 атомов/ион, атомов/атом ния нержавеющей стали А клас 0, са 25Х12Г20В (США) на уровне 20 эВ при S=10-5атомов на ион.

На рис. 11 представлены 0, результаты измерения S ионами O (2) и Ar (3) А нержавеющей 0, стали и графита (1) МПГ-6 в припороговой области 25-100 эВ.

0, На этом же рисунке представле энергия ионов или атомов, эВ ны литературные данные: энер 1-C/O 2-нерж.ст./O гетические зависимости S не 3-нерж.ст./Ar 4-нерж.ст./O ржавеющей стали ионами O (4) и 5-нерж.ст./Ne 6-C/O Ne (5), полученные на сепариро 7-C/O Спейс Шаттл 8-C/O PSI ванном ионном пучке, а также графита –на этом же пучке (6), Рис. 11. Энергетические зависимости коэффициен на источнике PSI (США) быстрых тов распыления нержавеющей стали и графита ио атомов O (8) и полетные данные нами и атомами O, Ar, Ne КА «Спейс Шаттл» (7). Наблю дается соответствие с известными данными на краях энергетического диапазона. При веденные данные показывают эффект уменьшения S стали на 1,5 порядка при химиче ском взаимодействии атомов мишени с бомбардирующими частицами. При E =90 эВ данные по распылению графита МПГ-6 в пучках КП с разной степенью диссоциации (6 60%) свидетельствуют в пользу предположения о диссоциации молекулярной компонен ты пучка при взаимодействии с поверхностью.

При E =90 эВ исследовано S, атомов/атом 0,8 влияние структуры и состава уг леродных материалов на коэф 0, фициент химического распыле ния. Результаты показаны на гис 0, тограмме рис. 12. При рассмот 0, рении ряда нелегированных ма териалов (поз.1-9) прослежива ется тенденция уменьшения S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 при повышении степени графи материал тации от изотропного пироугле рода ПГИ до графита МПГ-6.

Рис.12. S углеродных материалов: 1-УПВ-1, 2- Значительно существеннее про УПВ-1Т, 3-СУ-2500, 4-УУКМ-3D, 5-4КМС, 6, 7-МПГ-6, является влияние состава мате 8-ГЭМ-Э, 9- ПГИ, 10-УСБ-26, 11-РГ-Т-Б, 12, 13-УСБ риала на его химическое распы 15, 14-СГ-Т, 15-ПГМ-С.

ление. Наблюдается уменьшение S (0,96-0,13) при росте содержания B (0-15%), наглядно видное на рис.12, где материа лы поз. 9-13 расположены в порядке увеличения содержания B. Исследование углеси таллов УСБ-15 и УСБ-26 показало возможность многократного усиления химического распыления материала (S=0,13 и 0,96 соответственно) в результате термообработки, проведенной для улучшения его структуры, но приведшей к снижению содержания B с 8 15% до 0,03%. Показано также, что эрозионная стойкость, присущая УСБ-15 при невы соких температурах (S=0,13-0,25 ат/ат О), не сохраняется при нагреве выше 700 К, когда S увеличивается до характерного для нелегированных графитов уровня 0,6-0,7, веро ятно, из-за испарения защитной пленки B2O3.

В пятой главе рассматривается использование пучков КП и инертных газов для ускоренных испытаний полимерных материалов и их защитных покрытий при имитации длительного полета в ионосфере и воздействия струй электроракетных двигателей.

Имитация многолетнего полета в ионосфере требует облучения материалов высокими флюенсами АК 1022-1023 см-2. Интенсивности пучков на имитационных установках не превышают 1017 см-2с-1 (обычно 1015-1016 см-2с-1), что приводит к практически неприем лемой продолжительности испытаний. Возможным путем ускорения испытаний может быть увеличение E частиц пучка в пределах сохранения механизма их взаимодействия с испытываемым материалом. Однако этот путь ограничен, поскольку при значительном увеличении E бомбардирующих частиц возрастает роль физического распыления и из меняется механизм химических реакций. Литературные данные и собственные исследо вания показывают, что эрозия полиимида при воздействии быстрых частиц кислорода с E=30 эВ на порядок превышает эффект физического распыления атомами инертных га зов. При ускоренных испытаниях мерой воздействия пучка считаются потери массы m эталонного материала-полиимида, по которым определяется эквивалентный флюенс (ЭФ) АК. К примеру, для углепластика, состоящего из C- волокон в эпоксидной матри це, объемный коэффициент эрозии при ускоренных испытаниях в пучке КП составил 1, *10-24 см3/атом О по ЭФ. Это согласуется с полетными данными для компонент компози та: 1*10-24см3 для C и 1,7*10-24см3 на атом О для эпоксида. Для повышения степени ус коренности облучение образцов проводилось без вывода заряженных частиц, чем дос тигалось повышение как j, так и E частиц. Пучок КП, падающий на образцы, состоял из ионов, атомов и молекул кислорода со среднемассовой V=16 км/с (средняя E атомов эВ) и j=(2,5-3,5)*1016см-2*с-1. Быстрые молекулы потока при столкновении с поверхно стью диссоциируют, ионы нейтрализуются и в результате на материал воздействуют атомы, имеющие среднюю V=16 км/с. В этом режиме изучалось изменение механиче ских свойств материалов наружных поверхностей КА (см. рис. 13, 14).

Особенность исследования эрозии углепластика КМУ-4Л без покрытия и с термо регулирующим покрытием ЭКОМ-1 (ZnO в акриловой связке) состояла в высоком ЭФ АК 3,5*1022 см-2. Эрозия привела к уменьшению толщины с 1 мм до 0,6 мм и снижению прочности образца в 3 раза. В тоже время у образца с покрытием толщина и диаграмма разрушения практически не изменяется. Оксидный пигмент оказывает защитное дейст вие, снижая m в 6,5 раз. Деградация механических свойств наблюдалась также у мате риалов на основе синтетических волокон: плетенки «ПАРМЛ» и терлоновой ткани (ана лог кевлара). В «ПАРМЛ», приме няемой в качестве экранирующей оплетки кабелей, используется аримидная нить, состоящая из по нагрузка, Н лиимидных волокон и выполняю 800 щая силовую функцию. Из терло новой ткани сшивался аримидной нитью раскрывающийся экран для защиты аппаратуры на внешней по верхности российского функцио нального грузового блока «Звезда»

0 10 20 30 от воздействия струй двигателей относительное удлинение,% “Space Shuttle” при его сближении с МКС. Результаты имитационных ис ПАРМЛ-исх ПАРМЛ-облуч.

пытаний показали, что по устойчиво Рис. 13. Диаграмма нагружения образца пле- сти к воздействию АК терлоновая ткань близка к полиимиду (m =5. тенки «ПАРМЛ» до и после облучения в пучке мг/см2 и 5.6 мг/см2 соответственно).

У «ПАРМЛ» наблюдается полное вытравливание аримидных волокон внутри металлической обвивки у значительной час ти нитей. Разрывное усилие потери массы, мкг/кв.см (см. рис. 13) уменьшается в раз, а относительное удли нение -в 1,7 раза. У фраг ментов экрана после облуче ния КП разрывная нагрузка уменьшается в 2 раза, при 10 силикон 3 оксид силикон чем разрушаются как терло новая ткань, так и аримид 0 5 10 ные нити шва.

эквивалентный флюенс, 10E20 атом/кв.см Влияние облучения пучками КП на оптические Рис. 14. Зависимость потери массы полиимидной плен свойства материалов КА ки с защитными покрытиями различных типов от ЭФ рассмотрено на примере по АК при облучении в пучке КП лиимидных пленок, защи щенных Si-содержащими по крытиями, и цветных эмалей. Эффективность защиты покрытий из SiO2 и кремнийоргани ческих лаков 2 типов определялась на пологих участках зависимостей (см. рис.14) как отно шение m незащищенной пленки, по которой определялся ЭФ, к m пленки с покрытием.

Она максимальна у SiO2 (=800). После обработки КП в слоях SiO2 возникает сеть микро трещин, не наблюдаемая в лаковых покрытиях. Коэффициенты поглощения солнечного из лучения s пленок, измеренные на белых подложках в РКК «Энергия», увеличились с 0, до 0,380 у SiO2 и уменьшились с 0,36 до 0,345 у лаков. Испытания аналогичных покрытий на ОКС «Мир» показали согласие с данными лабораторных экспериментов.

Исследовалась стойкость ЭП-140 синяя цветных лакокрасочных покры 0, тий со связующими на основе 0, эпоксидных (ЭП) и кремнийорга коэффициент 0, нических (КО) эмалей, а также отражения 0, ЭП эмалей со слоем кремнийор 0, ганического лака КО-008., ис 0, пользуемых в знаках государст 0, венной принадлежности на Рос сийском Сегменте МКС. После 300 400 500 600 облучения образцов пучком КП с ЭФ АК 1,4*1021см-2 проводились длина волны, нм после до измерения m и спектров отра жения образцов в диапазоне 0.2 2,5 мкм на LPSR-2000 в РКК ЭП-140 + КО-008 синяя «Энергия». Как видно на рис.15 у ЭП наблюдаются изменение ок 0, раски и значительные m, а у КО коэффициент отражения 0, и ЭП со слоем КО-008 окраска и масса почти не изменяются.

0, Испытания в пучках ксено новой плазмы с энергией 130 эВ, 0, имитирующие воздействие струй двигателей ориентации, выявили 300 400 500 600 эффекты распыления и потемне длина волны, нм ния поверхностей силикатных после до терморегулирующих покрытий на основе ZnO (ТР-СО-12) и ари Рис. 15. Спектры отражения синих эмалей мидной ткани, а также уменьше ния эффективности фотопреоб разования элементов солнечной батареи.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Предложена оригинальная схема ускорителя кислородной плазмы на основе МПДУ с двойным контрагированием разряда и противотоком газа, защищенная авторским сви детельством на изобретение. На основе предложенной схемы создана конструкция ус корителя плазмы, обеспечивающая получение пучков атомных и молекулярных частиц кислорода плотностью потока до 5*1017см-2*с-1, средней энергией 5-50 эВ, с низким уровнем примесей (3,5*10-4%) при длительности непрерывной работы до100 час.

2. Предложен и исследован метод подавления выхода примесей продуктов эрозии ка тода в плазменный пучок путем двойного контрагирования плазмы с противотоком газа в месте сжатия разряда. Метод позволяет снизить содержание Xe в пучке ниже порога обнаружения масс-спектрометрией (0,05%), а содержание Fe-до уровня 3,5*10-4 %.

3. Исследована работоспособность термохимического и гексаборидного катодов в раз ряде окислительного газа вакуума средней степени. Показано, что эмитирующий окси нитридный слой в этих условиях разрушается катодным распылением и термохимиче ский режим катода из гафния не реализуется.

4. Создан имитационный стенд для испытаний материалов с системой диагностики ха рактеристик пучка и мишени. Ряд технических решений защищен четырьмя авторскими свидетельствами на изобретения.

5. Разработаны усовершенствованные методы диагностики характеристик пучка кисло родной плазмы: эмиссионным зондом с нагревом бомбардировкой плазменными элек тронами для измерения потенциала в плазме, собирающим зондом для определения содержания конденсирующихся примесей в пучке, радиочастотным масс-спектрометром для энергомассанализа ускоренного потока заряженных и нейтральных частиц.

6. Исследовано распыление нержавеющих сталей и углеродных материалов в пучках кислородной плазмы в припороговой области энергий 15-100 эВ. Получены новые ре зультаты по влиянию структуры и состава материалов на их эрозию при бомбардировке химически активными ионами кислорода.

7. Исследована относительная стойкость перспективных материалов космических ап паратов: полиимидных пленок, синтетических тканей, углепластика, лакокрасочных, за щитных и терморегулирующих покрытий при воздействии пучков кислородной плазмы, имитирующих набегающий поток атомарного кислорода ионосферы и плазменные струи электроракетных двигателей.

Основные публикации по теме диссертации 1. А.с. N 1797448. МКИ H01J. Газоpазpядный источник плазмы дуоплазматpонного ти па: / Черник В.Н. (СССР). Опубл. 12.09.95. Бюл. № 19. 3 с.

2. Chernik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge ex change // Proc.7th Int. Symp. Materials in Space Environment. Toulouse, SP-399, 1997, p.

237-241.

3. Chernik V.N. Reactive Accelarator Jet Potential Measurement by Emissive Probe with Electron Heating // Proc. of 24th Intern. Electrical Propulsion Conference. October. 1995.

Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v.3. p. 1339-1345.

4. А.с. № 1181455 Способ определения параметров высокоскоростного молекулярного пучка / Кубарев Ю. В., Похунков А. А., Черник В. Н. и др. (СССР), ОИПТЗ, 1995, № 20.

5. Кубарев Ю.В., Черник В.Н. К вопросу анализа нестабильных компонентов высокоскоро стного молекулярного пучка радиочастотным масс-спектрометром // Тез. докл. 8 Всес. конф.

по динамике разреженных газов. М.:1985, с. 137.

6. Kubarev Ju.V.,Chernik V.N. Source of intensive oxygen plasma flows of low energy for technological applications // Proc. of 24th Intern. Electrical Propulsion Conference. October.

1995. Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v.3. p. 1269-1277.

7. Кубарев Ю. В., Черник В. Н. О работоспособности накаленных катодов в разряде окислительного газа низкого давления. Материалы конференции Физика и техника плазмы. 13-15 сентября 1994. Минск, Беларусь. Минск: 1994. т. 1. с. 172-174.

8. Кубаpев Ю.В., Чеpник В.Н. Разработка и исследование магнитоплазмодинамическо го генератора кислородной плазмы для технологических приложений // Изв. вузов. сеp.

Электpоника. 1998. № 4. с. 189-193.

9. Черник В. Н., Титов В. И., Соловьев Г. Г. Высоковакуумный стенд для исследования воздействия на материалы потоков кислородной плазмы и оптического излучения // Ва куумная техника и технология, 1991, т.1, № 4, с. 52-54.

10. Novikov L. S., Solovyev G.G., Chernik V. N. Meteoroids and charged particles flow influ ence on spacecraft materials // Proc.6th Int. Symp Materials in Space Environment. ESTEC, Noordwijk, 1994, p. 411-412.

11. Акишин А.И., Куликаускас В.С., Чеpник В.Н. Исследование pаспыления гpафита и неpжавеющей стали в потоках кислоpодной плазмы // Изв. АН. сеp. Физическая. 1994. т.

58. № 3. с. 109-115.

12. Кубарев Ю. В., Черник В. Н., Похунков А. А., Росинский С. Е., Тарасов В. М. Радио частотный масс-спектрометрический метод диагностики потоков заряженных и ней тральных частиц // Известия Вузов, сер. Электроника. 1996. № 1-2. с. 77-81.

13. Акишин А. И., Черник В. Н. Распыление графита и нержавеющей стали плазмой ки слорода с энергией ионов 10- 100 эВ // ФХОМ. 1993, N 5, с.21-23.

14. Акишин А. И., Черник В. Н., Куликаускас В. С., Затекин В. В. Применение метода ре зерфордовского обратного рассеяния ионов для измерения содержания примесей в по токе кислородной плазмы // Поверхность. 1996. № 1. с. 89-92.

15. Акишин А. И., Черник В. Н., Куликаускас В. С., Затекин В. В. Распыление нержавею щих сталей различных классов в потоках кислородной плазмы // Известия РАН, сер. фи зическая. т. 60. 1996. № 4. с. 143-145.

16. Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас В.С., Затекин В.В. Воздействие кислородной и аргоновой плазмы с энергией ионов 10-100 эВ на нержавеющие стали и графит // Извес тия РАН, сер. Физич., т. 62. 1998. № 4. с.872-876.

17. Акишин А. И., Новиков Л. С., Черник В. Н. Воздействие на материалы и элементы оборудования космических аппаратов вакуума, частиц ионосферной плазмы и солнечно го ультрафиолетового излучения / Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопе дия. Том 17. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космиче ских аппаратов / Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И., М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2000, с.100-138.

18. Черник В. Н., Наумов С. Ф., Демидов С. А., Соколова С. П., Свечкин В. И. Исследова ния полиимидных пленок с защитными покрытиями для космических аппаратов // Пер спективные материалы. 2000. № 6. С. 32-36.

19. Новиков Л. С., Черник В. Н., Бабаевский П. Г., Козлов Н. А., Чалых А. Е., Балашова Е.

В., Смирнова Т.Н. Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКОМ при лабора торной имитации длительного полета в ионосфере // Перспективные материалы. 2001.

№5. С.20-26.

20. Акишин А. И., Виргильев Ю.С., Черник В.Н. Эрозионные свойства углеродных мате риалов различной структуры и состава в потоках кислородной плазмы // Известия РАН, сер. Физическая, т. 66. 2002, №4, с. 605-608.

21. Chernik V. N., Naumov S. F., Sokolova S. P., Gerasimova T. I., Kurilyonok A. O., Poruchikova JU. V., Novikova V. A. Colour polymeric paints research under atomic oxygen in flight and ground-based experiments // Proc.9th Int. Symp Materials in Space Environment.

ESTEC, Noordwijk, 2003, p. 483-486.

22. Акишин А. И., Виргильев Ю. С., Черник В. Н. Эрозия углеситалла в потоках кисло родной плазмы // Материалы 16-й междунар. конф. Взаимодействие ионов с поверхно стью (ВИП-2003) М. 2003.т. 2. С. 300-301.

23. Акишин А. И., Новиков Л. С., Черник В. Н. Применение плазменного ускорителя для исследования распыления материалов // Тез. докл. 27-й межд. конф. по физике взаимо действия заряженных частиц с кристаллами. М. 2003. с. 80.

ЧЕРНИК ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ Ускоритель кислородной плазмы и его применение для испытания материалов атомной и космической техники Специальность 01.04. «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника»

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук ИД №00545 от 06.12. Издательство УНЦ ДО 117246, Москва, ул. Обручева. 55А 119992. Москва. Ленинские горы, ГЗ МГУ, Ж-105а Тел/факс (095) 718-6966, 939- e-mail: izdat@abiturcenter.ru http://www.abiturcenter/ru/izdat/ Гигиенический сертификат № 77.99.02.923.Д.001743.03.03 от 11.03.2003-12- Налоговые льготы-Общероссийский классификатор продукции ОК-005-93. том 1- Заказное. Подписано в печать 18.12.2003г. Формат60х90/ Бумага офсетная №2. Усл. печ.л.

Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в Мини-типографии УНЦ ДО

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.