12 августа 2021
Группа ученых из Института сильноточной электроники СО РАН впервые продемонстрировала возможность управления мощностью электронного пучка в течение его импульса, генерируемого источником электронов с плазменным катодом. Полученные результаты имеют важное прикладное значение для модификации поверхности различных металлических материалов и изделий, они уже частично представлены в
статье в журнале второго квартиля Vacuum.
«Модификация поверхностей различных материалов, в том числе металлов, переживает сейчас настоящий бум во всем мире, ведь она позволяет снизить шероховатость, повысить прочность и коррозийную стойкость поверхности изделия, тем самым увеличить время эксплуатации детали в целом, — рассказывает руководитель проекта сотрудник Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) кандидат технических наук Максим Сергеевич Воробьев. — Основой любой технологии, в том числе направленной на модификацию поверхности материалов, является стабильность ее работы, повторяемость результатов, а также способность обеспечить однородную обработку крупногабаритного изделия или крупной партии деталей». Однако многие источники электронов не могут обеспечить повторяемость характеристик обрабатываемых изделий, и это является существенной сложностью на пути создания новых технологий модификации поверхностей. Поэтому одна из актуальных задач, стоящих перед учеными, — найти такой источник, который сможет успешно преодолеть этот барьер».
К числу эффективных источников электронов относятся источники с плазменными катодами. В ходе реализации проекта исследователи комплексно изучают специфику источников такого типа на всех этапах их работы: от формирования плазмы и генерации электронного пучка до взаимодействия этого пучка с мишенью — поверхностью обрабатываемого изделия. Проект носит междисциплинарный характер, поскольку он затрагивает две области знаний: процессы генерации электронных пучков из плазменных образований и материаловедение. Кроме этого, ученым приходится разрабатывать новые специальные системы электропитания, которые невозможно приобрести на мировом рынке.
«Новизна нашей работы заключается в том, что мы научились управлять мощностью электронного пучка прямо во время его импульса: это позволяет управлять скоростью ввода энергии в поверхность обрабатываемого изделия. Во-первых, такой подход невозможен без стабильной работы источника электронов, чему мы уделяем пристальное внимание во всех своих экспериментах, а во-вторых, это позволяет расширить предельные параметры генерируемого электронного пучка, а следовательно, расширить область применения такого пучка в области материаловедения», — отметил Максим Воробьев.
Исследователи обнаружили одно из важнейших преимуществ источников с плазменными катодами, которое может лечь в основу перспективной, экономически выгодной технологии. Как показали результаты экспериментов, новый подход к генерации электронного пучка обладает большей энергетической эффективностью. Это связано с тем, что новые режимы генерации пучка позволят осуществлять обработку поверхности какой-либо обрабатываемой металлической детали или изделия одним импульсом. При этом не требуется производить предварительный нагрев детали, масса которой может достигать десятков и сотен килограммов.
Проект № 20-79-10015 «Научные основы генерации мегаваттных амплитудно- и широтномодулированных электронных пучков субмиллисекундной длительности на основе источника с плазменным катодом для эффективной модификации поверхности металлов и сплавов» поддержан грантом РНФ в 2020 году.
Текст, фото: Ольга Булгакова, Томский научный центр СО РАН
