В ИСЭ СО РАН научились управлять мощностью электронного пучка в течение его импульса

В Институте сильноточной электроники СО РАН модернизирована уникальная научная электронно-пучковая установка «Комплекс», созданная при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-79-10015). Теперь она позволяет управлять мощностью электронного пучка в течение его импульса, генерируемого источником электронов с плазменным катодом.

– Уникальность установки заключается в широком диапазоне параметров генерируемого пучка электронов, а также в возможности управлять всеми основными его параметрами независимо друг от друга. Именно это позволяет выбрать оптимальные режимы воздействия на поверхность металлических изделий, управляя образованием требуемых фаз для улучшения функциональных свойств поверхности обрабатываемого материала, – говорит руководитель проекта Максим Воробьев.

По его словам, ученые многих стран давно продемонстрировали перспективность использования различных электронных пучков для модификации поверхности металлических материалов, но не уделяли столь пристального внимания управлению мощностью пучка в течение импульса его генерации.

При использовании источников с плазменными катодами можно управлять мощностью или интенсивностью пучка в миллисекундном диапазоне длительности, что позволяет не только осуществлять предварительный нагрев поверхности, но и формировать в ней температурное поле для выделения требуемой фазы, ответственной за упрочнение поверхностного слоя, а также какого-либо другого функционального или эксплуатационного свойства изделия.

На фото слева направо: техник Дмитрий Шпанов, научные сотрудники Павел Москвин и Владимир Девятков, младшие научные сотрудники Елизавета Петрикова, Максим Торба, Максим Мокеев и Сергей Дорошкевич

Сегодня лишь несколько научных групп во всем мире, в том числе и в ИСЭ СО РАН, разрабатывают такие источники электронов. Томские ученые продемонстрировали два способа управления интенсивностью пучка – за счет изменения концентрации эмиссионной плазмы или запирающего потенциала в течение импульса генерации пучка.

– В течение одного короткого импульса длительностью в сотни микросекунд можно контролируемо нагревать поверхность материала до температуры выше 1000 °C вплоть до плавления. При этом не требуется производить предварительный нагрев всей детали, масса которой может достигать десятков и сотен килограммов, что позволяет сформировать нужную структуру именно поверхностного слоя с максимальной энергетической эффективностью, – объясняет Максим Сергеевич.

В настоящее время ученые из ИСЭ СО РАН работают над повышением стабильности генерации пучка и плазмы, уделяя большое внимание воспроизводимости результата облучения, а также над расширением диаметра пучка для увеличения зоны обработки поверхности с требуемой однородностью для использования оборудования в промышленности.

– Разработанное оборудование может применяться в машиностроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей отрасли. Его использование позволит осуществлять модификацию и полировку поверхностей различных материалов и изделий, производя их закалку и повышая износостойкость, что значительно увеличит срок службы производимых изделий, – говорит младший научный сотрудник Елизавета Петрикова.

Ученые продемонстрировали перспективность использования такого подхода в генерации электронного пучка для облучения металлических и металлокерамических материалов, а также для облучения одно-, двух- и более многослойных покрытий, что в значительной мере расширяет спектр возможных применений данного оборудования в научных и технологических целях.

Над проектом работает междисциплинарная команда, в составе которой есть специалисты в области создания электронных устройств, генерации электронных пучков и материаловедения. Это молодежный проект, но в исследовательский коллектив входят ученые и более старших возрастов, в том числе главный научный сотрудник, профессор Николай Николаевич Коваль, заложивший в ИСЭ СО РАН основы создания таких уникальных ионно-плазменных и электронно-пучковых установок. На основе результатов, полученных за эти годы, руководитель проекта Максим Воробьев успешно защитил докторскую, а один из основных исполнителей проекта Сергей Дорошевич – кандидатскую диссертации. В настоящее время участниками коллектива готовится к защите еще несколько кандидатских диссертаций.