Экспериментальное исследование генерации и приложений неравновесной низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

А) /м./и.зз- 2.^52/05-

7У ' ¿/'с? /Г" У •у

У / ' м- о-" ' ^

московский физико-технический институт

., 1 I р ^ .*-''.з

¡; .г£!Ц1ешш ох» ^" 9_Ъ *;; - На правах рукописи

ттШ5С7ДЙАучегГуЮ А--- ....... " -

I; __гге*^

—Васильев Михаил Николаевич

Экспериментальное исследование генерации и приложений неравновесной низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмы

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998 г.

Оглавление

Введение. Постановка задачи, актуальность темы исследования..........7

1. Принцип генерации ЭП-плазмы и ее особенности, как объекта исследования. Научная новизна работы...............................................................................................8

2. Особенности электронно-пучковой плазмы с точки зрения приложений. Практическая значимость работы...............................................................................14

3. Цели работы и положения, выносимые на защиту.................................................16

4. Структура диссертации............................................................................................17

Часть I. Обзор современного состояния проблемы генерации и приложений электронно-пучковой плазмы............................................19

1. Техника генерации электронно-пучковой плазмы.................................................19

1.1. Вывод непрерывных электронных пучков из вакуумного объема................19

1.2. Инжекторы электронного пучка................................................................26

1.3. Источники питания генераторов ЭП-плазмы............................................31

V-

2. Взаимодействие электронных пучков с плотными средами..................................33

2.1. Упругое рассеяние.........................................................................................34

2.2. Неупругие столкновения..............................................................................37

2.3. Нагрев газа электронным пучком................................................................52

2.4. Взаимодействие ЭП-плазмы с поверхностью твердого тела....................57

2.5. Диагностика ЭП-плазмы.............................................................................62

3. Применения электронно-пучковой плазмы............................................................68

3.1. Электронно-лучевая очистка газов.............................................................69

3.2. Осаждение покрытий в ЭП-плазме.............................................................70

3.3. Другие приложения ЭП-плазмы...................................................................75

4. Заключение................................................................................................................76

Часть II. Генерация электронно-пучковой плазмы...............................78

1. Введение.....................................................................................................................78

2. Выводные устройства...............................................................................................80

2.1. Конструкции выводных устройств. Тепломассоперенос в газодинамических окнах с прожигаемым каналом............................................80

2.2. Газодинамические характеристики и тепловые режимы

выводных устройств..........................................................................................93

2.3. Электронно-оптические характеристики выводных

устройств...........................................................................................................99

3. Генерация неподвижных плазменных образований.............................................101

3.1. Экспериментальная установка..................................................................101

3.2. Стендовая отработка генератора неподвижных пучково-плазменных образований...................................................................................105

4. Генерация низкоэнтальпийных потоков электронно-пучковой

плазмы.........................................................................................................................124

4.1. Конструкции сопловых устройств............................................................124

4.2. Стендовая отработка генераторов потоков электронно-пучковой плазмы. Исследование особенностей термогазодинамики внутренних течений ЭП-плазмы..........................................................................................134

5. Генерация гетерогенных пучково-плазменных образований...............................141

5.1. Генерация неподвижных гетерогенных пучково-плазменных образований.......................................................................................................141

5.2. Генерация двухфазных потоков ЭП-плазмы.............................................146

6. Генерация гибридной плазмы................................................................................149

6.1. Принцип генерации гибридной плазмы........................................................149

6.2. Экспериментальная отработка генератора гибридной

плазмы..,,.....................................................................................................150

7. Система диагностики электронно-пучковой плазмы...........................................154

7.1. Измерение распределения плотности тока инжектируемого электронного пучка...................................................................................155

7.2. Измерение концентрации электронов в плазме.........................................159

7.3. Телевизионная система наблюдения..........................................................167

7.4. Рентгеновская диагностика ЭП-плазмы...................................................170

7.5. Определение пространственного распределения плотности

газа в облаке ЭП-плазмы............................................................................177

7.6. Спектральные измерения в ЭП-плазме......................................................179

Часть III. Применение электронно-пучковой плазмы.........................187

1. Введение...................................................................................................................187

2. Упрочнение материалов электронно-пучковой плазмой.....................................189

2.1. Термические процессы при взаимодействии ЭП-плазмы с поверхностью твердого тела......................................................................................189

2.2. Экспериментальные результаты пучково-плазменной термической обработки сталей.............................................................................................193

2.3. Приближенный расчет теплового потока, падающего на поверхность, обрабатываемую ЭП-плазмой..........................................................................198

3. Химико-термическая обработка материалов ЭП-плазмой..................................199

3.1. Синтез нитрид-титановых покрытий в ЭП-плазме................................199

3.2. Термические и плазмохимические процессы в приповерхностной ЭП-плазме и свойства синтезированных слоев................................................215

3.3. Теплообмен и аэродинамические характеристики тел простейшей геометрии в потоке ЭП-плазмы. Модифицирование материалов в потоках ЭП-плазмы..................................................................................................223

3.4. Перспективные процессы химико-термической обработки материалов

в многокомпонентных потоках ЭП-плазмы....................................................239

4. Нанесение покрытий осаждением из газовой или паровой

фазы в ЭП-плазме.......................................................................................................246

4.1. Испарение и электрическая зарядка мишени при нанесении покрытий

на подложки......................................................................................................247

4.2. Динамика аэрозоля в процессах нанесения покрытий в ЭП-плазме, содержащей конденсированную дисперсную фазу...........................................261

4.3. Синтез слоистых углерод-композиционных материалов в ЭП-плазме....273

5. Низкотемпературная модификация материалов природного происхождения ЭП-плазмой.................................................................................................................275

5.1. Радикально-термические процессы модифицирования целлюлозы............275

5.2. Химико-термическая обработка природного органического сырья..........300

5.3. Механизмы изменения гидрофильно-гидрофобных свойств волокнообразующих полимеров при пучково-плазменной обработке...............312

Выводы....................................................................................................318

Литература

321

Сокращения и обозначения

ЭП- электронный пучок

ЭП-плазма - электронно-пучковая плазма

ВУ - выводное устройство

с - скорость света

Б - коэффициент диффузии

е - заряд электрона, основание натурального логарифма

еч - заряд электрона в формулах с экспонентой

Еь - энергия электронов инжектируемого пучка

в - расход газа или жидкости

И - постоянная Планка

I - интенсивность

1ь - ток электронного пучка

I; - потенциал ионизации

,]'ь - плотность тока электронного пучка

Е, j - текущие значения энергии электронов и плотности тока ЭП К - константа скорости реакции Кп - число Кнудсена Ь - функция торможения электрона М - число Маха

п - концентрация частиц плазмообразующего газа,

пе, ш, па - концентрации электронов, ионов и атомов в плазме

пь - концентрация электронов в инжектируемом пучке

N - мощность энерговклада при релаксации ЭП в газе

Рт - давление плазмообразующего газа

Я - плотность теплового потока

- число электрон-ионных пар, рождающихся в единичном объеме газа в единицу времени при прохождении через него ЭП

- добротность

Я - проекционный пробег быстрого электрона - траекторный пробег быстрого электрона Яе - число Рейнольдса Т - температура

и - потенциал, ускоряющее напряжение

И; - энергетическая цена образования электрон-ионной пары Ъ - атомный номер X - коэффициент теплопроводности \л - вязкость

V - частота столкновений (нижние индексы при у соответствуют сорту частиц, участвующих в столкновении) р - плотность

ст -сечение столкновения (нижние индексы при а соответствуют сорту частиц, участвующих в столкновении)

СГвэ, Оупр, СУнеупр» Стист - полный коэффициент вторичной эмиссии; коэффициенты упругого и неупругого отражения электронов; коэффициент истинной вторичной эмиссии

Юр - плазменная частота

Введение. Постановка задачи, актуальность темы исследования

Сильнонеравновесная низкоэнтальпийная плазма уже несколько десятков лет является предметом теоретических и экспериментальных исследований во многих странах. Интерес к фундаментальным исследованиям такой плазмы объясняется тем, что она является сложным объектом, свойства которого могут изменяться в очень широких пределах, поскольку они определяются многочисленными и разнообразными элементарными процессами рождения и гибели частиц, кинетика которых сильно зависит от конкретного способа и условий генерации плазмы. Не менее, а возможно и более важным обстоятельством, стимулирующим исследования в данной области, является возможность использования неравновесной плазмы как основы высокоэффективных технологических процессов, многие из которых принципиально не могут быть реализованы в равновесных условиях. При этом используется уникальное сочетание ее высокой химической активности и низкой, вплоть до комнатной, температуры тяжелых частиц1.

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, традиционными способами не удается получать большие объемы слабонагретой (с температурой менее нескольких сотен градусов) плазмы высокого давления. Прокачка газа через разряд, особенно со сверхзвуковой скоростью, может вызвать его срыв, т.е. генерация потоков неравновесной плазмы, весьма интересных с точки зрения приложений, наталкивается на значительные технические трудности. Создание газоразрядных устройств, в которых плазмообразующей средой является мелкодисперсный аэрозоль, также связано с необходимостью предварительного решения многочисленных физических и инженерных проблем; по этой причине в настоящее время такие устройства в технике используются достаточно редко.

Известен другой (кроме газового разряда) способ генерации неравновесной плазмы, а именно - инжекция пучков заряженных частиц, обычно быстрых электронов, в плотную газообразную или гетерогенную среду. Этот способ весьма пер-

1 В сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа удается генерировать плазму с еще более низкими, вплоть до единиц К, температурами.

спективен и свободен от перечисленных выше ограничений, однако вплоть до последнего времени его практическое использование сдерживалось отсутствием надежных устройств для проводки мощных непрерывных электронных пучков в плотные газообразные среды. Найденное на начальном этапе выполнения настоящей работы достаточно простое техническое решение этой проблемы позволило приступить к решению задачи исследования процессов генерации, свойств и приложений сильнонеравновесной низкоэнтальпийной химически активной электронно-пучковой плазмы (далее - ЭП-плазмы). Эта задача относится к направлению фундаментальных и прикладных исследований в области низкотемпературной плазмы, связанному с изучением генерации, свойств и применений неравновесной химически активной плазмы, в последние два десятилетия интенсивно разрабатываемому и щедро финансируемому во многих экономически развитых странах, что и определяет актуальность темы диссертационной работы1.

1. Принцип генерации электронно-пучковой плазмы и ее особенности как объекта исследования. Научная новизна работы.

ЭП-плазма образуется при инжекции электронного пучка (ЭП) в плотную среду, в качестве которой могут использоваться различные газы и их смеси, пары неорганических и органических веществ, газы с мелкодисперсными добавками в твердой и жидкой фазах. Рассматриваемый в настоящей работе принцип генерации ЭП-плазмы иллюстрируется рисунком В 1.1. Концентрированный ЭП 3, формируемый размещенной в высоковакуумной камере 2 электронно-лучевой пушкой 1, через выводное устройство 4 инжектируется в заполненную плазмообразующим газом рабочую камеру 5.

При прохождении ЭП через плазмообразующую среду его энергия постепенно расходуется в различных неупругих процессах взаимодействия со средой (ионизация, диссоциация и возбуждение атомов и молекул) и, в конечном счете, идет на нагрев и фазовые превращения или излучается. В результате формируется обычно хорошо видимое невооруженным глазом светящееся плазменное облако 6, имеющее характерную каплевидную форму. Фотография облака ЭП-плазмы пред-

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).

ставлена на рис. В 1.2. Интенсивность свечения различных областей плазменного образования зависит от их положения, а именно - от координаты х, отсчитываемой вдоль оси инжекции ЭП, и радиальной координаты г.

Свойства генерируемой ЭП-плазмы определяются параметрами инжектируемого ЭП (энергией электронов Еь, полным током пучка 1ь и плотностью тока свойствами плазмообразующей среды (химическим и фазовым составом, давлением Рт, температурой Тт), продолжительностью инжекции. При облучении среды импульсными пучками длительностью т, меньшей характерных газодинамических времен, свойства генерируемой плазмы явно зависят от времени, тогда как при инжекции длинноимпульсных или непрерывных ЭП мы имеем дело с квазистационарной плазмой, в которой наработка тех или иных частиц компенсируется их гибелью или уводом (преимущественно за счет диффузии) из плазменного объема, т.е. в этом случае свойства плазмы не зависят от времени.

К настоящему времени достаточно подробно изучены и описаны в литературе процессы инжекции и распространения релятивистских (Еь ~ 1 -ь 100 МэВ) сильноточных (1Ь~ 10 -5- 106 А) импульсных (х ~ 10"8 -4- Ю-3 с) ЭП. Работы в этом направлении стимулировались развитием ускорительной техники, использовавшейся для решения задач управляемого термоядерного синтеза, радиационных технологий, генерации мощного рентгеновского и СВЧ излучения. Плазма некоторых газовых смесей (например, С02+№, СО+Кг+Не), создаваемая дорелятивистскими (Еь~ 0,01 -г-1,0 МэВ) импульсными (т ~ 10 ч-1000 не) или непрерывными ЭП с малой плотностью тока (]ь ~ 1 А/м2), является активной средой электроионизационных лазеров и поэтому ее генерация так же довольно хорошо изучена.

Опыт применения мощных концентрированных (]ь > Ю5 А/мм2) непрерывных ЭП дорелятивистских энергий долгое время ограничивался технологическими процессами сварки, термообработки и переплава различных материалов, электронно-лучевого испарения в условиях глубокого вакуума. Трудности вывода таких пучков из вакуума в плотную среду не позволяли использовать их для разработки вневакуумных электронно-лучевых технологий. Соответственно и сама плазма, генерируемая такими электронными пучками, практически не изучалась за исключением, плазмы пучково-плазменного разряда и приповерхностной эрозионной плазмы, образующейся при прохождении ЭП через парогазовое облако продуктов разрушения материала при концентрированном энергетическом воздействии.

5 б

1 - электронно-лучевая пушка, 2 - высоковакуумная камера, 3 - электронный пучок, 4 - выводное устройство, 5 - рабочая камера, б - плазменное облако.

Рис. В 1.2. Фотография плазменного облака, генерируемого стационарной инжек-цией концентрированого электронного пучка в неподвижный газ.

В представляемой работе будут исследованы процессы генерации плазмы электронными пучками с параметрами в следующих диапазонах: Еь = 10 ч- 150 кэВ, 1ь = Ю-3 + 10° A, jb = 103 107 Alu2, \ -» со при их инжекции в плазмообразующие среды с давлением Рт = 0,1 + 100 Topp. На основании анализа современного состояния проблемы генерации и приложений ЭП-плазмы (см. часть II) и с учетом сделанных замечаний можно сделать вывод, что вплоть до настоящего времени плазма с такой комбинацией параметров экспериментально не изучалась. Именно это �