Экспериментальное исследование генерации иприложений неравновесной низкоэнтальпийнойэлектронно-пучковой плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Васильев Михаил Николаевич

Экспериментальное исследование генерации и приложений неравновесной низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмы

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Асиновский Э. И. доктор физико-математических наук, профессор Иванов А. А. доктор физико-математических наук, профессор Синкевич О. А.

Ведущая организация Исследовательский центр им.

М.В. Келдыша (г. Москва).

Защита состоится " 23 ■» октября_1993 г в

часов на заседании диссертационного совета Д053.16.02 Московского энергетического института (технического университета)

112250 Москва Е-250, Красноказармённая ул., 14, МАЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан " 22 " сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Сасин В .Я.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Работа посвящена экспериментальной отработке методов генерации сильнонеравновесной низкоэнтальпийной плазмы инжекцией непрерывного концентрированного электронного пучка (ЭП) в газообразные и гетерогенные среды, созданию достаточно простых и надежных устройств, способных осуществлять длительную генерацию электронно-пучковой плазмы (ЭП-плазмы), и исследованию возможностей использования ЭП-плазмы как основы высокоэффективных технологических процессов. Проблемы, изучаемые в работе, относятся к весьма перспективному направлению фундаментальных и прикладных исследований в области низкотемпературной плазмы, связанному с изучением генерации, свойств и применений неравновесной химически активной плазмы, направлению, интенсивно разрабатываемому и щедро финансируемому во многих экономически развитых странах в последние два десятилетия1.

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, в газоразрядных устройствах сложно создать большой объем достаточно однородной холодной плазмы с давлением порядка 10 Topp и выше, а если плазмо-образующие среды агрессивны, то возникают проблемы, связанные с химической стойкостью электродов и возможным загрязнением плазмы продуктами их разрушения. Генерация потоков газоразрядной плазмы и использование аэрозолей в качестве плазмообразующих сред также наталкиваются на значительные трудности принципиального характера, многие из которых не преодолены до сих пор.

Генераторы плазмы, принцип действия которых основан на ин-жекции непрерывных ЭП в плотные среды, имеют ряд преимуществ перед газоразрядными устройствами. Во-первых, данный способ генерации плазмы некритичен к выбору плазмообразующего газа: ЭП может быть инжектирован практически в любые газы а также газовые и парогазовые смеси. При этом в плазменном объеме могут происходить неравновесные плазмохимические реакции, в том числе и реакции, не наблюдаемые в других условиях. Подбирая состав и величину давле-

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).

ния плазмообразующей среды и управляя процессами наработки активных частиц ЭП-плазмы изменением параметров ЭП, можно реализовать широкий спектр плазмохимических превращений.

Во-вторых, в ЭП-плазме достаточно легко решается задача создания гетерогенных пучково-плазменных образований, поскольку в плазмообразующие газы технически не сложно внести мелкодисперсные добавки в виде капель жидкостей или твердых частиц. В плазменный объем можно помещать компактные твердые тела и впрыскивать жидкие струи. Изменяя режим испарения конденсированной фазы, удается эффективно влиять на химический состав, соотношение компонент, газодинамику и теплообмен в реакционном объеме.

В-третьих, ЭП удается инжектировать в область газового разряда различных частотных диапазонов: от разрядов в постоянном поле до СВЧ-разрядов. Одновременное или чередующееся действие на вещество двух плазмообразующих факторов существенно расширяет возможности практического использования ЭП-плазмы.

В-четвертых, при инжекции ЭП в газовые потоки (как дозвуковые, так и сверхзвуковые), в отличие от газоразрядной плазмы обычно не возникает проблем, связанных с устойчивостью плазменного образования.

В-пятых, удается генерировать пучково-плазменные образования большого объема (по крайней мере значительно большего, чем характерные объемы газоразрядной плазмы).

И, наконец, в-шестых, если плазма генерируется инжекцией концентрированного ЭП, а именно такие пучки использовались в настоящей работе, то открывается дополнительная возможность управлять температурой тяжелых компонент плазмы и температурой конденсированной фазы (если таковая внесена в плазменный объем) изменением плотности энергии ЭП и таким способом влиять на плазмохимиче-ские процессы.

Итак, способ генерации плазмы инжекцией непрерывных концентрированных ЭП в плотные среды является весьма перспективным, однако вплоть до последнего времени его практическое использование сдерживалось отсутствием надежных устройств для стационарной проводки мощных электронных пучков из вакуума в газ с достаточно высоким давлением. Найденное нами относительно простое техническое решение этой проблемы [1] позволило приступить к созданию генераторов плазмы для экспериментальных установок различного назначения - исследовательских и технологических [8].

Необходимо отметить, что теоретический анализ процессов в электронно-пучковых генераторах плазмы и численные расчеты состава и свойств ЭП-плазмы, особенно - гетерогенной, крайне затруднены, поскольку требуют самосогласованного решения целого ряда сложных (даже взятых по отдельности) тепловых, электронно- и мо-

лекулярно-кинетических, электродинамических и газодинамических задач. Именно поэтому в настоящей работе предпочтение отдано экспериментальным методам исследования.

Цель работы состоит в следующем:

- Решить проблему осуществления управляемого комбинированного теплового и илазмохимического воздействия на вещество с помощью плазмы, генерируемой стационарной инжекцией концентрированных электронных пучков в газы, гетерогенные среды и газовые разряды. Разработать многофункциональный генератор низкоэнталь-пийной химически активной электронно-пучковой плазмы и создать на его основе экспериментальный образец илазмохимического реактора.

- Дать экспериментально подтвержденное обоснование возможностей использования молекулярных превращений в электронно-пучковой плазме и ее теплового воздействия на вещество для реализации высокоэффективных процессов химико-термического модифицирования материалов и нанесения покрытий.

- Разработать физические основы теплового, молекулярно-кинетического и газодинамического расчета технологических пучко-во-плазменных установок непрерывного действия с умеренным и высоким давлением в реакционном объеме; предложить технические решения для конструкций основных элементов таких установок.

Научная новизна работы состоит в экспериментальной реализации генерации ЭП-плазмы в ранее не исследовавшемся диапазоне параметров:

- электронные пучки: энергия электронов инжектируемого ЭП Еь = 10 -г 150 кэВ, ток пучка 1ь = 10"3+ 10° А, плотность тока пучка jb = Ю3 107 А/м2, время инжекции пучка г от долей секунд до нескольких часов;

- плазмообразующие среды: молекулярные газы и их смеси, пары неорганических и органических веществ и парогазовые смеси, гетерогенные среды с твердой и жидкой конденсированой фазой в виде аэрозолей или компактных тел; диапазон давлений газовой среды Рт = 10~'

102 Topp;

- характеристики плазменного объема: неподвижные пучково-плазменные образования, дозвуковые и сверхзвуковые плазменные струи; гибридная плазма, генерируемая ижекцией ЭП в ВЧЕ-разряд (стационарный или модулированный радиоимпульсами); в условиях проводившихся экспериментов зажигания пучково-плазменного разряда не наблюдалось за исключением некоторых особых случаев.

Для инжекции ЭП в плазмообразующую среду были разработаны различные конструкции одноступенчатых и многоступенчатых выводных устройств (ВУ), использующих принцип проводки пучка из

вакуума в плотный газ через газодинамичекое окно, представляющее собрй канал в перегородке, отделяющей вакуумный объем, где формируется ЭП, от объема, заполненного плазмообразующим газом. Некоторые оригинальные технические решения, предложенные нами при разработке этих ВУ, признаны изобретениями. Авторские свидетельства получены и на различные варианты сопловых устройств для генерации потоков ЭП-плазмы.

Эксперименты по теме диссертационной работы велись на специально созданном стенде с несколькими электронно-лучевыми установками различной мощности, оснащенными системами диагностики инжектируемого пучка и ЭП-плазмы с автоматизированной обработкой данных. По своим техническим характеристикам созданный экспериментальный стенд аналогов не имеет, что позволило поставить не проводившиеся ранее эксперименты н получить новые результаты:

- впервые в непрерывном режиме осуществлена генерация ЭП-плазмы ряда молекулярных газов: аммиак, газообразные углеводороды, некоторые фтор- и хлорсодержащие газы, борогидриды, пары органических жидкостей, воды, водных растворов кислот и щелочей и др.1;

- для ЭП-плазмы газов, традиционно использующихся в пучково-плазменных экспериментах (воздух, азот, кислород), в не исследовавшихся ранее условиях генерации проведены измерения некоторых характеристик плазмы, важных для понимания процессов в ней происходящих;

- впервые осуществлена генерация неподвижного электронно-пучкового плазмозоля и гетерогенных потоков ЭП-плазмы, содержащих мелкодисперсную конденсированную фазу (пыли С, А1?.Оз, МЬ, капли воды, высококипящих органических соединений и др.);

- впервые осуществлена генерация гибридной плазмы инжекцией ЭП в ВЧЕ-разряд, в одноэлектродный ВЧ-разряд, модулированный радиоимпульсами, и в область послесвечения такого разряда;

- проведены оригинальные эксперименты по синтезу неорганических соединений, модификации свойств материалов и нанесению покрытий в ЭГ1-плазме.

Практическая и научная цезшоеть работы.

Результаты проведенных экспериментов позволили установить наиболее перспективные области применения электронно-пучковых генераторов плазмы, а именно:

- аэрофизический эксперимент (включая термогазодинамическке испытания, имитацию факторов космического полета, эксперименты в области неравновесной плазмодинамики);

1 Выбор плазмообразующих сред определялся спецификой решавшихся технологических задач, в привязке к которым проводились исследования.

- бортовые пучково-плазменные системы для атмосферных и космических летательных аппаратов;

- радиационно-термическая и химико-термическая модификация материалов;

- плазменное нанесение покрытий методами осаждения из паровой и газовой фазы;

- плазмохимические реакторы различного назначения, включая устройства электронно-лучевой очистки отходящих и топочных газов.

Поскольку специальные приложения ЭП-плазмы выходят за рамки настоящей работы, в представленной диссертации обсуждаются только ее технологические применения. Нами экспериментально подтверждена принципиальная возможность и высокая эффективность применения генераторов ЭП-плазмы для:

- вневакуумных электронно-лучевых технологий поверхностного термического модифицирования материалов,

- низкотемпературного синтеза и осаждения покрытий с особыми физико-химическими свойствами,

- модификации свойств материалов природного происхождения, особенно - термолабильных биополимеров.

В ходе экспериментов по приложениям ЭП-плазмы параллельно решались физические задачи, связанные с изучением особенностей распространения непрерывных концентрированных дорелятивистских ЭП мощностью 0,1 -И0 кВт в газообразных средах с давлениями Ю-1 ■т-102 Topp и запыленных средах, определением состава генерируемой такими пучками плазмы и анализом основных ллазмохимических процессов, определяющих баланс активных частиц в плазме. Изучались также процессы нагрева макроскопических тел в различных зонах неподвижных пучково-плазменных образований и плазменных струй. При этом были получены экспериментальные данные, позволившие выработать основные подходы к конструированию плазменных электронно-лучевых установок технологического назначения и к расчету рабочих процессов в таких установках, а именно:

- экспериментально обоснованы модели плазмохимических процессов, определяющих состав ЭП-плазмы азота, кислорода и водяного пара;

- предложены различные варианты решений задачи генерации углеро-досодержащей ЭП-плазмы из углеводородов и из паров спектрально чистого графита;

- найдены условия возникновения униполярной и неуниполярной зарядки аэрозоля в гетерогенной ЭП-плазме, зарядки макроскопического изолированного твердого тела, помещенного в ЭП-плазму, а также факторы, обуславливающие возникновение электрического пробоя в приповерхностной ЭП-плазме;

- предложена физическая модель для учета особенностей газовой динамики внутренних течений ЭП-плазмы в каналах и внешнего обтекания тел ЭП-плазмой;

- экспериментально подтверждена методика приближенного расчета плотности теплового потока в плоскую стенку твердого тела, помещенного в заданную область плазменного облака.

Результаты работы использованы следующими предприятиями и организациями: НИИГрафит, ВНИИ электротермического оборудования, ВНИИ рыбного хозяйства и океанографии, завод "Компонент", Архангельский государственный технический университет.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается:

- тщательной методической отработкой экспериментов;

- проведением серий контрольных экспериментов и достижением повторяемости результатов;

- сравнением полученных экспериментальных данных с проверенными расчетно-теоретическими моделями и данными из смежных областей плазменного эксперимента, плазмохимических, электронно-лучевых и радиационных технологий;

- проведением независимых химических и структурных анализов образцов веществ и материалов, полученных в ходе экспериментов, в сторонних лабораториях, располагающих отработанными методиками соответствующих исследований.

Личный вклад автора. Практически по всем разделам работы автором лично определена постановка задачи и методики проведения экспериментов. Задачи на разработку ВУ и на эксперименты по термической и химико-термической обработке металлов ЭП-плазмой поставлены A.C. Коротеевым. Автор лично разработал проекты экспериментального стенда, многофункционального генератора ЭП-плазмы, генератора гибридной плазмы и плазмохимических реакторов на их основе. Автором предложены конструкции принципиально важных узлов ВУ. Базовый вариант одноступенчатого ВУ разработан совместно с Е.Е. Голубковым. Отдельные системы диагностического комплекса отрабатывались совместно с A.B. Горшковым, А.П. Зуевым, В.Ф. Колесником, A.M. Яцуненко. Руководство монтажом и наладкой экспериментального стенда осуществлялось совместно с П. В. Белковым. Эксперименты по приложениям ЭП-плазмы и физическим задачам, связанным с этими приложениями, поставлены и проведены автором лично. Под научным руководством автора химические и структурные анализы материалов, подвергнутых пучково-плазменной обработке, были выполнены И.В. Александровым, Ю.В. Гавриловым, а исследования механических свойств обработанных материалов - в

лабораториях завода-ВТУЗа при ЗИЛ, Физико-технического института АН Белоруссии, Ивановского химико-технологического института, АО "Цвет". Плазмохимические модели процессов в ЭП-плазме разработаны совместно с В.Л. Бычковым.

На защиту выносятся:

- Стендовый комплекс, методики и результаты экспериментов по исследованию непрерывной генерации и свойств ЭП-плазмы молекулярных газов, паров неорганических и органических веществ, газовых и парогазовых смесей, гибридной плазмы и плазмы, содержащей конденсированную дисперсную фазу, в следующих диапазонах параметров: Еь= 10ч-150кэВ, 1ь= 10-3-г 10°A,jb= 103-г 107 А/м2.

- Способы осуществления теплового и/или плазмохимического воздействия на вещество в неподвижных пучково-плазменных образованиях и плазменных струях в диапазоне температур 273 ч- 2000 К и давлений 0,1 -ь ЮОТорр.

- Физические модели термогазодинамических, плазмохимических и электрофизических процессов вблизи границы контакта ЭП-плазма -твердое тело в приведенных выше условиях эксперимента.

- Экспериментальное обоснование возможностей и преимуществ использования теплового воздействия и молекулярных превращений в ЭП-плазме, как основы технологических процессов термической и хи-микотермической обработки металлов и сплавов, нанесения углеродных покрытий, модифицирования материалов природного происхождения. Физические основы расчета и конструирования соответствующих установок.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на:

- V Межд. конф. по Термическим плазменным процессам. С.-Пб., 1998.

- 19-th and 18-th Summer School and Int. Symp. on the Physics of Ionized Gases. Zlatibor, Yugoslavia, 1998;Kotor, Yugoslavia, 1996.

- 8-е Межнациональное совещ. "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, 1998.

- Межд. научно-техническая конф. "Проблемы и прикладные вопросы физики". Саранск, 1997.

- IV Всероссийская, II и I Всес. конф. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Томск, 1996; Свердловск, 1991; Томск, 1988.

- V-th Int. Symp. on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry. Milovy, Czech Republic, 1996.

- 2-й и 1-й Межд. симп. по теоретической и прикладной плазмохи-мии. Иваново, 1995; Рига, 1991.

- 1-я Межд. конф. по электромеханике и электротехнологии. Суздаль, 1994.

- Конф. "Физика и техника плазмы". Минск, 1994.

- Межд. конф. по проблеме долгоживущих плазменных образований и редких форм естественных электрических разрядов в атмосфере. Ярославль, 1994.

- Межд. конф. Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике. Минск, 1993.

-11-я конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью". Москва, 1993.

- 8-я конф. по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 1993.

- 5-th Int. Conf. on Welding and Melting by Electron and Laser Beams. La Baule, France, 1993.

- Int. Symp. on Theor. and Appl. Plasmachemistry. Riga, Latvia, 1993.

- Сем. ИВТАН "Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов". Москва, 1992.

- Int. Conf. on Adv. and Laser Technologies. Moscow, 1992.

- Всес. научно-техническкая конф. "Совершенствование технологических процессов производства новых пищевых продуктов и добавок. Использование вторичного сырья пищевых ресурсов". Киев, 1991.

- VIII Всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы. Минск. 1991.

- XI Всес. конф. по динамике разреженных газов. Ленинград, 1991.

- Научно-техническая конф. "Проблемы обработки поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии". Минск, 1988.

- X Всес. конф. "Генераторы низкотемпературной плазмы". Каунас, 1986.

- VIII Всес. совещ. "Химическая физика процессов горения и взрыва". Черноголовка, 1986.

- XIV конф. ФТИ АН БССР "Прочность, пластичность и новые процессы получения и обработки материалов". Минск, 1985.

- XI, X и IX Рижское совещ. по магнитной гидродинамике. Рига, 1984, 1981,1978.

Материалы диссертации изложены в 56 печатных работах, в том числе одной монографии, 14-ти статьях в ведущих отечественных и международных журналах, 32-х опубликованных тезисах докладов международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 9-и авторских свидетельствах и патентах на изобретения. Кроме того материалы, относящиеся к конструкциям экспериментальных установок и оборудованию испытательного стенда, изданы в виде научно-технических отчетов (более 20).

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, трех частей и списка цитируемых литературных источников из 343 названий, с отдельными разделами для каждой части и завершается разделом Выводы, в котором резюмируются результаты по работе в целом.

Во введении дается общая характеристика работы, описываются принципы генерации ЭП-плазмы, рассматриваются ее специфические особенности как объекта исследования и с точки зрения возможных применений. Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, аргументируется ее научная новизна и практическая значимость, кратко излагается содержание диссертации по главам.

Первая часть представляет собой краткий обзор современного состояния проблемы генерации и исследования свойств ЭП-плазмы а также известных приложений ЭП-плазмы в научных исследованиях, технике и технологии. В обзор включены работы, относящиеся к физике и технике электронных пучков, физике и химии плазмы, корпускулярным и плазменным технологиям, которые могут быть полезны для предварительного анализа решаемых в диссертации задач и интерпретации полученных результатов. Такой подход к составлению литературного обзора обусловлен тем, что известно весьма ограниченное число работ, в которых прямо изучается ЭП-плазма, причем экспериментальным исследованиям ЭП-плазмы посвящены только единичные публикации. Информация из смежных областей знания позволяет в известной мере восполнить этот пробел.

В литературном обзоре рассматриваются известные способы и устройства для вывода непрерывных ЭП из вакуума в плотную газообразную среду, конструкции инжекторов ЭП, наиболее подходящие для использования в составе генераторов ЭП-плазмы, и источников их питания (глава 1). Анализируются физические процессы, определяющие взаимодействие ЭП с газом и поверхностью конденсированной фазы (§2.4). Дается краткий обзор литературных источников, из которых можно почерпнуть информацию об элементарных процессах и молекулярных превращениях в однофазных и гетерогенных пучково-плазменных образованиях, достаточную для предварительных оценок состава и свойств ЭП-плазмы (§§2.1, 2.2). Рассматриваются наиболее подходящие для условий проводившихся экспериментов методы диагностики пучковой плазмы (§2.5). Даются основные результаты патентно-библиографического поиска по применениям ЭП-плазмы и до-релятивистских ЭП, выведенных в плотный газ (глава 3).

На основании анализа открытых публикаций делается следующее заключение.

1. Непрерывные концентрированные ЭП с Еь = 10 -ь 150 кэВ, 1ь = Ю-3-г 10° A, jb = 103 н- 107А/м2 с целью генерации низкоэнтальпийных пучко-

во-плазменных образований с давлением Рт = 0,1 -г 100 Topp практически не применялись. Генераторы ЭП-плазмы с такими параметрами в известных литературных источниках не описаны.

2. Эксперименты с ЭП-плазмой имели и продолжают иметь фрагментарный характер. Большая часть доступной информации о свойствах пучково-плазменных образований является результатом теоретических исследований и численного моделирования, однако дефицит достоверных данных о сечениях многих элементарных процессов и константах скоростей наиболее значимых реакций в ЭП-плазме приводит к тому, что в расчеты закладываются значения этих величин, известные с невысокой точностью. Соответственно, и сами результаты расчетов не могут претендовать на адекватное описание состава и свойств ЭП-плазмы в реальных, интересных для приложений условиях.

3. Комбинированные способы генерации плазмы, в которых ЭП является равноправным плазмообразующим фактором, экспериментально не изучались. Действующие плазмохимические реакторы гибридного типа в литературе не описаны.

4. Возможные приложения ЭП-плазмы вплоть до настоящего времени изучаются по весьма ограниченному числу направлений: исследуются главным образом плазмохимические процессы в газовой фазе и термическая модификация материалов под действием быстрых электронов. Комбинированное радикально-термическое воздействие ЭП-плазмы на материалы не исследовалось. Гетерогенные плазмохимические реакции с участием активных частиц ЭП-плазмы подробно не изучались. В известных способах нанесения покрытий с помощью ЭП-плазмы ЭП используются только для активации частиц осаждаемого вещества; активация поверхности подложки ЭП-плазмой не применялась.

5. Многие материалы, особенности молекулярного строения которых позволяют рассчитывать на существенный эффект при пучково-плазменной обработке (такие как, например, природные и синтетические полимеры), в качестве объектов модификации ЭП-плазмой не рассматривались.

6. Сложность и многообразие процессов в ЭП-плазме не позволяют проводить удовлетворительные по точности самосогласованные тепловые, молекулярно-кинетические и газодинамические расчеты реальных пучково-плазменных установок непрерывного действия с умеренным и высоким давлением в реакционном объеме. Результаты расчетов по моделям, учитывающим только некоторые из перечисленных процессов, могут быть использованы лишь как предварительные оценки. Физические основы инженерного расчета и конструирования технологических пучково-плазменных установок разработаны недостаточно и нуждаются в экспериментальной проверке.

Сделанные выводы подтверждают актуальность сформулированных выше задач настоящей диссертационной работы и объясняют предпочтение, отданное автором экспериментальным методам исследований.

Вторая часть диссертации посвящена технике генерации неподвижных пучково-плазменных образований и потоков ЭП-плазмы инжекцией непрерывных концентрированных ЭП в покоящийся газ и газовые струи. Рассматриваются различные варианты генерации гетерогенной ЭП-плазмы, содержащей твердую или жидкую конденсированную фазу в виде мелкодисперсного аэрозоля или компактного твердого тела. Предлагается конструкция генератора гибридной плазмы на основе комбинированного воздействия на плазмообразующий газ инжектируемого в него ЭП и ВЧ-разрядов. Приводятся результаты поэлементной и комплексной стендовой отработки многофункционального генератора ЭП-плазмы и химического реактора на его основе, реализующего тепловое и плазмохимческое воздействие на различные плазмообразующие среды в широком диапазоне температур. Описывается специально созданный диагностический комплекс для исследования процессов в реакционном объеме при наличии нагрева плаз-мообразующей среды и молекулярных превращений.

В главе 1 дается обоснование выбора диапазонов рабочих параметров генераторов ЭП-плазмы технологического назначения по энергии инжектируемых электронов Еь, величине тока пучка 1ь и давления плазмообразующего газа Рт. Отмечается, что существует принципиальное ограничение сверху на величину Рга, так как по мере повышения давления все большая доля мощности инжектируемого ЭП расходуется не на поддержание сверхравновесных концентраций химически активных частиц плазмы, а на нагрев газа. Оценки показывают, что уже при Pm ~ 50 Topp и мощности ЭП порядка единиц кВт газ может нагреваться до температур Т ~ 1000 К и более.

С учетом специфики решаемых в диссертации задач нагрев газа нежелателен поскольку при повышении поступательной температуры тяжелых частиц плазмы увеличивается частота их столкновений, и следовательно интенсифицируются процессы рекомбинации и тушения возбужденных состояний. При этом состав плазмы приближается к равновесному, т. е. сходят на нет преимущества ЭП-плазмы, обусловленные ее сильной неравновесностью.

Ограничение сверху на величину Рт порождает необходимость использования ЭП с невысокой Еь. Из-за слабого рассеяния высоко-энергетичного ЭП в среде с умеренным давлением уменьшение плотности тока инжектируемого пучка до значений jb (z), характерных для технологических процессов плазмохимической модификации материалов, особенно - термолабильных, происходит на расстояниях от ВУ порядка нескольких метров и размеры реакционной камеры ста-

новятся неоправданно большими. Кроме того, имеется и чисто практическое соображение в пользу снижения величины ускоряющего напряжения инжектора ЭП: при Еь < 50 -г- 80 кэВ резко упрощается решение проблем высоковольтного питания и защиты от неиспользуемого рентгеновского излучения.

В свою очередь, при относительно невысоких энергиях электронов поддержание уровня мощности ЭП, необходимого для реализации процессов термической и химико-термической обработки, требует использования достаточно сильноточных пучков. Для большинства рассмотренных в настоящей работе приложений величина тока инжектируемого пучка находилась в диапазоне 10 ^ 100 мА.

Для работы в таких условиях были разработаны специальные ВУ, различные варианты конструкций которых описаны в главе 2. В качестве основы всех модификаций ВУ было использовано газодинамическое окно с прожигаемым каналом [2], принцип действия которого состоит в следующем (см. рис. 1). Высоковакуумный объем 1, в котором с помощью электронно-лучевой пушки (на рис. не показана) генерируется ЭП 2, отделяется от области повышенного давления (рабочей камеры) 4 перегородкой 3. ЭП фокусируется в плоскости перегородки, обращенной в сторону пушки. При плотности энергии в фокальном пятне Efjb > ~ 108 Вт/м2 происходит кинжальное разрушение материала1, и в перегородке формируется канал 6, через который пучок выходит в камеру 4, генерируя при этом плазменное облако 5. Через канал 6 из камеры 4 в высоковакуумный объем 1 натекает плаз-мообразующий газ Gby, который откачивается вакуумным насосом Go. Очевидно, что это натекание необходимо свести к минимуму, т.е. минимизировать диаметр канала и принять меры для предотвращения разжигания канала при длительном прохождении по нему ЭП. С другой стороны необходимо обеспечить максимальное прохождение ЭП через канал.

В результате стендовой отработки конструкций ВУ и инжекторов ЭП удалось удовлетворить этим, во многом противоречащим одно другому, требованиям: при использовании в качестве материала перегородки сублимирущего материала (специальных марок графита), оптимизации тепловых режимов работы окна, применения низкопер-веансных электронных пушек удалось довести перепад давления, удерживаемый ВУ, до 106 Topp при коэффициенте прохождения ЭП по току до 80%. Методика стендовой отработки ВУ и генератора неподвижных пучково-плазменных образований в целом описана в главе 3,

1 Если плотность энергии в фокальном пятне недостаточна для прожигания канала, можно использовать вставки с заранее просверленными отверстиями. Однако, в этом случае газодинамические и электронно-оптические характеристики окна ухудшаются.

в которой рассматриваются газодинамические (§2.2) и электронно-оптические (§2.3) характеристики ВУ. На рис. 2 (кривая 1) представлены экспериментальные данные по измерению натекания воздуха Сву через одноступенчатое ВУ с прожигаемым каналом при Еь = 30 кэВ. Стационарный диаметр канала ~ 1 мм. График показывает зависимость отношения Ову/(Сву)о, где (Сву)о - массовый расход газа при 1ь = 0, от величины тока пучка, из которой видно, что при увеличении тока пучка от 0 до 100 мА натекание газа в высоковакуумную камеру уменьшается почти втрое за счет увеличения гидравлического сопротивления канала, обусловленного нагревом его стенок при прохождении ЭП. Этот эффект детально изучается в главе 4.

Реальная конструкция ВУ, использовавшегося в большинстве экспериментов, представлена на рис. 3. Кроме этого были разработаны специальные конструкции ВУ для работы с агрессивными плазмо-образующими средами, ВУ для проводки слаботочных пучков и совмещенные с сопловыми устройствами ВУ, предназначенные для генерации потоков ЭП-плазмы.

Отработке методов генерации потоков низкоэнтальпийной ЭП-плазмы посвящена глава 4, где рассматриваются различные варианты дозвуковых сопловых устройств в том числе - сопла, использовавшиеся для генерации многокомпонентных струй в затопленном пространстве. В той же главе описывается конструкция объединенного в единый узел с ВУ соплового устройства для генерации сверхзвуковых потоков ЭП-плазмы, в котором ВУ является замыкающим элементом центрального тела осесимметричного сужающегося сопла, работающего в режиме сильного недорасширения.

Во всех сопловых устройствах инжекция ЭП осуществлялась вдоль оси газового потока, с момента начала которой наблюдались изменения в газодинамических характеристиках сопел. Было обнаружено, что при неизменных регулировках системы подачи плазмообра-зующего газа в рессивер сопла и давления в рабочей камере скорость истечения \у на оси потока и гидравлическое сопротивление цилиндрического сопла в случаях течения обычного газа и ЭП-плазмы отличаются. Приведем вывод, сделанный на основе результатов изучения специфики внутренних течений ЭП-плазмы в цилиндрических каналах (§4.2): перестройка течения в канале при течении в нем ЭП-плазмы обусловлена увеличением температуры газа в пристеночном слое в результате теплообмена со стенкой, нагреваемой за счет ее бомбардировки упруго расеянными на молекулах газа быстрыми электронами пучка.

В главе 5 рассматривается задача генерации двухфазных пучко-во-плазменных образований (неподвижных облаков ЭП-плазмы - § 5.1 и плазменных потоков - § 5.2) инжекцией ЭП в предварительно подготовленную гетерогенную среду, содержащую конденсированную дис-

персную фазу (КДФ). Для создания в рабочей камере генератора плазмы неподвижного пылевого облака с примерно одинаковой по объему плотностью КДФ применялись механические диспергирующие устройства, а жидкокапельные аэрозоли создавались с помощью центробежных, дефлехторных, щелевых и струйных форсунок, форсунок со сталкивающимся струями. Общим признаком всех использовавшихся форсунок является то, что распыливание жидкости происходит за счет самопроизвольного распада струи или пелены, обусловленного ее капиллярной неустойчивостью. Поскольку давление в рабочей камере во всех проводившихся экспериментах не превышало 100 Topp, неустойчивость течений жидкости типа Гельмгольца-Кельвина развиваться не могла (равно как не наблюдалось и вторичного дробления капель), однако в ЭП-плазме имели место нагрев частиц КДФ и фазовые переходы на их поверхности.

Впрыском жидкости или подачей порошка в высокоскоростной поток плазмообразующего газа решена задача генерации двухфазных плазменых струй. Достаточно однородные по плотности распределения частиц КДФ потоки плазмозоля были получены, когда плоская или коническая пелена жидкости или порошка подавалась в газовую струю перпендикулярно ее оси. Испытания устройств проводились с использованием различных газов-носителей (воздух, СОг, СШ, Не) в диапазоне давлений Pm = 101 + 50 Topp. В модельных экспериментах со сферическими телами, помещенными в потоки ЭП-плазмы получены временные зависимости T(t) температуры твердых частиц плазмозоля при различных Еь, 1ь, Pm и w.

В главе 6 рассматривается генерация гибридной плазмы. Термин "гибридная плазма", достаточно широко используемый в литературе в последние несколько лет, обозначает плазменные образования, возникающие в результате одновременного воздействия на среду (газообразную или аэрозоль) двух и более плазмообразующих факторов. Нами была рассмотрена комбинация инжекции непрерывных концентрированных ЭП и газовых ВЧ-разрядов различных типов [16].

На рис. 5 представлена типичная схема эксперимента. ЭП 1 через ВУ 2 инжектируется в рабочую камеру 3, в которую через сопловое устройство 4 соосно с пучком подается плазмообразующий газ с расходом G. Поток ЭП-пяазмы, границы которого обозначены пунктирной линией, продувается через кольцевой электрод 5, на который подается ВЧ-мощность. Между электродом 5 и заземленным плоским электродом 7 горит разряд 6. В результате, в заштрихованной области образуется гибридная плазма. Подводимая к электроду 5 мощность Nhf могла регулироваться от 250 Вт до 1 кВт. В некоторых экспериментах с гибридной плазмой для создания ВЧ-разряда применялся генератор с несущей частотой 13 МГц, модулированной радиоимпуль-

сами с регулируемой скважностью. Средняя мощность такого генератора могла варьироваться в диапазоне 50 + 300 Вт.

В ходе стендовой отработки генератора гибридной плазмы ис-пытывались различные конструкции электродов и систем подачи плазмообразующего газа. В широких пределах варьировались сочетания мощностей Nb и Nhf. Испытания проводились на следующих плазмообразующих средах: воздух, азот, кислород, диоксид углерода, инертные газы, пары воды, бензола и этанола; диапазон изменения давления в рабочей камере 0,1 - 10 Topp. При фиксированных значениях давления в камере и вкладываемой ВЧ-мощности и геометрия плазменного облака и характер его свечения существенным образом зависят от величины тока инжектируемого ЭП: слаботочные пучки 1ь < 10 мА не оказывают влияния на плазменное облако, которое светится так же, как и при отсутствии пучка. Напротив, при 1ь > 50 мА наблюдается свечение только ЭП-плазмы и тонкий (толщиной не более 5 мм) светящийся слой гибридной плазмы вблизи пассивного электрода. При промежуточных значениях 10 < 1ь < 50 мА по мере увеличения тока ЭП облако гибридной плазмы постепенно стягивается к зоне чисто пучковой плазмы; при отклонении (или сканировании) пучка по координате облако гибридной плазмы повторяет движение ЭП. Это явление открывает дополнительные возможности управления плазменным объемом при обработке поверхностей.

В главе 7 приводится описание диагностического комплекса для исследования основных характеристик ЭП-плазмы, которым был оснащен экспериментальный стенд. Комплекс включает в себя системы, предназначенные для:

а) измерения параметров инжектируемого ЭП: интегрального тока 1ь -охлаждаемый цилиндр Фарадея; пространственного распределения плотности тока jb(r,z) - вращающийся зонд [10];

б) измерения концентрации вторичных электронов пе - многомодовое зондирование плазменного объема СВЧ-волнами с помощью открытых бочкообразных резонаторов;

в) исследования пространственного распределения интенсивности свечения плазменного облака в видимом диапазоне спектра - компьютеризированная система технического зрения на основе ПЗС-телекамеры SONY ХС-77СЕ;

г) исследования энерговыделения пучка быстрых электронов при его релаксации в газе - рентгеновская диагностика, позволяющая получать и обрабатывать изображения пучково-плазменного образования в рентгеновском диапазоне с энергией > 500 эВ;

д) исследования состава плазмы - регистрация спектров излучения ЭП-плазмы в диапазоне длин волн 0,35 -н 0,9 мкм;

е) измерения теплового потока в стенку, контактирующую с плазменным объемом, - калориметрические датчики.

Принципиальная схема экспериментальной установки с диагностическим комплексом изображена на рис. 4. В качестве иллюстрации на рис. 6 представлены типичные распределения jb(r,z), на рис. 7 -зависимости пе (Еь, Рт,) в плазме азота, на рис. 8 и 9 - изображения плазменного объема в видимом и рентгеновском диапазонах, обработанные в изолиниях интенсивности излучения, на рис. 10 - фрагмент панорамного спектра излучения ЭП-плазмы азота.

Третья часть диссертации посвящена исследованию физико-химических процессов, лежащих в основе технологических приложений ЭП-плазмы. Во введении дается общая характеристика термических, радиационно-химических и плазмохимических процессов в гетерогенных пучково-плазменных системах, а также процессов плазмен-но-стимулированного осаждения из газовой и паровой фазы.

Во второй главе рассматривается нагрев макроскопических твердых тел в ЭП-плазме применительно к задаче поверхностной термической обработки материалов. Обсуждаются результаты экспериментов по упрочнению стали 45 и обработки оксидных покрытий, предварительно нанесенных на металлические подложки газотермическими методами. Эксперименты проводились по схеме, изображенной на рис. 11а. Условия обработки варьировались в широком диапазоне значений Еь, 1ь и Рк; использовались различные плазмообразующие газы, непрерывный и импульсный режим обработки с оплавлением поверхности детали или без таковой. Варьировалась скорость перемещения детали под неподвижным пучком.

Рис. 12а иллюстрирует полученные результаты. Массивная цилиндрическая деталь обрабатывалась в ЭП-плазме аргона при следующих условиях: Nb = 5,0 кВт, 1ь = 20 мА, Рк = 5 Topp, z = 20 мм [3]. Деталь перемещалась под неподвижным ЭП со скоростью 5 мм/с. Кривая 1 дает зависимость распределения микротвердости Нюо по глубине упрочненного слоя, которая показывает, что упрочненный слой имеет толщину » 1,2 мм и резкую границу перехода к зоне со свойствами исходного материала. Сама величина микротвердости увеличивается в 4,5 раза по сравнению с исходной и достигает Нюо « 850 кГс/мм2. Для сравнения на том же рисунке представлены распределения микротвердости, полученные в контрольных экспериментах по термообработке таких же деталей с помощью СО2 лазера "Кардамон" (кривая 3) на том же уровне мощности 5кВт и промышленной установки для ТВЧ-закалки мощностью 80 кВт (кривая 2).

В экспериментах по термической обработке в ЭП-плазме инертных газов рутиловых (ТЮ2) и керамических (AI2O3) покрытий, предварительно нанесенных газотермическими методами на подложки из титановых сплавов ВТ-1 и ВТ-6, отмечено уплотнение покрытий и гомо-генизаниция их состава.

В §2.3 для выбора параметров термической обработай в ЭП-плазме дается методика приближенного расчета плотности теплового потока q, падающего на элемент поверхности образца с координатами (r,z), как функции 1ь, Еь, Pm. Для точек вблизи оси плазменного облака в предположении отсутствия разогрева трассы распространения ЭП эта методика дает соотношение

q (z) = jbz(jbo, EbO, Рш) Ebz(EbO, Pm) (1)

где jbz и Ebz - плотность тока ЭП и энергия электронов пучка в сечении облака, находящемся на расстоянии z от ВУ, а jbo и Еьо - значения тех же величин в плоскости инжекции.

Значения Ebz могут быть взяты из известных экспериментальных работ или из расчетов методом Монте-Карло, а

jbz = jbo exp (-az/R) (2)

где a ~ n / Еьо2, n - плотность газа, а R - длина пробега быстрого электрона, для приближенного вычисления которой можно воспользоваться известным из литературы соотношением

R = А-Еьо >>7 (То/Рш) (3)

Размерности: Еьо [кэВ], То [К], Pm [Topp], R [м]; То - температура газа, А - константа, зависящая от рода газа. Для воздуха (азота) А » 1,1 • 10~4.

Прямые измерения теплового потока на расстояниях z « R позволили установить характер зависимости q(Pm). Оказалось, что экспериментальная зависимость q(Pm) близка к получаемой из полуэмпирических соотношений (1) - (3) зависимости q(Pm) ~ 1 / (Pm)2, если в них положить Ebz » Еьо, что вполне оправдано при z « R.

В третьей главе обсуждаются результаты экспериментов по химико-термической обработке материалов в ЭП-плазме. В §3.1 рассматривается задача синтеза нитрид-титановых покрытий на поверхности плоских титановых образцов в ЭП-плазме азота [5]. Схема эксперимента изображена на рис. 11а, а рис. 126, на котором представлены профили концентраций веществ в приповерхностном слое образца из титанового сплава ВТ18У, полученные методами рентгенофото-электронной и Оже-электронной спектроскопии, иллюстрирует результаты этих исследований.

В зависимости от времени обработки толщина нитридного слоя изменяется в диапазоне от 2 до 10 мкм, а расчет средней скорости синтеза, проведенный по полученным экспериментальным данным, показывает, что количество образующегося на поверхности образца нит-

рида титана Gtin « 5-103 + 3*104 мкг/(см2»час). Такая производительность на порядок выше, чем характерная производительность газоразрядных устройств приблизительно одинаковой мощности и на 2 - 3 порядка выше производительности традиционных методов газового азотирования. В экспериментах удалось найти минимальную температуру, при которой наблюдается синтез нитрида титана, равную » 350°С; в диапазоне температур 400°С < Т < 900°С толщина TiN-слоя и его состав слабо зависят от температуры подложки.

В §3.2. рассматриваются термические и плазмохимические процессы в приповерхностной ЭП-плазме и свойства синтезированных слоев. Исследования спектров излучения плазмы вблизи поверхности плоского образца и на достаточном удалении от нее показали [11], что в обоих случаях в составе плазмы преобладают одни и те же частицы -молекулярные ионы №+ и атомарный азот, однако поступательные температуры ТПОст тяжелых частиц заметно различаются: если вдали от мишени характерные значения Тпост « 400 К (т.е. ЭП практически не нагревает газ), то в приповерхностной плазме она мало отличается от температуры поверхности и может достигать » 1000 К. Колебательная температура Tv заметно выше » 2000 К, что подтверждает сильную неравновесность ЭП-плазмы.

Специальные эксперименты, в которых во время обработки на образцы подавались потенциалы различной полярности, показали, что с синтезе TiN-слоев определяющую роль играет атомарный азот, что качественно совпадает с результатами работ, выполненных с использованием вакуумно-дуговых разрядов.

В §3.3 исследуется теплообмен и аэродинамические характеристики тел простейшей геометрии в потоке ЭП-плазмы применительно к задачам химикотермической обработки и нанесения покрытий. Рассмотрены процессы нагрева мишени в виде диска с характерным размером d « D (D - диаметр плазменной струи в сечении, где установлена мишень,) а также измерены аэродинамические силы, действующие на диск, сферу и цилиндр при обтекании их потоком ЭП-плазмы, не содержащей КДФ. В экспериментах исследовалась зависимость установившейся при времени облучения х -» со температуры мишени Т.*, от величины давления в рабочей камере Рк для различных точек плазменной струи. Было установлено, что нагрев тела в ЭП-плазме обусловлен только бомбардировкой быстрыми электронами, а плазменный поток всегда имеет меньшую по сравнению с мишенью температуру. При осесимметричном обтекании сферы и цилиндра, когда подъемная сила равна нулю, начало инжекции ЭП в газовый поток сопровождалось увеличением измерявшейся аэродинамической силы Rx. Эксперименты показали, что возрастание Rx может быть объясне-

но увеличением вязкости газа в тепловом пограничном слое при нагреве мишени.

Найденные закономерности были использованы для предварительного расчета режимов модифицирования сплава WC-Co в дозвуковом потоке ЭП- плазмы азота при Рк = 20 Topp. Эксперимент проводился по схеме, изображенной на рис. 11в; температура образцов во время обработки была и 550 °С.

Для исследования изменений в микроструктуре материала был проведен рентгеновский анализ зерен WC до и после обработки (измерялась ширина дифракционных отражений линий 1010 и 0001 карбида вольфрама под малыми углами), показавший, что во втором случае ширина линий уменьшилась приблизительно в 1.5 раза. Это свидетельствует об увеличении размеров кристаллических зерен и означает, что облегчается возможность включения в кристаллическую решетку других элементов, например легирование бором. На основании результатов проведенных экспериментов была предложена технология многостадийной химико-термической обработки твердосплавного инструмента, включающая последовательную обработку образцов потоком ЭП-плазмы азота и потоком ЭП-плазмы боросодержа-щего вещества. В §3.4 рассматривается один из вариантов генерации такой плазмы - инжекция ЭП в газообразный бороводород ВгНб (диборан). В наших экспериментах диборан получался в химическом реакторе из раствора борогидрида натрия Na[BH4] в диглиме СНз0(С2Н40)2СНз в реакции с иодом и затем в виде струи вводился в рабочую камеру установки через цилиндрическое дозвуковое сопло.

В том же §3.4 рассматривается еще один перспективный процесс -карбонитрирование (одновременное насыщение поверхности металлов азотом и углеродом) в ЭП-плазме смеси N2 + С с регулируемым соотношением компонент. Отрабатывались различные схемы подачи угле-родосодержащего вещества в поток азота: испарение спектрально чистого графита с помощью ЭП, подмешивание ацетилена С2Н2, предельных (метан СН4, пропан СН3СН2СН3) или ароматических (пары бензола) углеводородов. Наличие С в ЭП-плазме идентифицировалось по линиям системы Свана спектра излучения плазмы и подтверждалось отложением на стенках рабочей камеры слоя сажи, образующейся при гетерогенной стабилизации углерода на холодных поверхностях.

В главе 4 рассматривается нанесение покрытий осаждением из газовой или паровой фазы на основе неравновесных процессов, протекающих в гетерогенной ЭП-плазме, причем гетерогенные системы могут быть реализованы в двух основных вариантах: в виде системы, состоящей из двух однородных подсистем - газа и конденсированной фазы, разделенных граничной поверхностью, и в виде дисперсной среды, с заданной объемной плотностью макрочастиц.

В §4.1 описываются эксперименты по нанесению покрытий на подложки (металлы, стекла, ситаллы, керамики и некоторые другие материалы) при испарении мишени (Ti, Си, С и др.) за счет высоко-энергетичной компоненты ЭП-плазмы. Принципиальным отличием рассматриваемого способа от известных методов электронно-лучевого напыления в вакууме является то, что в нашем случае процесс происходит в при давлении в диапазоне 0,1 -г 20 Topp, в то время как для обычных электронно-лучевых напылительных установок характерны давления ниже Ю-4 Topp. В результате, как в паровой фазе, так и на поверхности подложки могут происходить различные плазмохимиче-ские процессы, например синтез соединений, травление и активация поверхности подложки. Отдельно рассмотрен процесс зарядки мишени в ЭП-плазме и найдена зависимость установившегося потенциала мишени от давления и рода газа, заполняющего рабочую камеру, и от температуры мишени. Аналогичные зависимости изучены и для случая обдува мишени потоком ЭП-плазмы. Найдены условия, при которых может возникать пробой между мишенью и подложкой.

В §4.2 рассматриваются физические эксперименты, выполненные на этапе отработки запатентованного совместно с М.В. Грузиным [7] способа нанесения покрытий на твердые подложки, когда напыляемое вещество находится в виде плазмозоля.1 При этом исследовались динамика мелкодисперсного аэрозоля в ЭП-плазме и прохождение быстрых электронов через запыленную среду [12]. Найдены условия, при которых наблюдается разлет частиц аэрозоля за счет униполярной и неуниполярной зарядки в зависимости от материала частиц (AI, Nb, С, АЬОз) и рода балластного газа (N2, Ог, Не). Изучалась дефокусировка и поглощение пучка в аэрозоле: для различных условий эксперимента измерены радиальные распределения плотности тока jb(r) и

я

интегральные профили тока 2лjiy'(r)är для пучка, прошедшего через

о

слой аэрозоля.

В §4.3 обсуждаются результаты экспериментов, целью которых было получение углеродосодержащих композиций со специальными свойствами методом осаждения из ЭП-плазмы. При этом либо мишень, либо подложка, либо и мишень и подложка являлись углеродными материалами. Отработана методика нанесения нанесения углеродных покрытий на различные подложки (монокристалличекий кремний, стеклоуглерод, карбид кремния, углеродные ткани и волокна, фарфор и другие керамики, полимерные материалы, пластмассы и

1 Предложен способ нанесения функциональных покрытий на стекла, особенностью которого является то, что ЭП пропускается вдоль потока субмикронного аэрозоля и вместе с последним падает на поверхность стекла.

др.) в плазме инертных газов (Не, Аг), давление которой варьировалось в диапазоне от 1СГ2 до 50 Topp. На большинстве из перечисленных материалов были получены зеркальные покрытия с высоким коэффициентом отражения в красной части спектра а также проводящие покрытия. Было установлено, что в зависимости от режима осаждения (Ь, Еь, Рш, материал и температура подложки, длительность процесса) можно получить аморфные и кристаллические углеродные покрытия с резко отличающимися физико-химическими свойствами. В отдельных случаях наблюдалось образование хорошо идентифицируемых на электронограммах кубических структур с характерными размерами до 10 мкм.

Отдельно изучалось влияние плазменноосажденных покрытий на горючесть углеродного волокна ВМН-4. Исследовались металлические покрытия (AI, Си, Ag), покрытия диборидами гафния и циркония, кремниевые и карбидкремниевые покрытия, а также многослойные Si и SiC покрытия в различных сочетаниях.

В главе 5 рассматривается низкотемпературная модификация материалов природного происхождения в ЭП-плазме и предлагается модель тепловых и плазмохимических процессов вблизи поверхности контакта плазма-материал, качественно объясняющая наблюдавшиеся эффекты. Наиболее подробно изучены радикально-термические механизмы воздействия ЭП-плазмы кислорода и водяного пара на чистую целлюлозу (§5.1). Обработка проводилась в неподвижном облаке ЭП-плазмы по схеме рис. 11а, причем образцы в виде плоских листов фильтровальной или деловой целлюлозы размещались в рабочей камере установки так, что их плоскость была перпендикулярна оси ин-жекции ЭП. Тепловые режимы подбирались с учетом результатов §2.3 части III.

Количественными критериями эффекта воздействия ЭП-плазмы на целлюлозный материал были выбраны выход водорастворимых продуктов (S, %) и средняя молекулярная масса водных экстрактов (М, у.е.). Обычное содержание водорастворимых продуктов в деловой целлюлозе не превышает 1-2 %, а фильтровальная целлюлоза абсолютно нерастворимы в воде. Молекулярная масса целлюлозы может достигать нескольких миллионов у.е.

Выход водорастворимых продуктов зависит от условий обработки и, как оказалось, имеет свое максимальное значение Smax для каждого плазмообразующего газа: для Ог -плзмы Ьтах « 45 %, для НгО-плазмы Smax ~ 56 %, для (Н2О + NH3) плазмы Smax ~ 70 %, которые достигаются при определенной длительности обработки то. Зависимость S(t) сначала плавно нарастает, затем имеет резкий рост вблизи то, после чего выход водорастворимых продуктов практически не изменяется

при сколь угодно большой длительности обработки (см. рис. 136). Влияние давления плазмы Ог на величину S иллюстрируется рис. 1 За.

Криоскопические измерения молекулярной массы водорастворимых продуктов деструкции целлюлозы, функциональный анализ на кето- и карбоксильные группы показали, что в продуктах преобладают низкомолекулярные производные олигосахаридов со степенью полимеризации 3 -г 5, содержащие кето- и карбоксильные группы. Этот вывод иллюстрируется таблицей 1, в которой приведены характеристики водорастворимых продуктов деструкции целлюлозы, подвергнутой сканирующей обработке в ЭП-плазме О2 и Н2О в следующих условиях: 1ь, = 6 мА, Еь = 40 kB, Рт = 12 Topp, т = 5 мин.

Таблица 1.

Характеристики водорастворимых продуктов деструкции, выделенных из обработанного равномерно по площади листового образца фильтровальной целлюлозы.

Плазмообра- Молекулярная Степень поли- Содержание функциональных групп*

зующий газ масса продукта меризации --------------------------------------------------

кетогруппы карбоксильные группы

О2 (двухсторонняя) 441 2,7 1,4 1,0

Ог (односторонняя) 589 3,6 1,0 0,8

НгО (двухсторонняя) 804 5,0 1,4 1,0

* мг-экв/г.

Для выявления структуры водорастворимых продуктов модификации они были исследованы методами ЯМР 13С спектроскопии на приборе СХР-200. Результатом спектрального анализа было получение хорошо разрешенных спектров, близких к спектру модельного тетрасахарида с ß-(Ci—>С-0 гликозидной связью

W id) (с) (И)

Образовавшиеся фрагменты достаточно устойчивы и дальнейшей деструкции не подвергаются даже при временах обработки т » то.

С целью получения дополнительных доказательств наличия характерных для углеводородов и их производных функциональных групп у образцов целлюлозы, повергнутой модификации в плазме различных газов, были сняты спектры с таблеток КВг на ИК спектрометре 1Ж-20. Характеристические частоты поглощения и результаты расшифровки спектра показывают, что для всех режимов обработки в

С>2 - плазме в целлюлозе имеет место окисление вторичных спиртовых гидроксилов до карбонильных групп, а для обработки в наиболее жестких режимах - преимущественная деградация первичных спиртовых гидроксильных групп. В НгО - плазме может протекать реакция гидратации кетогрупп.

Специально изучались плазмохимические механизмы модификации целлюлозы в ЭП-плазме. Было установлено, что деструкция полимерных молекул и окисление концевых групп образующихся при этом фрагментов могут быть объяснены комбинированным радикально-термическим воздействием плазмы на вещество с участием быстрых электронов ЭП-плазмы и активных радикалов, в сверхравновесных концентрациях нарабатываемых вблизи поверхности образца.

Расчеты состава ЭП-плазмы воды и анализ спектров излучения плазмы смеси Н2О + О2 (см. рис. 106 и 14) показали, что в НгО-плазме идет преимущественная наработка радикала ОН, который, по-видимому, и является ответственным за эффект модификации.

Расчеты состава ЭП-плазмы Ог показывают (рис. 15), что основными реагирующими частицами в ней являются атомы О и молекулы озона Оз, причем концентрация озона п[Оз ] растет при повышении давления в плазме и резко падает с ростом температуры ~ р2 / Тг4. Концентрация атомарного кислорода растет с ростом плотности тока пучка и температуры газа как (¡ь Тг)"2. Следовательно, можно предположить, что при уменьшении давления роль озона в эффекте модификации должна уменьшаться, а кислорода увеличиваться. Наши экспериментальные данные, показывающие, что выход водорастворимых веществ возрастает по мере уменьшения давления, подтверждают это предположение. При типичных условиях эксперимента (температура газа вблизи обрабатываемой поверхности Тг ~ 400 К, плотность тока рассеянного ЭП > ~ Ю~3 -н 10~2 А/см2) определяющая роль в эффекте модификации принадлежит атомарному кислороду [18].

Эксперименты по плазменной модификации проводились не только с чистой целлюлозой, но и с целлюлозосодержащими материалами (§5.2), в частности с древесиной и продуктами ее переработки [19]. Схема проведения экспериментов изображена на рис. 116. Было установлено, что целлюлозная компонента в составе древесной матрицы ведет себя под воздействием ЭП-плазмы так же, как и чистая целлюлоза: из плазменномодифицированной древесины удается выделить такие же водорастворимые тетрасахариды. Лигнинная компонента древесины более устойчива и ее деструкция выражается прежде всего в изменении содержания функциональных групп, в частности обнаружено, что содержание СООН-групп увеличивается, а групп ОСНз уменьшается. Вне древесной матрицы обработка в ЭП-плазме практически не влияет на размер макромолекул лигнина.

В том же §5.2 обсуждаются результаты экспериментов по обработке порошкообразного СФИ-лигнина во вращающемся реакторе (рис. 11 б) в Ог- и НгО-плазме. Обнаружено, что, в отличие от целлюлозы, лигносульфонаты имеют тенденцию к полимеризации (средняя молекулярная масса возросла с М » 23400 - исходный образец до М ~ 27400 - образец, обработанный в Ог -плазме), и по данным ИК- и УФ-спектрометрии после обработки в НгО-плазме в их составе наблюдается уменьшение содержания кислых групп. Если для целлюлозных материалов в НгО-плазме характерно присоединение кетонных групп [15, 17], то в случае лигносульфонатов преобладающими являются, по-видимому, процессы присоединения радикалов Н, в больших количествах нарабатываемых в НгО-плазме (рис. 106) [18].

Целью другой серии экспериментов, описанной в §5.2, являлось изучение возможностей применения ЭП-плазмы для изменения строения и состава битумов и гуминовых веществ бурых углей. В качестве объекта исследования был выбран бурый уголь Хапчагайского месторождения Якутии, битумная и гуминовая составляющие которого отличаются сравнительно высокими выходами и подробно описаны в литературе [13]. Образцы механически измельчались до характерного размера частиц -100 мкм. Обработка производилась в ЭП-плазме кислорода во вращающемся реакторе (рис. 116). В отличие от целлюлозных материалов, пучково-плазменная обработка не привела к деструкции бурого угля, однако выход битумов увеличился в 1,4 раза, а гуминовых кислот несколько снизился.

Все диоксановые битумы, выделенные из исходного и модифицированного углей, были высушены, растерты в порошок и охарактеризованы методом ИК-спектроскопии (прессовка с КВг, ИК-спектрометр 1111-20). Расшифровка спектров показала, что обработка бурого угля ЭП-плазмой Ог, судя по диоксановым битумам, приводит к окислению групп -СН=СН~, -СН и -СНг до гидроксильных и карбонильных групп, а также, вероятно, к перераспределению алифатических групп СНз в битумоидах.

В §5.3 рассматриваются эксперименты по модификации свойств волокнообразующих полимеров в гибридной плазме. На примере суровых тканей из натурального льняного волокна показано, что обработка в потоке плазмы Ог по схеме, изображенной на рис. 5, приводит к радикальному улучшению гидрофильных свойств ткани (см. табл. 2), причем эффект обработки круто нарастает в начальный промежуток времени, а затем практически не изменяется. Это дает основание заключить, что плазмохимические процессы, обуславливающие структурные изменения в льняном волокне, как и в случае древесной целлюлозы, имеют пороговый характер.

Структура поверхности волокна до и после плазменной обработки существенно различаются. При электронно-микроскопических

исследованиях установлено, что на обработанном волокне имеются множественные отщепления поверхностных мембран и нарушения их целостности, что, по-видимому, и является причиной повышения гид-рофильности волокна и ткани.

Таблица 2.

Изменение гидрофильно-гидрофобных свойств суровой льняной ткани в результате обработки в гибридной плазме Ог.

Время обработки, с Капиллярность, мм/ч Смачиваемость, с

0 0-1 300

2 48 34

5 67 12

10 69 4

По результатам работы сделаны следующие выводы.

1. Разработан не имеющий аналогов многофункциональный генератор ЭП-плазмы, обеспечивающий непрерывную генерацию неподвижных пучково-плазменных образований и плазменных потоков инжекцией концентрированных ЭП мощностью до 10 кВт и энергией электронов 20 * 100 кэВ в плазмообразующие среды с давлением 0,1 ч-100 Topp. Решена задача генерации гибридной плазмы инжекцией непрерывного или модулированного ЭП в ВЧЕ-разряд частотой 40 МГц и в одно-электродный ВЧ-разряд частотой 13 МГц, модулированный радиоимпульсами.

2. На основе разработанных генераторов ЭП- и гибридной плазмы созданы различные варианты плазмохимических реакторов, реализующих комбинированное тепловое и плазмохимическое воздействие на вещество в неравновесных условиях в диапазоне температур 250 -s-2500 К.

3. Для испытаний и поэлементной отработки генераторов ЭП-плазмы и плазмохимических реакторов создан экспериментальный стенд, оснащенный специально разработанной системой диагностики плазмы. Испытания проводились на следующих плазмообразующих средах: молекулярные газы, пары неорганических и органических веществ, парогазовые смеси с варьируемым соотношением компонент. С целью осуществления гетерогенных термических и плазмохимических процессов в неподвижные пучково-плазменные образования и плазменные потоки вносились конденсированная дисперсная фаза и/или компактные твердые тела.

4. Изучены процессы нагрева, испарения и электрической зарядки макроскопических тел и частиц мелкодисперсных аэрозолей в ЭП-плазме. Получена экспериментальная зависимость плотности теплово-

го потока q, падающего на поверхность тела, от давления плазмообра-зующего газа Рт, удовлетворительно согласующаяся с полуэмпирической зависимостью д(Рш) ~ (Рт)"2. Для различных газов экспериментально найдены характеристики деградации ЭП при его прохождении через аэрозоль и значения Рт, при превышении которых перестает наблюдаться электростатический разлет аэрозолей. С учетом найденных закономерностей:

- предложен метод расчета процесса термической обработки материалов и получены образцы материалов с упрочненными и гомогенизированными поверхностными слоями;

- найдены режимы нанесения покрытий осаждением из паровой фазы и в потоке плазмозоля, получены образцы слоистых углерод-композиционных материалов с аморфными и кристаллическими аллотропическими видоизменениями углерода.

5. Экспериментально выявлены особенности внутренних течений ЭП-плазмы в цилиндрических каналах и внешнего обтекания ЭП-плазмой тел простейшей геометрии. На основе полученных данных выработаны рекомендации по конструированию газодинамических окон и сопловых устройств генераторов ЭП-плазмы, а также разработаны физические основы расчета тепловых и газодинамических режимов обработки материалов в потоках ЭП-плазмы.

6. Экспериментально доказано, что молекулярные превращения в приповерхностной ЭП-плазме и комбинированное тепловое и плазмохи-мическое воздействие ЭП-плазмы на вещество могут быть использованы для модифицирования свойств неорганических и органических материалов.

6.1. Показано, что при обработке титановых сплавов в плазме N2 при температуре выше 400 450°С на поверхности образца синтезируется гомогенный слой Тл1чГ, причем скорость синтеза на один-два порядка выше скорости азотирования традиционными способами.

6.2. На основе обнаруженного эффекта увеличения размеров кристаллических зерен (и связанного с этим облегчением замещения углерода в карбиде вольфрама другими элементами) при пучково-плазменной химико-термической обработке предложен многостадийный процесс поверхностного легирования ЛУС-сплавов бором в ЭП-плазме азота и бороводородов. Данный способ предложено также использовать для поверхностного легирования металлов (на примере синтеза боридов титана).

6.3. Дано экспериментальное обоснование способа карбонитрирова-ния металлов в потоке ЭП-плазмы с регулируемым соотношением N2 и С, в которой наработка реагирующих частиц углерода происходит либо его испарением, либо плазмохимическим разложением газообразных или жидких углеводородов.

6.4. Доказано, что воздействием ЭП- и гибридной плазмы можно управлять гидрофильно-гидрофобными свойствами волокнообра-зующих полимеров. В частности, обработка суровых льняных тканей в плазме О2 на несколько порядков увеличивает ее капиллярность и смачиваемость за счет активации поверхности волокна и модификации материала шлихты.

6.4. Показана возможность радикально-термического преобразования целлюлозных материалов в О2 - и НгО-плазме, которое сопровождается появлением низкомолекулярных растворимых в воде продуктов. Определена зависимость выхода водорастворимых продуктов, их мо-лекулярно-массового распределения и химического состава от режимов обработки. Установлено, что конечным продуктом преобразования целлюлозы является не подвергающийся дальнейшей деструкции ß-(Ci -» С4)-тетрасахарид, причем длительность обработки определяет только степень превращения промежуточных олигомеров в конечный продукт.

6.5. На примере бурого угля Хапчагайского месторождения показана возможность его низкотемпературной (< 100°С) модификации: обработкой угля Ог-плазмой удается активно влиять на выход и распределение его групповых компонентов (битумов и гуминовых кислот).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. А. с. 1051742 СССР, МКИ3 Н05Н 5/00. Окно для вывода сфокусированного электронного пучка в газовую среду / П. В. Белков, М. Н. Васильев, Е. Е. Голубков, А. С. Коротеев (СССР). - 4 е.: ил.

2. Васильев М.Н., Коротеев A.C. Устройство вывода концентрированного электронного пучка в газообразную среду // Приборы и техника эксперимента. - 1984. -№ 1. - С. 154 - 156.

3. Белков П.В., Бодров А.Н., Васильев М.Н и др. Поверхностное упрочнение стали электронным пучком // Поверхность. - 1985. - № 8. -С. 139-141.

4. А. с. 1275907 СССР, МКИ3 C21D 1/09. Способ термической обработки стали / П. В. Белков, М. Н. Васильев, В. П. Коновалов, А. С. Коротеев (СССР). - 4 е.: ил.

5. Бычков B.JL, Васильев М.Н., Коротеев A.C. Синтез нитридтитано-вых покрытий в электронно-пучковой плазме // Физика и химия обработки материалов. -1991. - № 6. - С. 77 - 81.

6. А. с. 1662129 СССР, МКИ3 С23С 14/30. Способ поверхностной обработки металлических деталей / В. Г. Базаров, М. Н. Васильев, Н. В. Карлов, И. В. Ширко (СССР). - 4 е.: ил.

7. Патент 1722261 СССР, МКИ3 С23С 14/32. Способ нанесения покрытий в вакууме / М. В. Грузин, М. Н. Васильев (СССР). - 5 е.: ил.

8. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Коротеев A.C. " Электронно-пучковая плазма. Генерация, свойства, применение". - М.: изд. МГОУ А/О Росвузнаука, 1993. - 167 с.

9. Шипко A.A., Поболь И.Л., Урбан И.Г., Васильев М.Н. Применение электронно-лучевой обработки для упрочнения титановых сплавов // 5-th Int. Conf. on Welding and Melting by Electron and Laser Beams. 1418 June 1993, La Baule, France. V. 2. P. 513 - 519. (на англ. яз.)

10. Васильев М.Н., Горшков A.B. Томографический метод измерения функции распределения в траекторном и фазовом пространствах при диагностике пучков заряженных частиц // Приборы и техника эксперимента. - 1994. - № 5. - С. 79 - 94.

11. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Зуев А.П. Экспериментально-теоретическое исследование приповерхностной электронно-пучковой плазмы азота // Теплофизика высоких температур. - 1994. - Т. 32, № 3. -С. 323 - 333.

12. Васильев М.Н., Горшков A.B. Томографический метод измерений в траекторном и фазовом пространствах для пучков заряженных частиц // Instruments and Experimental Techniques. - 1994. - V. 37, No 5. -Part 1. - P. 581 - 591. (на англ. яз.)

13. Александров И.В., Васильев М.Н., Бойко Д.А. Обработка бурого угля в низкотемпературной плазме // Химия твердого топлива. - 1996. -№ 1. - С. 36-42.

14. Бычков В.Л., Бычков A.B., Васильев М.Н., Климов А.И. Оценка возможной энергии шаровой молнии посредством анализа поврежне-ний, наносимых металлическим образцам И Journal of Meteorology. -1996. - V. 21, № 206. - P. 77 - 81. (на англ. яз.)

15. Александров И.В., Васильев М.Н., Гаврилов Ю.В. Закономерности взаимодействия электронно-пучковой неравновесной плазмы с целлюлозой //Ж. прикладной химии.- 1996.- Т. 69, Вып. 12. - С. 2042 - 2048.

16. Бычков В.Л., Васильев М.Н. Генерация и применение гибридной плазмы // Proc. of V-th Int. Symp. on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry. Sept. 2-4, 1996. Milovy, Czech Republic. P. 143- 144. (на англ. яз.)

17. Александров И.В., Бычков В.Л., Васильев М.Н. Исследование воздействия электронно-пучковой плазмы на целлюлозные материалы. I Описание эксперимента // Chem. of High Energies. - 1997. - V. 31, №.1. -P. 82 - 88. (на англ. яз.)

18. Бычков В.Л., Васильев М.Н. Исследование воздействия электронно-пучковой плазмы на целлюлозные материалы. II Обсуждение экспериментальных результатов // Химия высоких энергий. -1997. - Т. 31, №2,- С. 137 - 140.

19. Васильев М.Н., Александров И.В., Сухов Д.А. и др. Модифицирование целлюлозосодержащих материалов в электронно-пучковой плазме // Лесной журнал. - 1997. - № 6. - С. 82 - 88.

1 вву /(вву )о

1

3 ,2 0 ои

. I ь, мА

Рис. 1.

20 40 ' 60 80 100 120 140 Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 1. Принцип проводки ЭП через газодинамическое окно. 1 - высоковакуумная камера, 2 - ЭП, 3 - перегородка, 4 - рабочая камера, 5 - плазменное облако, 6 - канал газодинамического окна.

Рис. 2. Зависимость массового расхода воздуха через канал одноступенчатого ВУ от величины тока инжектируемого ЭП при Еь = 30 кэВ, Рк= ЮТорр,1М = 30.

1 - экспериментальные данные; 2 - расчет по простейшей газодинамической модели; 3 - расчет с учетом вязкости газа для длинного канала !М »30.

Рис. 3. Конструкции использовавшихся выводных устройств, а - одноступенчатое ВУ; б - двухступенчатое ВУ. 1 - графитовая вставка, 2 - корпус, 3 - каналы для прокачки охлаждающей жидкости, 4 - соленоид, 5 - патрубок.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки с диагностическим комплексом.

1 - электронная пушка, 2 - высоковакуумная камера, 3 - ЭП, 4 - ВУ, 5 -рабочая камера, 6 - плазменное облако, 7 - натекатель, 8 - измеритель 1ь, 9 - измеритель пе, 10 - спектрометр, 11 - многозональный оптический анализатор, 12 - модуль рентгеновской диагностики, 13 - ПЗС-телекамера, 14 ■ измеритель Рщ, 15 - форвакуумный насос, 16 - высоковакуумный насос, 17 - источник питания пушки, 18 - блок управления.

О

Мни

Рис. 5. Генерация потока гибридной плазмы.

1 - ЭП, 2 - ВУ, 3 - рабочая камера, 4 - сопловое устройство, 5 - кольцевой электрод, 6 - область газового разряда, 7 - заземленный электрод, 8 - область гибридной плазмы.

Jb(r)/jb(0)

- г, (мм)

Рис. 6. Радиальное распределение плотности тока ЭП, прошедшего ВУ, на различных расстояниях от плоскости инжекции (кривые 2). Кривые 1 - распределения jb(r)/jb(0) в тех же сечениях ЭП при отсутствии ВУ. до

(Пе)ср, 10' СМ-3

Р. = 8 Topp

80 -

70

60 -

50

40 -

30 -

20

10

ь = 50 к>в

Р. = 8 Topp Еъ = 30к>В

Р„=ЗТорр Еъ = 40 кэВ

Рга = 3 Topp Еь=50кэВ

Ib, мА

I I" |' I I I I | I I I I | I I I I | I I" 10 20 30 40

Рис. 7. Зависимость средней концентрации электронов пе в ЭП-плазме азота от энергии электронов Еь инжектируемого пучка и давления газа Рт.

Рис. 8. Изображение облака ЭП-плазмы в видимом участке спектра, обработанное в изолиниях интенсивности излучения.

Рис. 9. Рентгеновская фотография облака ЭП-плазмы, обработанное в изолиниях интенсивности излучения. В плазменном облаке перпендикулярно оси нжекдии ЭП установлена плоская мишень (правый край фотографии).

а

б

Рис. 10. Фрагменты панорамного спектра излучения ЭП-плазмы: а - азота при Еь = 30 кэВ, 1ь = 20 мА, Рш = 8 Topp; б - смеси Ог + НгО с

различным соотношением компонент: - 7% НгО, — — —

14% НгО,.....50% НгО.

12 3 4

3 4

Рис. 11. Схемы проведения экспериментов по обработке твердых материалов в ЭП-плазме (типичные примеры).

а - обработка плоских образцов в неподвижном плазменном облаке: 1 - ВУ, 2 - рабочая камера, 3 - ЭП-плазма, 4 - образец, 5 - термодатчики, 6 - питатель ШО;

б - обработка материалов в дисперсной фазе: 1- ВУ, 2 - облако ЭП-плазмы, 3 - вращающийся реактор, 4 - обрабатываемый материал; в - обработка в двухкомпонентном потоке ЭП-плазмы: 1 - ВУ, 2 - рес-сивер, 3 - цилиндрическое сопло, 4 - сопло диафрагменного типа, 5 -струя ЭП-плазмы, 6 - образец.

Рис. 12. Термическая и химико-термическая обработка металлов в ЭП-плазме.

а - распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя для деталей из стали 45: 1 - обработка в ЭП-плазме; 2 - лазерная обработка; 3 - ТВЧ-обработка.

б - профили концентраций веществ в приповерхностном слое образца из титанового сплава ВТ18У, обработанного ЭП-плазмой азота.

Рис. 13. Зависимость влияния давления (а) и времени обработки (б) на выход водорастворимых продуктов из образца фильтровальной целлюлозы при обработке в ЭП-плазме Ог; + , х - экспериментальные данные. Одностороняя (1) и двухсторонняя (2) обработка листа.

N, см"3

Рис. 14. Расчет состава нейтральных компонентов ЭП-плазмы паров воды (данные B.JI. Бычкова для [16]). Рт = 26,6'Ю2 Па, Еь = 50 кэВ, jb = 0,7 А/см2, Т = 150 °С.

[OJLCM"3

т, К /ь, А/см2

Рис. 15. Расчет концентрации молекул озона (а) и атомов кислорода (б) в ЭП-плазме О2 (данные В.Л. Бычкова для [16]). а - [Оз]: Рт = 1,33-103 Па (1); рт = 1,33-Ю2 Па (2). б - [О]: 1,2 - Рт = 1,33-Ю2 Па, Т = 300 (1), Т = 500 (2); 3, 4 - Рт = 1,33-103 Па, Т = 300 (3), Т = 500 (4).