Ускоритель кислородной плазмы и его применение для испытания материалов атомной и космической техники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Черни к Владимир Николаевич

УСКОРИТЕЛЬ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ АТОМНОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 01.04.20 Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

унцдо

С^У 2004

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

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Л. С. Новиков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В. К. Гришин (физический факультет МГУ)

доктор физико-математических наук, профессор В. Т. Заболотный (ИМЕТ РАН)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

(Государственный университет)

Защита состоится «^9 »¿^¿Ял > 2004 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу:

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Чуманова О. В.

2004-4 25394

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивные пучки заряженных частиц и ускорительная техника широко используются в физических исследованиях и в таких приложениях, как атомная и космическая техника, микроэлектроника, модификация и обработка материалов. Высокая плотность, достигаемая в плазменных ускорителях (ПУ) благодаря квазинейтральности пучков, представляет интерес для исследования воздействия на материалы интенсивных высокоскоростных потоков вещества и в частности заряженных и нейтральных частиц кислорода.

В космической технике важней проблемой при длительном орбитальном полете в ионосф'ере является эрозия полимерных материалов наружных поверхностей космических аппаратов (КА) при воздействии набегающего потока атомарного кислорода (АК) с энергией 5-10 эВ. Для ускоренных имитационных испытаний этих материалов необходимы интенсивные потоки с энергией атомов 5-30 эВ с эквивалентными флюенсами порядка 1020-1023 см-2.

В атомной технике одной из инженерных проблем при создании, термоядерного реактора (ТЯР) считается эрозия первой стенки, в значительной степени обусловленная распылением ионами примесей и в частности кислорода. Максимальная плотность распыляющего потока приходится на энергию порядка 50 эВ, а в режиме газового диверто-ра энергия ионов снижается до 5-10 эВ.

Таким образом, в рассмотренных областях науки и техники при решении матери-' аловедческих проблем возникают задачи исследования воздействия на материалы потоков кислородной плазмы со сходными параметрами: энергией атомных частиц в пределах 5-100 зВ, плотностью потока 1019-1018 см сЛ флюенсом 1020—1023 см"2, при отсутствии примесей в пучке и достаточном ресурсе работы установки. В тоже время в известных пучковых установках на кислороде доступными оказались только крайние участки рассматриваемого энергетического диапазона: ниже 16 эВ в газодинамических источниках с лазерным подогревом и выше 50-100 эВ в ионно-ллаэменных системах. Из-за отсутствия источников интенсивных пучков кислорода в интервале энергий 15-100 эВ экспериментальные данные о распылении материалов атомными и молекулярными частицами кислорода при высоких флюенсах (выше 1020-1021 см2) весьма ограничены. Задача создания такого источника является актуальной.

Цель диссертационной работы.- Создание ускорителя кислородной плазмы и имитационной установки для проведения испытаний материалов космических аппаратов и первой стенки термоядерных реакторов в потоках кислородной плазмы с флюенсами 1020—1022 см'2 в диапазоне энергий ионов и атомов кислорода 5-100 эВ.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи исследования.

1. Создание ускорителя интенсивных низкоэнергетичных пучков кислородной плазмы (КП) с низким содержанием примесей и ресурсом работы, достаточным для испытаний материалов в потоках с флюенсами до 1020-10 см-2

2. Создание вакуумного имитационного стенда для испытаний материалов со средствами диагностики пучка и измерения потери массы образцов.

3. Исследование характеристик ускорителя плазмы и генерируемого потока заряженных и нейтральных частиц.

4. Исследование особенностей применения разработанного ускорителя для изучения воздействия потоков кислородной плазмы на материалы с измерением потерь массы и других характеристик распыления.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в работе использованы эвристические, разнообразные экспериментальные физические и расчетные методы. Достоверность и обоснованность полученных результатов.

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

данныэГ

рос национальна* БИБЛИОТЕКА

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

3. Результаты исследований распыления и зрозии материалов анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей. Так, имеется соответствие в пределах погрешности измерения с данными, известными на краях исследуемого энергетического диапазона для графита, нержавеющей стали, полимеров. Относительная стойкость к воздействию атомарного кислорода базовых материалов, измеренная в пучках кислородной плазмы в данной работе, соответствует известным данным, полученным в натурных условиях.

Личный вклад автора. Автору принадлежит выработка основных положений диссертации, касающихся создания ускорителя с двойным контрагированием разряда и противотоком газа, разработки методов диагностики пучка заряженных и нейтральных частиц, а также применения ускорителя для испытаний материалов. Результаты исследований по распылению материалов в пучках кислородной плазмы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Научная новизна.

1. Предложена и реализована схема ускорителя плазмы с двойным контрагированием разряда (ДКР) и противотоком газа на основе магнитоплазмодинамического ускорителя и дуоплззматрона, признанная изобретением.

2. Разработан метод уменьшения уровня примесей электродных материалов в пучке газоразрядного генератора плазмы постоянного тока путем использования двойного контрагирования разряда с противотоком газа в месте сжатия положительного столба. Метод дает возможность в источнике с эродирующими электродами формировать пучки с низким содержанием примесей, приближающимся к уровню безэлектродных ВЧ и СВЧ газоразрядных устройств, которые технически сложнее.

3. Впервые исследована работоспособность накаленного термохимического катода из гафния в плазме окислительного газа при давлении 0,1-1 Па. Показано, что в этих условиях эмитирующий слой оксинитридов разрушается катодным распылением.

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

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

6. Впервые измерены коэффициенты ионного распыления нержавеющих сталей различных классов и углеродных материалов различной структуры и степени легирования бором и кремнием в пучках кислородной плазмы в диапазоне энергий ионов 15100 эВ с флюенсами порядка 102Эсм-2 при имитации воздействия примесных ионоз на материалы первой стенки термоядерных реакторов.

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

Практическая и научная полезность результатов.

1. Разработан плазменный ускоритель, формирующий пучки заряженных и нейтральных частиц кислорода с плотностью потока до 5*1017 см"2*с'1 в энергетическом диапазоне 5-50 эВ с содержанием примесей на уровне 3,5*10° при длительности непрерывной работы до 100 час и на его основе создан стенд для проведения испытания материалов.

2. Технические решения, реализованные при создании ускорителя и средств диагностики пучка, могут быть использованы для повышения ресурса работы и снижения загрязнения пучков при разработке других типов источников заряженных частиц и установок на их основе для решения научных и прикладных задач.

3. Результаты испытаний материалов, проведенных по заказам ведущих

предприятий-разработчиков космической техники: РКК «Энергия» им. С. П. Королева» и ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, были использованы на этих предприятиях при создании целого ряда космических аппаратов (ЯМАЛ, МОНИТОР, орбитальная космическая станция ОКС МИР, Международная космическая станция МКС).

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

Научные положения, выносимые на защиту

1. Схема источника плазмы дуоплазматронного типа на основе магнитоплазмодинами-ческого ускорителя с внешним магнитным полем, модифицированная введением ферромагнитного промежуточного электрода (ПЭ) с противотоком газа в его канале.

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

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

4. Результаты исследования распыления нержавеющих сталей, углеродных материалов, полимеров, лакокрасочных и защитных покрытий в пучках кислородной плазмы в энергетическом диапазоне 5-100 эВ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 40 печатных трудах, включая 4 авторских свидетельства на изобретения, 1-монографию, 14 статей в научных журналах. Они докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, симпозиумах и конференциях:

Научн. конф МИРЭА (Москва, 1982, 1983), 5 Всес. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Москва, 1982), 8 Всес. конф. по динамике разреженных газов (Москва, 1985), научных конф. МГУ «Ломоносовские чтения» (Москва, 1991, 1992), семинарах НИИЯФ МГУ «Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы КА» (Москва, 1990, 1992, 1996, 2003), семинарах по радиационной стойкости органических материалов в условиях космического пространства (Обнинск, 1989,1996), 5 , 6th , 7th , 8th, 9th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm. (Cannes 1991, Noordwijk 1994, Toulouse 1997, Arcachon 2000, Noordwijk 2003), Int. Conf. Problems of Spacecraft Environment Interaction (Novosibirsk 1992), 11,12,13,14, 15,16 Межд. конф.по взаимодействию ионов с поверхностью (Москва, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003), 3 Междунар. совещание по радиационной физике материалов (Севастополь 1993), научн. конф. Физика и техника плазмы (Минск, 1994), 24th Intern. Electrical Propulsion Conf. (Moscow, 1995), 19,27 междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. (Москва, 1995, 2003), научно-техн. Конф. Моделирование и исследование сложных систем (Кашира, 1996), 5 Int. Conf. On Protection of Materials and Structures from the LEO Space Inviron. (Arcachon-France, 2000).

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 134 с. текста, включая 61 рисунок, 12 таблиц и список литературы из 152 наименований. Содержание работы

Во введении показана актуальность, цели и задачи исследования. В первой главе проведен анализ современного состояния техники генерации низко-энергетичных пучков заряженных и нейтральных частиц и выбор прототипа ускорителя КП. Сформулированы специфические требования к ПУ для материаловедческих применений. Первостепенными являются низкая энергия частиц (5-50 эВ), состав пучка (кис-пород), его интенсивность (1018-1017 см"2 с"1), отсутствие конденсирующихся на обрабатываемой поверхности примесей, долговечность. Проведен обзор и анализ источников, формирующих интенсивные потоки с энергией ниже 100 эВ. Рассмотрено состояние исследований по содержанию примесей в пучках. По литературным данным содержание примесей продуктов эрозии электродов в несепарированных по массам пучках колеблется от 0,005% до 5%. Среди источников с электродами дуоплазматроны обладают

преимуществом по чистоте пучка. Проводится анализ происхождения примесей в источниках и возможности их уменьшения в плазменных пучках. Показано, что область наибольшего загрязнения плазмы локализована в прика годной части разряда. При выборе плазменного источника с низким содержанием примесей вводится классификация типов генераторов плазмы по направлению извлечения частиц и обсуждаются возможности уменьшения загрязнения плазменных потоков в разных классах. С точки зрения минимизации загрязнения плазмы продуктами эрозии электродов схема секционированного источника с выводом ионов с анодной стороны имеет преимущества перед схемами с выводом ионов с катодной стороны разряда. Рассмотрены известные методы обеспечения работоспособности термокатодов в генераторах КП. применение эмиссионных материалов, устойчивых к воздействию КП (термохимические и металлоподобные катоды), использование защиты эмиттера электронов инертным газом в форме завесы, плазменного катода или полого катода (ПК) с протоком инертного газа. Определяется принципиальная схема построения источника. В полней мере поставленным требованиям не удовлетворяет ни один из существующих типов источников КП, ионов и нейтральных частиц. Отдельные критерии могут выполняться в различных схемах, поэтому решение задачи предполагается путем комбинации в одном устройстве нескольких подходов. В качестве прототипа выбран МПДУ с внешним магнитным полем. Выбор сделан по совокупности характеристик, удовлетворяющих рассмотренным критериям: низкоэнергетич-ность, высокие интенсивность и газовая экономичность, малая расходимость потока, его' выведение со стороны анода и возможность секционирования источника. Недостатки прототипа: низкая долговечность термокатода в КП и загрязнение плазменного потока продуктами эрозии электродов могут быть устранены отмеченными выше методами: усовершенствованием катодного узла и применением ДКР по типу дуоплазматрона.

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки ускорителя КП с уменьшенным содержанием примесей на основе модификации схемы МПДУ с внешним магнитным полем для длительной работы в окислительной среде. В схеме МПДУ исследована работоспособность 8 КП различных типов термоэлектронных накаленных катодов (вольфрамового, термохимического на основе гафния, металлоподобного из гексабори-да лантана). Установлено, что в несамостоятельном дуговом разряде с накаленным катодом в условиях вакуума порядка 1 Па, характерного для МПДУ, термохимический механизм .эмиссии катода из Ж не реализуется из-за разрушения оксинитридного слоя ионной бомбардировкой. Рассмотренные типы катодов не пригодны для длительной работы в КП. Полученные результаты показали не перспективность сохранения схемы прототипа с накаленным катодом. Для повышения долговечности источника в КП ис-пользозался метод газовой защиты эмиссионной поверхности в термоэлектронном ПК с протоком инертного газа. Схема ускорителя КП модифицирована введением контура

подачи инертного газа через диафрагмированный ПК, с откачкой по дополнительному тракту, что повысило ресурс его непрерывной работы. В качестве прототипа заимствован разработанный в МАИ ПК бортового ионного источника для зондирования спутника Марса "Фобос". Конструкция ПК была переработана на требуемую размерность и упрощена благодаря возможности его обслуживания и улучшения охлаждения в лабораторных условиях. Данные по долговечности отдельных катодов приведены на рис.1. Разработанный ПК при разрядном токе 10-15 А сохраняет работоспособность в тече-

ние нескольких десятков часов. За время эксплуатации ускорителя ремонт ПК производился 16 раз. При этом устанавливались, как новые, так и отремонтированные катоды с замененной эмиссионной вставкой. Общая наработка составила 748 час, средняя долговечность - 47 час.

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

Полученная таким образом схема ПУ дуо-плазматронного типа признана изобретением и показана на рис 2. Термокатод 1 помещен внутри ферромагнитного ПЭ 2. Между анодом 3 и ПЭ по трубке 4 подается защитный газ - Н2, истекающий через отверстие в аноде в вакуумный объем 5, а через канал ПЭ в его полость. В полость анода по трубке 6 подается плазмо-образующий газ-О2. Н2 выбран благодаря аномально высокому порогу катодного распыления, что позволяет уменьшить распыление ПЭ, хотя это сопровождается загрязнением пучка водородом. Как показали исследования, благодаря низкому распылению Fe ионами О ПУ обеспечивает достаточно низкое содержание примесей и без подачи Н2. Поэтому в большинстве описанных экспериментов его подача не применялась. Полость ПЭ откачивается дополнительной вакуумной системой через патрубок 7. Магнитное поле создается соленоидом 8. За срезом анода распределение магнитного поля аналогично распределению в МПДУ, а на выходе из канала ПЭ - дуоплазматрону. Такое магнитное поле позволяет за анодом сформировать слабо расходящийся поток плазмы малой энергии и разделить анодную и катодную части разряда потенциальным барьером. Положительно ионизованные примеси при движении от катода по каналу ПЭ в анодную плазму отбрасываются электрическим полем потенциального барьера обратно в полость ПЭ. Благодаря этому эффекту ионной откачки, нагнетающей ионы обратно в полость ПЭ, давление в ней возрастает выше давления в анодной части, как это и происходит в дуоплазматро-не. Под действием перепада давления возникает поток нейтрального газа из полости ПЭ в анод, выносящий в анодную плазму продукты распыления катода. Для подавления этого потока атомов в рассматриваемой схеме введена ДВОГ из ПЭ. Скорость ДВОГ подбирается такой, чтобы создать противоток газа, препятствующий диффузии нейтральных атомов примесей в сторону их меньшей концентрации у анода. Тем самым в дополнение к рассмотренному эффекту отражения ионной компоненты потенциальным барьером обеспечивается уменьшение потока и нейтральных примесей.

Эффект ДВОГ исследован в модельном эксперименте, в котором роль примеси играл инертный газ-Хе, подаваемый в ПК. Снимались зависимости от скорости ДВОГ давления в ПЭ и отношения пиков Хе и О в спектре масс ионов в ускоренном пучке КП. По данным эксперимента на основе баланса частиц строилась расчетная модель распределения газовых потоков в ПУ.

Предполагалось, что в установившемся режиме вводимый в полость ПЭ поток цо Хе выводится двумя потоками: потеком и, удаляемым ДВОГ, и потоком ц, выходящим через канал ПЭ в анод ц= и+ц (1). Последний, в свою очередь, представляется суперпозицией потока f .определяемого движущей разностью давлений (р-рэ) в ПЭ и аноде и проводимостью С канала, и потока г ионной откачки, направленного ему навстречу,

т. е. ц = и (2) и Г=С*(№) (3). Величина потока г, как установлено при исследованиях дуоплазматронов, пропорциональна току разряда, магнитному полю и слабо зависит от давления. На рис. 3 показаны расчитанные по данной модели зависимости потоков от давления при токе 10 А. Измерялись давление р в ПЭ и поток и, по которым из (1) строились зависимости ц/ц0 эксп. и г/ц0 эксп. из (2). Расчет ц/ц0 расч. проводился по (2) с использованием постоянного значения г/з0=1 ,47 для тока 10 А. Согласие экспериментальных и расчетных данных показывает адекватность модели. Как видно, при снижении давления выходящий через канал ПЭ поток ц уменьшается и меняет направление. Результаты определения потока ц эксп. для разрядных токов 0, 6 А, 8 А и 10 А, приведенные на рис. 4, показывают, что с ростом разрядного тока давление возникновения противотока газа в канале ПЭ увеличивается в

соответствии с возрастанием потока ионной откачки, пропорционального току. При уменьшении потока ц до 0 наблюдается снижение содержания Хе в пучке с 8-15% до 1%, как это видно на рис. 5. Полное подавление выхода Хе ниже предела обнаружения (0,05%) методом динамической масо-спектрометрии достигается при величинах противотока -2-4 отн. ед. (0,2-0,4 q0), что показывает необходимость создания противотока газа в

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

Для измерения содержания конденсирующихся примесей в потоке КП применен метод собирающего зонда. Новизна применяемой методики состоит в определении кинетики накопления осадка на зонде, по виду которой судят о содержании примесей в пучке плазмы. Элементный анализ осадка на поверхности собирающего зонда из монокристаллического Si после экспозиции в пучке проводился методом ре-зерфордовского обратного рассеяния (POP) ионов Не. Результаты анализа осадка на зонде интерпретировались на основе баланса примесных атомов на его поверхности: dn/dF = с (on/nc)(1-f), где п - поверхностная концентрация примесных атомов данного сорта в осадке, F флюенс ионов кислорода, с - атомная концентрация примесей данного сорта в потоке, а- вероятность ухода атома примеси с поверхности при передаче ему импульса, n/n0 - вероятность передачи импульса атому примеси, n0 - поверхностная концентрация атомов на зонде, f- коэффициент рециклинга, показывающий долю распыленных атомов примеси, возвращающуюся на поверхность зонда в результате столкновений в плазме. Анализ POP показал появление на облученной поверхности элементов группы Fe (Сг, Fe, Ni, Mn), не разрешаемых на спектре и идентифицируемых как Fe, а также следов W, Mo.. La. Полученные данные в исследованном диапазоне флюенсов ионов кислорода F=(0,7-6)*10io См'2 отображаются прямой с достоверностью аппроксимации 0,9983 и наклоном dri/dF=3,5*10"® . Хотя п увеличивается в 20 раз с 1013 до 2*1014 атомов/ион, уменьшения dn/dF не наблюдается, что позволяет пренебречь распылением осадка и оценить содержание Fe в потоке КП на уровне c=dn/dF=3,5*108. В потоке плазмы Аг л осадка увеличивается в 7 раз при тех же энергии, интенсивности и флюенсе, что объясняется более высоким распылением стали ионами Аг. Плазменный пучок кроме ионов плазмообразующего газа (технический О2 с 3% примесью Аг) содержит примеси ионов газа ПК (Хе) ниже порога обнаружения (0,05%) масс-спектрометрией и примеси конструкционных материалов (Fe) на уровне 3,5*10'4 %., что свидетельствует об эффективности подавления загрязнения примесями потока плазмы.

Представлены интегральные характеристики ускорителя КП: вольтамперная характеристика (ВАХ) ускорителя растущая 5-22 А, 50-75 В, газовая эффективность в типовых режимах изменяется в пределах 0,18-0,45, цена иона кислорода при увеличении разрядного тока в диапазоне 9-15 А и б =0.01 Тс уменьшается с 2500 до 1300 эВ.

При имитации воздействия струй электрореактивных двигателей на материалы КА для повышения энергии ионов в пучке до 200 эВ базовая конфигурация с ДКР преобразуется в схему ПУ с разрядом с замкнутым дрейфом электронов (РЗДЭ). Путем введения специальных вставок и магаитопроводов магнитное поле, возбуждаемое соленоидом, концентрируется в кольцевом зазоре между полюсами с радиальным направле-

нием силовых линий, где, таким образом, создается скрещенное поле ВхЕ. В кольце-вом канале возникает РЗДЭ. Образуется ускоряющий ионы слой с перепадом потенциала, близким к напряжению разряда, и формируется ускоренный кольцевой ионный пучок, скомпенсированный электронами, поступающими через кварцевую трубку с катода.

В третьей главе рассмотрена техника эксперимента в интенсивных пучках КП. Описана конструкция экспериментального стенда «КоМПЛЕКС-2», в который установлен разработанный ускоритель и аппаратура для диагностики пучка и контроля свойств образцов материалов. Стенд состоит из двух камер с вертикальной ориентацией осей: камеры источника плазмы и измерительной. Дифференциальная откачка диффузионными насосами на полифениловом эфире с быстротой действия 2 и 1 м3 с1 с азотными ловушками обеспечивает рабочий вакуум (1-3)*102 Па в первой и (3-5)*10/3 Па во второй. Система питания рабочими газами ПУ состоит из 3-х идентичных трактов подачи О2, Аг или Хе, и Н2. Блок электропитания содержит 3 цепи: анодную, накальную и соленоидную. Система мониторинга пучка включает аппаратуру.для диагностики потока плазмы и магнитную систему для отклонения заряженных частиц. Все устройства за исключением анализатора масс-спектрометра размещены на манипуляторе для позиционирования датчиков в пучке. Система контроля свойств образца включает манипулятор образцов, с 4-мя держателями, цепь термометрии с 4-мя термисторами, вакуумные микровесы, устанавливаемые на один из держателей. Стенд позволяет проводить облучение образцов материалов пучками плазмы и нейтральных частиц кислорода и других газов с измерением потери массы материала и параметров пучка. Длительность непрерывной работы стенда позволяет проводить сеансы облучения ионным флюенсом до 1022 ион *см"2. Диагностика пучков заряженных частиц проводится электрическими зондами: измерение плотности ионного тока // и электронной температуры Те-двухзондовым методом, энергетического распределения ионов Г/(Е)- трехсе-точным анализатором тормозящего поля диффе-

ренцированием кривой задержки радиотехническим методом путем модуляции малым гармоническим сигналом (1 кГц) напряжения задержки и регистрации переменной составляющей тока коллектора на частоте модуляции. Типичная зондовзя характеристика показана на рис.6. Средняя направленная скорость V и энергия

ионов Ев пучке оценивалась также по отношению | продольного и поперечного зондов с ориентацией поверхности вдоль и поперек пучка. Е максимальна на оси пучка (30 эВ) и спадает на периферии, диаметр пучка на уровне 0,5 составляет 4 см, Тв =4-7 эВ. Путем

• 1: >; 5Ш . IIФ! м- "!• 'II 1 ■1*4' ;!'!!!1! ¡1 : II '' |' ! [ '1

Т|Г И 1 ;: ! Ч : 1; !

НЕ >:н!||! I! 11II. .1 ;! 1 :1; ! • 1 ■ Ч ;

п; ' И.иЛ! # $ 11 ; ■ц. .и. ' 1 1;: т—■ /11)

№ И' ШгрЖ

пшш : г! 1: II Щ 1|] Ч; и 1С ¡Ц

| • ¡Гг ¡у/1 ■ ^ 1 лМ ! "Н 17 /тЧ^ + •жЗп ''' |и ¡1-!!:

11' ¡| • ■ ! || ¡¡И ' г'' | ! > ТГГГГ^

- )!1 Ь '1- ЩЩ •И ^ ш /¡;'| 7]| Ь. чнГ | 1 гщ? ¡Ж. М]Ыэ

II !' * ли.. Ш !| ¡1: ;| •к 1 I II !|П;

т !1;1 ' !1|! ЧН I : Г Ж О

4- —1 И в\ ¡И1 П ' ' 1н1 1'

V .'! к |||| 1 г!1 "*Т ТТГ I- 1 ; ■ ! ! 1

ПТЖУЖ ТПТТтггт! ¡у м :1г ,!!: !

1!р ;1 ■: !! 1

¡1 !' Ни ¡П.; ■ 1; ■ N : ¡' 1

И № ' ! ГГ 1 № II! 1 ! I '! \<' ¡1 1 1т

! 1И ТТ№ | 1:1 И и!. ! м} н1; 1 ¡1

! II:' шш* : Пг И 1 ;1 и 11 1

Рис. 6. Зондовые характеристики 1/Ц) и энергетическое распределение ионов в потоке кислородной плазмы. Потенциал <ро плазмы 20 В. Разрядные ток 14 А, напряжение 71 В, катод заземлен. Ионный ток насыщения -2,6 мА. Площадь зонда 0,28 смг. н -начало, к - конец облучения

интегрирования радиального распределения ]\ в круге получены значения полного ионного тока 0,25-0,85 А. При регулировании режима изменением магнитного поля и разрядного тока измеренный направленными зондами в неотклоненном пучке диапазон Е, .10-40 эВ (см. рис.7), ji уменьшается с 0,35 до 0,003 А*см'2 при смещении вдоль оси пучка от среза анода с 20 до 180 мм (см. рис. 8). Потенциал плазмы р0 при этом падает с 65 до 20 В. В плоскости образца (180 мм) с <р0 =20 В средняя Е) =34 эв. При контакте плазмы с поверхностью образца возникает пристеночный скачок потенциала, изменяющий £/ бомбардирующих ионов. На проводящей поверхности потенциал может регулироваться внешним смещением, тем самым, позволяя управлять Е/ бомбардирующих ионов. На

зарядом плазменных и катодных электронов. Для уменьшения £/ применялось отклонение заряженных частиц наложением поперечного магнитного поля с одновременным понижением потенциала катода внешним отрицательным смещением. Зокдовые характеристики прямого пучка для этого режима показаны на рис. 9. Легко видеть, что средняя энергия, плотность тока ионов и температура электронов уменьшились. Максимум энергораспределения соответствует 14 В при потенциале плазмы 9 В, что определяет среднюю энергию ионов в пучке на уровне 5 эВ. В этом режиме при перезарядке : ионов пучка . на спутной. струе кислорода из ПУ формируется нейтральный поток с £=5 эВ. Характеристики модифицированного в схему с РЗДЭ ускорителя исследовались при напряжениях 17=150-250 В и токах разряда /=0,5-1,5 А. При U=200B, /=0,6 А. формируется пучок ионов Хе с £,=183 зВ и /=1 мА*см"г на образце.

Разработана методика измерения ф0 в интенсивном потоке КП эмиссионным зондом (ЭЗ) с нагре-всм электронной бомбардировкой по схеме рис. 10. Новизна заключается в использовании в качестве ЭЗ одиночного цилиндрического или плоского зонда Ленгмюра обычной конструкции (поз. 1, 2, 3) относительно большого диаметра (поз. 1 d=0,5 мм) или площади вместо накаленного зонда в виде тонкой (0,1 мм) проволоки с нагревом большим током накала от внешнего источника. Этот же зонд используется для определения Г, и концентрации заряженных частиц по обычной методике одиночного зонда (переключатель 9). Нагрев до температуры термоэлектронной эмиссии производится бомбардировкой поверхности зонда электронами исследуемой плазмы, которые ускоряются импульсами положительных полупериодов напряже-

диэлектрической стенке потенциал понижается

I

ГВ.10 А*Тс I

Рис. 7. Зависимость энергии ионов в потоке кислородной плазмы от произведения магнитной индукции В и разрядного тока I

0 50 100 150 200 i

расстояние от анод*, мм -

— О— потенциал плазмы ■ плотность ионного тока

Рис. 8. Осевое распределение плотности ионного тока и потенциала в пучке кислородной плазмы. Плотность ионного тока на расстоянии 20 мм от анода составляет 350 мА*см~г.

ния, подаваемыми на зонд по цепи 7, 8, 6. В паузе между импульсами проводится измерение плавающего потенциала (по цепи 10, 4, 5) 33. который достаточно близок к <ро. Такой метод позволяет повысить долговечность зонда благодаря большему диаметру и упростить технику измерений <ра в интенсивном потоке КП.

Методика оценки среднемассовых параметров нейтрального пучка основана на

одновременном определении потока импульса и мощности, по которым вычисляются V и у пучка. Аппаратура представляет собой компактный измеритель, состоящий из магнитоэлектрических крутильных весов с автобалансировкой и термис-торного болометра, чувствительные элементы которых совмещены в точке контроля.

Для измерения массового состава ионной компоненты использовался монопольный масс-спектрометр типа МХ-7305. При интерпретации спектров учитывались искажения, вызванные фокусировкой и перезарядкой ионов при движении плазменного пучка от диафрагмы к входному отверстию анализатора масс и дискриминацией по массам при регистрации ионов ВЭУ. Массовый состав ионов пучка КП при питании полого катода ксеноном характеризуется наличием трех линий: О, О2, Аг (3%). Аг является примесью О2 в баллоне. Степень диссоциации ионов кислорода изменяется в пределах 15-85 % в зависимости от режима и увеличивается с ростом магнитного поля и разрядного тока.

Обращаясь к анализу по массам нейтральной компоненты следует отметить ее низкую плотность по сравнению с фоном молекул газа тепловых энергий, наличие нестабильной О компоненты и потока ВУФ из ПУ. В результате взаимодействия атомных частиц со стенками регистрируемый спектр искажается составляющими от рассеянных и прорекомбинирсвавших частиц меньшей Е. Для снижения искажений масс-спектра автором был предложен способ энергомассанализа высокоскоростных молекулярных пучков нейтральных и заряженных частиц с нестабильными компонентами с использованием - радиочастотного масс-спектрометра (РМС) типа Беннета, на который в соавторстве с А. А. Похунковым, Ю. В. Кубаревым, А. Ф. Гековым и др. получено авторское свидетельство на изобретение. При анализе высокоскоростного пучка, движущегося вдоль оси РМС, ионы, образовавшиеся в камере ионизации, способны достигать селекционирующей системы за счет своей высокой начальной скорости без ускоряющего поля на вытягивающей сетке. Это позволяет устранять искажения спектра

путем отсечки медленных частиц тормозящим полем этой сетки и им же производить энергоанализ ионов. Этот принцип дает возможность стандартным РМС без применения специального энергоанализатора определять все основные параметры молекулярного пучка: массовый состав,/и ^массовых компонент.

Генерация плазмы сопровождается электромагнитным излучением (ЭМИ) в видимом, УФ и ВУФ диапазонах. Измерение суммарного потока ЭМИ (А>0,2 мкм) проводилось калориметрическим методом термисторным болометром с фильтром из кварцевого стекла. В диапазоне 0,Змкм>А>0,215 мкм использовался измерительный вакуумный фотоэлемент типа Ф-7. Оценка потока ВУФ осуществлялась по внешнему фотоэффекту с помощью открытого А! фотокатода с использованием метода задерживающих потенциалов. Полученные данные дают приближенную оценку мощности сопутствующего ЭМИ: -2 мВт*см на А>200 нм,-0,2 мВт*см"г на \ =0,2-0,3 нм, - 0,6 мВт'см'2 на Л <200 нм.

Средства диагностики дали возможность измерить основные параметры пучка частиц, падающего на поверхность экспонируемого образца материала в зависимости от режима ускорителя. Представление об относительном вкладе компонент дается усредненными значениями: ионы - ji =10"-1017 ион см^с"1. Е- 20-50 эВ, степень диссоциации 50-70%; быстрые нейтралы перезарядки-]= 1015см'2*с\ Е- 5-20 эВ, эффузионный поток молекул -¡= 5*10,в см'2*с\ Е= 0,1 эВ, поток ВУФ-;= 5*1014 см"г*с"\ £= 10 эВ.

Рассмотрены методики контроля свойств образцов материалов при облучении. Потери массы образцов определялись взвешиванием либо на аналитических весах типа АДВ-200М с точностью 0,1 мг вне вакуумной камеры до и после облучения, либо непосредственно в процессе облучения в камере миниатюрными (3*5*5 см3) вакуумными автоматическими микровесами с чувствительностью 5 мкг, разработанными автором.

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

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

В экспериментах, имитирующих воздействие на материалы ТЯР потоков примесных ионов О, определялись коэффициенты распыления S и угловые распределения эмитированных частиц нержавеющих сталей аустенитного (А) и ферритно-мартенситного (ФМ) классов и графита МПГ-6. Для сравнения изучалось распыление в пучке плазмы Аг. Для имитации условий длительной работы в ТЯР распыление исследовалось при достаточно высоких флюенсах до 5*10 ион*см'2, получаемых в плазменных потоках с/, =1-10 мА* см"2, и средней £=10-100 эВ, регулируемой потенциалом образца. Измерение S осуществлялось методом сбора распыленных частиц на коллекторе с последующим анализом осадка методом POP ионов гелия с £=1,5 МэВ. Измеренные S сталей с различной структурой почти одинаковы при воздействии плазмы Аг и составляют при £ =100 эВ: S-0.2 атомов/ион для А стали марки 10Х12Г20В и S=0,22 атомов / ион для ФМ стали 15Х12В-ФРТ-ВН. Эти значения совпадают с литературными данными, где для Fe S=0,2 атомов/ион при той же £. В потоке КП у сталей А и Фм классов, имеющих различные типы кристаллических решеток и структуру, S существенно ниже и сильно различаются: при £ =100 эВ для А сталей 10Х12Г20В и 25Х12Г20В получены S=7*10 • и S =6*10"э соответственно, а для ФМ стали 15Х12ВФРТ-ВН- S=1,4,10"í атомов/атом О. Измеренные угловые распределения не подчиняются закону косинуса, вы-

сока доля частиц, распыленных под углами к нормали 30-50 и 50-70 градусов соответственно в Аг и КП. Такой вид распределения характерен для режима прямого выбивания

поверхностных атомов ионами

энергия ионов или атомов, эВ

низкой энергии. Определен энергетический порог распыления нержавеющей стали А класса 25Х12Г20В (США) на уровне 20 эВ при S=10 атомов на ион.

На рис. 11 представлены результаты измерения S ионами О (2) и Аг (3) А нержавеющей стали и графита (1) МПГ-6 в припороговой области 25-100 э В. На этом же рисунке представлены литературные данные: энергетические зависимости S нержавеющей стали ионами О (4) и Ne (5), полученные на сепарированном ионном пучке, а также графита -на этом же пучке (6), на источнике PSI (США) быстрых атомов О (8) и полетные данные КА «Спейс Шаттл» (7). Наблюдается соответствие с известными данными на краях энергетического диапазона. Приведенные данные показывают эффект уменьшения S стали на 1,5 порядка при химическом взаимодействии атомов мишени с бомбардирующими частицами. При Е =90 эВ данные по распылению графита МПГ-6 в пучках Кп с разной степенью диссоциации (6-60%) свидетельствуют в пользу предположения о диссоциации молекулярной компоненты

пучка при взаимодействии с по-

О 1-С/О □ 2-нврж.ст.Ю

О 3-нерж.ст^Аг ■ •"■4-нерж.ст.Ю

5-H«p)K.CTjN« ▲ . в-С/О

О 7-С/О Спейс Шаттл -«—8-С/О PS1

Рис. 11. Энергетические зависимости коэффициентов распыления нержавеющей стали и графита ионами и атомами О, Аг, Ь'е

верхностью.

При Е =90 эВ исследовано влияние структуры и состава углеродных материалов на коэффициент химического распыления. Результаты показаны на гистограмме рис. 12. При рассмотрении ряда нелегированных материалов (поз. 1-9) прослеживается тенденция уменьшения в при повышении степени графи-тации от изотропного пироугде-рода ПГИ до графита МПГ-6. Значительно существеннее проявляется влияние состава материала на его химическое распыление. Наблюдается уменьшение в (0,96-0,13) при росте содержания В (0-15%), наглядно видное на рис.12, где материалы поз. 9-13 расположены в порядке увеличения содержания В. Исследование углеси-таллов УСБ-15 и УСБ-26 показало возможность многократного усиления химического распыления материала (в=0,13 и 0,96 соответственно) в результате термообработки, проведенной для улучшения его структуры, но приведшей к снижению содержания В с 815% до 0,03%. Показано также, что эрозионная стойкость, присущая УСБ-15 при невысоких температурах (в=0,13-0,25 ат/ат О), не сохраняется при нагреве выше 700 К, когда

S увеличивается до характерного для нелегированных графитов уровня 0,6-0,7, вероятно, из-за испарения защитной пленки В2Оз.

В пятой главе рассматривается использование пучкоз КП и инертных газов для ускоренных испытаний полимерных материалов и их защитных покрытий при имитации длительного полета в ионосфере и воздействия струй электроракетных двигателей. Имитация многолетнего полета в ионосфере требует облучения материалов высокими ф л ю е н с АК 10гг-102Э см'2. Интенсивности пуков на имитационных установках не превышают 101' cm'2c-1 (обычно 10,5-101' см^с1), что приводит к практически неприемлемой продолжительности испытаний. Возможным путем ускорения испытаний может быть увеличение Е частиц пучка в пределах сохранения механизма их взаимодействия с испытываемым материалом. Однако этот путь ограничен, поскольку при значительном увеличении Е бомбардирующих частиц возрастает роль физического распыления и изменяется механизм химических реакций. Литературные данные и собственные исследования показывают, что эрозия полиимида при воздействии быстрых частиц кислорода с £=30 эВ на порядок превышает эффект физического распыления атомами инертных газов. При ускоренных испытаниях мерой воздействия пучка считаются потери массы Am эталонного материала-полиимидз, по которым определяется эквивалентный флюенс (ЗФ) АК. К примеру, для углепластика, состоящего из С- волокон в эпоксидной матрице, объемный коэффициент эрозии при ускоренных испытаниях в пучке КП составил 1,2 *10"24 см'/атом О по ЭФ. Это согласуется с полетными данными для компонент композита: 1*1С'24см3 для С и 1,7*10"24см3 на атом О для эпоксида. Для повышения степени ус-коренности облучение образцов проводилось без вывода заряженных частиц, чем достигалось повышение как /, так и £ частиц. Пучок КП, падающий на образцы, состоял из ионов, атомов и молекул кислорода со среднемассовой V=16 км/с (средняя £ атомов 20 эВ) и у'=(2,5-3,5)*101всм~2*с1. Быстрые молекулы потока при столкновении с поверхностью диссоциируют, ионы нейтрализуются и в результате на материал воздействуют атомы, имеющие среднюю V-16 км/с. В этом режиме изучалось изменение механических свойств материалов наружных поверхностей КА (см. рис. 13,14).

Особенность исследования эрозии углепластика КМУ-4Л без покрытия и с термо-регулирующим покрытием ЭКОМ-1 (ZnO 8 акриловой связке) состояла в высоком ЭФ АК-3,5*1022 см'2. Эрозия привела к уменьшению толщины с 1 мм до 0,6 мм и снижению прочности образца в 3 раза. В тоже время у образца с покрытием толщина и диаграмма разрушения практически не изменяется. Оксидный пигмент оказывает защитное действие, снижая Am в 6,5 раз. Деградация механических свойств наблюдалась также у мате-

«ПАРМЛ» и терлоновой ткани (аналог кевлара). В «ПАРМЛ», применяемой в качестве экранирующей оплетки кабелей, используется аримидная нить, состоящая из по-лиимидных волокон и выполняющая силовую функцию. Из терло-новой ткани сшивался аримидной нитью раскрывающийся экран для защиты аппаратуры на внешней поверхности российского функционального грузового блока «Звезда» от воздействия струй двигателей "Space Shuttle" при его сближении с МКС. Результаты имитационных испытаний показали, что по устойчивости к воздействию АК терлоновая ткань близка к полиимиду (Am =5.4 мг/см2 и 5.6 мг/см2 соответственно). У «ПАРМЛ» наблюдается полное вытравливание аримидных волокон внутри металлической

риалов на основе синтетических волокон:

1400' 1200 Г 1000

у \

| 600. У

200' 0

0 10 20 30 40

относительное удлинение,%

[-—«-ПАРМЛ-исх - -ПАРМЛ-облуч. |

Рис. 13. Диаграмма нагруженпя образца плетенки «ПАРМЛ» до и после облучения в лучке

обвивки у значительной части нитей. Разрывное усилие (см. рис. 13) уменьшается в 5 раз, а относительное удлинение -в 1,7 раза. У фрагментов экрана после облучения КП разрывная нагрузка уменьшается в 2 раза, причем разрушаются как терло-новая ткань, так и аримид-ные нити шва.

Влияние облучения пучками КП на. оптические свойства материалов КА рассмотрено на примере по-лиимидных пленок, защищенных Si-содержащими покрытиями, и цветных эмалей. Эффективность у защиты покрытий из SiO2 и кремнийоргани-ческих лаков 2 типов определялась на пологих участках зависимостей (см. рис.14) как отношение ¿т незащищенной пленки, по которой определялся ЭФ, к йт пленки с покрытием. Она максимальна у Si02 (у=800). После обработки КП в слоях Si02 возникает сеть микротрещин, не наблюдаемая в лаковых покрытиях. Коэффициенты поглощения солнечного излучения а, пленок, измеренные на белых подложках в РКК «Энергия», увеличились с 0,366 до 0,380 у SiO2 и уменьшились с 0,36 до 0,345 у лаков. Испытания аналогичных покрытий на ОКС «Мир» показали согласие сданными лабораторных экспериментов.

Исследовалась стойкость цветных лакокрасочных покрытий со связующими на основе эпоксидных (ЭП) и кремнийорга-нических (КО) эмалей, а также ЭП эмалей со слоем кремнийор-ганического лака К0-008., используемых в знаках государственной принадлежности на Российском Сегменте МКС. Посла облучения образцо2в пучком КП с ЭФ АК 1,4*10 см'2 проводились измерения Дт и спектров отражения образцов в диапазоне 0.22.5 мкм на LPSR-2000 в РКК «Энергия». Как видно на рис.15 у ЭП наблюдаются изменение окраски и значительные Am, а у КО и ЭП со слоем К0-008 окраска и масса почти не изменяются.

Испытания в пучках ксено-нозой плазмы с энергией 130 эВ, имитирующие воздействие струй двигателей ориентации, выявили эффекты распыления и потемнения поверхностей силикатных терморегулирующих покрытий на основе ZnO (TP-CO-12) и ари-мидной ткани, а также уменьшения эффективности фотопреоб-

разования элементов солнечной батареи.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Предложена оригинальная схема ускорителя кислородной плазмы на основе МПДУ с двойным контрагированием разряда и противотоком газа, защищенная авторским свидетельством на изобретение. На основе предложенной схемы создана конструкция ускорителя плазмы, обеспечивающая получение пучков атомных и молекулярных частиц кислорода плотностью потока до 5*10í7cm'j*c"1, средней энергией 5-50 эВ, с низким уровнем примесей (З.б'Ю"40/») при длительности непрерывной работы до 100час.

2. Предложен и исследован метод подавления выхода примесей продуктов эрозии катода в плазменный пучок путем двойного контрагирования плазмы с противотоком газа в месте сжатия разряда. Метод позволяет снизить содержание Хе в пучке ниже порога обнаружения масс-спектрометрией (0,05%), а содержание Fe-до уровня 3.5Ч0"4 %.

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

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

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

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

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

Основные публикации по теме диссертации

1. А.с. N 179744в. МКИ H01J. Газоразрядный источник плазмы дуоплазматронного типа: / Черник В.Н. (СССР). Опубл. 12.09.95. Бюл. № 19. 3 с.

2. Chemik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange // Proc.7m Int. Symp. Materials in Space Environment. Toulouse, SP-399, 1997, p. 237-241.

3. Chernik V.N. Reactive Accelarator Jet Potential Measurement by Emissive Probe with Electron Heating // Proc. of 24th Intern. Electrical Propulsion Conference. October. 1995. Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v.3. p. 1339-1345.

4. A.c. № 11 в 1455 Способ определения параметров высокоскоростного молекулярного пучка / Кубарев Ю. В., Похунков А. А., Черник В. Н. и др. (СССР), ОИПТЗ, 1995, № 20.

5. Кубарев Ю.В., Черник В.Н. К вопросу анализа нестабильных компонентов высокоскоростного молекулярного пучка радиочастотным масс-спектрометром // Тез. докл. в Всес. конф. по динамике разреженных газов. М.:19в5, с. 137.

6. Kubarev Ju.V.,Chemik V.N. Source of intensive oxygen plasma flows of low energy for technological applications // Proc. of 24th Intern. Electrical Propulsion Conference. October. 1995. Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v.3. p. 1269-1277.

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

8. Кубарев Ю.В., Черник В.Н. Разработка и исследование магнитоплазмодинамическо-го генератора кислородной плазмы для технологических приложений // Изв. вузов . сер. Электроника. 1998. № 4. с. 189-193.

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

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

11. Акишин А.И., Куликаускас B.C., Черник В.Н. Исследование распыления графита и нержавеющей стали в потоках кислородной плазмы // Изв. АН. сер. Физическая. 1994. т. 58. №3. с. 109-115.

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

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

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

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

16. Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас B.C., Затекин В.В. Воздействие кислородной и аргоновой плазмы с энергией ионов 10-100 эВ на нержавеющие стали и графит// Известия РАН, сер. Физич., т. 62.1998. № 4. с.872-876.

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

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

19. Новиков Л. С, Черник В. Н., Бабаевский П. Г., Козлов Н. А., Чалых А. Е., Балашова Е. В., Смирнова Т.Н. Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКОМ при лабораторной имитации длительного полета в ионосфере // Перспективные материалы. 2001. №5. С.20-26.

20. Акишин А. И., Виргильев Ю.С., Черник В.Н. Эрозионные свойства углеродных материалов различной структуры и состава в потоках кислородной плазмы // Известия РАН, сер. Физическая, т. 66.2002, №4, с. 605-608.

21 .Chernik V. N.. Naumov S. F., Sokolova S. P., Gerasimova T. I., Kurilyonok A. O., Poruchikova JU. V., Novikova V. A. Colour polymeric paints research under atomic oxygen in flight and ground-based experiments // Proc.9m Int. Symp Materials in Space Environment. ESTEC, Noordwijk, 2003, p. 483-486.

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

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

ЧЕРНИК ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

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

Специальность 01.04.20 «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника»

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ИД №00545 от 06.12.1999 Издательство УН Ц ДО

117246, Москва, ул. Обручева, 55А Тел./факс (095) 718-6966,718 7767,718-7785 e-mail: izdat@abtturcenter.ru http://abtturcenter. ru/izdat/

Гигиенический сертификат № 77.99.02.953.Д.001643.03.03 от 11.03.2003 Налоговые льготы - Общероссийский классификатор продукции ОК-005-93. том 1-953000

Подписано в печать 22.12.2003 г. Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Заказ №536. Усл. печ. л.1.12

Отпечатано в Мини-типографии УНЦ ДО http://abiturcenter.ru/Dririt в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета

'•.14 76

РНБ Русский фонд

2004-4 25394

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ ГЕНЕРАЦИИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ И НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И ВЫБОР ПРОТОТИПА УСКОРИТЕЛЯ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ

1.1. Специфические требования к ускорителю для испытания. материалов.

1.2. Обзор схем источников пучков заряженных и нейтральных частиц низкой энергии.

1.3. Состояние исследований содержания примесей в пучках.

1.4. Анализ происхождения примесей в источниках и возможности их уменьшения в плазменных пучках.

1.5. Обзор методов обеспечения работоспособности генераторов плазмы в кислородсодержащей среде.

1.6. Определение схемы ускорителя кислородной плазмы.

Выводы.

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ УСКОРИТЕЛЯ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ЗАДАЧ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ.

2.1. Повышение ресурса работы МПДУ в кислородной плазме.

2.1.1. Работоспособность прототипа в кислородной плазме.

2.1.2. Разработка катодного узла с низкой эрозией.

2.2. Метод снижения содержания примесей в плазменном пучке.

2.2.1. Схема плазменного ускорителя с двойным контрагированием разряда.

2.2.2. Исследование влияния двойного контрагирования разряда и дополнительной откачки газа на содержание примесей в потоке плазмы.

2.2.3. Измерение содержания конденсирующихся примесей в потоке кислородной плазмы.

2.3. Интегральные характеристики ускорителя плазмы.

2.4. Модификация схемы ускорителя для повышения энергии ионов.

Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В ИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКАХ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ.

3.1. Конструкция экспериментального стенда.

3.2. Измерение характеристик плазменного пучка.

3.2.1. Диагностика электрическими зондами.

3.2.2. Усовершенствование методики измерения потенциала пространства в потоке кислородной плазмы эмиссионным зондом с нагревом электронной бомбардировкой.

3.2.3. Измерение среднемассовых параметров нейтрального компонента пучка.

3.2.4. Масс-спектрометрия потока.

3.2.5. Характеристики электромагнитного излучения из источника плазмы.

3.3. Определение характеристик материалов.

3.3.1. Методики измерения потери .массы образцов материалов.

3.3.2. Измерение механических характеристик образцов материалов.

Выводы.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ УСКОРИТЕЛЯ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ КАНДИДАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ.

4.1. Анализ условий распылительного эксперимента при воздействии пучка кислородной плазмы.

4.2. Воздействие пучков кислородной плазмы с энергией. ионов 10-100 эв на нержавеющие стали.

4.2.1. Определение коэффициента распыления в припороговой области энергий.

4.2.2. Определение характеристик распыления нержавеющих сталей различных классов.

4.3. Применение ускорителя плазмы для изучения эрозии углеродных материалов.

4.3.1. Исследование энергетической зависимости эрозии графита.

4.3.2. Химическое распыление углеродных материалов различной структуры и состава.•.'.

Выводы.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЧКОВ ПЛАЗМЫ КИСЛОРОДА И ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ НА МАТЕРИАЛЫ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.

5.1. Вопросы проведения ускоренных имитационных испытаний.

5.1.1. Адекватность имитационных условий натурным.

5.1.2. Выбор режимов имитационных экспериментов.

5.2. Изучение деградации механических свойств материалов. наружных поверхностей космических аппаратов при воздействии. пучков кислородной плазмы

5.2.1. Исследование эрозии углепластика без покрытия и с терморегулирующим покрытием.

5.2.2. Деградация механических свойств материалов на основе синтетических волокон.

5.3. Исследование влияния кислородной плазмы на оптические свойства материалов космических аппаратов.

5.3.1. Исследование эффективности защиты полиимидной пленки покрытиями различных типов.

5.3.2. Имитационные испытания стойкости цветных лакокрасочных покрытий.

5.4. Исследование распыления при имитации воздействия ксеноновой плазмы двигателей ориентации.

Выводы.

В настоящее время интенсивные пучки заряженных частиц, получаемые на ускорителях различных типов, широко используются не только в физических исследованиях, но и во многих технических и технологических приложениях, таких как атомная и космическая техника, микроэлектроника, модификация и обработка материалов [1-3]. За длительный период развития сформировались различные классы устройств ускорительной техники от трубок Крукса до гигантских накопительных колец. Плазменные ускорители (ПУ), сравнительно недавно выделившиеся в самостоятельный класс, характеризуются высокой плотностью пучков, достигаемой благодаря квазинейтральности ускоряемой плазмы [4, 5]. Это привлекательно для многих применений, в частности для исследования воздействия на материалы интенсивных высокоскоростных потоков вещества [3, 4, 5].

Особенно критичными для материалов являются высокоскоростные потоки атомарного кислорода (АК) в разных зарядовых состояниях. Агрессивность АК усиливается его относительно высокой кинетической энергией (1-100 эВ), а также часто наличием в потоке других активных частиц: электронов, фотонов. Указанные условия характерны при использовании материалов в таких передовых областях как космическая техника, термоядерный синтез, технология микроэлектроники [6, 7].

Космические аппараты (КА) при движении на низких околоземных орбитах подвергаются воздействию набегающего потока частиц ионосферной плазмы, основным компонентом которого является АК. Энергия частиц 5-20 эВ задается скоростью КА 8-12 км с и массой частиц кислорода 16-32 а. е. м., интенсивность потока 10|3-1016 см"2сек"' определяется диапазоном высот орбиты 200 - 600 км. Состав потока на данных высотах на 85% представлен АК в основном состоянии при степени ионизации 10"3-10"4 [6].

Развитие программы долговременных орбитальных полетов (свыше 10 лет) ставит проблему долговечности материалов наружных поверхностей КА [8, 9]. Сложность, длительность и высокая стоимость натурных экспериментов не позволяет считать их приемлемым средством систематических исследований взаимодействия поверхности с быстрыми частицами. Поэтому необходимо проведение ускоренных лабораторных испытаний при повышенной интенсивности молекулярного пучка по сравнению с натурными условиями. В этих целях используется методы молекулярных пучков (обобщенное название направленных свободномолекулярных потоков атомов, молекул, кластеров) [10-13], а также пучков заряженных частиц [4, 8, 9, 13, 14]. Для их получения используются два подхода: газодинамический и электрофизический.

В газодинамических источниках ускорение атомов производится за счет преобразовании тепловой энергии сжатого газа в энергию поступательного движения сверхзвуковой струи при ее расширении через сопло в вакуум. Для повышения энергии частиц используется подогрев газа: электродуговой, искровой, ВЧ, СВЧ или лазерным излучением [11, 12]. В новейших установках с импульсным лазерным нагревом газа получают пучки атомов кислорода с энергией до 16 эВ при средних значениях плотности потока 1015 - 1016 см"2 с"1, хотя при этом импульсные значения превышают 1019 см"2с*' [12].

Электрофизические методы основаны на ускорении заряженных частиц в электромагнитных полях. Для разгона вещества используются различные типы ускорителей заряженных частиц и, в том числе, плазменные ускорители. Эти устройства позволяют получать интенсивные потоки частиц, ускоренных до десятков- сотен электронвольт [4, 5, 14].

Возможным путем ускорения лабораторных испытаний может быть увеличение энергии частиц пучка в пределах сохранения механизма их взаимодействия с испытываемым материалом. Для проверки допустимости такого подхода необходимы исследования поведения материалов при воздействии потоков в широком диапазоне энергий 5-100 эВ. В связи с этим желательно в имитационных условиях иметь возможность увеличения как

18 2 I интенсивности (до 10 см* с" ) так и энергии частиц пучка (до нескольких десятков электронвольт). Существующие источники атомов и ионов кислорода не дают возможность решить эту задачу и проводить ускоренные испытания материалов в интервале энергий 16-100 эВ, так как предельный достигнутый уровень энергии на установках газодинамического типа с лазерным подогревом не превышает 16 эВ [12], а традиционные электрофизические методы на основе ионных пучков не позволяют формировать интенсивные пучки (выше IO'^cm'V) с энергией менее 100 эВ [11].

Одной из инженерных проблем термоядерной программы является материаловед-ческая проблема первой стенки, под которой понимают все элементы конструкции термоядерного реактора (ТЯР) (экраны, пластины дивертора, лимитеры) находящиеся в контакте с плазмой [15-17]. Воздействие плазмы вызывает эрозию материала стенки и эмиссию примесей в область удержания. Максимальная плотность распыляющего потока приходится на энергию порядка 50 эВ при интегральной плотности 1014 -1016 см"2 с"1 [17]. Эрозия первой стенки в значительной степени обусловлена распылением ионами примесей, поступающими в плазму со стенок. Существенную часть примесей (десятки процентов в ранних токамаках) составляют ионы кислорода [6]. Исследования на токамаке 1SX-B

1980 г.) показали, что распыление стенок многозарядными ионами кислорода на порядок превышает как распыление ионами дейтерия, так и самораспыление [18].

В современной концепции гокамака предполагается защитное покрытие первой стенки бериллием и легирование материала бором, что, как ожидается, приведет к снижению концентрации примеси кислорода в пристеночной плазме ниже уровня 1%, т. е. примерно на порядок [19]. В такой же степени, вероятно, уменьшится доля распыления примесными ионами кислорода, хотя и в этом случае для некоторых материалов она может составить заметный вклад в эрозию стенки. Например, для углеродных материалов при низких энергиях ионов эрозия в кислородной плазме на 1,5-2 порядка выше, чем в водородной [19], и при совместном воздействии распыление ионами Н и О по современным данным протекает аддитивно без синергизма. Представляют интерес величины коэффициентов распыления, угловые и энергетические распределения частиц, распыленных примесными ионами О и С с припороговыми энергиями, причем важна роль эффектов при высоких флюенсах, когда развивается рельеф распыляемой поверхности и устанавливается ее стационарное состояние. При низких энергиях это соответствует масштабу флюен

20 2 сов 10 см" . В связи с концепцией максимального уменьшения температуры пристеночной плазмы в разрабатываемых ТЯР необходимы также данные о величине порогов распыления кандидатных материалов [15]. Интенсивные работы последних лет по реализации режимов удержания плазмы при повышенных давлениях газа (газовый дивертор) нуждаются в экспериментальных данных об эрозии материалов при энергии ионов 5-10 эВ. Предсказываемый теорией и наблюдаемый в ряде экспериментов при этих энергиях эффект существенного снижения коэффициента химического распыления графита в интенсивных пучках ионов, требует проведения исследований при потоках, превышающих 10I7cm"V [19, 20].

Исследования распыления поверхностей, обращенных к плазме, проводятся на самих токамаках. Такие эксперименты сложны и дорогостоящи. Поэтому интерес представляют исследования кандидатных материалов в относительно простых имитационных установках.

В работе [17] моделирование распыления материалов ТЯР проводится в полом катоде тлеющего разряда. Измерены энергетические зависимости коэффициентов распыления ряда металлов, сплавов, графитов и карбидов в диапазоне 50-1000 эВ ионами водорода, гелия и аргона.

В установке «ЛЕНТА» [21] Российского научного центра «Курчатовский институт» и имитаторе пристеночной плазмы ТЯР МИФИ [22] используется пучково-плазменный разряд в инертных газах и водороде. Образцы материалов подвергаются воздействию низкотемпературиой плазмы с энергетическим спектром ионов 50-100 эВ для аргона и 30-300 эВ для водорода и плотностью потока 10|7см"2 с"1. При моделировании на установке «ЛЕНТА» пристеночных процессов в газовом диверторе энергия дейтронов снижена до 5 эВ [20]. На имитаторах PIECES и PSI-1 испытания материалов проводят в водородной плазме при низких энергиях и высоких плотностях потоков (1018-1019см"2 с"1) [19].

Установка с ускорением, масс-сепарацией и последующим торможением ионного пучка позволяет проводить исследования взаимодействия с материалами ионов водорода и инертных газов с энергией более 25 эВ в сверхвысоком вакууме [23].

Схема получения потока легких частиц (Не, Н, D) при отражении ионов твердым телом для имитации воздействия на стенку ТЯР рассмотрена в работе [24].

Накоплен большой объем современных экспериментальных данных по коэффициентам распыления многих материалов ионами инертных газов и протонами при энергиях выше 50 эВ [17, 25]. В последние годы энергетический диапазон исследований воздействия ионов изотопов водорода и гелия на вольфрам, бериллий и углерод расширен в сторону меньших энергий до 5-10 эВ [19, 20, 26].

В противоположность этому информации об исследованиях распыления материалов ТЯР ионами кислорода приведено значительно меньше. В работе [27] измерены энергетические зависимости коэффициентов распыления графита, нержавеющей стали и вольфрама в диапазоне энергий 100-1000 эВ. В последние годы на усовершенствованных установках с ионными пучками проведены исследования химического распыления углеродных материалов ионами кислорода с энергиями выше 50 эВ, представленные в обзоре [19]. В этих исследованиях использовались ускоренные до нескольких килоэлектронвольт ионные пучки с последующим торможением перед мишенью, что обеспечивало малые энергии при интенсивности не более 1015 см"2 с"1 и соответственно малые флюенсы.

Таким образом, в материаловедческой проблеме первой стенки также существует задача создания источника интенсивного пучка ионов кислорода (10|7см"2 с"') для имитационных испытаний кандидатных материалов при энергии ионов в диапазоне 5-100 эВ с

20 23 ^ флюенсами 10 —10 см"".

Воздействие кислородной плазмы на материалы лежит в основе многих технологических операций в электронной и оптической промышленности [7]. Операции очистки поверхности, размерного травления структур, формирования оксидных слоев должны приводить к минимальным радиационным повреждениям кристаллической решетки обрабатываемого материала. Эта особенность технологического процесса выдвигает требование минимальной энергии бомбардирующих частиц в диапазоне от единиц до нескольких десятков электронвольт [2]. Нижняя граница определяется эффективностью удаления загрязнеиий с поверхности, а верхняя граница резким ростом вероятности радиационных повреждений.

Другими требованиями являются: отсутствие примесей в пучке, загрязняющих поверхность, и достаточно высокая плотность потока Ю13- 10|7см"2 с"', определяющая длительность технологической операции и влияние загрязнения газовой среды.

Таким образом, в трех рассмотренных областях науки и техники при решении ма-териаловедческих проблем возникают задачи исследования воздействия на материалы потоков кислородной плазмы со сходными параметрами: энергией атомных частиц в пределах 5-100 эВ, плотностью потока 101 э— 1018 см"2 с"1, флюенсом 1020— 1023 см"2, при отсутствии примесей в пучке и достаточном ресурсе работы установки. В тоже время в известных пучковых установках на кислороде доступными оказались только крайние участки рассматриваемого энергетического диапазона: ниже 10-16 эВ в газодинамических источниках и выше 50-100 эВ в ионно-плазменных системах. Из-за отсутствия источников интенсивных пучков кислорода в интервале энергий 15-100 эВ экспериментальные данные о распылении материалов атомными и молекулярными частицами кислорода при высоких флюенсах (выше 1020— 1021 см'2) весьма ограничены. Задача создания такого источника является актуальной.

Цель диссертационной работы. - Создание ускорителя кислородной плазмы и имитационной установки для проведения испытаний материалов космических аппаратов и первой стенки термоядерных реакторов в потоках кислородной плазмы с флюенсами Ю20-1023 см"2 в диапазоне энергий ионов и атомов кислорода 5-100 эВ.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи исследования.

1. Создание ускорителя низкоэнергетичных пучков кислородной плазмы с низким содержанием примесей и ресурсом работы, достаточным для испытаний материалов в потоках с флюенсами до величин Ю20-1О22 ' см .

2. Создание вакуумного имитационного стенда для испытаний материалов с комплексом средств диагностики пучка и измерения потери массы образцов.

3. Исследование характеристик ускорителя плазмы и генерируемого потока заряженных и нейтральных частиц.

4. Исследование особенностей применения разработанного ускорителя для изучения воздействия потоков кислородной плазмы на материалы с измерением потерь массы и других характеристик распыления.

Для решения поставленных задач в работе использованы экспериментальные физические и расчетные методы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Схема источника плазмы дуоплазматронного типа на основе магнитоплазмодинамиче-ского ускорителя с внешним магнитным полем, модифицированная введением ферромагнитного промежуточного электрода (ПЭ) с противотоком газа в его канале.

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

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

4. Результаты исследования распыления нержавеющих сталей, углеродных материалов, полимеров, лакокрасочных и защитных покрытий в пучках кислородной плазмы в энергетическом диапазоне 5-100 эВ.

Научная новизна

1. Предложена и реализована схема ускорителя плазмы с двойным контрагированием разряда и противотоком газа на основе магнитоплазмодинамического ускорителя и дуоплазматрона, признанная изобретением.

2. Разработан метод уменьшения уровня примесей электродных материалов в пучке газоразрядного генератора плазмы постоянного тока путем использования двойного контрагирования разряда с противотоком газа в месте сжатия положительного столба. Метод дает возможность в источнике с эродирующими электродами формировать пучки с низким содержанием примесей, приближающимся к уровню безэлектродных ВЧ и СВЧ газоразрядных устройств, которые технически сложнее.

3. Впервые исследована работоспособность накаленного термохимического катода из гафния в плазме окислительного газа при давлении 0,1-1 Па. Показано, что в этих условиях эмитирующий слой оксинитридов разрушается катодным распылением.

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

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

6. Впервые измерены коэффициенты ионного распыления нержавеющих сталей различных классов и углеродных материалов различной структуры и степени легирования бором и кремнием в пучках кислородной плазмы в диапазоне энергий ионов 15-100 эВ с флюенсами порядка Ю20см"2 при имитации воздействия примесных ионов на материалы первой стенки термоядерных реакторов.

1. Получены экспериментальные данные по стойкости полимерных материалов к воздействию атомарного кислорода при имитации длительного полета в ионосфере с флюенсом 102|-1022см"2.

Практическая и научная полезность результатов.

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

2. Технические решения, реализованные при создании ускорителя и средств диагностики пучка, могут быть использованы для повышения ресурса работы и снижения загрязнения пучков при разработке других типов источников заряженных частиц и установок на их основе для решения научных и прикладных задач.

3. Результаты испытаний материалов, проведенных по заказам ведущих предприятий -разработчиков космической техники: РКК «Энергия» им. С. П. Королева» и ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, были использованы на этих предприятиях при создании целого ряда космических аппаратов (ЯМАЛ, МОНИТОР, орбитальная космическая станция МИР, Международная космическая станция).

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

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

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

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

3. Результаты исследований распыления и эрозии материалов анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей. Так, имеется соответствие в пределах погрешности измерения с данными, известными на краях исследуемого энергетического диапазона для графита, нержавеющей стали, полимеров. Относительная стойкость к воздействию атомарного кислорода базовых материалов, измеренная в пучках кислородной плазмы в данной работе, соответствует известным данным, полученным в натурных условиях.

Личный вклад автора.

Автору принадлежит выработка основных положений диссертации, касающихся создания ускорителя с двойным контрагированием разряда и противотоком газа, разработки методов диагностики пучка заряженных и нейтральных частиц, а также применения ускорителя для испытаний материалов. Результаты исследований по распылению материалов в пучках кислородной плазмы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы изложены в 40 публикациях, включая 4 авторских свидетельства на изобретения, 1 монографию, 14 статей в научных журналах. Они докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, симпозиумах и конференциях:

Научн. конф МИРЭА (Москва, 1982, 1983), 5 Всес конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Москва, 1982), 8 Всес. конф. по динамике разреженных газов (Москва, 1985), научных конф. МГУ «Ломоносовские чтения» (Москва, 1991, 1992), семинарах НИИЯФ МГУ «Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы КА» (Москва, 1990, 1992, 1996, 2003), семинарах по радиационной стойкости органических материалов в условиях космического пространства (Обнинск, 1989, 1996), 5lh, 6th , 7th , 8th, 9,h Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm. (Cannes 1991, Noordwijk 1994, Toulouse 1997, Arcachon 2000, Noordwijk 2003), Intern. Conf. Problems of Spacecraft Environment Interaction (Novosibirsk 1992), 11, 12, 13, 14, 15, 16 Междунар. конф. по взаимодействию ионов с поверхностью (Москва, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003), 3 Междунар. совещание по радиационной физике материалов (Севастополь 1993), научн. конф. Физика и техника плазмы (Минск, 1994), 24th Intern. Electr. Propulsion Conf. (Moscow, 1995), 19, 27 междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. (Москва, 1995, 2003), научно-техн. конф. Моделирование и исследование сложных систем (Кашира, 1996), 5lh Int. Conf. On Protection of Materials and Structures from the LEO Space Inviron. (Arcachon-France, 2000).

Структура диссертации.

Во введении показана актуальность, цели и задачи исследования.

В первой главе сформулированы требования к ускорителю для материаловедческих применений, с этих позиций проведен анализ современного уровня техники генерации низкоэнергетичных пучков заряженных и нейтральных частиц, на основе которого выбрана схема-прототип и намечены пути повышения ресурса работы ускорителя и снижения содержания примесей в пучке,

Вторая глава посвящена разработке на основе прототипа оригинальной схемы ускорителя дуоплазматронного типа и метода снижения содержания примесей генерируемом пучке кислородной плазмы.

В третьей главе рассматривается техника эксперимента в пучках кислородной плазмы, описывается конструкция экспериментального стенда для испытания материалов, рассмотрены оригинальные методики диагностики пучка и образцов материалов.

Четвертая глава посвящена вопросам применения ускорителя для исследования распыления кандидатных материалов первой стенки ТЯР.

В пятой главе рассматриваются примеры использования генерируемых на стенде плазменных пучков кислорода для ускоренных испытаний полимерных материалов и их защитных покрытий при имитации длительного полета в ионосфере.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В диссертации приняты следующие сокращения.

АК-атомарный кислород, АС-аустенитная сталь, АТ-аримидная ткань, ВАХ-вольтамперная характеристика, ВУФ-вакуумный ультрафиолетовый диапазон, ВЧ-высокочастотный, ВЭУ-вторично-электронный умножитель, ГП-генератор плазмы, ДВОГ-дополнительная вакуумная откачка газа, ИИ-источник ионов, ИК-инфрокрасный диапазон, ИМП-источник молекулярного пучка, ИОС-ионно-оптическая система, КА-космический аппарат, МКС-международная космическая станция, МПДУ-магнитоплазмодинамический ускоритель, ОКС-орбитальная космическая станция, ПК-полый катод, ПУ-плазменный ускоритель, ПЭ-промежуточный электрод, РЗДЭ-разряд с замкнутым дрейфом электронов, PMC-радиочастотный масс-спектрометр, РОР-резер-фордовское обратное рассеяние, СБ-солнечная батарея, СВЧ-сверхвысокочастотный, ТРП-терморегулирующее покрытие, ТЯР-термоядерный реактор, УАС-ускоритель с анодным слоем, УЗДП-ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, УС-ускоряющая система, УФ-ульграфиолетовый дипазон, ФГБ-функциональный грузовой блок, ФМ- феррито-мартенситная сталь, ЭМИ-электромагнитное излучение, ЭФ-эквивалентный флюенс.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Предложена оригинальная схема ускорителя кислородной плазмы на основе МПДУ с двойным контрагированием разряда и противотоком газа, защищенная авторским свидетельством на изобретение. На основе предложенной схемы создана конструкция ускорителя кислородной плазмы, обеспечивающая получение пучков атомных и молекулярных частиц кислорода плотностью потока до 5* 1017см"2*с'', средней энергией 5-50 эВ, с низким уровнем примесей (3,5*10~4%) при длительности непрерывной работы до 100 час.

2. Предложен и исследован метод снижения содержания примесей в плазменном пучке путем двойного контрагирования плазмы с противотоком газа в месте сжатия разряда. Метод позволяет снизить содержание Хе в пучке кислородной плазмы ниже достигнутого в эксперименте порога обнаружения масс-спектрометрией (0,05%), а содержание конденсирующихся примесей (Ре)-до уровня 3,5* 10'4 %.

3. Исследована работоспособность накаленного термохимического катода из гафния в разряде окислительного газа при давлении 0,1-1 Па. Показано, что эмитирующий окси-нитридный слой в этих условиях разрушается катодным распылением и термохимический режим катода из гафния не реализуется.

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

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

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

7. Исследована относительная стойкость перспективных материалов космических аппаратов: полиимидных пленок, синтетических тканей, углепластика, защитных и терморегу-лирующих покрытий при воздействии пучков плазмы, имитирующих набегающий поток атомарного кислорода ионосферы и плазменные струи электроракетных двигателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Габович М.Д. и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей / М.Д. Габович, Н.В. Плешивцев, Н.Н. Семашко.- М.: Энергоатом-издат, 1986. -248 с.

2. Takagi Т. A Perspective ofeV-MeV Ion Beams//NIM.-1989.-Vol. 637/38. P 1-8.

3. Диденко A. H. И др. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов / А. Н. Диденко, А. Е. Лигачев, И. Б. Куракин.-М.: Энергоатомиздат, 1987. -184 с.

4. Плазменные ускорители. Под общей ред. Акад. Л. А. Арцимовича, М.: Машиностроение, 1973.-312 с.

5. Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей.-М.: Атомиздат, 1978.-Т. 1.

6. Войценя В. С. и др. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного излучения на материалы / В. С. Войценя, С. К. Гужова, В. И. Титов.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-224 с.

7. Тупиков В. И., Клиншпонт Э. Р., Милинчук В. К. Проблемы стойкости полимерных материалов в условиях космического пространства // ХВЭ.-1996.-Т. 30. № 1.-С. 49-57.

8. Власов В. И., Жестков Б. Б., Омелик А. И. Собственная атмосфера вблизи орбитального аппарата и моделирование условий на его поверхности. / Динамика разреженного газа. Тр. 6-й Всес. Конф.-Новосибирск: Ин-т Теплофизики СО АН СССР, 1980, ч. 2, с. 159-164.

9. Кудрявцев Н.Н., Мазяр О.А., Сухов A.M. Методы генерации пучков атомарного кислорода // Приборы и техника эксперимента. 1994, т. 163, № 1, с. 31 -48.

10. Krech R.H. and al, АО experiments at PSI, Rep. PSI, 1996.

11. Акишин А. И., Гужова С. К. Взаимодействие ионосферной плазмы с материалами и оборудованием космических аппаратов // ФИЗХОМ 1993. № 3. С. 40-47.

12. Кубарев Ю.В. Способы получения высокоскоростного потока нейтральных частиц // Труды МИРЭА, сер. Физика. 1968. т. 37.с. 69-73.

13. Гусева М. И., Мартыненко Ю. В. Взаимодействие частиц плазмы с поверхностью // ИНТ, сер. Физика плазмы. Т. 11. Пристеночная плазма в токамаке. 1990. с. 150-190.

14. Беграмбеков Л. Б. Эрозия и трансформация поверхности при ионной бомбардировке // ИНТ, сер. Пучки заряженных частиц и твердое тело. Т. 7. М.: ВИНИТИ. 1993. с.4-53.

15. Жиглинский А. Г., Кучинский В. В., Саксаганский Г. Л. Моделирование распыления конструкционных материалов термоядерных реакторов с помощью газоразрядной плазмы //ЖТФ. 1990. Т.60. в. 12. с. 49-56, ЖТФ. 1991. Т.61. в. 7. с. 16-20.

16. Roberto J. В., Zulu R. A., Withrow S. P. Surface erosion in the plasma-edge of ISX-B. // Journal of Nuclear Materials, 1980, Vol. 93/94, p. 139-145.

17. Антонов Н. В., Корниенко С. Н., Литновский А. М., Петров В. Б., Плешаков А. С., Хрипунов Б. И., Шапкин В. В. Углеродные материалы в стационарном потоке дейтериевой плазмы // Известия РАН, сер. Физическая, т. 64. 2000, №4, с. 796-800.

18. Визгалов И. В., Димитров С. К. Пучково-плазменный разряд как имитатор взаимодействия пристеночной плазмы с материалами ТЯР // Приборы и методы диагностики плазмы и поверхности стенок плазменных установок. МИФИ. М.: Энергоатомиздат. 1991 С. 22-28.

19. Бандурко В.В., Курнаев В. А. Имитационная установка для анализа взаимодействия низкоэнергетичных ионов с кандидатными материалами ТЯР // Там же. С. 3-11

20. Курнаев В. А. Возможности использования отражения легких ионов твердым телом для имитации потоков частиц на стенки ТЯР // Конструкционные материалы для реакторов термоядерного синтеза. М.: Наука. 1988. С. 87-90

21. Андерсен X., Бай X. Измерение коэффициента распыления // Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып.1. Физическое распыление одноэлементных твердых тел. Пер. с англ. / Под ред. Бериша Р. М.: Мир,1984.с. 194-280.

22. Garsia-Rosfles С., Roth J. Chemical sputtering of pyrolitic graphite and boron doped graphite USB15 at energies between 10 and 1000 eV HI. Nucl. Mat., Vol. 196/198, 1992, p. 573-576.

23. I-lechtl E., Bohdansky Y., Roth J. The Sputtering Yield of Typycal Impurity Ions for Different Fusion Reactor Materials//J. Nucl. Mat. Vol. 103/104. 1981. p. 333-337.

24. Габович М.Ф. Физика и техника плазменных источников ионов. M.: Наука. 1972.

25. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1989. 216 с.

26. Kaufman Н. R., Cuoma I Л., Harper I. М. Е. Technology and Applications of Broad-Beam ion Sputterings. Part 1. Ion Source technology // Journal of Vacuum Science and Technology, 1982, v. 21, №3, p. 725-736.

27. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Плазменные ускорители. М., Машиностроение, 1983.

28. А.с. № 166974. Источник газоразрядной плазмы. Кубарев Ю.В., Б. И.,, № 24. 1964.

29. А.с. № 196189 Газоразрядный источник неизотермической плазмы с осцилляцией электронов. Кубарев Ю.В. (СССР), Б. И.№ 10. 1967.

30. Kubarev Ju.V. Concerning the methods of the analysis of magnetoplasmadynamic engine parameters. Comparison of theory and experiment. // Proc. of 24th Intern. Electr. Propulsion Conf. Oct. 1995. Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v. 2. p. 629-637.

31. Уолтер, Леунг, Кункель Характеристики компактного СВЧ-источника ионов. Приборы для научных исследований, 1986, N 8, с.65-69. Залеский Ю. Г., Еремка В. Д., Кушнир В. А. И др. Сверхвысокочастотный источник кислородной плазмы // ПТЭ. 1996. № I.e. 99-102.

32. A.c. №; 1210604 МКИ H01J СВЧ ускоритель плазмы. Кубарев Ю. В., Соловьев Е. Г., Ташаев Ю. Н., Черник В.Н. (СССР), 1984, Б. И. №1, 1995.

33. Михайлов М.М., Рылкин Ю.А. Высокоинтенсивный источник медленных ионов для технологических целей // Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Тез. докл. I Всес. конф. 4.1, Томск, 1988, с. 86-88.

34. Гаврилов Н.В., Никулин С.П., Радковский Г.В. Источник интенсивных пучков ионов газов на основе разряда с полым катодом в магнитном поле // ПТЭ. 1996. №1. с.93-98

35. Журавлев Б. И., Никитинский В. А., Захаров А. С. Источник ионов на основе разряда, контрагированного в скрещенных полях // ПТЭ. № 4. 1977. с. 204-206

36. Акишин А. И., Гужова С. К., Титов В. И., Андреев Н. Н. Источники направленных потоков частиц с кинетическими энергиями 10 эВ. М., 1988, Депонированная статья N 1203889, Депонированные научные работы, 1989, № 2.

37. Ogawa S., Okamoto A., Takiguchi К., Yochitake М., Nocaka Т., Fucul S., Tsutomu U. Development of a Low Energy Ion Source With Multicapillary Anode // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 37/38, 1989, p.163-165

38. Беспалов В. А., Егоров, В. Ю, Ким В. и др. УЗДП на активных газах. // Электронная техника, сер. 3. Микроэлектроника, в. 5 (111), 1984, С. 59-65.

39. R.Fucui, К. Takagi, Т. Tsugueda, Н. Tsuboi, R. Kikuchi, Е. Yabe and К. Takayama. Long Life Plasma Filament Type Ion Source // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B37-38, 1989. p. 140-142.

40. Жестков Б. E., Омелик А. И., Помаржанский В. В. О явлении ускорения бестоковой плазмы полем собственного объемного заряда. // Ученые записки ЦАГИ, 1975, т.7, № 4, с.107-111.

41. Басс В. П., Ефимов Ю. П., Петров О. В., Токовой С. В. Экспериментальное исследование взаимодействия гиперзвукового нейтрального потока аргона с обтекаемыми поверхностями //Тез. докл. 8 Всес. конф. по динамике разреженных газов. М.: 1985, с. 149.

42. Характеристики ускорителя с анодным слоем при малых напряжениях. В.П. Грицаен-ко, А.А. Преснухин, И.Н. Сафонов и др. // Тез. докл. 5-й Всес. Конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. М.:Наука, 1982,с.41.

43. Бугрова А. И., Красненков М. А., Кубарев Ю. В. и др. Экспериментальное исследование источника с внешним магнитным полем //ТВТ, 1976, т. 14, вып.4, с.651.

44. Gautherin G., Lejeune C., Prangere F., Septier A. Etude des Spectres D Energie des Par-ticules Charges Emises par Une Decharge du Type Duoplasmatron // Plasma Physics. V. 11. 1968. P. 397-410

45. Hurley R. E. The Production of Focused Ion Beams for Surface and Gase-phase Collision Studios//Vacuum. V. 25. 1975. №4. P. 143-149.

46. Демирханов P.А., Курсанов Ю.В., Скрипаль JT.П. Эмиссия энергичных ионов из разряда с осцилляцией электронов в неоднородном магнитном поле // ЖТФ,-1969.-т.34.-в.4.-с. 666-668.

47. Cross J.B., Spangler L.H., Hoffbauer M.A., Archuleta F.A. High Intensity 5eV

48. CW Laser Sustained O-Atom Exposure Facility for Material Degradation Studies // SAMPE Quarterly. 1987, v. 18, № 2, p. 41 -47.

49. Данилычев П. В. ,Кудрявцев Н. Н. Мазяр О. А. Смирнов Н. В., Сухов A.M. Импульсный источник быстрого молекулярного пучка на основе электромагнитной ударной трубы // ПТЭ, 1993, N4, с. 151-155.

50. Nikiforov А.P., Scurat V.E. Kinetics of polyimide etching by supersonic beams consisting of atomic and molecular oxygen mixtures // Chemical Physics Letters, v. 212, 1993. p. 43-49.

51. Scurat V.E., Nikiforov A.P., Ternovoy A.I. Investigations of Reactions of Thermal and Fast Atomic Oxygen (up to 5 eV) with Polimer Films // Proc. 6th Inter. Symp. on Materials in a Space Environment, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1994, p. 183-187.

52. Morrison D., Tennison R.C., French Y.B. Microwave Oxygen Atom Beams Source // Fourth Europian Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment. France. Toulouse: CERT, 1988, p.435-441.

53. Стогний А.И. Источник высокоэнергегичных ионов кислорода с холодным полым катодом // ПТЭ. 1996. № 6. С. 106-109.

54. Окумура, Мидзутами, Охара, Сибата. Измерение содержания примесей в многоамперном импульсном пучке атомов водорода с большой длительноостью импульса // Приборы для научных исследований, 1981, № 1, с.3-11.

55. Черепин В.Т. Ионный зонд. Киев: Наукова думка. 1981.

56. Латышев JT. А. и др. Разработка и исследование УЗДП на кислороде и его применение в технологии // Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Тез. докл. II Всес. конф. Свердловск, 1991, т. 1, с. 54-56.

57. Жуков М.Ф. и др. Приэлекгродные процессы в дуговых разрядах. Новосибирск: Наука, 1982.

58. Masic R, Sautter J.M., Warnecke R.J. A new way of producing ion beams from metals and gases using the plasma jet from a duoplasmatron //NIM, v.71, 1969, № 3, p.339-342.

59. Гордеев В.Ф. Термоэмиссионные дуговые катоды. М.: Энергоатомиздат, 1988.

60. Deboroux T.L., Nrindade A.R. Hollow catode arcs // Adv. in Elect, and Electr. Phys., 1974, v. 35, p. 88.

61. Кресанов B.C. и др. Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. М.: Энергоатомиздат, 1987.

62. Ачеусова Т.В., и др. Исследование ресурса катодов с термоэмиссионными вставками // Тез докл. 6 Всес. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Фрунзе: Илим, 1974. с. 332-335.

63. Физика и применение плазменных ускорителей. Под ред. А. И. Морозова. Минск: Наука и техника. 1974. -399 с.

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

65. Плешивцев Н. В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968, 344 с.

66. А.С. № 1576893 Источник электропитания для магниторазрядного насоса. Кубарев Ю.В., Черник В.Н. и др. (СССР), Б.И. 1990.№ 25

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

68. Chernik V.N., Titov V.I., Soloviev G.G. A Device for Modelling Oxygen Plasma Flow and Solar Radiation Effect on Sattelite Materials // Int. Conf. Problems of Spacecraft Environment Interaction. Abstracts, Novosibirsk 1992, p.55-56

69. Korovkin V.M., Latjshev L.A., Obukhov V.A., Grigoryan V.G. Reserch of Ion Trusters in the USSR,//Proc. 22th Intern. Elect. Propul. Conf., Vol. 2, 1991. p. 143-151.

70. А.с. № 1797448. МКИ H01J. Газоразрядный источник плазмы дуоплазмо-тронного типа.: / Черник В.Н. (СССР). Заявка N 4902982 // 18.01.91; Заявл. 1 8.01.91; Опубл. 12.09.95. Бюл. N 19. 3 с.

71. Lejenne С., Pramagere F. Etude de la variation des pressions dans une source d'ions du type duoplasmatron en fonction des parametres de la dechange.// Comptes Rendus de l'Academie des sciences, ser. B, t. 264, 1967, S. 1075-1080.

72. Lejenne C. Theoretical and experimental study of the duoplasmatron ion source. Part I, 2: // Nuclear Instruments and Methods, v. 116, 1974, p. 417-443.

73. Watanabe M., Suita T. Pressure Dependent Characteristics of an Ork Ridge Type Duoplasmatron Ion Source 1. Discharge Characteristics // Japanese Journal of Applied Physics. 1967. V. 6, № 6. P. 758-764.

74. Kubarev Ju. V.,Chernik V. N. Source of intensive oxygen plasma flows of low energy for technological applications // Proc. of 24th Intern. Electr. Propulsion Conf. Oct. 1995. Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v. 3. p. 1269-1277.

75. Кубарев Ю. В., Черник В. Н. Разработка и исследование магнитоллазмодинамического генератора кислородной плазмы для технологических приложений // Известия Вузов, сер. Электроника. 1998. № 4. С. 89-93

76. Chernik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange// Proc.7th Int.Symp.Materials in Space Environment. Toulouse, 1997, p. 237-241.

77. Акишин А.И., Черник B.H., Куликаускас B.C., Затекин В.В. Анализ продуктов распыления плазменного источника, используемого для испытаний материалов // Физика и химия обработки материалов. 1996. N. 2. с. 9-13.

78. Войценя В. С., Терешин В. И. Диагностика периферийной плазмы и процессов взаимодействия плазмы с поверхностью в термоядерных установках. М.: ЦНИИАтоминформ, 1984, с. 34-40.

79. Stangeby Р.С. Interpretaition of plasma impurity deposition probes. Analytic approximation // Phys. Fluides, 1987, v. 30, № 10, p. 3262-3267.

80. Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас B.C., Затекин В.В. Применение метода ре-зерфордовского обратного рассеяния ионов для измерения содержания примесей в потоке кислородной плазмы // Поверхность. 1996. N 1. с. 89-92.

81. О. В. Козлов. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат. 1969. 291 с.

82. Б. В. Алексеев, В. А. Котельников. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 240 с.

83. Котельников В. А., Широков М. Ф. Применение зондовой методики для исследования плазменных потоков //Доклады 5 Всесоюзного совещания по МГД. Рига. 1966. Препринт № 11, с. 11-14.

84. Бугрова А. И., Версоцкий В. С., Десятсков А. В. Зондовый метод определения потенциала пространства в плазме с магнитным полем // ПТЭ, 1992, № 3, с. 162-165.

85. Шотт JL. Электрические зонды / Методы исследования плазмы. Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. Пер. с англ. под ред. С. Ю. Лукьянова, М.: Мир. 1971. с. 450-505.

86. Smith J. R., Hershkowitz N., Coakly P. Inflection Point Method of Interpreting Emissive Probe Characteristics // Rev. Sci. Instrum, Vol. 50. № 2, 1979.

87. Kemp R. F., Sellen Jr J. H. Plasma Potential Measurements by Electron Emissive Probes // Rev. Sci. Instrum., Vol.37, No 4, 1966.

88. Diebold D., Herchkowitz N., Baily A.D. Emissive probe current bias method of measuring de vacuum potentiale//Rev. Sci. Instrum.,Vol. 59, No 2, 1988.

89. Ye M. Y., Takamura S. Effect of space-charge limited emission on measurement of plasma potential using emissive probes // Physics of plasmas, vol 7, 2000. № 8,.p.3457-3463.

90. Chernik V.N. Reactive Accelarator Jet Potential Measurement by Emissive Probe with Electron Heating// Proc. of 24th Intern. Electr. Propulsion Conf. Oct.1995. Moscow. Dnepropetrovsk: 1995. v.3. p.1339-1345.

91. Schuss J.J., Parker R.R. Behavior of electron emitting plasma probes in the space - charge - limited regime // J.Appl.Phys., Vol. 45, No 11. 1974.

92. Царев Б. M. Расчет и конструирование электронных ламп. М.: Энергия, 1967. 672 с.

93. Шувалов В. А. О передаче импульса газовых ионов поверхности твердых тел // ПМТФ, № 3, 1984, с. 24-32.

94. Иванов Ю. А., Лебедев Ю. А., Полак Л. С. Методы контактной диагностики в неравновесной плазмохимии. М.: Наука, 1981. 144 с.

95. Марсден. Микровесы средней чувствительности для измерения сил давления молекулярных пучков.// ПНИ, 1968, № 1, с. 41-44.

96. Кубарев Ю. В. Приборы для определения импульсов потоков заряженных и нейтральных частиц. //Труды МИРЭА, сер. Физика, вып. 43. М. 1969, с. 86-91.

97. Панов А., Вишневецкий А., Яковлев Ю. Прецезионный измеритель перемещений // Радио, 1986, №5, с. 27-28.

98. Пржонский A.M. Применение масс-спектрометрии для исследования плазмохимиче-ских процессов // Тепло- и массообмен в плазмохимических процессах. Минск, 1982, Ч. 2, с. 123-146.

99. Pottie R. F., Cocke D. L., Gingerich К. A. Discrimination in electron multipliers for atomic ions // Internation Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, v. 11, № 1, 1973, h. 41-48.

100. Брусиловский Б. А. Кинетическая ионно-электронная эмиссия. М.: Энергоатомиз-дат,1990. 184 с.

101. Ferron J., Alonso Е. V., Baragiola R. A., Oliva-Florio A. Electron emission from molybdenum under ion bombardment//J. of Physics, D: Applied Physics, 1981, v. 14, №9, p. 17071720.

102. A.c. № 1181455. Способ определения параметров высокоскоростного молекулярного пучка Быстрова Е. Н., Геков А. Ф., Кубарев Ю. В., Похунков А. А., Черник В. Н. (СССР), ОИПТЗ, 1995, № 20.

103. Рафаэльсон А. Э. Шерешевский А. М. Масс-спектрометрические приборы.М.: Энер-гоатомиздат. 1968.

104. Кубарев Ю. В., Черник В. Н. К вопросу анализа нестабильных компонентов высокоскоростного молекулярного пучка радиочастотным масс-спектрометром. // Тез. докл.8 Всес. конф. по динамике разреженных газов. М.: 1985, с. 137.

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

106. Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение. М.: Наука. 1976. 431 с.

107. Акишин А. И., Новиков Л. С., Черник В. Н. Применение плазменного ускорителя для исследования распыления материалов // Тез. докл 27 междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М. 2003. С. 80.

108. Акишин А.И., Черник В.Н. Распыление графита и нержавеющей стали плазмой кислорода с энергией ионов 10- 100 эВ // ФХОМ. 1993, № 5, с.21-23

109. Акишин А.И., Куликаускас B.C., Черник В.Н. Исследование распыления графита и нержавеющей стали в потоках кислородной плазмы // Изв. АН. сер. Физическая. 1994. т. 58. № 3. с. 109-1 15.

110. Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас B.C., Затекии В.В. Распыление нержавеющих сталей различных классов в потоках кислородной плазмы // Известия РАН, сер. фи-зическ. т. 60. 1996. № 4. с. 143-145

111. Акишин А.И., Черник В.Н., Куликаускас B.C., Затекин В.В. Воздействие кислородной и аргоновой плазмы с энергией ионов 10-100 эВ на нержавеющие стали и графит// Известия РАН, сер. физическая, т. 62. 1998. N 4. с.

112. Hofer W.О. Angular, Energy and Mass distribution of Sputtered Particles// Sputtering by Particle Bombardment III / Ed.:R.Berish, K.Wittmaach, Springer. Heidelberg, 1991. p. 16-32.

113. Плешивцев H. В., Бажин А. И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга, 1998. 392 с.

114. Гусева М. И., Мартыненко Ю. В. Особенности взаимодействия ионов с боросодер-жащими графитами // Итоги науки и техники. Сер. Пучки заряженных частиц и твердое тело. Т. 5. Распыление. 1991. с. 118-131.

115. Рот И. Химическое распыление // Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып.2. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности. Пер. с англ./ Под ред. Бериша P.M.: Мир, 1986, с.134.

116. Акишин А. И., Виргильев Ю.С., Черник В.Н. Экспериментальные исследования распыления углеродных материалов в потоке кислородной плазмы// Известия РАН, сер. Физическая, т. 64. 2000, №4, с. 747-751.

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

118. Sogabe Т., Matsuda Т., Kuroda К., Hirohata Y., Hino Т., Yamashina Т. Preparation of B<iC-mixed graphite by pressureless sintering and its air oxidation behavior // Carbon. V. 33. 1995. № 12, p. 1783-1788.

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

120. Tagawa М., Matsushita М., Umeno М., Ohmae N. Laboratory Studies Of Atomic Oxygen Reactions On Spin-Coated Polyimide Films // Proc. 6-th Symp. On Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 1994. p. 189-193.

121. Novikov L.S., Solovyev G.G., Chernik V.N. Meteoroids And Charged Particles Flows Influence On Spacecraft Materials // Proc. 6-th Symp. On Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 1994.p.411-412

122. Kootz S., Leger L., Albyn K., Cross J. Vacuum ultraviolet / atomic oxygen synergism in material reactivity // J. Spacecraft and rockets. 1990. V. 27. № 3, p. 346-348.

123. Weihs В., Van Eesbeek M. Secondary VUV erosion effects on polymers in the ATOX atomic oxygen exposure facility // Proc. 6-th Symp. On Materials in Space Environment. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 1994. p.277-284.

124. Protokol for Atomic Oxygen Testing of Materials in Ground-Based Facilities // JPL Publication 95-17.

125. Зимчик Д. Г., Маар К. Р. Последствия реакций атомарного кислорода с материалами, находившимися на борту КЛАМИ «Спейс Шаттл» в полете STS-41G // Аэрокосмическая техника, №5, 1989. с. 111-119.

126. Черник В. H., Наумов С. Ф., Демидов С. А., Соколова С. П., Свечкин В. И. Исследования полиимидных пленок с защитными покрытиями для космических аппаратов // Перспективные материалы. 2000. № 6. С. 32-36.

127. Надирадзе А. Б. Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов. Дисс. д-ра. техн. наук М., МАИ. 2003. 433 с.