Формирование импульсно-периодических пучков ионов металлов субмиллисекундной длительности с высокой плотностью мощности

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Представлены результаты исследований импульсно-периодического формирования пучков ионов алюминия, хрома и титана субмиллисекундной длительности на основе источника с генерацией плазмы непрерывным вакуумным дуговым разрядом. Высокая импульсная плотность мощности в ионном пучке достигается за счет баллистической фокусировки ионов с помощью одноэлектродного сеточного экстрактора в виде части сферы. Для очистки пучка ионов в области его кроссовера от микрокапельной фракции плазмы вакуумной дуги использован метод, основанный на эффекте солнечного затмения. Исследованы особенности и закономерности генерации пучков ионов трех металлов при длительности импульсов 450 мкс, ускоряющем напряжении до 40 кВ, с плотностью мощности в импульсе, превышающей 105 Вт/см2. Установлено, что устойчивое формирование импульсно-периодических пучков ионов металлов высокой интенсивности при субмиллисекундной длительности на основе плазмы вакуумной дуги достигается благодаря ионно-электронной эмиссии, компенсирующей уход плазменных электронов в ускоряющий зазор.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. И. Рябчиков

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: dektyarev@tpu.ru
Russian Federation, 634050, Томск, просп. Ленина, 30

С. В. Дектярев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Author for correspondence.
Email: dektyarev@tpu.ru
Russian Federation, 634050, Томск, просп. Ленина, 30

A. В. Гурулев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: dektyarev@tpu.ru
Russian Federation, 634050, Томск, просп. Ленина, 30

References

  1. Shulov V.A., Paikin A.G., Teryaev D.A., Bytsenko O.A., Engel’ko V.I., Tkachenko K.I. // Inorganic Materials: Applied Research. 2013. V. 4. P. 189. http://doi.org/10.1134/S2075113313030118
  2. Коваль Б.А., Месяц Г.А., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И., Янкелевич Е.Б. Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии. Сборник / Отв. ред. Г.А. Месяц. Новосибирск: Наука, 1983.
  3. Ozur G.E., Proskurovsky D.I. // Plasma Phys. Rep. 2018. V. 44. P. 18. http://doi.org/10.1134/S1063780X18010130
  4. Vorobyov M.S., Teresov A.D., Moskvin P.V., Koval N.N., Doroshkevich S.Y., Shin V.I. // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Tomsk, Russia, 2020. P. 492. http://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241895
  5. Kaikanov M., Kozlovskiy A., Abduvalov A., Dukenbayev K., Zdorovets M.V., Tikhonov A. // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2019. V. 30. P. 15724. http://doi.org/10.1007/s10854-019-01958-x
  6. Kuang X., Li L., Wang L., Li G., Huang K., Xu Y. // Surf. Coatings Technol. 2019. V. 374. P. 72. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.055
  7. Ryabchikov A.I., Dektyarev S.V., Korneva O.S., Lopatin I.V., Sivin D.O., Ivanov Y.F. // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020. P. 702. http://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242058
  8. Rej D.J., Davis H.A., Olson J.C., Remnev G.E., Zakoutaev A.N., Ryzhkov V.A., Strurs V.K., Isakov I.F., Shulov V.A., Nochevnaya N.A., Stinnett R.W., Neau E.L., Yatsui K., Jiang W. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1997. V. 15. P. 1089. http://doi.org/10.1116/1.580435
  9. Shulov V.A., Nochovnaya N.A., Remnev G.E., Pellerin F., Monge-Cadet P. // Surf. Coat. Technol. 1998. V. 99. P. 74. http://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00408-8
  10. Bandura N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Medvedev V., Taran V.S., Tereshin V.I., Skoblo T.S., Pugach S.G. // Intern. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2011. V. 5. P. 2. http://doi.org/10.34343/ijpest.2011.05.01.002
  11. Garkusha I.E., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Derepovski N.T., Müller G., Schumacher G., Poltavtsev N.S., Tereshin V.I. // Vacuum. 2000. V. 58. P. 195. http://doi.org/10.1016/S0042-207X(00)00168-8
  12. Uglov V.V., Cherenda N.N., Anishchik V.M., Stalmashonak A.K., Astashinski V.M., Mishchuk A.A. // Vacuum. 2007. V. 81. P. 1341. http://doi.org/10.1016/j.vacuum.2007.01.041
  13. Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. Surface Modification and Alloying by Laser, Ion, and Electron Beams. Berlin: Springer, 2013.
  14. Wang D., Yang Y., Guo T., Xiong X., Xie Y., Li K., Li B., Ghali M. // Sol. Energy. 2021. V. 213. P. 118. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.041
  15. Huang J. // Optik. 2021. V. 226. 165437. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165437
  16. Li Y., Wu Y., Wang W., Lei M., Li X. // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 405. 126567. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126567
  17. Williams J.S., Poate J.M. Ion Implantation and Beam Processing. Orlando: Academic, 1984.
  18. Wang F., Khan A., Ayaz M., Ahmad I., Nawaz R., Gul N. // J. Math. 2020. V. 2020. 8875976. https://doi.org/10.1155/2020/8875976
  19. Anders A. Handbook of Plasma Immersion Implantation and Deposition. New York: John Wiley & Sons, 2000.
  20. Komarov F.F., Yuvchenko V.N. // Tech. Phys. 2003. V. 48. P. 717. https://doi.org/10.1134/1.1583824
  21. Белый А.В., Кукареко В.А., Лободаева О.В. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. Минск: Беларус. навука, 1998.
  22. Kozlov E.V., Ryabchikov A.I., Sharkeev Yu.P., Stepanov I.B., Fortuna S.V., Sivin D.O., Kurzina I.A., Prokopova T.S., Mel’nik I.A. // Surf. Coat. Technol. 2002. V. 158. P. 343. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00275-X
  23. Moncoffre N., Jagielski J. // Surf. Coat. Technol. 1994. V. 65. P. 30. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(94)80005-7
  24. Shipilova O.I., Gorbunov V.L. Paperny S.P., Chernykh A.A., Dresvyansky V.P., Martynovich E.F., Rakevich A.L. // Surf. Coat. Technol. 2020. V. 393. 125742. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125742
  25. Zatsepin D.A., Boukhvalov D.W., Zatsepin A.F., Mikhaylov A.N., Gerasimenko N.N., Zaporochan O.A. // J. Mater. Sci. 2021. V. 56. P. 2103. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05319-6
  26. Hutchings R. // Mater. Sci. Eng. A. 1994. V. 184. P. 87. https://doi.org/10.1016/0921-5093(94)91023-5
  27. Zhang L.C., Chen L.Y., Wang L. // Adv. Eng. Mater. 2020. V. 5. 1901258. https://doi.org/10.1002/adem.201901258
  28. Pelletier J., Anders A. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005. V. 33. P. 1944. https://doi.org/10.1109/TPS.2005.860079
  29. Wei R. // Surf. Coat. Technol. 1996. V. 83. P. 218. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02828-5
  30. Wilbur P.J., Davis J.A., Wei R., Vajo J.J., Williamson D.L. // Surf. Coat. Technol. 1996. V. 83. P. 250. https://doi.org/10.1016/0257-8972(95)02830-7
  31. Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Ananin P.S., Ivanova A.I., Lopatin I.V., Korneva O.S., Shevelev A.E. // Surf. Coat. Technol. 2018. V. 355. P. 129. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.110
  32. Ryabchikov A.I., Kashkarov E.B., Shevelev A.E., Obrosov A., Sivin D.O. // Surf. Coat. Technol. 2019. V. 372. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.020
  33. Ryabchikov A.I. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2021. V. 49. P. 2529. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3073942
  34. Ryabchikov A.I., Ryabchikov I.A., Stepanov I.B., Dektyarev S.V. // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. 03B516. https://doi.org/10.1063/1.2171674
  35. Ryabchikov A.I., Ananin P.S., Dektyarev S.V., Sivin D.O., Shevelev A.E. // Vacuum. 2017. V. 143. P. 447. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.03.011
  36. Koval T.V., Ryabchikov A.I., An T.M.K., Shevelev A.R., Sivin D.O., Ivanova A.I., Paltsev D.M. // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1115. 032007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032007
  37. Ryabchikov A.I., Tarakanov V.P., Korneva O.S., Sivin D.O., Gurulev A.V. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2022. V. 533. P. 29. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2022.10.015
  38. Brown I.G., Godechot X. // IEEE Transactions on Plasma Science. 1991. V. 19. P. 713. https://doi.org/10.1109/27.108403

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup: 1 – vacuum arc plasma generator, 2 – electrode for cutting off the micro-part, 3 – pulse pyrometer, 4 – grid focusing electrode, 5 – vacuum chamber, 6 – thermocouple, 7 – collector, 8 – pulse-periodic generator of high-voltage pulses of positive polarity.

Download (122KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Photograph of a detector with 19 collectors.

Download (114KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the amplitude of the measured current on a stainless steel collector on the average energy of titanium ions at arc discharge currents of 130 and 170 A.

Download (85KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the ion-electron emission coefficient on the ion energy at arc discharge currents of 130 and 170 A.

Download (95KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Superposition of density distribution profiles recorded by current collectors across the beam cross-section, measured at different distances relative to the geometric focus of the ballistic focusing system at an arc discharge current of 130 A and an accelerating voltage of 20 kV.

Download (142KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Current density distribution profiles across the beam cross-section at arc discharge currents of 130 and 170 A at a distance of F+20 mm, the accelerating voltage is 20 kV.

Download (128KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Profiles of the ion current density distribution over the beam cross-section at an arc discharge current of 130 A at a distance of F+20 mm and different amplitudes of the accelerating voltage.

Download (119KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Total current on a solid collector depending on the average energy of chromium ions at vacuum arc discharge currents of 130 and 170 A.

Download (82KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of the ion-electron emission coefficient on the ion energy for a beam of chromium ions at vacuum arc discharge currents of 130 and 170 A.

Download (92KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Dependence of the collector current on the average ion energy during ballistic focusing of a beam of chromium ions formed from vacuum arc plasma at a discharge current of 130 and 170 A.

Download (77KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Dependence of the collector current amplitude on the average energy of aluminum ions at arc discharge currents of 130 and 170 A.

Download (91KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Dependence of the ion-electron emission coefficient on the ion energy for an aluminum ion beam at vacuum arc discharge currents of 130 and 170 A.

Download (82KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences