Диссертация (Воздействие высокотемпературной импульсной плазмы на физико-механические свойства композиционных структур), страница 11

Медь при облучении проникала в вольфрам независимоот полярности напряжения на электродах ПФ. Как считают авторы [79],объяснить этот эффект только температурным фактором невозможно.Вероятно, «имеет место ударное, или динамическое имплантационноелегирование поверхностных слоев вольфрама атомами меди. Энергетическимфактором этого процесса также могут быть разлетающиеся пары меди из-задостижения в момент импульса на поверхности меди температуры ~2500 °С(расчет проведен к.ф.-м.н. Масляевым С. А.).

Температура кипения меди2573 °С. При наличии пучка ускоренных дейтронов в ПФ (на аноде ПФ – плюс)передача энергии атомам меди может также происходить за счет упругихстолкновений с дейтронами [84]» [79].В работе [85] показано, что возможно получение сплавов элементов, невзаимодействующих друг с другом в твердом состоянии (например, Cu-Nb).Этот эффект реализуется за счет возникновения в мишени в момент ударасверхвысокого давления (> 1011 Па) и температуры, достигающей температурыкипения материала.Работа [86] посвящена дальнейшему развитию данного метода [85] и егоиспользованиюдлясозданиясплавовизэлементов,химическиневзаимодействующих друг с другом ни в жидком, ни в твердом состоянии, инанесению высокоадгезионных покрытий из этих элементов.

В качествеисследуемых материалов были выбраны вольфрам и медь (в равновесныхусловиях они не имеют взаимной растворимости и не образуют каких-либохимических соединений [87]). При прохождении аргоновой плазмы черезмедное сопло происходило ее сжатие и внедрение в нее (плазму) за счет66распыления и сублимации меди.

Далее плазма, имеющая, согласно расчетам [4]скорость порядка (4 ÷ 10)·105 м/с, температуру более 106 °С и плотность потокаэнергии в плазменной струе 108 ÷ 1010 Вт/см2, воздействовала на образец. Порезультатам рентгеноструктурных исследований (уменьшение межплоскостныхрасстояний, по сравнению с эталонами, некоторое искажение профилярентгеновских линий вольфрама со стороны больших углов), как считаютавторы[86], можно сделать заключение о существовании в небольшихколичествах твердого раствора W-Cu со структурой на основе W.При получении соединений W-Cu, несомненно, большое значение имеетструктура вольфрама, используемого в данном конкретном случае.

Так, вработе[88]показано,чтоприспеканиипорошковоговольфрамавибропрессованием можно регулировать долю пор в объеме вольфрама взависимости от температуры и длительности процедуры спекания. Что касаетсяэкспериментовповысокотемпературнойполучениюимпульснойсоединенийплазмы,тоW-Cuприсвыборепомощьюисходныхматериалов для облучения и дальнейшего их исследования, на структуру испособы их производства следует обращать внимание.1.5.Выводы по главе 1Таким образом, на момент написания диссертационной работы былиполучены некоторые несистематизированные данные об изменениях структурыи свойств материалов при воздействии высокотемпературной плазмы; вчастности, недостаточно изучен проявляющийся в данных условиях эффектдальнодействия – сверхглубокого, по сравнению с расчетным, проникновения вмишень имплантированных атомов.

Попытки получения каких-либо покрытийс помощью установок типа плазменный фокус приводили к сильнойдеструкции и разрушению подложек и невозможности получения качественныхпокрытий. Получение соединений несмешиваемых материалов требовало болеедетального изучения, так как были сделаны весьма немногочисленные работы67по созданию такого рода соединений на установках типа плазменный фокус.

Попроблеме накопления и перераспределения H и D в конструкционныхматериалах при облучении на установках типа плазменный фокус былипроведены отдельные эксперименты, однако наличие этих работ явнонедостаточно для получения ясного представления о физике протекающихпроцессов,необходимопроведениедополнительныхэкспериментовиисследований. Исходя из вышеизложенного, настоящая диссертационнаяработа посвящена экспериментальному выявлению закономерностей измененияфизико-механических свойств и структуры конструкционных материалов врезультатевоздействиявысокотемпературныхимпульсныхплазменныхпотоков, разработке технологических решений создания композиционныхструктуризнесмешивающихсявысокоадгезионныхматериаловкомпозиционныхиполучениюметаллическихдиэлектрических подложках с однородной структурой.прочныхпокрытийна68Глава 2.

Методика эксперимента2.1. Устройство установки «Плазменный фокус»Рабочая камера установки «Плазменный фокус» представлена на Рис. 2.1.К камере подключена система откачки, вакуумметр, баллоны с рабочимигазами (неон, аргон, дейтерий, азот). Откачка камеры осуществляетсяспиральнымнасосомфирмыVarian«SH-100»,которыйобеспечиваетбезмасляную откачку до давления ~20 мТорр. Давление контролируетсяэлектронным манометром фирмы Granville-Philips «275 Mini-Convectron»,диапазон измеряемых давлений: от 1 мТорр до сотен Торр. Источником токаустановки является низкоиндуктивная конденсаторная батарея (4 конденсатора,каждый емкостью ~12 мкФ и индуктивностью ~40 нГн), расположенная подкамерой.абвгРис.

2.1. Рабочая камера установки «Плазменный фокус» ПФ-4 (а), вакуумнаясистема (б), баллоны с газами (в) и спиральный вакуумный насос (г)69На Рис. 2.2 представлен общий вид установки ПФ-4 со всеми системамидиагностики, включающими в себя: лазерную интерферометрию (источниклазерного излучения не показан) [89], системы регистрации рентгеновского инейтронного излучения.ДозиметрДРГ3-04ПФ-4ЭлектронныйманометрФотоаппаратНейтронныйдетекторКонденсаторыРис. 2.2.

Общий вид установки ПФ-4 со всеми диагностическими системамиРис. 2.3. Схема ПФ-4 с конденсаторами и разрядникомБлок-схема ПФ-4 с конденсаторами изображена на Рис. 2.3. Магнитныйзонд представляет из себя катушку диаметром  2,1 мм с 15 витками провода,заключенную в кварцевую трубку диаметром 5 мм с запаянным концом [90,91]. Магнитные зонды такого типа используются для диагностики плазмы70внутри камеры ПФ, тогда как для магнитного зонда, изображенного на Рис. 2.3и располагающегося вне камеры ПФ, не требуется кварцевой трубки.

Сигналпроизводной тока поступает с магнитного зонда на осциллограф «TektronixDPO 4054» (см Рис. 2.4), полоса пропускания которого 500 МГц.Во время разряда в ПФ, изменение магнитного потока, проходящегочерез контур витков магнитного зонда, порождает в них ЭДС индукции,которая снимается с сопротивления R и регистрируется на осциллографе.Разряд в ПФ представляет из себя затухающие со временем колебанияLC-контура, представленного на Рис. 2.5.

Зная емкость конденсаторной батареии определив по осциллограмме период колебаний, по формуле (2.1) можнорассчитать индуктивность L. Зная индуктивность, по формуле (2.2) можнорассчитать максимальный ток, проходящий во время разряда в ПФ.Рис. 2.4. Электронная схема регистрации производной токаРис. 2.5. LC-контур ПФ разряда: L –индуктивность разряда и подводящихэлементов, C – емкость конденсаторной батареи = ∙ ∙ √= ∙√ ,(2.1)(2.2)где T – период колебаний LC-контура, L – индуктивность разряда иподводящих элементов, C – емкость конденсаторной батареи, I – максимальныйток, проходящий во время разряда в ПФ, U – напряжение, до которогозаряжается конденсаторная батарея.71Таким образом определяется полный ток, подающийся с конденсаторов.На Рис.

2.6 изображена типичная осциллограмма, получаемая при разряде вПФ. Резкий скачок напряжения по центру осциллограммы называетсяособенностью. В этот момент (между -10 и +20 нс на Рис. 2.7) сжимающийсяплазменный пинч разрывается и возникает подскок напряжения в месте обрыва,что приводит к интенсивной бомбардировке и распылению анода электронамив одном направлении, возникновению и движению ионных пучков иплазменных струй в другом направлении – к верхней крышке камеры ПФ(см. Рис.

2.7). Есть две точки зрения: первая говорит о том, что струяобразуется в момент схлопывания ТПО [92-94], по другой точке зрения струиобразуются в момент разрыва пинча [52].Рис. 2.6. Осциллограмма разряда в ПФ [52]Рис. 2.7. Динамика разряда в аргоне при давлении 1,1 Торр. Времяотсчитывается от момента особенности [52]72По величине особенности на осциллограмме косвенно можно судить обинтенсивности воздействия плазмы на исследуемый материал. В этой работебудем называть среднюю величину особенности за несколько плазменныхимпульсов средней энергией Еср [отн. ед.].2.2. Принцип работы плазменного фокуса и его характеристикиНа Рис.

2.8 изображена схема анодного узла ПФ-4 в начальный моментподачи напряжения, показывающая относительное расположение анода икатода, линий электрического поля между ними. Также схема позволяет понять,где находятся места вакуумного уплотнения в анодном узле установки, чтоважно для понимания возможных источников нежелательных примесей приразряде.Рис. 2.8. Схема анодного узла ПФ-4 в начальный момент подачи напряжения.73Коаксиальный анод помещен в разрядную камеру (Мейзеровского типа).Камера 1 (см. Рис. 2.9) откачивается до давления 0,02 ÷ 0,05 Торр. Напускаетсярабочий газ до давления 1,1 Торр – для аргона и других газов, кроме дейтерия,для дейтерия: 1,5 Торр. Конденсаторная батарея 2 заряжается до ~15 кВ.Подается напряжение с конденсаторов: запускается высоковольтный разрядник3, обладающий низкой индуктивностью, позволяющей создать быстрый разряд,порядка нескольких микросекунд.10984576312Рис.

2.9. Установка «Плазменный фокус» (ПФ-4): 1 – камера ПФ,2 – конденсаторная батарея, 3 – разрядник, 4 – анод, 5 – катод,6 – керамический изолятор, 7 – токово-плазменная оболочка (ТПО),8 – держатель образцов, 9 – вакуумный шток, 10 – сборки образцовЭлектрический пробой возникает между коаксиальными анодом 4 икатодом 5 вдоль керамического изолятора 6 (керамика ВК-94-1 на основе Al2O3,ее химический состав: Al2O3 – 94,39 %, SiO2 – 2,77 %, MnO – 2,35 %, Cr2O3 –0,49 %). Возникающая дуга (пробой) имеет кольцевую форму и называетсятоково-плазменной оболочкой (ТПО) 7.

Между током внутри изолятора иснаруживозникаетмагнитноедавление,котороеотталкиваеттоково-74плазменную оболочку от оси камеры и ТПО движется по стенкам анода икатода вверх, где изгибается в виде воронки (конуса) и схлопывается,образовывая пинч и выдавливая вверх плазму, образующую плазменную струю.В грубом приближении, сжимание происходит до тех пор, пока давлениеP  n  k T(2.3)H2 T2 1,8  R2 8 (2.4)не будет равнот. е. чем выше ток, тем сильнее магнитное давление и сильнее сжимаетсяплазма.Плазма движется вверх от анода установки, где на ее пути в зависимостиот требований эксперимента устанавливаются различные мишенные узлы иконструкции 10 (см. Рис. 2.9).Стоит отметить, что основание анода и вся его нижняя часть (сердечник)сделаны из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т, в который сверхувкручивается наконечник (в большинстве случаев из меди, либо меди свольфрамовой вставкой).Более детально физические процессы, происходящие во время разрядаплазменного фокуса описаны в [3].Характеристики ПФ-4:ПФ-4 – фокус Мейзеровского типа.Возможностьвыборагаза-наполнителя(плазмообразующийгаз):водород, дейтерий, азот, неон, аргон, ксенон.Выбор материала анода: медь, вольфрам, титан, нержавеющая сталь.Камера откачивается до давления: 0,02 ÷ 0,05 Торр; в нее напускаетсярабочий газ до 1,1 Торр – для аргона и других газов, кроме дейтерия, длядейтерия: 1,5 Торр.Высоковольтныйразрядник, обладающий низкойиндуктивностью:20 ÷ 30 нГн, а также вся токоподводящая цепь, имеющая малую индуктивность,позволяют создать быстрый разряд длительностью порядка нескольких75микросекунд.