Диссертация (Воздействие высокотемпературной импульсной плазмы на физико-механические свойства композиционных структур), страница 12

Длительность четверти периода электрического разряда (времядо максимального сжатия плазменного образования) составляет 2,5 мкс(зависит от газа: чем легче газ, тем процесс быстрее). При любом рабочем газеимеет место поток вещества с анода на поздних стадиях разряда (1 ÷ 4 мкспосле особенности) [95].Длительность фазы пинчевания (фазы сжатия) составляет порядка 10 нс.Запасенная энергия в конденсаторах (максимальная энергоемкостьконденсаторной батареи): 3,6 ÷ 4 кДж.Максимальный ток (сила тока, протекающего через пинч): 250 кА.Выход нейтронов до ~108 за импульс дейтериевой плазмы.Время между импульсами для частичного охлаждения мишени не менее5 ÷ 6 мин.Плотностьпотокаэнергии,вносимаявповерхностьмишени:108 ÷ 1010 Вт/см2 (зависит от расстояния от анода до мишени).СкоростьтоковойоболочкивнаправленииосиZсоставляетυ = (2 ÷ 3)·106 см/с и практически не зависит от рабочего газа [95].Скорость плазменной струи (кумулятивной струи или плазменногопотока): (1 ÷ 4)·107 см/с (в случае аргона струя генерируется менее эффективно[95]).

В работе [52] отмечается, что аксиальная скорость плазменной струикилоджоульного плазменного фокуса слабо зависит от атомной массы газа вдиапазоне от 14 а.е.м. (азот) до 131 а.е.м. (ксенон), оставаясь на уровне порядка107 см/с. При этом кинетическая энергия ионов струи плазмы в этом диапазонерастет от 0,7 кэВ до 4 кэВ.Плазменная струя образуется не в процессе схождения токовой оболочкик оси, а после ее сжатия и образования пинча. Таким образом, угол наклонаоболочки к оси и ее скорость не влияют непосредственно на скорость струи,как, например, в кумулятивных струях (т. е. в ПФ их нет), где эти величинысвязаны простым соотношением [95]: Vструи = Vоболочки / tg(α).Температура плазмы: T ~ 100 ÷ 500 эВ. Плотность плазмы до ~1018 см-3.

Вслучае, когда рабочим газом является неон, плотность плазмы перед токовой76оболочкой и в центральной области струи составляет ne = 9·1017 см-3; плотностьна границе: ne = 7·1017 см-3 [95].В плазме есть пучки заряженных частиц, имеющие энергию от 10 кэВ до1 МэВ (переносят ток). А есть плазменные сгустки (квазинейтральны, непереносят ток), которые в основном и оказывают наибольшее влияние наоблучаемый образец.Скорость ионов меди, распыляемых с анода ~ 103 ÷ 104 м/с, чтосоответствует их кинетической энергии от 0,33 до 33 эВ.2.3. Методика облучения образцов на установке «Плазменный фокус»(прямое воздействие плазмы на материалы)Первые эксперименты проводились при прямом воздействии плазмы наматериалы (см.

Рис. 2.9 в п. 2.2). На эксцентрическом держателе можнорасположить несколько, обычно 3 ÷ 4 образца материалов для облучения(четвертое место оставляют для тренировочных выстрелов – для введенияустановки в рабочий режим, т. е. до получения стабильной особенности наосциллограмме производной тока).При прямом воздействии плазмы в установках типа ПФ наблюдаетсясильное температурное воздействие на центральную область облучаемогоматериала, приводящее к его плавлению и испарению. Как будет показанодалеев п.

3.3, такое воздействие на стеклянную подложку приводит к ееразрушению[96].ПомимовысокотемпературноговоздействиявПФприсутствует ударная волна, возникающая на поверхности мишени прираспространении плазменного сгустка в рабочем газе со сверхзвуковойскоростью. Такие волны оказывают существенное воздействие на облучаемыематериалы: на поверхности металлических материалов возникает волнистыйрельеф. [4, 6, 97, 98].772.4. Методика напыления металлических пленок при диафрагмированииплазменной струиВ работе [99] было показано, что получение однородных тонких пленокW путем распыления W анода в плазменной струе на установке ПФ непредставляется возможным.

Поэтому был предложен способ получения пленокпутем частичного диафрагмирования плазменной струи и распыленияметаллической мишени наиболее интенсивной частью плазменного потока(Рис. 2.10). В данном устройстве пары металла с мишени захватываютсятурбулентным потоком плазмы и осаждаются на стеклянных подложках,установленных в пространстве между мишенью и диафрагмой (Рис. 2.10,позиции а, б, в) (см. также [100, 101]).Рис. 2.10.

Схема нанесения титановых пленок на стеклянные подложки придиафрагмировании плазменной струиДиафрагма защищает подложки от воздействия отсеченной частиплазменной струи и частично препятствует осаждению неконтролируемыхпримесей, переносимых внешней частью плазменной струи. Диафрагмадиаметром 120 мм была изготовлена из дюралюминия толщиной 3 мм с78внутренним отверстием 28 мм. Мишень из титана имела размеры 14040 мм ибыла закреплена на стальной пластине 2125125 мм.

Фотостекла толщиной1,5 мм располагались на различных расстояниях от центральной зонывоздействия плазмы перпендикулярно или параллельно плоскости титановоймишени.2.5. Методика напыления пленок металла скользящим пучком плазмычерез щелевую диафрагмуДанная методика является попыткой усовершенствования методикидиафрагмирования плазменной струи (см. п. 2.3).Рис. 2.11.

Приспособление, изготовленное из титановых пластин толщиной1 мм и 2 мм для напыления пленок при скользящем падении плазмы на мишень.1, 2, 3, 4, 5 – положение стеклянных подложек. Ширина щели А – 10 мм;ширина щели Б – 1,5 ммИз анализа результатов эксперимента, проведенного по методикедиафрагмирования плазменной струи (см. п. 3.4) следует, что для полученияболее плотных пленок на стеклах необходимо достаточно большое число79импульсов ( 40). Другой путь – это увеличение плотности паров металла вплазменной струе при скользящем падении ее на наклонную мишень.

Этотподход был использован в приспособлении (Рис. 2.11) с диафрагмированиемпучка плазмы. Как и в предыдущем случае, наиболее интенсивная часть потокаплазмы выделялась щелевой диафрагмой и направлялась на мишень –титановую пластину, установленную под углом 45° к плоскости основаниямишени.На Рис. 2.12 изображено это приспособление из титановых пластин,закрепленное на верхней крышке камеры плазменного фокуса, а также хорошовиднакартина,созданнаяплазмойпосленесколькихэкспериментов(> 100 выстрелов), что в очередной раз подтверждает неоднородностьинтенсивности воздействия плазмы в радиальном направлении,– именнопоэтому в основном используется центральная часть пучка, где воздействиенаиболее интенсивно и однородно.Рис.

2.12. Приспособление из Ti, закрепленное на крышке камеры ПФ.Фотография сделана после более 100 выстреловС одной стороны плазма проходит через щель, с другой – «скатывается сгоры», распыляя титан, который осаждается на стеклах.Положение образцов фотостекол относительно потока плазмы показанона Рис. 2.11: 1, 3 – напыление пленки плазменным пучком, скользящим вдольповерхности стекла; 2 – напыление пленки при перпендикулярном падениипотока плазмы.802.6. Методика напыления пленок через полые трубки«Схема напыления пленок Cu-W на установке ПФ-4 показана наРис.2.13.Верхняячастьразряднойкамерыявляетсяобластьюплазмохимического реактора [102].

Эта область отделена дюралюминиевымизащитными экранами от остальной части камеры для исключения попаданиясторонних примесей на стеклянную подложку. Объем плазмохимическогореактора,~160см3,ограниченконструкциейразряднойкамеры.Вэкспериментах камера заполнялась аргоном до давления 1,1 Торр (приT = 300 К). Конструкционными материалами электродного узла являлись:бескислородная медь, вольфрам, сталь типа 12Х18Н10Т, керамика ВК-94-1 икапролон (полиамид-6)» [103].Рис.

2.13. Схема напыления пленок Cu-W на установке ПФ-4: 1 – стекляннаяподложка; 2 – держатель подложки; 3 – медная трубка; 4 – защитные экраны издюралюминия; 5 – медный анод; 6 – вольфрамовая вставка; 7 – корпус анода изстали 12Х18Н10Т; 8 – медный катод; 9 – вакуумная камера; 10 – кольцевыемагниты; h – расстояние от верхнего торца анода до кольцевого магнита;t – толщина кольцевого магнита; l – длина медной трубки; x – расстояние отверхнего конца медной трубки до стеклянной подложки [103]81«Ранее [96, 98, 104] было показано, что при прямом воздействии такойплазменной струи на стеклянные подложки имеет место сильная деструкция ихповерхности, и даже полное их разрушение.