Низьковакуумні газорозрядні електронні гармати і їх використання в електронно-променевих технологіях

Сьомий розділ присвячений перспективним напрямкам використання НГЕГ для рішення нових технологічних задач матеріалознавства.

У роботі вирішена задача модифікації поверхні жароміцного покриття із двоокису цирконію ZrО2, отриманого плазмовим напилюванням для зниження його пористості і шорсткості, а також зменшення напруг у покритті й збільшення адгезії до підложки [22, 24, 38]. У роботі для рішення цього завдання використовувалася НГЕГ типу ЕГГ-16. Скануючий по поверхні покриття ЕП дозволяв створювати на поверхні матеріалу високі питомі потужності в діапазоні 106…1015 Вт/м2 і оплавляти покриття. Діапазон робочих тисків - 1…133Па.

Поглинена енергія залежала від енергії W і атомного номера Z речовини мішені. Профіль поглиненої енергії в першому наближенні збігався з розподілом Гауса: Exp-[(Y -YP)2 / (22)], де для інтервалу 6 Z 50 YP=(0,143 Z + 0,622) R0 ; =(-0,0538ln + 0,374)R0. Значення R0 визначалося з вираження R0=А Wа, де А=4,0762; a=1,777 2,165.10- 3. Максимум енергії, введеної ЕП, розташовувався на глибині YP від поверхні оброблюваного матеріалу й зростав з ростом енергії. Зростала також і ширина розподілу . Таким чином, плавлення починалося на глибині YP, що збігається з максимумом розподілу втрат енергії. Товщина розплавленого шару становила, як мінімум, кілька мікрон.

Початкова структура поверхні плазмового покриття з оксиду на підложці зі сплаву ХН78Т. Покриття характеризується нерегулярною сильно пористою поверхнею. Після збільшення, можливо, розрізнити численні каверни, а також сферичні або близькі до них за формою утворення. Після обробки ЕП поверхня покриття оплавляється і її структура з оксиду значно поліпшується: пористість зникає, шорсткість зменшується, спостерігається її глазурування. Дослідження зразків після оплавлення показали наступне. Термостійкість покриття зросла в 1,6...1,8 раз. Адгезія покриття до підложки зросла в 1,2...1,4 рази. Це пов'язане з тим, що ЕП оплавляє одночасно як покриття, так і підложку, що приводить до росту дифузії й відповідно до зростання адгезії.

Для електронно-променевого оплавлення характерні високі швидкості нагрівання й охолодження. Так ЕП діаметром d=0,005 м, що має питому потужність ЕП і рухається зі швидкістю v=0,2 м/с нагріває поверхню виробу до температури Т=16000С площею за час t=(d/v)= 0,025 с, тоді швидкість нагрівання складе 0С/с. Для глибини оплавлення сталі - д =0,001 м маса металу, що миттєво нагрівається, дорівнює , що звичайно становить незначну частину маси оброблюваного виробу. Це дозволяє за рахунок теплопровідності, як показують розрахунки, забезпечувати високі швидкості охолодження - 104…106 0С/с.

Високі швидкості нагрівання й охолодження дозволили ефективно здійснювати автогартування поверхні з використанням НГЕГ [10, 59]. Створена й експериментально підтверджена методика оцінки параметрів ЕП для автогартування й оплавлення поверхні з використанням НГЕГ. Ширина зони оплавлення L і температура Т при обробці сталевої поверхні (Т=1600 0С, Ри=5• 109 Вт/м2) у діапазоні швидкостей сканування v=0,01...0,1м/с, з ростом швидкості відповідно зменшувалася - L= 2у=0, 017…0,0028 м при д=у.

При оплавленні ЕП і автогартуванні з рідкого стану вуглецевих сталей у поверхневій структурі виділяються два шари [10, 59]. У зовнішньому шарі з мікротвердістю 2,8…3,2 ГПа, яка значно перевищує твердість початкової структури сплаву, рівної 0,8-1 ГПа спостерігається спрямована кристалізація й ріст стовпчастих кристалів, що складаються з дендритів, зростаючих перпендикулярно до границі шарів. Збільшення твердості зв'язано із утворенням досить маловуглецевого мартенситу з одного боку, а з іншого боку - фазовим наклепом аустеніту, викликаного об'ємним ефектом мартенситного перетворення. Загартування з рідкого стану стали 40Х10С2М ЕП потужністю в 2 кВт дозволила одержати значення твердості 6,4 ГПа у порівнянні з 5,2 ГПа, отриманою загартуванням струмами високої частоти. Необхідна потужність НГЕГ для техпроцесу оплавлення й загартування повинна становити декілька кіловатів, а питома поверхнева щільність - .Швидкості відхилення ЕП лежить у межах 0,002…1 м/с при переплаві, що облагороджує, і до 10 м/с - при загартуванні.

Зворотний зв'язок здійснюється з використанням мініатюрної телекамери. Таким чином, створюється програмно-кероване розподілене джерело нагрівання. Сканування по поверхні здійснюється у вигляді растра різної форми: прямокутника, кола, кільця, трапеції й інших фігур. Це дозволяє здійснювати поверхневе автогартування виробів різної форми й розмірів.

Виконано дослідження, по створенню технології боровання сталевих виробів шляхом оплавлення на їхній поверхні, скануючим ЕП, порошкоподібного карбіду бору з органічним наповнювачем з використанням НГЕГ типу ЕГГ-9 і ЕГГ-6 [23, 40, 46]. Дослідження структури дозволили виділити три характерні зони: зовнішню, центральну й перехідну. Формування покриття протікає при високих швидкостях нагрівання й охолодження (, що накладає свої особливості на структуру. Для зовнішньої зони характерна наявність дендритів (рис.39), що ростуть із поза вглиб покриття. На зовнішній поверхні дендрити зростаються в основах, створюючи суцільне покриття. Воно складається із двох фаз - ромбічного борида й розташованого під ним тетрагонального борида . Формування зони обумовлене одночасним насиченням поверхневого шару бором і вуглецем.

Мікроструктура центральної зони являє собою перехід від дендритів до мілкокристалевої структури. У внутрішніх шарах розплаву, що примикають до поверхні сталевої підложки можливо виділити перехідну зону (рис.41), де відбувається перехід від мілкокристалевої структури покриття до структури підложки [23].

Експериментально вивчався розподіл хімічних елементів по товщині покриття . Бор чітко фіксувався тільки в одній фазі голчастої або гранованої форми, Однак, простежується тенденція зменшення його концентрації в глиб покриття: від поверхні до підложки. Спостерігається підвищений зміст вуглецю в перехідній зоні, що пов'язане зі сприятливими умовами для створення дендритів аустеніту в цій області.

Розподіл мікротвердості неоднаковий по товщині покриття. У зовнішній зоні 1 переважають бориди, що мають твердість у діапазоні 7...10 ГПа. В центральній зоні 2 концентрація боридів зменшується, виникають дендрити аустеніту, і мікротвердість знижується до значень 3...4 ГПа. У перехідній зоні 3 переважає феритна складова й відбувається зниження мікротвердості покриття до мікротвердості підложки.

Результати досліджень показали ефективність боровання при тисках 10...133 Па сталевих виробів НГЕГ; виявлені закономірності утворення мікроструктур; показана можливість управління властивостями й структурою боридних покриттів.

Перспективним напрямком застосування НГЕГ є створення на їхній основі електронно-променевих нагрівачів для зонної плавки й вирощування монокристалів методом Чохральського з метою підвищення їхньої чистоти і якості, а також зниження енерговитрат [28, 29, 30]. Конструкція розробленого електронно-променевого пристрою для безтигельної зонної плавки стрижнів з напівпровідникових матеріалів дозволяє реалізувати цей техпроцес. Пристрій включає: корпус 1; анод 2 з анодною вставкою 3; катод 4, що містить катодну вставку 5; токопідвід 6, розміщений у високовольтному розділювальному ізоляторі 7; екран 9 зі зміщеним, кільцевим щілинним отвором для виходу ЕП 8; патрубок 10 для подача холодоагенту; магнітні відхиляючі котушки 11. Перевагами пристрою є: можливість роботи в низькому вакуумі; більша довговічність і надійність роботи; порівняно високий ККД нагрівача (70...90 %); підвищення якості переплавляємого кристала, за рахунок зменшення шкідливих домішок, що надходять у зону розплаву; можливість одержання ЕП потужністю в десятки кіловатів, і на цій основі здійснювати збільшення діаметра напівпровідникового стрижня, що переплавляється; спрощення й зниження вартості вакуумного обладнання за рахунок роботи в низькому вакуумі.

Застосування НГЕГ відкриває можливість створювати покриття по РVD, PCVD, CVD - технологіям, у тому числі в середовищі реакційного газу, маючи при цьому всі переваги ЕПТП У роботі наведена технологія одержання покриттів із застосуванням НГЕГ. Вона відкриває нові можливості по підготовці поверхні з їхнім використанням і випару в середовищі реакційних газів при реалізації PCVD, CVD технологій [18-20, 26, 31, 48, 51, 61].

З використанням НГЕГ була створена СVD - технологія нанесення алмазоподібних покриттів із реакційного газу як в режимі іонного фокусування так і в режимі ППР. Швидкість росту покриття (рис.46) знаходилась в діапазоні 2…10 мкм/год [49, 60].

У цій області НГЕГ були використані: для очищення поверхні електронним пучком підкложки при металізації стекол для газової плити ПГ-4; металізації рулонних склотканин і склопластиків, де добре себе зарекомендували. З їхнім використанням була реалізована технологія напилювання плівкових акумуляторів на основі ліпону [31,48].

Отримані наукові результаті і нові положення створюють базу для подальшого розвитку наукового напрямку і розширення обсягів практичної реалізації на основі низьковакуумних газорозрядних гармат нових ефективних електронно-променевих процесів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень і технічних розробок, представлених у дисертації становить рішення актуальної науково-технічної проблеми створення низьковакуумних газорозрядних електронних гармат, що працюють у середньому й низькому вакуумі (10...1000 Па). Дисертаційна робота присвячена розвитку наукових основ, розробці конструкцій низьковакуумних газорозрядних електронних гармат різного призначення й рішенню на їхній основі прикладних задач новітніх фізико-хімічних технологій і наукових досліджень. У роботі теоретично узагальнені й експериментально досліджені закономірності при створенні нових електронно-променевих технологій у низькому вакуумі й показана їх ефективність. Основні результати й висновки роботи полягають у наступному:

1. На основі аналізу сучасного стану використання електронних гармат для створення новітніх електронно-променевих технологій для різних галузей науки й техніки, доведена необхідність вирішення проблеми створення електронних гармат. що безпосередньо працюють у середньому й низькому вакуумі. Показано, що для рішення цієї проблеми доцільно взяти за основу газорозрядні електронні гармати, що працюють на принципі витягу електронів з високовольтного тліючого розряду й на основі теоретичних і експериментальних досліджень створити: наукові основи підвищення їх робочого тиску, методики розрахунку, конструкції низьковакуумних газорозрядних електронних гармат різного призначення, а також новітні технології з їх використанням.

2. Запропоновано, теоретично обґрунтовані й експериментально підтверджені основні напрямки підвищення робочого тиску в газорозрядних електронних гарматах з порожнім анодом і анодною плазмою, що дозволили створити електронні гармати працюючі в діапазоні тисків до 1000 Па. В основі їх лежать установлені закономірності впливу на крутість вольт-амперних характеристик міжелектродної відстані, роду робочого газу, матеріалу катода, розмірів анодного отвору, застосування ежекторного ефекту й ряду інших. Створено й експериментально підтверджено новий метод підвищення робочого тиску, що полягає у виборі тривалості імпульсу прискорювальної напруги tu,, що подається на гармату менш суми статистичного часу запізнювання розряду tс і часу формування розряду tф (tu<tс+tф). Виявлено «ефект втікання електронів» при роботі газорозрядних електронних гармат в імпульсному режимі. Експериментально доведено й теоретично пояснено, що робота газорозрядних електронних гармат у цьому режимі дозволяє розширити діапазон робочих тисків гармати до 1000 Па.

3. Запропоновано методики розрахунку характеристик низьковакуумних газорозрядних електронних гармат заснованих на фізичному й математичному моделюванні електричних полів, розрахунках електричних пробійних процесів в ізоляторах й газовому проміжку, фізичних явищ на катоді й в області формування електронного пучка.

4. Створено методологію й розроблені унікальні пристрої, що дозволяють вимірювати параметри електронних пучків у низькому вакуумі. Концентрація електронів у пучку й плазмі, вимірялася методом подвійного зонда й СВЧ-інтерферометром, розподіл щільності струму електронного пучка в поперечному перерізі - методом "діркової камери", коефіцієнт корисної дії газорозрядної електронної гармати в умовах іонної компенсації заряду - калориметричним методом, форму імпульсів струму електронного пучка - осцилографічним і оптичним методами.

5. Створено для активних експериментів у верхніх шарах атмосфери автономний імпульсний електронний прискорювач на основі низьковакуумних газорозрядних електронних гармат, що дозволяє інжектувати із борта літального апарата електронні пучки з енергією до . на висотах . Для його реалізації розроблені й експериментально досліджені потужні високовольтні імпульсні генератори на тиристорах, що генерують імпульсну вихідну напругу , потужністю в імпульсі й низьковакуумні газорозрядні електронні гармати (ЕГГ-4, ЕГГ-6, ЕГГ-7, ЕГГ-11, ЕГГ-14, ЕГГ-14а, ЕГГ-15) для установки борту літальних апаратів. Теоретично обґрунтовано й експериментально доведена можливість роботи низьковакуумної газорозрядної електронної гармати без колектора електронів і нейтралізації заряду корпуса літального апарата в режимі іонного фокусування на висотах польоту h<90 км. Доведено, що швидкість польоту літального апарата V впливає на режим іонного фокусування при значеннях V>1,2 км/с.

6. Металографічні дослідження структури і фазового складу робочої поверхні катодів, дозволили встановити причину їх виходу з ладу, яка полягає в утворенні на поверхні катоду глибокоерозованної плівки з окислів алюмінію й інтерметалідів, що утворилась через випар алюмінію. Ця плівка приводить до зниження питомої потужності й ККД. електронної гармати, збільшенню температури катода й виходу його з ладу. Для збільшення терміну служби низьковакуумних газорозрядних електронних гармат запропоновано і експериментально доведено наступне: використовувати для виготовлення катода чистий алюміній без домішок; проводити технологічний процес з піддувом водню, що сприяє відновленню окислів, забезпечувати гарне примусове охолодження катода для його роботи при температурах 150…200оС.

7. Досліджено стадії утворення, формування й деіонізації електронного пучка в імпульсному режимі роботи низьковакуумних газорозрядних електронних гармат. Статистичний час запізнювання запалювання розряду в діапазоні тисків 20 …150 Па в гелії становить 2,8...1,2 мкс, а в повітрі - 1,9...0,3 мкс. Установлені закономірності впливу прискорювальної напруги, роду й тиску робочого газу, геометричних розмірів і роду матеріалу катода на час формування високовольтного тліючого розряду. Знайдені фактори впливаючи на час деіонізації td високовольтного тліючого розряду. Показано, що час деіонізації обмежує період повторення високовольтних імпульсів, що повинен бути більше T>td. При використанні гелію, як робочого газу, час td лежить у діапазоні від 340 мкс до 34000 мкс, у випадку зміни тиску відповідно від 1330 Па до 13.3 Па. Для зниження часу деіонізації запропоновано в робочий газ гелій додавати 5% водню. Для цієї суміші час , у зазначеному вище діапазоні тисків, змінюється від 30 мкс до 2800 мкс, що майже на порядок нижче чим у чистому гелію.

8. Експериментально доведена ефективність використання низьковакуумних газорозрядних електронних гармат для модифікації поверхні. Створено технологію одержання безпористого, глазурованого покриття шляхом оплавлення НГЕГ покриття з діоксиду цирконію ZrО2 з початковою пористістю 7...15 % на поверхні підложки зі сплаву ХН78Т. Модифікація поверхні сталі 20 карбідом бору В4С з використанням ЕГГ-9, дозволили створити технологію низьковакуумного електронно-променевого боровання для зміцнення різального інструменту, прес-форм, матриць і т.п.

9. З використанням низьковакуумних газорозрядних електронних гармат отримано плазмо-пучковий розряд (ППР) без магнітного поля. Експериментально досліджені області запалювання ППР і його вплив на роботу гармати. Вироблено рекомендації з використання його в технологічних процесах. Запропоновано напрямки його використання в плазмохімічних технологічних процесах і для реалізації PCVD і CVD- технологій одержання покриттів.

10. Створено низьковакуумні газорозрядні електронні гармати для рішення наступних задач аеродинамічного експерименту: а) візуалізації газових потоків обтікаючих аеродинамічну модель (розроблена високовольтна ЕГГ-14); б) нагрівання розріджених газових потоків (розроблені кільцева ЕГГ-25 і багатопроменева ЕГГ-24); в) нагрівання аеродинамічних моделей і випробування теплозахисних покриттів (розроблені ЕГГ-9, ЕГГ-16). Експериментальні дослідження підтвердили їхню високу ефективність і збіг розрахункових параметрів з експериментальними.

11. Установлено закономірності процесів одержання монокристалів кремнію методами Чохральського й зонної плавки з використанням як електронно-променевих нагрівачів низьковакуумних газорозрядних електронних гармат з анодною плазмою. Запропоновані конструкції гармат для їхньої реалізації.

12 Визначено основні напрямки перспективного використання розроблених низьковакуумних газорозрядних електронних гармат у різних областях машинобудування, металургії, плазмохімічних технологіях, аерокосмічній техніці, наукових дослідженнях і доведена ефективність їхнього застосування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Тутык В.А. Исследование явления запаздывания зажигания высоковольтного тлеющего разряда для повышения рабочего давления газоразрядных электронных пушек //Доповіді Національної академії наук України. - 2008.- № 11. - C. 86-91.

2.Tutyk V.A. Low-vacuum gas-discharge electron guns on the basis of high-voltage glow discharge //Problems of atomic science and technology.-2008.-№6. - P.156-158.

3.Тутык В.А. Исследование режима пламенно-пучкового разряда при работе газоразрядной электронной пушки.//Вопросы атомной науки и техники.-2008.-№4- C.184-188.

4.Ruzhin Yu.Ya., Oraevsky V.N., Tutyck V.A. The active experiments in the stratosphere with the electron beams injection // Adv. Space Res. - 1993. - Vol.13.- No.10. - P. (10)117 - (10) 122.

5.You Dawei, Tutyk V.A., Dong Wei, Xu Ronglan. The development of the glow discharge electron gun for stratosphere active experiment //CNCOSPAR. Space science activities in China 1997-99. National report Beijing. July 1999 .- P. 51-56.

6. Тутык В.А., Ружин Ю.А., Ковтун В.В. Мощный импульсный ускоритель для аэростатных экспериментов // Проект АПЭКС. Научные задачи, моделирование, методика и техника проведения эксперимента. - М.: Наука. - 1992. - С 199 - 213.

7.Тутык В.А. Гасик М.И. Энергетические параметры газоразрядных электронных пушек, используемых для оплавления поверхности изделий // Электрометаллургия. -2007. - №10 - С.24-30. (Россия)

8.Тутык В.А. Особенности расчета электрической прочности изоляционных промежутков в низковакуумных газоразрядных электронных пушках //Сучасні проблеми металургії. Наукові праці. - Том 10.- Дніпропетровськ: Системні технології 2007. - С 49-56.

9.Тутык В.А. Газоразрядная электронная пушка для низковакуумных электронно-лучевых технологических процессов обработки металлов //Теория и практика металлургических процессов. - 2007. - №2-3 (57-58). - С 138-143.

10.Тутык В.А., Софийченко В.С. Исследование определения параметров газоразрядной электронной пушки при автозакалке и оплавлении поверхности стальных изделий //Теория и практика металлургических процессов. - 2006. - №6 - С 101-104.

11.Тутык В.А., Мирошниченко Г.И. Электронная газоразрядная пушка для модификации и легирования поверхности //Scientific Journal of the Technical University of Varna.- Spesial number.-“Strategy of Quality in Industry and Education”. - 2006. - V1. - P. 366-368.

12.Тутык В.А., Мирошниченко Г.И. Влияние структуры и фазового состава материала катода электронной газоразрядной пушки на его долговечность //Системні технології. Регіональний міжвузівский збірник наукових праць. - Випуск 4(45).- Дніпропетровськ, 2006.- С. 152-160.

13.Тутык В.А. Фокусировка электронного пучка при наличии ионной компенсации в электронных газоразрядных пушках //Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. - Выпуск 1(12).- Днепропетровск, 2001.- С. 107-113.

14.Тутык В.А. Деионизация в электронных газоразрядных пушках после прохождения импульсного высоковольтного тлеющего разряда //Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. - Выпуск 3(11).- Днепропетровск, 2000.- С. 103-108.

15.Тутык В.А. Исследование статистического времени запаздывания импульса в электронных газоразрядных пушках //Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. - Выпуск 1(9).- Днепропетровск, 2000.- С. 134-139.

16.Тутык В.А. Время формирования разряда в электронных газоразрядных пушках //Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. - Выпуск 2(10).- Днепропетровск, 2000.- С.83-89.

17.Тутык В.А. Импульсные газоразрядные электронные пушки для низковакуумных технологий //Сучасні проблеми металургії. Наукові праці.- Том 9.- Дніпропетровськ? Системні технології, 2006.- С. 143-151.

18.Тутык В.А., Гасик М.И. Особенности получения покрытий с использованием низковакуумных газоразрядных электронных пушек //Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2008.- №7.- С.240-244.

19.Тутык В.А., Динник Ю.А., Сафьян П.П. Влияние электронно-лучевой обработки поверхности листового проката на адгезию защитного покрытия при вакуумной металлизации //Scientific Journal of the Technical University of Varna.- Spesial number.-“Strategy of Quality in Industry and Education”. - 2008.- V1.- P 549-553.

20.Тутык В.А., Динник Ю.А., Сафьян П.П. Исследование электронно-лучевого нагрева листового проката в установках вакуумной металли¬зации //Теория и практика металлургии - 2008.- №1 (62).- С.39-43.

21.Тутык В.А. Михайловская Т.В. Моделирование потенциальных полей в электронных пушках //Системні технології. Регіональний міжвузівский збірник наукових праць. - Випуск 1(30).- Дніпропетровськ, 2004.- С. 62-70.

22.Тутык В.А., Гасик М.И. Исследование процесса оплавления жаропрочного покрытия на основе двуокиси циркония газоразрядной электронной пушки //Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007.-№1.- С. 23-27.

23.Тутык В.А., Гасик М.И. Физико - химия процессов борирования газоразрядной электронной пушкой в низком вакууме //Теория и практика металлургических процессов. - 2007. - №4-5 (59-60).- С 86-94.

24.Тутык В.А. Электронно-лучевое оплавление и легирование поверхности с использованием газоразрядных электронных пушек //Теория и практика металлургических процессов. - 2007.-№1.-С.68-71.

25.Тутык В.А. Импульсный режим работы электронных газоразрядных пушек с полым анодом //Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. - Выпуск 3(26).- Днепропетровск, 2003.- С. 151-160.

26.Тутык В.А. Вакуумная металлизация графитовых электродов для ферросплавных печей //Сучасні проблеми металургії. Наукові праці. - Том 6. Прогресивні енерго- і ресурсозберігаючі технології та обладнання в електротермії феросплавів.- Дніпропетровськ? Системні технології, 2003.- С. 364-369.

27.Цветков И.В., Тутык В.А. Исследование применения газоразрядной электронной пушки при получении азотированного ферросилиция //Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2008. - №4.- С. 29-31.

28.Патент на корисну модель 25554, Україна, МПК(2006) В 13/00. Спосіб вирощування монокристалів кремнію безтигельною зонною плавкою/. Гасик М.І., Пожуєв В.І., Тутик В.А., Червоний І.Ф. (Україна).-№ u200704050; Заявлено 03.05.2007; Опубл.10.08.2007, Бюл.№.12- 4 с.

29.Патент на корисну модель 26470, Україна, МПК(2006) С 30 В 13/00. Пристрій для безтигельної зонної плавки стержнів із напівпровідникових матеріалів / Тутик В.А., Пожуєв В.І, Гасик М.І., Червоний І.Ф. (Україна).-№ u200704851; Заявлено 03.05.2007; Опубл.25.09.2007, Бюл.№15.- 3 с.

30.Патент на корисну модель 26471, Україна, МПК(2006) С 30 В 15/00. Спосіб вирощування монокристалів кремнію з розплаву/ Тутик В.А., Пожуєв В.І, Гасик М.І., Червоний І.Ф. (Україна).-№ u200704868; Заявлено 03.05.2007;Опубл.25.09.2007, Бюл.№15.- 2 с.

31.Provisional Patent Application. Serial Number 60/998,379;USA МКИ Н01 М 10/40.-Method and apparatus for deposition of thin film materials for energy storage devices. Shembel E, Tutyk V., 9. 10, 2007

32.Заявка на видачу патента України МПК7 НО1 J 37/06/-Спосіб керування підвищенням робочого тиску газорозрядної електронної гармати.- Тутик В.А., Гасик М.І. (Україна) № а200704231 (24.07.07 исх.2/07).

33.Xu R. -L., You D. -W., Ruzhin Y.Y., Tutyck V. A., Yu W.-Z., Chou B.- S., Dokukin V.S., Xu J.- Y., Li L., Zhang Z.- G. Balloon active experiment mission using an electron gas discharged gun //Proc. of 32 st International Scientific Assembly of COSPAR "Active Experiments in Space Plasmas" - Nagoya, Japan. - 1998. - Р. 42-46.

34.. Ruzhin Yu. Ya., Oraevsky V.N , Docukin V.D., Borisov N. D., Tutyck V.A., Xu R.-L. The stratosphere active experiments programme with artificial electron beam injection //Proc. of 32 st International Scientific Assembly of COSPAR "Active Experiments in Space Plasmas" - Nagoya, Japan. - 1998. - P. 69-73.

35.You D. -W., Tutyck V.A., Yu W. - Z., Zhou B. -S., Dokukin V.S., Zhang Z. -G., Li L., Ruzhin Y.Y., Xu R. - L. The experiment of an electron gas dicharged gun in the laboratory for the balloon active experiment mission //Proc. of 32 st International Scientific Assembly of COSPAR "Active Experiments in Space Plasmas" - Nagoya, Japan. - 1998. - P.109-111.

36.Тутык В.А. Диагностика энергетических характеристик газоразрядных электронных пушек при оплавлении поверхности //Харьковская нанотехнологическая ассамблея. Том 1. Вакуумные нанотехнологии и оборудование (Сборник докладов 8-й Международной конференции «Вакуумные нанотехнологии и оборудование».- Харьков? ННЦ ХФТИ, “Константа”, 2007.- С. 214-217.

37.Тутык В.А. Эффект убегания электронов в электронных газоразрядных пушках с полым анодом //«Вакуумная наука и техника» Материалы Х научно-технической коференции в 2-х томах. М.: МИЭМ, 2003. - С. 458-463.

38.Тутык В.А. Модифицирование поверхности жаропрочного покрытия ZrO2 электронным пучком // Вакуумные технологии и оборудование (Сборник докладов 6-й Международной коференции «Вакуумные технологии и оборудование»).- Харьков? ННЦ ХФТИ, “Константа”, 2003.- С .191-194.

39..Тутык В.А., Михайловская Т.В. Моделирование потенциальных полей и расчет параметров электронных пушек для термических установок //Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов (Часть 1) (Сборник докладов 5-й международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов»). -Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2004.- с.41-44.

40.Тутык В.А. Структурообразование в зоне взаимодействия карбида бора со сталью при воздействии электронного пучка. //Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении (Часть 1) (Сборник докладов 6-й Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов»).- Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2005.- с.123-127.

41.Тутык В.А. Металлографические исследования поверхности катодов электронной газоразрядной пушки для электронно-лучевого переплава //Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении (Том 1) (Сборник докладов 7-й Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов»).- Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2006.- с.304-308.

42.Тутык В.А. Электронная газоразрядная пушка для низковакуумных технологических процессов //Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении (Том 2) (Сборник докладов 7-й Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов»).- Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2006.- с.76-80.

43.Тутык В.А. Газоразрядная электронная пушка для низковакуумных технологических процессов //«Вакуумная наука и техника» Материалы ХІІІ научно-технической конференции М.: МИЭМ, 2006.- С. 247-251.

44.Тутык В.А. Газоразрядные электронные пушки для аэродинамических исследований //Харьковская нанотехнологиче¬ская ассамблея. (Том 1). Вакуумные нанотехнологии и оборудование (Сборник докладов 7-й Международной конференции «Вакуумные нанотехнологии и оборудование»).- Харьков? ННЦ ХФТИ, “Константа”, 2006.- С .50-54.

45.Тутык В.А. Повышение рабочего давления газоразрядных электронных пушек //Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении (Сборник докладов 9-й Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов»).- Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2008.- С. 136-141.

46.Тутык В.А., Гасик М.И. Инженерия функциональных свойств поверхности низковакуумными газоразрядными электронными пушками // Міжнародна конференція «Зварювання та споріднені технології - у третє тисячоліття» 24 - 26 листопада 2008 р. Україна м. Київ /Сборник тезисов докладов.Киев: ИЄС им.Е.О. Патона НАН Украины.-2008.- С. 205-206.

47.Ruzhin Yu.Ya., Oraevsky V.N.,Tutyck V.A. The active experiments in the stratosphere with the electron beams injection // The World Space Congress. 29th Plenary Meeting of the Committee on Space Research. COSPAR. - Washington.- 1992. - Pp. 448.

48.Shembel E., Redco V., Nosenco A., Tutyk V., Markevch A., Khandetskyy V., Tron A. //Thin Film Solid Inorgenic Electrolyte for Lithium Batteries: Cjmhjsition Method of Deposition and Electrochemical Properties.- 212 th Meeting of the Electrochemical Society. - October 7-12 2007. DC Washington, USA.- Р.219.

49.Tutyk V.A., Guba V.A., Kovtun V.V. Change of functional properties of surfaces of tools and details of the metallurgical equipment with use of diamondlike coverings /55th Anniversay of the Foundation of Croatian Metallurgical Society (CMS). Metallurgy.-Vol,47.- br.3.-2008.- P. 243,

50.Тутык В.А, Рожков А.Д.. Бибик А.П. Использование газового разряда для подготовки поверхности изделий к нанесению покрытий //Химическая и электрохимическая обработка проката. Тезисы докладов третьей Республиканской научно - технической конференции. - Днепропетровск: ДМетИ .- 1983. - С. 80 .

51.Тутык В.А., Рожков А.Д., Ковтун В.В. Нанесение покрытий из парогазовой фазы в низком вакууме //Химическая и электрохимическая обработка проката. Тезисы докладов третьей Республиканской научно - технической конференции.- Днепроперовск ДМетИ .- 1983 - С. 68.

52.Алексеев В.А., Бугаев Д.Ю., Кураш А.И., Тутык В.А. Искусственное получение осадков с использованием электронных пучков // 6 Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і Космос”. Збірник тез - Дніпропетровськ : НЦАОМУ, 2004.- С. 260.

53.Mikhalyov A.I., Tutyk V.A., Mikhajlovskaya T.V. Information Technology of Functional Coverage Creation with the Use of Vacuum Technologies // 6-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society Materials and Metallurgy (SHMD'2004, June, 20-24, 2004).- Metallurgy.- Vol.43.- N3, 2004.- P.263.

54.Тутык В.А. Модификация поверхности электронными газоразрядными пушками. //Фізика і технологія тонких плівок. Матеріали Ювілейної Х Міжнародної конференції у 2-х томах.- т 1 Івано-Франківськ: Гостинець, 2005 - 408 с., с. 148-149.

55.Михайловская Т.В., Тутык В.А.Моделирование процессов модификации поверхности электронными газоразрядными пушками //Фізика і технологія тонких плівок. Матеріали Ювілейної Х Міжнародної конференції у 2-х томах.- т 1 Івано-Франківськ: Гостинець, 2005 - 408 с., с. 139-140.

56.Михайловская Т.В., Тутык В.А Использование электронных пучков для нагрева аэродинамических моделей // 8-ма Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і Космос”. Збірник тез - Дніпропетровськ : НЦАОМУ, 2006.- С. 160.

57..Овечкин А.В., Тутык В.А. Электронно-лучевые технологические процессы в низком вакууме для инженерии поверхностей изделий машиностроения // 8-ма Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і Космос”. Збірник тез - Дніпропетровськ : НЦАОМУ, 2006.- С. 336.

58.Цветков И.В., Тутык В.А. Утилизация отходов фракционирования високопроцентного ферросилиция //Довкілля - ХХІ. Матеріалі четвертої Міжнародної наукової конференції; м. Дніпропетровськ, Україна, 9-10 жовтня 2008 р. с.133-136.

59.Слепцов А.В., Подопригора А.В., Тутик В.А. Электронно-лучевая автозакалка и оплавление поверхностей стальних изделий //9-та Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і Космос” 50-річчя космічної ери. Збірник тез - Дніпропетровськ : НЦАОМУ, 2007- С. 358.

60.Губа В.А., Тутик В.А. Формирование наноструктурных алмазоподобных углеродных покрытий для промышленных применений //Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція «Молода Академія» /Збірник тез. м.Дніпропетровськ: НМетАУ, 2007 - С.134.

61.Сафьян П., Дінник Ю.А. Тутик В.А. Нанесення захисних покриттів з використанням електронно-промінної технології //Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція «Молода Академія» /Збірник тез. м. Дніпропетровськ: НМетАУ, 2008.-С. 241.

62.Тутык В.А., Сафьян П.П., Динник Ю.А., Балакин В.Ф., Николаенко Ю.Н. Модификация поверхности труб электронными пучками //Теория и практика металлургии - 2008.- №5(6).- С.111-114.

АНОТАЦІЯ

Тутик В.А. Низьковакуумні газорозрядні електронні гармати і їх використання в електронно-променевих технологіях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 01.04.20 «Фізика пучків заряджених частинок» (технічні науки).- Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2009.

Дисертація присвячена розвитку наукових основ створення низьковакуумних газорозрядних електронних гармат (НГЕГ), методики їх проектування, установленню механізмів і закономірностей фізичних процесів при їхній роботі й застосуванню розроблених конструкцій гармат для вирішення різних наукових і технологічних задач. У дисертації запропоновані й експериментально підтверджені методи підвищення робочого тиску, розроблені принципи створення й методи проектування НГЕГ. На підставі їх реалізовані НГЕГ різного призначення, що працюють у середньому й низькому вакуумі в діапазоні тисків 10...1000 Па. Створена методологія й розроблені пристрої, для виміру в низькому вакуумі параметрів електронних пучків і плазми. Установлені закономірності впливу статистичного часу запізнювання tc , часу формування tф й часу деіонізації tД на характеристики гармати. Виявлено й експериментально досліджено «ефект втікання електронів» при роботі НГЕГ.

На основі НГЕГ створено автономний імпульсний електронний прискорювач для активних експериментів у верхніх шарах атмосфери.

Розроблені й досліджені технології на основі НГЕГ для діагностики й нагрівання газових потоків, одержання монокристалів кремнію, модифікації поверхні виробів, одержання покриттів у середовищі реакційного газу (СРVD, СVD - технології) і вивчені закономірності при їхній реалізації.

Результати дисертації впроваджені при розробці, виготовленні й експлуатації ряду електронно-променевих експериментально-промислових установок і пристроїв різного технологічного призначення.

Ключові слова: низьковакуумні газорозрядні електронні гармати, електронний пучок, високовольтний тліючий розряд, низький вакуум, оплавлення, струм, напруга, електронно-променева технологія.

SUMMARY

Tutyk V.A. Low-vacuum discharge electron guns and their application to electron beam technique. - Manuscript.

Thesis for the Doctor of Science degree on specialty 01.04.20 “Physics of beams of charged particles” (technical sciences). - National centre of science “Kharkov physic-technical institute”, Kharkov, 2009.

The dissertation is devoted to scientific bases development for the new low-vacuum discharge electronic guns (LDEG), their designing techniques, determination of physical mechanisms and laws of their performance, and applications of these developed designs both in science and industry.

In the dissertation, new methods of working pressure elevation are proposed and experimentally tested; the principles of LDEG developments and constructions are shown. These allows for manufacture of multi-purpose LDEG, which work in middle and low vacuum with the pressure range of 10-1000 Pa. The electron beam and plasma measuring methodology to work in low vacuum and the devices to perform it are developed. In the dissertation, we determine the laws to show how statistical time delay tC, the time of formation tФ, and deionization time td influence LDEG characteristics. The effect of “running electron” is found and experimentally investigated at working device of LDEG.

On the principle of LDEG the autonomous pulse electron accelerator is created for carrying out active experiments in the top layers of the atmosphere.

LDEG techniques (CPVD and CVD) are developed for measuring gas flows, for gas flow heating, for growing monocrystals of silicon, surface modifications, and coating in reaction gas. Their performance laws are also investigated.

The results achieved by the experiments are applied in production techniques for development and operation of electron beam plants and devices of various purposes both for experiments and large-scale production.

Keywords: low-vacuum discharge electron gun, electron beam, high-voltage glow, discharge, low vacuum, fusion, current, accelerating voltage, electron beam technology.

АННОТАЦИЯ

Тутык В.А. Низковакуумные газоразрядные электронные пушки и их использование в электронно-лучевых технологиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.04.20 «Физика пучков заряженных частиц» (технические науки).- Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, 2009.

Диссертация посвящена развитию научных основ создания низковакуумных газоразрядных электронных пушек (НГЭП), диагностических устройств для измерения их параметров и применению этих пушек для решения различных научных и технологических задач. Рассмотрено современное состояние проблемы создания электронных пушек, непосредственно работающих и формирующих электронный пучок (ЭП) в низком вакууме и обоснована актуальность выполнения работы. Предложены и экспериментально подтверждены методы повышения рабочего давления, разработаны принципы создания и методы проектирования НГЭП. На основании их реализованы НГЭП различного назначения, работающие в среднем и низком вакууме в диапазоне давлений 10...1000 Па и экспериментально исследованы их характеристики и параметры.

Предложены формализованные методы анализа, синтеза и методики расчета характеристик НГЭП, основанные на физическом и математическом моделировании электрических полей, расчетах электрических пробойных процессов в изоляторах и газовом промежутке, физических явлений на катоде и в области формирования ЭП.

Создана методология и разработаны устройства, для измерения в низком вакууме параметров ЭП и образованной им плазмы. Концентрация электронов измерялась методом двойного зонда и СВЧ-интерферометром; распределение плотности тока ЭП - методом "дырочной камеры", ККД НГЭП - калориметрическим методом, форму импульсов тока ЭП- осциллографическим и оптическим методами.

Установлены закономерности влияния статистического времени запаздывания tc , времени формирования tф и деионизации tД импульсного ЭП на характеристики пушки. На основе металлографические исследований рабочей поверхности катодов НГЭП, обнаружены причины их выхода из строя, Они, как доказано, заключаются в образовании на поверхности катода пленки состоящей из окислов алюминия и интерметаллидов. Выработаны рекомендации по увеличению срока службы НГЭП. Выделены следующие режимы работы НГЭП: ионной фокусировки и плазмо-пучкового разряда и найдены области их существования в зависимости от параметров ЭП и рода рабочего газа. Обнаружен и экспериментально исследован «эффект убегания электронов» при работе НГЭП в импульсном режиме. Обнаруженные закономерности позволили выработать рекомендации по его использованию для увеличения рабочего давления НГЭП.

Разработан автономный импульсный электронный ускоритель на основе НГЭП для активных экспериментов в верхних слоях атмосферы, позволяющий инжектировать с борта летательного аппарата ЭП с энергией до 100 кэВ и исследованы его характеристики.

Созданы технологии и исследованы закономерности по использованию НГЭП для инженерии поверхности изделий; оплавления покрытий ZrO2 для получения беспористого, высокотемпературного корозионностойкого покрытия; борирования конструкционной стали путем оплавления на ее поверхности карбид бора В4С; автозакалки ЭП поверхности и ряда других.

Разработаны НГЭП для решения задач аэродинамического эксперимента: визуализации газовых потоков обтекающих аэродинамическую модель; нагрева разреженных газовых потоков; нагрева аэродинамических моделей. Экспериментальными исследованиями подтверждена их работоспособность и эффективность использования.

Предложены конструкции НГЭП в качестве электронно-лучевых нагревателей для процессов получения монокристаллов кремния методами Чохральского и зонной плавки. Выработаны рекомендации по их использованию

На основе НГЭП созданы и экспериментально исследованы СРVD, СVD - технологии получения покрытий из различных материалов: меди, титана, графита (алмазоподобного), нержавеющих сталей, липона и т.д., которые позволили обнаружить новые закономерности и создать эффективные технологии.

Результаты диссертации внедрены при разработке, изготовлении и эксплуатации ряда электронно-лучевых экспериментально-промышленных установок и устройств различного технологического назначения.

Ключевые слова: низковакуумные газоразрядные электронные пушки, электронный пучок, высоковольтный тлеющий разряд, низкий вакуум, оплавление, ток, ускоряющее напряжение, электронно-лучевая технология.

Размещено на Allbest.ru