Научный архив: статьи

Проведены экспериментальные исследования возбуждения микроплазменных разрядов на поверхности титановых образцов, помещенных в однородный импульсный плазменный поток. В результате сильного локализованного взаимодействия микроплазменных разрядов с титаном в его приповерхностном слое происходят быстрое плавление и остывание участков поверхности титана микронного размера. В результате такого многократного воздействия микроплазменных разрядов на поверхности титана формируется сплошной переплавленный слой толщиной до 20 мкм, который характеризуется сильноизмененными физическими, структурными и триботехническими свойствами материала.

Проведены экспериментальные исследования возбуждения микроплазменных разрядов на поверхности образцов из алюминиевого сплава В95, помещенных в однородный импульсный поток плазмы. В результате сильного локализованного взаимодействия микроплаз-менных разрядов с алюминием в его приповерхностном слое происходят процессы плавления и быстрого последующего остывания металла в локализованных областях микронного размера. В результате такого многократного воздействия микроплазменных разрядов на поверхности алюминия формируется сплошной переплавленный слой толщиной до 20 мкм, который характеризуется сильно измененными физическими, структурными и триботехническими свойствами металла.

Аналитически и численно исследована зависимость коэффициента поглощения мощности СВЧ‐излучения односторонним мультипакторным разрядом на поверхности диэлектрика от мощности падающего излучения. Показано, что учет отражения электронов от диэлектрической поверхности приводит к существенному возрастанию коэффициента поглощения. Проведено сравнение аналитических и численных результатов с экспериментальными данными.

Экспериментально исследовано взаимодействие микроплазменных разрядов с образцами из технического титана ВТ1. Амплитуда импульсного тока микроплазменных разрядов составляла 200 А при длительности импульса 20 мс. Число импульсов микроплазменных разрядов варьировалось от 1 до 10. В результате микроплазменной обработки на образцах титана формируется сплошной переплавленный сильно упрочненный приповерхностный слой толщиной до 10 мкм. По сравнению с исходным состоянием образцов упрочненный микроплазменными разрядами приповерхностный слой титана характеризуется следующими наилучшими параметрами: микротвердость слоя увеличивается в 5 раз, предельно допустимое давление на образцы при трении повышается в 20 раз, интенсивность изнашивания при трении снижается на три порядка, а коэффициент трения уменьшается в 6 раз.

Экспериментально исследован спектр излучения микроплазменного разряда, возбуждаемого на поверхности титанового образца при воздействии импульсного потока плазмы в режиме поддержания разряда импульсным электрическим током амплитудой 200 А и длительностью 20 мс. На основании анализа более 100 характерных линий излучения атомов и ионов титана в интервале длин волн 350—800 нм сделана оценка электронной температуры в микроплазменном разряде, величина которой находится в интервале 0,5—1,3 эВ.

Проведено численное и аналитическое исследование вторично‐эмиссионного электронного разряда (мультипактора) на диэлектрике в вакууме при различных углах наклона α вектора напряженности электрического СВЧ‐поля относительно поверхности диэлектрика с самосогласованным учетом электрического поля объемного заряда эмитированных электронов. Рассчитана мощность, поглощаемая в разряде, и получены аналитические оценки для средней плотности тока вторичных электронов и средней энергии электронов, бомбардирующих поверхность диэлектрика, в зависимости от угла α и осцилляционной энергии электронов в СВЧ‐поле. Показано, что зависимость поглощенной мощности от угла наклона внешнего СВЧ‐поля имеет минимум при α ~ 20—30°.

В статье представлены результаты исследования спектра излучения микроплазменного разряда, возбуждаемого на поверхности титанового образца при воздействии импульсного потока плазмы в режиме поддержания разряда импульсным электрическим током амплитудой 100 А и длительностью до 20 мс. На основании анализа соотношений интенсивностей линий излучения атомов и ионов титана в интервале длин волн 390 ─ 525 нм сделана оценка электронной температуры в микроплазменном разряде, величина которой находится в интервале 0,3 ─ 1,5 эВ.

Разработан двумерный в координатном пространстве и трехмерный в пространстве скоростей численный код, основанный на методе частиц в ячейке, для моделирования мультипакторного разряда на диэлектрике, помещенном в плоскопараллельный волновод, с учетом вторичной электронной эмиссии с поверхности диэлектрика и стенок волновода, конечной температуры вторичных электронов, пространственного заряда электронов, а также упругого и неупругого отражения электронов от диэлектрика и стенок волновода. Код позволяет моделировать различные стадии мультипакторного разряда, начиная с возникновения электронной лавины и заканчивая стадией насыщения. Показано, что из-за утечки электронов на стенки волновода порог развития одностороннего мультипактора на диэлектрике, помещенном в зауженный волновод с абсорбирующими стенками, увеличивается по сравнению с порогом в случае неограниченного диэлектрика. Обнаружено, что, в зависимости от напряженности СВЧ-поля и вторично-эмиссионных характеристик стенок волновода, могут реализоваться два режима мультипакторного разряда. В первом режиме, который реализуется при относительно низких напряженностях СВЧ-поля, мультипакторный разряд развивается только на диэлектрике, поверхность которого заряжается положительно относительно стенок волновода. Во втором режиме, который реализуется при достаточно высоких напряженностях СВЧ-поля, происходит одновременное возбуждение одностороннего мультипактора на поверхности диэлектрика и двустороннего мультипактора между стенками волновода. В этом случае поверхность диэлектрика и пространство между стенками волновода приобретают отрицательный потенциал. Показано, что учет отражения электронов от поверхности диэлектрика и стенок волновода приводит к появлению высокоэнергетических хвостов функции распределения электронов.

Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия импульсных микроплазменных разрядов с образцами из стали-45 при возбуждении в разрядах импульсных электрических токов с амплитудами от 100 А до 650 А. В результате микроплазменной обработки на поверхности образцов формируется сплошной переплавленный слой на глубину до 20 мкм с развитым микрорельефом, который характеризуется сильно измененными физическими, микрогеометрическими и триботехническими свойствами металла. Созданный в результате воздействия микроплазменных разрядов на поверхности образцов микрорельеф обладает прочностными свойствами, существенно превосходящими соответствующие свойства стальных образцов, подвергнутых стандартной термической объёмной закалке.

Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия микроплазменных разрядов с образцами из стали–45 при возбуждении импульсных электрических токов в разрядах с амплитудами от 100 до 600 А. При этом на поверхности образцов формируется сплошной переплавленный слой, который характеризуется сильно измененными микрогеометрическими, физическими и триботехническими свойствами металла. Определены режимы возбуждения микроплазменных разрядов, в результате воздействия которых на поверхности образцов создается развитый микрорельеф. Его прочностные свойства существенно превосходят соответствующие характеристики стальных образцов после стандартной термической закалки.

Экспериментально исследованы распространение и структура импульсного микро-плазменного разряда (длительность разряда 100 мкс, амплитуда электрического тока в разряде 200 А), инициируемого на поверхности титанового образца, покрытого тонкой диэлектрической пленкой толщиной около 10 нм, широкоапертурным потоком плазмы c плотность плазмы 21013 см-3 и длительностью импульса 25 мкс. Обнаружено, что свечение микроплазменного разряда визуально в макромасштабе имеет разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. В результате взаимодействия микроплазменного разряда с образцом титана происходит эрозия его поверхности. При этом эрозионная структура визуально «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных микрократеров с характерными размерами от 0,3 до 10 мкм, локализованных на поверхности металла в пределах области площадью 1 см2. Вся совокупность микрократеров в макромасштабе образует разветвленную структуру типа дендрита. Установлено, что микроплазменный разряд распространяется вдоль поверхности титана, по-крытого тонкой диэлектрической пленкой, со средней скоростью 70 м/с. Причём, распространение микроплазменного разряда имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен инициирует возбуждение новых катод-ных пятен на расстояниях локализации 3–30 мкм от них.

Экспериментально исследованы распространение и структура микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком плазмы с плотностью 1013 см–3 на поверхности титанового образца, покрытого тонкой сплошной диэлектрической оксидной пленкой титана толщиной 2–6 нм, при изменении электрического тока разряда от 50 А до 400 А. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. Возникающая при этом эрозионная структура на поверхности титана «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных неперекрывающихся микрократеров с характерными размерами 0,1–3 мкм, которые образуются в местах локализации катодных пятен на расстояниях до 20 мкм друг от друга. Распространение одиночного микроплазменного разряда по поверхности титана происходит со средней скоростью 15–70 м/с при токах разряда 50–400 А. Распространение микроплазменного разряда в микромасштабе имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен, в течение времени их жизни 1 мкс, инициирует возбуждение новых микро-разрядов, которые создают новые катодные пятна на расстояниях локализации от 1 мкм до 20 мкм от первичных катодных пятен. Такой процесс повторяется многократно в течение импульса микроплазменного разряда длительностью от 0,1 мс до 20 мс.