«ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО И ПЛАЗМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ С ЦЕЛЬЮ КРАТНОГО ПОВЫШЕНИЯ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК» (тема НИР государственного задания ИСЭ СО РАН № 0291-2019-0002)

Объектом исследования являются дуговые и тлеющие разряды низкого давления, а также пучково-плазменные образования, формируемые в этих разрядах. Целью работы является получение новых фундаментальных знаний в области физики низкотемпературной плазмы, закономерностей зажигания и горения несамостоятельных форм разрядов низкого давления, условий генерации в них пучково-плазменных образований, способов контроля их параметров, а также разработка научно-технических основ пучково-плазменных технологий для конструирования поверхности материалов с заранее заданными свойствами. Методами исследования являются экспериментальные исследования и моделирование с проверкой моделей компьютерным и физическим экспериментом. В отчётный период выполнения проекта были получены следующие результаты. 1) Разработаны, созданы и запущены в эксплуатацию экспериментальный стенд для исследования режимов горения оригинальной формы несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом объемом около 0,34 м3 протяженной формы (отношение диаметра к длине – 1:2), а также диагностическое оборудование – цилиндрический зонд Ленгмюра для исследования плазмы в полом сеточном аноде вспомогательного дугового разряда длиной около 1 м. 2) В результате комплексных исследований закономерностей эволюции фазового состава, структуры азотированного слоя стали, сформированного после в обработки в азотосодержащей плазме для различного содержания азота в рабочей смеси, а также анализа физико-механических свойств поверхности стали 4Х5МФС, показано, что содержание азота играет определяющую роль в формировании фазового состава поверхностного слоя при азотировании. Изменением соотношения азота и аргона в газовой смеси при низком, около 1 Па, давлении можно регулировать содержание в поверхности фаз -Fe2-3N и -Fe4N, вплоть до их полного устранения. 3) Показано, что система генерации протяженных пучково-плазменных образований в несамостоятельном тлеющем разряде, в котором в качестве источника вспомогательной плазмы, из которой инжектируются электроны в тлеющий разряд, используется источник на основе дугового разряда с протяженным, длиной около 1 м, полым сеточным анодом (плазменным эмиттером электронов) позволяет получить относительно однородную плазму. Наименьшая достигнутая продольная степень неоднородности плотности ионного тока на цилиндрический зонд на длине 1 м в полом аноде в атмосфере аргона составляет ±25%, а в чистом азоте ±40%. Показано, что увеличение диаметра цилиндрического протяженного, длиной 1 м, полого сеточного анода дугового разряда способствует снижению неоднородности продольного распределения плотности ионного тока. Снижение рабочего давления, а также увеличение напряжения горения основного тлеющего разряда с полым катодом приводит к уменьшению продольной неоднородности концентрации плазмы в полом аноде. Увеличение тока дугового разряда увеличивает степень неоднородности плотности ионного тока на зонд в полом сеточном аноде. 4) Разработана и создана автоматизированная система зондовых измерений стационарной и импульсной плазмы одиночными и двойными зондами. Продемонстрирована ее работоспособность при исследовании разрядов низкого давления. Система позволяет проводить одновременную фиксацию значений тока и потенциала зонда (пределы измерения тока (-300 – 300) мА, напряжения: (-300 – 300) В), подавать смещение на зонд как в непрерывном, так и в импульсном режимах (амплитуда напряжения в обоих режимах до 100 В, ширина импульса от 20 мкс) и передавать полученные данные по оптическому каналу связи на персональный компьютер (ПК). При использовании данной системы существенно сокращается время цикла измерений зондовой характеристики, которое может составлять до нескольких десятков секунд при количестве измеряемых точек до нескольких тысяч. По направлениям исследований проекта опубликовано 7 статей в научных журналах. Результаты могут быть использованы при дальнейшем развитии исследований и в опытно-конструкторских разработках в области вакуумной и плазменной электроники и пучково-плазменных технологий обработки материалов.