Пучково-плазменные технологии обработки материалов заряженных частиц. Радиационно-пучковые технологии модифицирования

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Пучково-плазменные технологии обработки материалов
Взаимодействие частиц с веществом. Физика и техника мощных пучков
заряженных частиц. Радиационно-пучковые технологии модифицирования
материалов
Виды учебной деятельности и временной ресурс
Лекции
36 час
Лабораторные занятия
36 час.
Практические занятия
36 час.
Всего аудиторных занятий
108 час.
Самостоятельная работа
108 час.
Общая трудоемкость
216 час.
Форма обучения – очная
Вид промежуточной аттестации – экзамен, зачет.
Обеспечивающее подразделение – каф. ТЭВН ИФВТ
Преподаватель – д.ф.-м.н., проф. каф. ТЭВН ИФВТ А.И. Пушкарев
Понедельник
10:25 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ПР
14:15 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛБ
Четверг
08:30 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛБ
12:20 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛК
Пятница
12:20 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛБ
Понедельник
10:25 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ПР
замена на лекции Ремнева Г.Е. в пятницу
14:15 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛБ
4 часа лабораторных занятий 1 из 3х подгрупп
Четверг
08:30 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛБ
12:20 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛК
(101 ауд. корпус 11г)
Пятница
08:30 Получение и применение пучков заряженных частиц ЛК
Лекции проф. Ремнева Г.Е., только по четным неделям,
по нечетным - семинары
12:20 Пучково-плазменные технологии обработки материалов ЛБ
Темы практических занятий
по курсу «Пучково-плазменные технологии обработки материалов»
1. Модификация, наноструктурирование и упрочнение приповерхностного
слоя металлических изделий
2. Модификация, вулканизация и радиационная сшивка полимерной
изоляции кабелей и проводов электронными пучками
3.
Поверхностная наплавка и закалка металлов
4.
Сварка и резка электронным пучком
5.
Производство мелкодисперсных порошков
6.
Очистка отходящих газов
7.
Очистка сточных вод
8.
Стерилизация медицинских изделий
9. Получение тонкопленочных покрытий импульсными ионными и
электронными пучками.
Лабораторные работы
по курсу «Пучково-плазменные технологии обработки материалов»
1. Тепловизионная диагностика распределения плотности энергии мощного ионного
пучка по сечению.
2. Времяпролетная диагностика параметров мощного ионного пучка.
3. Исследование режима работы и баланса энергии в генераторе мощных ионных
пучков ТЕМП-4М.
4. Исследование динамики импеданса диода со взрывоэмиссионным катодом в
двухимпульсном режиме
5. Исследование эффекта усиления плотности ионного тока в ионном диоде с
магнитной самоизоляцией.
6. Наноструктурирование поверхности твердосплавных материалов при воздействии
импульсного ионного пучка гигаватной мощности.
7. Формирование радиационных центров окраски при воздействии импульсного
электронного и ионного пучка.
8. Тепловизионная диагностика параметров импульсного электронного пучка гигаватной
мощности.
9. Исследование транспортировки и фокусировки мощных ионных пучков
Пучково-плазменные технологии обработки материалов
Лекция 1.
Введение.
Содержание курса.
Основные характеристики пучков частиц: флюэнс, поток, плотность энергии,
мощность флюэнса и плотность потока.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза.
Единицы измерения основных дозиметрических величин в СИ и наиболее
часто используемые внесистемные единицы: рад, рентген.
5
Области использования пучково-плазменных технологий
Радиационно-пучковое модифицирование мощными потоками энергии
позволяет получать в поверхностных слоях материалов составы и структуры,
недоступные ни одному из традиционных металлургических способов.
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ
Индустрия наносистем и материалов
Транспортные, авиационные и космические системы
Перечень критических технологий РФ
Нанотехнологии и наноматериалы
Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов
Технологии создания и обработки кристаллических материалов
Технологии создания электронной компонентной базы
Технологии создания биосовместимых материалов
6
К основным приоритетным направлениям развития ТПУ относятся:
1. Рациональное природопользование и глубокая переработка
природных ресурсов (Институт природных ресурсов ИПР)
2. Традиционная и атомная энергетика, альтернативные технологии
производства энергии (Физико-технический институт ФТИ)
3. Нанотехнологии и пучково-плазменные технологии создания
материалов с заданными свойствами (ИФВТ).
4. Интеллектуальные информационно-телекоммуникационные системы
мониторинга и управления.
5. Неразрушающий контроль и диагностика в производственной
и социальной сферах.
7
Модифицирование технологических изделий высокоэнергетическими
пучками (мощными ионными и электронными пучками, лазерным
излучением) позволяет получать в поверхностных слоях материалов
составы и структуры, недоступные ни одному из традиционных
металлургических способов.
При этом образуются твердые растворы и вторичные фазы, не
характерные для равновесной диаграммы фазовых состояний.
Сочетание высокого пресыщения твердого раствора, дисперсного,
структурного и субструктурного строения создает уникальные эффекты
повышения поверхностной прочности, износостойкости и улучшения других
свойств материалов
8
В качестве мощных потоков энергии для пучково-плазменных технологий
используют:
1. Мощные ионные пучки
2. Сильноточные электронные пучки
3. Импульсные лазеры
4. Импульсные источники плазмы (компрессионные источники и др.)
9
Радиационно-пучковое модифицирование металлических изделий мощными
пучками обеспечивает высокие скорости нагрева и последующего охлаждения
их приповерхностного слоя, превышающие 107-108 К/с.
Моделирование изменения профиля температуры в кремниевой мишени после воздействия
МИП.
10
Ablation plasma
Action mechanism
Melt region
Stress wave
Cooling by thermal conduction
A
HPIB
Stress wave
Ion
range
11
Effect of HPIB on target
0.4
1
3
12
КУРС ЛЕКЦИЙ «ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ»
Лекция 1. Введение. Содержание курса. Основные характеристики поля
излучения: флюэнс, поток, плотность энергии, мощность флюэнса и
плотность потока. Энергетические и угловые распределения характеристик
полей излучения.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза. Единицы измерения основных
дозиметрических величин в СИ и наиболее часто используемые
внесистемные единицы: рад, рентген
Лекция 2. Взаимодействие электронного пучка с твердым телом
(одноэлектронное приближение). Характерные энергии, приходящиеся на
один акт взаимодействия. Радиационные дефекты.
Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел
Диссипация заряженных частиц в конденсированных материалах.
Линейный коэффициент взаимодействия (ослабления), или
макроскопическое сечение, массовый коэффициент взаимодействия.
13
Лекция 4. Коллективные эффекты при диссипации пучков заряженных
частиц гигаватной мощности. Особенности диссипации сильноточных
электронных пучков.
Лекция 5. Ускорители электронов: физические основы действия и
классификация. Ускорители прямого действия: принцип работы,
классификация и применение. Источники сильноточных импульсных
электронных пучков гигаватной мощности. Взрывная эмиссия электронов.
Диагностическое оборудование генераторов импульсных пучков
заряженных частиц гигаватной мощности. Измерение высоковольтных
импульсов наносекундной длительности. Измерение импульсных токов.
Лекция 6. Потоки энергии при преобразовании электрической энергии
в энергию, переносимую мощными пучками заряженных частиц. Получение
мощных наносекундных импульсов ускоряющего напряжения в
формирующих линиях с распределёнными параметрами. Получение
мощных наносекундных импульсов ускоряющего напряжения в индуктивноемкостных накопителях энергии. Формирование электронных пучков в
диодных системах. Коллективные процессы при генерации сильноточных
электронных пучков. Закон Чайлд-Ленгмюра.
14
Лекция 7. Методы измерения параметров электронных пучков. Цилиндр
Фарадея. Измерение спектра электронов. Тепловизионная диагностика.
Лекция 8. Источники мощных ионных пучков. Коллективные процессы
при генерации пучков заряженных частиц. Методы подавления электронной
компоненты полного тока. Процессы формирования анодной плазмы.
Лекция 9. Ионный диод с магнитной самоизоляцией. Эффект
плазменного сжатия. Эффект усиления ионного тока.
Лекция 10. Транспортировка и фокусировка мощных ионных пучков.
Генерация мощных пучков ускоренных нейтралов
Лекция 11. Методы измерения параметров ионных пучков.
Коллимированный цилиндр Фарадея. Времяпролетная диагностика.
Спектрометр Томсона. Тепловизионная диагностика.
Лекция 12. Электронно-лучевые технологии.
15
Лекция 13. Модифицирование материалов ионными пучками.
Наноструктурирование приповерхностного слоя металлических изделий
мощным ионным пучком. Радиационные технологии модифицирования
органических материалов.
Лекция 14. Использование абляционной плазмы для формирования пленок
и получения наноразмерных частиц.
Лекция 15. Плазмохимические процессы, инициируемые импульсным
электронным пучком. Функционализация и регулирование гидрофильногидрофобных свойств поверхности полимеров в плазме газового разряда
Лекция 16. Современные методы исследования приповерхностного слоя
изделий. Электронная микроскопия (ПЭМ и СЭМ). Рентгено-структурный
анализ. Вторичная ионная масс-спектрометрия. Оже-спектроскопия.
16
Лекция 17. Основы вакуумной техники. Введение. Уравнение газового состояния.
Единицы измерения давления. Степени вакуума – физический и технический подход.
Методы получения вакуума. Классификация вакуумных насосов по назначению и
принципу действия. Основные параметры вакуумных насосов. Зависимость быстроты
откачки от давленияМеханические вакуумные насосы. Объемные механические
вакуумные насосы. Принцип действия и конструкция. Поршневые насосы. Пластинчатороторные и пластинчато-статорные насосы. Основные марки механических насосов
российских и зарубежных фирм. Сравнительный анализ.
Лекция 18. Механические вакуумные насосы безмаслянной откачки. Жидкостнокольцевые вакуумные насосы. Безмасляные спиральные насосы. Молекулярная откачка.
Турбомолекулярные насосы. Принцип действия, области применения и фирмыпроизводители безмасляных механических насосов.
Струйные вакуумные насосы. Пароструйная и диффузионная откачка. Эжекторный
насос. Диффузионный высоковакуумный насос, принцип действия и типовые
конструкции.
Лекция 19. Методы измерения вакуума. Классификация методов измерения
вакуума. Вакууметры прямого действия. Вакууметры косвенного действия. Тепловые
вакууметры. Ионизационные вакууметры. Деформационные вакуумметры. Вакуумметры
на основе пьезосопротивления. Диапазон измерения и погрешность различных
вакууметров.
17
1. Основные характеристики пучков частиц: флюенс, поток, мощность
флюенса и плотность потока, плотность энергии.
Флюенсом частиц (потоком частиц) называют отношение числа частиц dN, пересёкших
перпендикулярную пучку элементарную площадку dS за данный промежуток времени, к
площади этой площадки.
dN
Фn 
dS
Единицы измерения — м−2 (СИ), 1 м−2 — такой флюенс, при котором в объём сферы с
площадью поперечного сечения 1 м² попадает одна частица.
Мощность флюенса частиц (плотность потока частиц) определяется как производная
по времени от флюенса, накопленного за время t:
dФN (t )
фn 
dt
18
2. Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза.
Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). Санитарные правила и нормативы
Основные радиологические величины и единицы
Величина
Наименование и обозначение
единицы измерения
Си
Соотношения между
единицами
Внесистемные
Поглощенная доза,
D
Грей (Гр, Gy)
Рад (рад, rad)
1 рад-10-2 Гр
1 Гр=1 Дж/кг
Эквивалентная
доза, Н
Зиверт (Зв, Sv)
Бэр (бэр, rem)
1 бэр=10-2 Зв
1 Зв=100 бэр
Экспозиционная доза, X
Кулон/кг
(Кл/кг, C/kg)
Рентген (Р, R)
1 Р=2.58·10-4 Кл/кг
1 Кл/кг=3.88·103 Р
19
Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина.
Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим
излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом
объеме :
D = dE/dm
В единицах системы СИ поглощенная доза измеряется в джоулях,
деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название — Грэй (Гр).
Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого
ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного
вещества.
Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.
20
Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани умноженная на
соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения:
НT,R = W R  DT,R
Для рентгеновского излучения WR = 1.
Единица эквивалентной дозы - зиверт, Зв.
Использовавшаяся ранее внесистемная единица бэр равна 0,01 Зв
или 1 Зв = 100 бэр.
21
Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и
γ-излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную
дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе
вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :
X = dQ/dm
Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р).
Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения, создающая в
1куб. см воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. суммарный заряд
ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества
(в системе СГС).
Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08·109 пар ионов
22
Удельными потерями энергии (линейные потери энергии) или линейной тормозной
способностью вещества S называются потери частицей энергии на единицу пути:
S 
dE
dx
Принято измерять удельные потери энергии в МэВ/см.
Удельная ионизация — это число пар ионов, образующихся в веществе на единице длины
пробега. Удельная ионизация U и удельные потери энергии S связаны соотношением:
S
U
W
где W — средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов.
23
The 25th International Symposium on Discharge and
Electrical Insulation in Vacuum.
24
Релаксация возбужденных частиц в плазме
Релаксация возбужденных нейтральных частиц в низкотемпературной плазме
в основном происходит:
• путем излучения электромагнитного излучения (спектроскопия)
• путем релаксации внутренней избыточной энергии при столкновениях.
26
СПЕКТРОСКОПИЯ
Каждый атом и молекула имеют уникальное строение, которому соответствует
свой спектр излучения при релаксации возбуждения.
Спектр излучения железа.
Спектр излучения водорода.
27
Энергии переходов между уровнями внутренних оболочек электронов
соответствуют вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областям спектра.
Валентные электроны, переходя с уровня на уровень при релаксации в
основное состояние, испускают излучение в ближней инфракрасной,
видимой и ультрафиолетовой областях.
Переходы между колебательными уровнями одного и того же
электронного состояния соответствуют по частотам инфракрасной области
Переходы между вращательными уровнями одного и того же колебательного
состояния попадают в дальнюю инфракрасную и микроволновую области
Разница энергий уровней определяет энергию испущенного фотона,
и следовательно его частоту в соответствии с формулой:
здесь E — энергия, h — постоянная Планка и ν — частота.
28
29
30
31