Electrophysical and Plasma Installations

Электрофизические и плазменные установки
- Введение. Области применения электрофизических и плазменных установок.
Импульсные и непрерывные источники высокого напряжения
- Пробой в газах. Газоразрядные источники плазмы.
- Вакуумный пробой. Взрывная эмиссия электронов.
- Формирование электронного пучка в планарном диоде, закон ЧайльдаЛенгмюра .
- Импульсные ускорители электронов .
- Источники мощных ионных пучков .
- Плазменные источники, плазматроны .
- Ионные источники .
Введение, содержание лекции
•
•
•
•
Электроразрядные технологии: элекроразрядное бурение, буронабивные
скважины, очистка питьевой воды, переработка минерального сырья,
дефрагментация бетона, получение нанопорошков.
Плазменные технологии: плазмохимия, химические технологии, осаждение
функциональных покрытий, поверхностная обработка очистка изделий,
объёмная имплантация, источники мягкорентгеновского излучения,
импульсные нейтронные источники.
Радиационно-пучковые технологии: импульсная плазмохимия, получение
нанопорошков, радиационная физика, радиационная химия, биология,
решение экологических задач, модифицирование металлических
полупроводниковых материалов, осаждение нанокомпозитных пленок.
Обработка поверхности металлических материалов.
Источники высокого напряжения, импульсные высоковольтные
трансформаторы, генераторы Аркадьева-Маркса, формирующие линии с
распределенными параметрами, методы измерения импульсных напряжений
в высоковольтных установках. Примеры используемых высоковольтных
генераторов для электроразрядных и пучково-плазменных технологий.
Радиационно-пучковые технологии
• Понятие радиационно-пучковых технологий
(РПТ).
• Отличие РПТ от термохимических технологий.
• Источники ионизирующих излучений.
• Понятие технологии.
• Национальные критические технологии.
• Литература
Радиационно-пучковые технологии определение
Радиационно-пучковые технологии (РПТ) использует методы, приемы и
устройства в которых используются ионизирующие излучения.
Становление и развитие радиационной технологии как отдельной
области произошло в последние 50 лет.
Первые радиационные процессы, внедренные в народное хозяйство:
• Радиационная стерилизация медицинского инструмента,
• Радиационная сшивка полиэтиленовой изоляции электрических
проводов,
• Стерилизация зерновой продукции.
Принципиальное отличие радиационной технологии
от термических и термохимических технологий
Энергия излучения расходуется, в основном, на создание в
веществе заряженных, возбужденных частиц, являющихся
непосредственными инициаторами последующих реакций,
а не на нагрев вещества, возбуждение колебаний
кристаллической решетки, например, в твердом теле.
Радиационная обработка отличается значительно более
высокой экономичностью, как правило.
Соотношение энергозатрат при
термической и радиационной стерилизации
Задача: Определить количество энергии требуемое для
стерилизации питьевой воды (например от кишечной
палочки).
Исходные данные:
• Вода - 1 л.
• Тепловой нагрев до 1000C
• Воздействие ионизирующего излучения – 100кРад(1кГр)
Источники ионизирующих излучений,
используемых в РПТ:
•
•
•
•
•
•
радиоизотопные источники γ–излучения 60Co,
в меньшей степени 137Cs,
источники β-излучения 90Sr + 90 Y,
электронные ускорители,
ионные ускорители,
ядерные реакторы.
Ограниченное использование в РПТ находит γ–излучение,
генерируемое отработанными тепловыделяющими элементами
ядерных реакторов.
радиоизотопные источники, ядерные реакторы, которые требуют
специальных мер защиты, контроля, вывода из эксплуатации
использовать только в РПТ не рационально.
Структурная схема РПТ.
•
•
•
•
•
•
•
Техника для обработки. Импульсные и непрерывные источники ионных, электронных
пучков, нейтральных атомов, микрочастиц, лазерное излучение.
Методы обработки. Имплантация, распыление, осаждение пленок покрытий,
перемешивание, нагрев, деформирование и др.
Регулируемые параметры. Ток заряженных частиц, флюенс, энергия, вид излучения,
масса частиц, длительность импульса, температура мишени, окружающая среда и др.
Технологические задачи. Изменение топографии и активации поверхности, структуры
и химического состава поверхностного слоя, нанесение или удаление слоев,
залечивание дефектов поверхности и др.
Результат обработки. Модифицированные (измененные) шероховатость поверхности,
глубина модифицированного слоя, его структура, фазовое состояние, количество
осажденных слоев, адгезионная способность поверхности, уровень остаточных
напряжений и др.
Эксплуатационные и другие свойства. Износостойкость, эрозионная и коррозионная
стойкость, твердость, прочность, выносливость, термостойкость, сопротивление
трению, водопроницаемость, электропроводность (диэлектриков), эмиссионные
характеристики и др.
Диагностика. Параметры пучков, плазмы, излучения, модифицированного слоя,
поверхности – результатов воздействия, эксплуатационных и других свойств.
Проблемы сдерживающие развитие РПТ
• Радиофобия.
• Ограниченная номенклатура промышленных источников электронных
и ионных пучков.
• Недостаточные финансовые вложения в разработку технологических
процессов.
Понятие технологии. Национальные
критические технологии
Технология = технологический процесс +
оборудование для его реализации.
Технологический процесс – это совокупность условий, шагов для
достижения необходимого результата. Как правило, это четкий
регламент реализации технологии.
РПТ :
• радиационно-химические,
• радиационно-физические,
• радиационно-биологические и медицинские,
• пучково-плазменные.
Основные виды (направления) РПТ
технологий
Радиационнопучковая технология
Радиационнохимическая
Радиационнобиологическая
и медицинская
Радиационнофизическая
Ионизирующее излучение
Технологические процессы

Радиационное модифицирование,
•Электронные пучки,

Радиационная полимеризация
•γ–излучение
(тормозное
(отвержение, прививочная полимеризация),
рентгеновское излучение)
•Электронные пучки,
•γ–излучение
(тормозное
рентгеновское излучение)
•Ионные пучки
•Ионные пучки,
•Электронные пучки,
•γ–излучение
(тормозное
рентгеновское излучение)

Радиационная деструкция,

Экология,
и др.



Радиационная стерилизация,
Радиационная деструкция в медицине,
Радиационная
диагностика,
и др.

Ионная
имплантация
в
полупроводники,
металлические
материалы,
Радиационные испытания объектов
электронной техники,
Контроль
изделий,
диагностика,
и др.
Модифицирование материалов,
Плавка, сварка
Плазмохимия,
Синтез наночастиц,


Пучковоплазменная
•Электронные пучки,
•Импульсные
электронные,
ионные пучки, плазменные
потоки,




и др.
Радиационно-пучковые технологии
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ.
Взаимодействие заряженных частиц, нейтронов и γ – квантов с веществом
По механизму прохождения частиц через вещество, взаимодействия с веществом
частицы рассматриваемые в данном курсе условно делятся на четыре группы:
• Тяжелые заряженные частицы (α, p, d, t, легкие и тяжелые ионы),
• Легкие заряженные частицы (e -, e+),
• γ – Излучение,
• нейтроны (n).
В данном разделе будем рассматривать взаимодействие заряженных частиц, γ –
квантов с веществом.
Виды взаимодействия
В атомной и ядерной физике рассматривается, в основном, три вида
взаимодействия излучения с веществом: электромагнитное, слабое и сильное.
Вкладом гравитационного взаимодействия пренебрегают вследствие его малой
величины.
Взаимодействие
Сечение взаимодействия
(в относительных единицах)
Сильное
Электромагнитное
Слабое
1
10-2
10-6
Частицы
Расстояние,
см
~ 10-13
p, n
Все частицы
Все частицы ~ 10-16
Формы проявления видов взаимодействия
•
Сильное взаимодействие – притяжение между нуклонами, находящимися на очень малых (~10-13см)
расстояниях друг от друга внутри атомного ядра.
•
-
Электромагнитное взаимодействие
для заряженных частиц:
кулоновское рассеяние,
ионизационное торможение,
излучение Вавилова – Черенкова,
синхротронное и переходное излучение;
для γ – квантов:
фотоэффект,
эффект Комптона,
образование электрон-позитронных пар,
γ – переходы в ядрах,
фотоядерные реакции;
для нейтронов:
поляризация при прохождении через ферромагнетик,
магнитное удержание холодных нейтронов и др.
•
Слабое взаимодействие - β – распад.
-
-
Упругое и неупругое взаимодействие:
• Упругое рассеяние – процесс взаимодействия частиц, при котором
сохраняется полная кинетическая энергия всех взаимодействующих
частиц, но происходит перераспределение энергии между частицами.
• Неупругое рассеяние – процесс взаимодействия, при котором часть
полной энергии расходуется на возбуждение внутренних степеней
свободы атома или ядра, энергию излучения или энергию
образующихся частиц.
Удельные потери энергии. Линейная тормозная
способность вещества S
Определение: линейной тормозной способностью вещества S называются
потери частицей энергии на единицу пути:
S = (-dE/dx)
Принято измерять потери энергии в МэВ/см.
Тормозная способность вещества зависит от его плотности, поэтому потери
энергии характеризуются через массовую тормозную способность - SM,
которая соответствует удельным потерям энергии в слое поглощающего
материала толщиной 1г/см2:
SM ~ (1/ρ)
S = - (1/ρ) dE/dx [MэВ/(г/см2)],
где ρ – плотность вещества.
Удельные потери энергии. Правило Брэгга
Правило Брэгга (композиционный закон Брэгга): если вещество
представляет собой химическое соединение, то его тормозная
способность складывается с соответствующими весами из тормозных
способностей составляющих его химических элементов:
S = - (1/ρ) dE/dx = (1/М) ΣniAi[- (1/ρ) dE/dx]i,
где M – молекулярный вес соединения, ni – количество атомов i-го сорта с
атомным весом Ai в единице объёма.
Пробеги частиц в веществе. Определения
• Максимальным пробегом называется толщина слоя
вещества R, в котором задерживаются все частицы
пучка
• Средним пробегом называется слой вещества Rср,
который проходят частицы в среднем:
Rср = ΣNixi/ΣNi = ∫xN(x)dx/∫N(x)dx,
где Ni –число частиц, прошедших слой xi.
• Флуктуации длины пробега называются разбросом
пробега частиц или стрэгглингом.
Пробеги частиц.
Зависимость числа частиц от глубины пробега в веществе, а) протонов или ионов,
б) электронов.
Для электронов существует понятие как среднего так и экстраполированного пробега.
Характеристики пучка.
•
•
•
•
тип частиц,
энергия,
интенсивность,
энергетический спектр – распределение числа
частиц по энергии,
• распределение числа частиц по сечению пучка,
• временная структура пучка,
• поперечный и продольный импульсы.
Интенсивность пучка (I)
Интенсивность пучка (I) – ток пучка (на практике) – Nq/t. Пучки бывают непрерывными и импульсными.
Интенсивность импульсного пучка (I) определяется : частотой следования имп. в секунду – f и кол- вом частиц в
импульсе –N:
I = f N.
Плотность тока импульсного пучка:
jимп = q/tимп,
где q – величина заряда на единицу площади сечения пучка.
Измеряемой величиной в пучке является его ток (I) или плотность тока (j), число частиц переносимое пучком за
время t:
N = I∙ t /Z∙e,
где e – элементарный заряд (e ≈ 1.6∙ 10-19 Кл), Z – средний заряд ионов в пучке (для электронного пучка Z=1), I
выражается в амперах.
Критические технологии.
Каждая высокоразвитая страна имеет перечень
критических технологий, определяющих
национальные потребности общества
Критические технологии.
№п/п
1
2
3
4
5
6
7
Критическая технология
Новые материалы и химические продукты
Экология и рациональное природопользование
Производственные технологии
Информационные технологии и электроника
Топливо и энергетика
Технология живых систем
Транспорт
Критические технологии. Новые материалы и
химические продукты
•
•
•
•
•
•
материалы для микро - и наноэлектроники,
композиты, керамики и нанокерамики,
металлы и сплавы с особыми свойствами,
сверхтвердыми материалы,
биосовместимые материалы, катализаторы,
мембраны, дизайн химических продуктов, и материалов с заданными
свойствами .
Создание новых материалов не возможно реализовать без использования РПТ.
Критические технологии. Экология и
рациональное природопользование
Европейское сообщество проблему воды – составную часть этой
критической технологии поставила на первое место среди других
направлений (6-ое рамочное соглашение).
Международное сообщество в лице МАГАТЭ на своем совещании в
1999г рекомендовало к применению как наиболее эффективный метод
очистки сточных вод - использование электронных ускорителей, как
наиболее универсальный и эффективный метод.
Экологические применения в других направлениях интенсивно
разрабатываются в настоящее время.
Литература
• Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и
техники ускорителей. Т.3 Линейные ускорители. М.:
Энергоиздат, 1981, 199с
• Тамм И.Е. Основы теории элетричества. М.: Наука,
1989.
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские
лекции по физике, Т.5 (Электричество и магнетизм),
Т.6 (Электродинамика). Пер с англ., под ред.
Смородинского. М.: Мир, 1966.
• Черняев А.П. Взаимодействие ионизирующего
излучения с веществом. М.: Физматлит, 2004, 152с.
Литература
• В.А. Грибков и др., под ред. Калина Б.А.
Перспективные радиационно-пучковые
технологии обработки материалов. М.2001, 528с.
• Пикаев А.К. Современное состояние
радиационной технологии. Успехи химии, 1995, т.
64, вып.6, с. 609 – 639.
• Пикаев А.К. Новые экологичесие применения
радиационной технологии, Химия высоких
энергий, 2001, т. 35, №3, с. 175-187.