Разработка новых элементов энергоэффективного электротехнического оборудования на основе исследования физики генерации высокоинтенсивных моноэнергетических пучков ионов в разрядах в скрещенных электрическом и магнитном полях

Разработана физико-математическая модель разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, сочетающая магнито-гидродинамический и квазикинетический подходы. Разработана модель и проведен расчет импульсного ионного ускорителя технологического назначения.
Разработаны конструкции лабораторного образца импульсного ускорителя.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО НАУКЕ И ИННОВАЦИЯМ
Федеральное государственное унитарное предприятие
“Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина”
(ФГУП ВЭИ)


АННОТАЦИЯ РАБОТ,
выполненных по 2 этапу государственного контракта
  от «08» августа 2007г. № 02.516.11.6118
Наименование темы: «Разработка новых элементов энергоэффективного электротехнического оборудования на основе исследования физики генерации высокоинтенсивных моноэнергетических пучков ионов в разрядах в скрещенных электрическом и магнитном полях»
шифр «2007-6-1.6-31-06-006».
Наименование этапа: «Разработка конструкции лабораторного образца стационарного ускорителя ионов»

Работа направлена на поиск путей решения двух проблем, возникающих при создании ионных ускорителей, использующих разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Независимо от того, предназначены такие ускорители для использования в электрореактивных двигателях или являются главным элементом технологических установок, колебательные процессы в разряде и эрозионные процессы, вызываемые бомбардировкой рабочих поверхностей тяжелыми частицами, оказывают принципиальное влияние на выходные характеристики, чистоту ускоренного потока, угловую и энергетическую дисперсии, а так же ресурс ускорителя.
Одной из причин появления и развития колебаний в ионном потоке является неравномерность подачи рабочего или несущего газа. Предложена распределенная система газоподачи, основным элементом которой является мелкопористая диафрагма, в которой диаметр пор и расстояние между ними менее 10 мкм. Экспериментально показано, что применение такой системы газоподачи обеспечивает высокую азимутальную и радиальную равномерность потока нейтрального газа. При выбранном размере пор понижается вероятность возникновения резонансных явлений на частотах, близких к частотам ионных колебаний.
При выборе конструкционных материалов ионного ускорителя предложено использовать принцип минимизации типов конструкционных материалов. Такой принцип был сформулирован при разработке высокотемпературных катодно-подогревательных узлов и успешно реализован при их разработке. Важной особенностью такого подхода является резкое снижение эффекта «перепыления», когда один конструкционный материал под влиянием, например, ионной бомбардировки распыляется и высаживается на поверхности детали, выполненной из другого конструкционного материала, принципиально меняя ее свойства. Показано, что в качестве конструкционного материала энергонапряженных узлов следует использовать композиты на базе углерода: пирографит, пироуглерод, волоконные композиты, терморасщепленный графит. Вариация физических характеристик и технологических возможностей таких материалов очень велика. В частности, эти материалы эффективны при изготовлении системы распределенной газоподачи, анодного узла, экранов разрядного канала и наконечников магнитопровода.
Разработана конструкция лабораторного образца стационарного ускорителя ионов с распределенной системой газоподачи. Причем пористая диафрагма выполнена из углерод-углеродного композита с каркасом из углеродного волокна «Войлокарбон», прошедшего специальную обработку. Технология изготовления такого композита позволяет менять в широких пределах коэффициент пористости. Использование экранов из материалов типа пирографита и пироуглерода для стенок разрядного канала и магнитопровода, позволяет соблюсти принцип минимизации типов конструкционных материалов.
Разработана конструкция стационарного ионного инжектора, формирующего радиально расходящийся поток ускоренных ионов. Устройство предназначено для обработки внутренней поверхности цилиндров.
. Применительно к разработке импульсных ускорителей ионов, с целью повышения их технологических возможностей рассмотрено несколько типов устройств ввода примесей в потоки ионов. Разработаны конструкции ввода в поток несущего газа порошкообразных и жидких примесей, включая жидкие металлы.

И.о. генерального директора ФГУП ВЭИ И.Е. Кудрявцев

Руководитель работы В.П. Шумилин

Изготовлен лабораторный образец стационарного ускорителя ионов, формирующего кольцевой ионный пучок. Изготовлен лабораторный образец импульсного ускорителя ионов с использованием эрозии углеродосодержащих материалов. Разработана методика эксперимента по определению энергетического распределения потока ускоренных ионов.

Проведена экспериментальная отработка режимов работы ускорителей ионов с целью оптимизации процессов их воздействия на материалы подложек.
Определены режимы работы стационарного и импульсного ускорителей ионов, обеспечивающих дисперсию по энергии не более 20% при плотности ионного пучка 100 мА/см2 . Проведен подбор конструкционных материалов ионных ускорителей, предназначенных для работы в составе технологического комплекса. Разработаны два эскизных проекта полноразмерного стационарного ионного ускорителя и импульсного ионного ускорителя. Разработан комплект эскизной конструкторской документации ионного ускорителя, обеспечивающего генерирование пучка с энергией от30 до 300В с дисперсией не более 20%