Плазменно-ионный ускоритель

Плазменно-ионный ускоритель (ускоритель Кауфмана) относится к классу электростатических ускорителей. Первые ионные источники на основе разряда Пеннинга с накаливаемым катодом, в которых вместо одного из торцевых катодов была размещена ионно-оптическая система (двигатели Кауфмана), были разработаны американским физиком Гарольдом Кауфманом (Harold R. Kaufman) в конце пятидесятых годов в качестве ионного двигателя для космических летательных аппаратов. Однако позднее выяснилось, что они могут быть с успехом применены в промышленности в технологии нанесения тонких пленок.

Рисунок 1 – Плазменно-ионный ускоритель с диаметром ионно-оптической системы 140 мм разработки Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»

Рисунок 1 – Плазменно-ионный ускоритель с диаметром ионно-оптической системы 140 мм разработки Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»

Рисунок 2 – Плазменно-ионный ускоритель с диаметром ионно-оптической системы 200 мм разработки Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»

Рисунок 2 – Плазменно-ионный ускоритель с диаметром ионно-оптической системы 200 мм разработки Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»

В плазменно-ионном ускорителе ускорение ионизированного рабочего вещества сопровождается разделением разноименно заряженных частиц. При этом положительно заряженные частицы (ионы) разгоняются до заданной скорости под действием постоянного электрического поля создаваемого ионно-оптической системой, а отрицательно заряженные частицы (электроны) уходят на анод. Из ускорителя выходит поток ионов. Для нейтрализации пространственного заряда ионов в поток инжектируются электроны.

Рабочие тела, используемые в плазменно-ионных ускорителях можно условно разить на две группы: а) жидкометаллические (в ускоритель подаются пары металлов); б) газообразные. Металлические рабочие тела применялись на ранних стадиях разработок, при этом в основном использовались цезий и ртуть. Выбраны они были из-за большого атомного веса, высокой энергии ионизации и простоты управления потоком с помощью испарителя. Однако, применение металлов в качестве рабочих тел породило проблему загрязнения поверхностей космического аппарата и окружающего пространства. Осаждение ртути или цезия на поверхностях космического летательного аппарата и его оборудовании приводило к изменению физических свойств этих поверхностей, что влияло на их работу. Это недостаток удалось устранить путём применения в качестве рабочих тел инертных газов (аргона, крептона, ксенона), при этом характеристики плазменно-ионных ускорителей не уступали двигателям, работающим на жидких металлах.

Конструктивно плазменный ионный ускоритель состоит из следующих основных узлов (Рисунок 3): газоразрядной камеры 1, ионно-оптической системы 2, магнитной системы 3 и, при необходимости, катода-компенсатора 4, расположенного на выходе ускорителя.

1 – газоразрядная камера; 2 – ионно-оптическая система; 3 – магнитная система; 4 – катод-компенсатор; 5 – катодный узел; 6 – анодный узел; 7 – корпус.

Рисунок 3 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя
1 – газоразрядная камера; 2 – ионно-оптическая система; 3 – магнитная система; 4 – катод-компенсатор; 5 – катодный узел; 6 – анодный узел; 7 – корпус.

Как правило, газоразрядная камера является основной несущей конструкцией плазменного ионного ускорителя. Она имеет цилиндрическую форму и изготовлена из нержавеющей стали. В объеме газоразрядной камеры происходит ионизация рабочего газа.
Внутри газоразрядной камеры расположены: катодный 5 и анодный 6 узлы и элементы магнитопровода. Катодный узел представляет собой держатель, в котором располагается полый катод. Полый катод относится к классу плазменных эмиттеров электронов. Анодный узел содержит анодный коллектор и непосредственно анод, чаще всего изготовленные из нержавеющей стали. Магнитная система предназначена для создания магнитного поля в объеме газоразрядной камеры. Основное назначение магнитного поля – обеспечение высокой степени ионизации атомов рабочего газа во время горения газового разряда.
Источником первичных электронов является полый катод. В пространстве между катодом и анодом под действием электрического и магнитного полей движутся свободные электроны, в результате соударений которых с атомами происходит ионизация рабочего газа. Образовавшиеся вторичные электроны в свою очередь разгоняются в поле ионизационной камеры и участвуют в ионизации атомов.
Образовавшиеся в газоразрядной камере ионы ускоряются в ионно-оптической системе.

Вначале применялись плазменные ионные ускорители с осесимметричным магнитным полем (Рисунок 4). Данные ускорители имели достаточно простую конструкцию и состояли из катода 1, цилиндрического анода 2, расположенных внутри газоразрядной камеры 3, а также ионно-оптической системы, включающей в себя экранирующий электрод 4 и ускоряющий электрод 5. Подобная конструкция до сих пор применяются при создании небольших ионных источников. Однако с использованием данной конструкции оказалось невозможно добиться необходимой равномерности ионного пучка при создании крупных ионных источников, что негативно сказывалось на качестве обработки изделий, а также приводило к неравномерному износу ионно-оптической системы.

Рисунок 4 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя с осесимметричным магнитным полем 1 – катод, 2 – анод, 3 – газоразрядная камера, 4 – экранный электрод, 5 – вытягивающий электрод

Рисунок 4 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя с осесимметричным магнитным полем
1 – катод, 2 – анод, 3 – газоразрядная камера, 4 – экранный электрод, 5 – вытягивающий электрод

Рисунок 5 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя с многополюсной газоразрядной камерой 1 – катод, 2 – аноды, 3 – газоразрядная камера, 4 – экранный электрод, 5 – вытягивающий электрод, 6 – полюсные пластины магнитной системы.

Рисунок 5 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя с многополюсной газоразрядной камерой
1 – катод, 2 – аноды, 3 – газоразрядная камера, 4 – экранный электрод, 5 – вытягивающий электрод, 6 – полюсные пластины магнитной системы.

Рисунок 6 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя с радиальным магнитным полем 1 – катод, 2 – анод, 3 – газоразрядная камера, 4 – экранный электрод, 5 – вытягивающий электрод, 6 – магнитная система

Рисунок 6 – Конструктивная схема плазменно-ионного ускорителя с радиальным магнитным полем
1 – катод, 2 – анод, 3 – газоразрядная камера, 4 – экранный электрод, 5 – вытягивающий электрод, 6 – магнитная система

Для крупных плазменных ионных ускорителей более удачным решением явилось применение газоразрядной камеры многополюсного типа (Рисунок 5). В этом случае удается получить внутри газоразрядной камеры столб однородной плазмы большего диаметра [1]. Как следствие, при помощи плазменного ионного ускорителя данной конструкции можно получать более равномерные пучки ионов.
При всех своих достоинствах подобные ускорители имеют довольно сложную конструкцию. В связи с этим при изготовлении технологических плазменных ионных ускорителей чаще применяется газоразрядная камера с радиальным магнитным полем (Рисунок 6). Это позволяет существенно упростить конструкцию всего ускорителя в целом, добившись при этом достаточно высокой равномерности ионного пучка [2].
В плазменно-ионных ускорителях чаще всего применяется двухэлектродная ионно-оптическая система. Сейчас электроды ионно-оптической системы выполняются в виде сферических перфорированных сеток. Первый электрод, называемый экранным, крепится непосредственно к торцу газоразрядной камеры и находится с ней под одним положительным электрическим потенциалом. Второй электрод, называемый ускоряющим, крепится к торцу газоразрядной камеры через высоковольтные изоляторы и находится по отношению к ней и экранному электроду под отрицательным электрическим потенциалом. Между экранным и ускоряющим электродами устанавливается зазор ~ 1 мм. На ранних этапах развития конструкции плазменно-ионных ускорителей электроды ионно-оптической системы делались плоскими. В процессе работы в результате нагрева происходило их коробление, что приводило к непредсказуемому изменению зазора между экранным и ускоряющим электродами и даже их закоротке. Применение сферических электродов при изготовлении ионно-оптических систем позволило сохранять между ними в процессе нагрева заданный зазор благодаря тому, что термические деформации в них происходят синхронно.
Электрическое поле ускоряющего электрода проникает сквозь отверстия экранного электрода, в результате чего происходит вытягивание ионов из газо-разрядной камеры и дальнейшее их ускорение в промежутке между экранным и ускоряющим электродами.
При необходимости после ускоряющего электрода снаружи плазменно-ионного ускорителя устанавливается газоразрядный полый катод-компенсатор, который поставляет электроны в выходящий пучок ионов и нейтрализует их пространственный заряд.
Газоразрядная камера через высоковольтные изоляторы крепится к корпусу плазменного ионного ускорителя. Корпус плазменного ионного ускорителя электрически изолирован от газоразрядной камеры и ионно-оптической системы и обычно находится под нулевым потенциалом.

Рисунок 7 – Один из первых советских плазменно-ионных двигателей в разрезе

Рисунок 7 – Один из первых советских плазменно-ионных двигателей в разрезе

Рисунок 8 – Ускоряющий электрод сферической ионно-оптической системы с антиэрозионным покрытием

Рисунок 8 – Ускоряющий электрод сферической ионно-оптической системы с антиэрозионным покрытием

Рисунок 9 – Плазменно-ионный ускоритель во время работы

Рисунок 9 – Плазменно-ионный ускоритель во время работы

Плазменный ионный ускоритель (ускоритель Кауфмана) обладает рядом уникальных качеств, делающих его незаменимым и универсальным инструментом для реализации различных задач по модификации поверхностей деталей машин и механизмов:

  •  возможность получения пучков, как ионов, так и нейтральных атомов;
  •  возможность плавного регулирования энергии частиц в пучке в весьма широких пределах;
  •  высокая равномерность плотности тока по сечению пучка, что позволяет чётко соблюдать заданный режим обработки по всей поверхности обрабатываемой детали;
  •  возможность плавного регулирования плотности тока пучка в широких пределах.

Это позволяет выполнять при помощи плазменного ионного ускорителя следующие виды операций:

  •  очитку и активацию поверхностей деталей машин и механизмов перед нанесением на них различных покрытий;
  •  удаление дефектных слоёв с деталей при проведении их ремонта;
  •  изменение шероховатости поверхностей деталей (ионная полировка);
  •  ионную имплантацию.

В зависимости от режима работы плазменно-ионного ускорителя происходит различное воздействие на обрабатываемую поверхность. При работе в режимах, характеризующихся высокими энергиями ионов (~1,5÷3 кЭв) и максимальной плотностью ионного тока (~4÷5 мА/см2), происходит интенсивное ионное травление поверхности. В случае длительного воздействия на поверхность детали с покрытием, возможно его полное удаление (Рисунок 10), а также частичное удаление (Рисунок 11). Следует отметить, что при удалении старого покрытия данным методом не происходит межкристаллического травления материала основы, что характерно для реактивного травления.

Микрошлиф детали перед полным удалением покрытия

Микрошлиф детали перед полным удалением покрытия

Микрошлиф детали после полного удаления покрытия

Микрошлиф детали после полного удаления покрытия

 Рисунок 10

Микрошлиф детали перед частичным удалением покрытия

Микрошлиф детали перед частичным удалением покрытия

Микрошлиф детали после частичного удаления покрытия

Микрошлиф детали после частичного удаления покрытия

Рисунок 11

Литература:
1. Kaufman H.R., Robinson R.S., “Ion Source Design for Industrial Application”, AIAA Journal, 1982, v.20, №6. pp. 745-760.

2. Белан, Н. В. Применение плазменного ионного ускорителя при производстве и ремонте изделий авиационно-космической техники [Текст] / Н. В. Белан, А. Н. Прокопенко, Н. П. Степанушкин, Д. В. Слюсарь, В. В. Севернюк // Новые разработки и технологии в газотурбостроении. Материалы 2-ой научно- техн. конф., 23-25 июня 2004 г., Кривой Рог, Констар. – С. 63-66.

3. Степанушкин, Н.П. Использование плазменного ионного ускорителя для обработки поверхностей [Текст] / Н.П. Степанушкин, Д.В. Слюсарь, В.П. Колесник, О.В. Жорник // The 2-nd Korea-Ukraine Gas Turbine Technology Symposium. August 25-26, 2005. – Р. 89-94.

Для ознакомления с существующими моделями плазменно-ионных ионных ускорителей перейдите в раздел каталога Плазменно-ионные ускорители