Динамическое управление мощностью электронного пучка субмиллисекундной длительности для контроля скорости ввода энергии в поверхность металлических материалов

К.Т. Ашурова, к.т.н. М.С. Воробьёв, В.Н. Девятков, д.т.н. Н.Н. Коваль, П.В. Москвин, В.И. Шин

Экспериментально и теоретически продемонстрирован уникальный способ управления мощностью субмиллисекундного электронного пучка в течение его импульса в источнике электронов с сеточным плазменным катодом. Такой способ, основанный на использовании амплитудно- и широтно-модулированного тока дугового разряда, ответственного за генерацию эмиссионной плазмы, позволяет генерировать субмиллисекундные пучки переменной мощности (до 10 МВт при максимальной скорости изменения не более 0,5 МВт/мкс), которые, в том числе, можно использовать для обработки различных металлических материалов с целью изменения функциональных свойств их поверхности с возможностью управления скоростью ввода энергии пучка в материал. Разработанный способ расширяет технологические возможности импульсной электронно-пучковой модификации поверхности материалов и изделий и перспективен для использования в промышленности. На рис. 1 представлен пример генерации пучка, позволяющий удерживать температуру поверхности образца силумина на уровне T≈1000 °С с коэффициентом пульсации температуры менее 15%, который, может быть существенно уменьшен при использовании более прецизионного источника электропитания разряда.

Рис. 1. Характерные осциллограммы тока дугового разряда I_d, 20 A/дел. (голубой), тока в ускоряющем промежутка I₀, 20 A/дел. (фиолетовый), ускоряющего напряжения U₀, 5 кВ/дел. (зелёный) и температуры поверхности образца силумина T (оранжевый), оцениваемая как T=308+164·U, где U = 1 В/дел., развертка 100 мкс/дел. а) - эксперимент; б) - численное моделирование (сплошная линия), экспериментальные результаты (прерывистая линия).

Публикации

1. М.С. Воробьёв, П.В. Москвин, В.И. Шин, Н.Н. Коваль, К.Т. Ашурова, С.Ю. Дорошкевич, В.Н. Девятков, М.С. Торба, В.А. Леванисов. Динамическое управление мощностью мегаваттного электронного пучка субмиллисекудной длительности в источнике с плазменным катодом // Письма в ЖТФ. – 2021. – Т. 47. – вып. 10. – С. 38-42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.10.50972.18719
2. P.V. Moskvin, V.N. Devyatkov, M.S. Vorobyov, V.I. Shin, I.V. Lopatin, N.N. Koval, S. Yu. Doroshkevich, M.S. Torba. Electron beam generation in an arc plasma source with an auxiliary anode plasma // Vacuum. – 2021. – V. 191. – P. 110338. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110338
3. M. Vorobyov, T. Koval, V. Shin, P. Moskvin, My Kim An Tran, N. Koval, K. Ashurova, S. Doroshkevich, M. Torba. Controlling the Specimen Surface Temperature During Irradiation with a Submillisecond Electron Beam Produced by a Plasma-Cathode Electron Source // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2021. – V. 49. – № 9. – P. 2550 – 2553. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3089001

Результат получен в рамках проекта РНФ № 20-79-10015 «Научные основы генерации мегаваттных амплитудно- и широтно-модулированных электронных пучков субмиллисекундной длительности на основе источника с плазменным катодом для эффективной модификации поверхности металлов и сплавов».

Приоритетное направление

1.3.4.4. Физика плазменных устройств

Результат получен сотрудниками  ЛПЭЭ