Пучковые и ионно-плазменные технологи

В ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в течение многих лет разрабатываются и внедряются пучковые и ионно-плазменные технологии. Импульсные электронные пучки применяются для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности материалов. Широкоапертурные ускорители электронов использу...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вопросы атомной науки и техники
Datum:2002
Hauptverfasser: Ворогушин, М.Ф., Глухих, В.А., Манукян, Г.Ш., Карпов, Д.А., Свиньин, М.П., Энгелько, В.И., Яценко, Б.П.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2002
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80093
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Пучковые и ионно-плазменные технологи / М.Ф. Ворогушин, В.А. Глухих, Г.Ш. Манукян, Д.А. Карпов, М.П. Свиньин, В.И. Энгелько, Б.П. Яценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 3. — С. 101-109. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859834643570753536
author Ворогушин, М.Ф.
Глухих, В.А.
Манукян, Г.Ш.
Карпов, Д.А.
Свиньин, М.П.
Энгелько, В.И.
Яценко, Б.П.
author_facet Ворогушин, М.Ф.
Глухих, В.А.
Манукян, Г.Ш.
Карпов, Д.А.
Свиньин, М.П.
Энгелько, В.И.
Яценко, Б.П.
citation_txt Пучковые и ионно-плазменные технологи / М.Ф. Ворогушин, В.А. Глухих, Г.Ш. Манукян, Д.А. Карпов, М.П. Свиньин, В.И. Энгелько, Б.П. Яценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 3. — С. 101-109. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description В ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в течение многих лет разрабатываются и внедряются пучковые и ионно-плазменные технологии. Импульсные электронные пучки применяются для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности материалов. Широкоапертурные ускорители электронов используются для радиационно-химической модификации полимерных материалов. На базе линейных и высоковольтных ускорителей электронов освоены промышленное производство кровельного материала «КРОВЛЕН», двухслойной термоусаживающейся полимерной ленты для защиты подземных газо- и нефтепроводов от коррозии, вспененного полиэтилена и полимерной ленты адгезивным слоем, стерилизация изделий медицинского назначения и т.д. Для высокодозной имплантации и активационного анализа разработаны ускорители различных сортов ионов. Ионно-плазменные установки применяются для нанесения на поверхность изделий пленок металлов, сплавов и диэлектриков. В ФДУП НДІЕФА ім. Д.В. Єфремова протягом багатьох років розробляються та впроваждуються пучкові та іонно-пламові технології. Імпульсні електронні пучки застосовуються для підвищення зносостійкості, корозійної стійкості, динамічної міцності матеріалів. Широкоапертурні прискорювачі електронів використовуються для радіаційно-хімічної модифікації полімерних матеріалів . На базі лінійних та високовольтних прискорювачей електронів освоєні промислове виробництво кровельного матеріалу "КРОВЛЕН", двошарової термоусаджуваної полімерної стрічки для захисту підземних газо- та нафтопроводів від корозії, пінного поліетилену та полімерної стрічки адгезивним шаром, стерилізація виробів мeдичного призначення і таке інше. Для високодозної імплантації та активаційного аналізу розроблені прискорювачі різних сортів іонів. Іонно-плазмові пристрої застосовуються для нанесення на поверхню виробів плівок металів, сплавів та діелектриків. In FSUP "NIIEFA" during many years beams and ion-plasma technologies are developed and introduced. Pulsed electron beams are used for the increase of wear resistance, corrosion resistance and dynamic strength of materials. Large aperture electron accelerator are used for the radiation-chemical modification of polymer materials. On the base of linear and high-voltage electron accelerator the industrial production of roofing material is adopted; also are developed the production of two-layers thermal-shrinking band for the protection of underground gas and petroleum pipe-line from corrosion, production of foam polyethylene and polymer band by adhesive layer, sterilization of medical instruments. For the high-dose implantation and activation analysis different ions accelerators were developed. Ion-plasma installation are fabricated. Ion-plasma installation are used for the deposition of metal, alloy and dielectric films on the surface.
first_indexed 2025-12-07T15:34:33Z
format Article
fulltext РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УДК 537.534 ПУЧКОВЫЕ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ М.Ф.Ворогушин, В.А.Глухих, Г.Ш.Манукян, Д.А.Карпов, М.П.Свиньин, В.И.Энгелько, Б.П.Яценко ФГУП НИИЭФА им.Д.В.Ефремова, г.Санкт-Петербург, Россия В ФДУП НДІЕФА ім. Д.В.Єфремова протягом багатьох років розробляються та впроваждуються пучкові та іонно- пламові технології. Імпульсні електронні пучки застосовуються для підвищення зносостійкості, корозійної стійкості, динамічної міцності матеріалів. Широкоапертурні прискорювачі електронів використовуються для радіаційно-хімічної модифікації полімерних матеріалів . На базі лінійних та високовольтних прискорювачей електронів освоєні промислове виробництво кровельного матеріалу "КРОВЛЕН", двошарової термоусаджуваної полімерної стрічки для захисту підземних газо- та нафтопроводів від корозії, пінного поліетилену та полімерної стрічки адгезивним шаром, стерилізація виробів мeдичного призначення і таке інше. Для високодозної імплантації та активаційного аналізу розроблені прискорювачі різних сортів іонів. Іонно-плазмові пристрої застосовуються для нанесення на поверхню виробів плівок металів, сплавів та діелектриків. В ФГУП НИИЭФА им.Д.В.Ефремова в течение многих лет разрабатываются и внедряются пучковые и ионно-плаз- менные технологии. Импульсные электронные пучки применяются для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности материалов. Широкоапертурные ускорители электронов используются для радиа- ционно-химической модификации полимерных материалов. На базе линейных и высоковольтных ускорителей электро- нов освоены промышленное производство кровельного материала «КРОВЛЕН», двухслойной термоусаживающейся по- лимерной ленты для защиты подземных газо- и нефтепроводов от коррозии, вспененного полиэтилена и полимерной ленты адгезивным слоем, стерилизация изделий медицинского назначения и т.д. Для высокодозной имплантации и акти- вационного анализа разработаны ускорители различных сортов ионов. Ионно-плазменные установки применяются для нанесения на поверхность изделий пленок металлов, сплавов и диэлектриков. In FSUP "NIIEFA" during many years beams and ion-plasma technologies are developed and introduced. Pulsed electron beams are used for the increase of wear resistance, corrosion resistance and dynamic strength of materials. Large aperture elec- tron accelerator are used for the radiation-chemical modification of polymer materials. On the base of linear and high-voltage electron accelerator the industrial production of roofing material is adopted; also are developed the production of two-layers ther- mal-shrinking band for the protection of underground gas and petroleum pipe-line from corrosion, production of foam polyethy- lene and polymer band by adhesive layer, sterilization of medical instruments. For the high-dose implantation and activation analysis different ions accelerators were developed. Ion-plasma installation are fabricated . Ion-plasma installation are used for the deposition of metal, alloy and dielectric films on the surface. ПУЧКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 1. Модификация материалов воздействием электронными и ионными пучками Во многих странах разрабатываются и внедряют- ся в промышленное производство пучковые техно- логии модификации поверхности материалов. Эти- ми технологиями достигается повышение износо- стойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности изделий, полировка поверхности, умень- шение коэффициента трения, удаление отработан- ных покрытий. Интерес к этим технологиям обу- словлен тем, что их применение в промышленности вместо традиционных методов (термообработка в печах, закалка в кислотных и солевых растворах, гальваническое нанесение покрытий) экономит электроэнергию, повышает эффективность произ- водства, уменьшает или исключает экологически вредные последствия производства. В ряде случаев плазменно-пучковая технология позволяет получать такие структурно-фазовые состояния материалов, которые при традиционных методах воздействия не реализуются. Проведённые в НИИЭФА совместно с другими российскими и зарубежными организациями иссле- дования позволили определить перспективные направления пучковых технологий модификации материалов. К ним относятся: • модификация поверхности металлов и сплавов мощными импульсными электронными пучка- ми; • радиационно-химическая модификация поли- мерных материалов; • модификация поверхности материалов ионной имплантацией. __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 101 1.1. Модификация поверхности металлов и спла- вов мощными импульсными электронными пуч- ками При воздействии мощных импульсных электрон- ных пучков на материал его слой толщиной порядка длины пробега электронов (в данном материале 10…100 мкм) очень быстро нагревается до темпера- туры фазовых переходов. По окончании импульса пучка нагретый слой быстро охлаждается процессом теплопроводности в глубину материала. В результате изменяются свой- ства поверхностного слоя: • изменяется микроструктура − размер зерна уменьшается от сотен микрон до долей микро- на, возможен переход в аморфное состояние; • изменяется фазовый состав, при этом возможно появление метастабильных фаз и соединений, которые при обычных методах термообработки образоваться не могут; • гомогенизируется фазовый состав, например, измельчаются и однородно распределяются кар- биды в сталях. Следствием таких изменений является повыше- ние твёрдости, коррозионной стойкости и износо- стойкости поверхности материалов, уменьшение ко- эффициента трения, повышение динамической прочности изделий. Модификация поверхности металлов и сплавов мощными импульсными электронными пучками осуществляется на ускорителях ГЕЗА. Параметры электронного пучка ускорителей ГЕЗА Энергия электронов, кэВ ………………..… 50…400 Ток пучка в импульсе, кА …….…………… 0,5…1,0 Длительность импульса, мкс …………….…. 5…250 Диаметр пучка, см …………….…………….... 5…10 Импульсная электронно-пучковая модификация поверхности материалов Скорость нагрева и охлаждения зависит от свойств материала и параметров пучка. Максималь- ная скорость охлаждения (107…109 К/с) достигается при так называемом адиабатическом режиме облу- чения, при котором энергия, вносимая пучком в ма- териал, в течение длительности импульса пучка остается в пределах поверхностного слоя, то есть не выносится в глубину материала процессом тепло- проводности. Повышение коррозионной стойкости лопаток турбин электрогенераторов Рабочая поверхность лопаток с нанесённым за- щитным покрытием оплавляется импульсным силь- ноточным электронным пучком. При этом в поверх- ностном слое покрытия толщиной 20…30 мкм изме- няется микроструктура и фазовый состав, а сама по- верхность становится полированной. В результате скорость диффузии кислорода внутрь защитного по- крытия уменьшается в 2…2,5 раза. Срок службы ло- паток соответственно увеличивается в 2…2,5 раза. Изменение микроструктуры и фазового состава поверхностного слоя покрытия существенно улуч- шает также адгезионные свойства поверхности. Это важно, когда на защитное покрытие наносится до- полнительное термобарьерное покрытие, например ZrO2. Стойкость термобарьерного покрытия в этом случае повышается более чем на порядок величины. Удаление защитных покрытий турбинных лопа- ток Отработанное покрытие удаляется обработкой поверхности лопатки импульсным электронным пучком. Параметры электронного пучка ускорителя ГЕЗА обеспечивают удаление за один импульс слоя покрытия толщиной более 10 мкм. Пучком диамет- ром 10 см можно удалить покрытие толщиной 200 мкм со скоростью 100 см2/мин. Формирование сплавов на поверхности изделий На поверхность образца каким-либо способом наносится слой материала с заданными свойствами. Затем поверхность обрабатывается импульсным электронным пучком. В результате быстрого плав- ления, перемешивания и рекристаллизации поверх- ностного слоя формируется соединение нанесённого материала с базовым. Коррозионная стойкость и из- носостойкость сформированного сплава существен- но выше, чем у базового материала изделия. Толщи- на модифицированного слоя может существенно превышать толщину нанесённого покрытия. Вследствие высокой скорости охлаждения рас- плавленного слоя возможно образование соедине- ний, которые в обычных (равновесных) условиях не образуются, например Cu/Au, Fe/Si, Mo/Cu, Fe/Pb. Повышение усталостной прочности и жаро- стойкости материалов, применяемых в авиационной промышленности Результаты испытаний образцов из сплавов ВТ18У и ВТ8М, обработанных импульсным элек- тронным пучком, показали, что на начальной стадии окисления их жаростойкость возрастает более чем в два раза, усталостная прочность повышается на 20%. Повышение износостойкости деталей автомобильных двигателей Исследовано влияние обработки импульсным электронным пучком на износостойкость толка- телей клапанов и кулачков распределительного вала автомобильных двигателей. Толщина модифициро- ванного слоя 20 мкм. Обработка толкателей пучком проводилась после их упрочнения традиционными методами. Износо- стойкость определялась по потере массы деталей, измеряемой активационной методикой. Продолжи- тельность испытаний – 18 прогонов в двигателе по 2 часа каждый прогон. Результаты исследований показали, что микрот- вёрдость рабочих поверхностей толкателей допол- нительно повысилась на 30%. Износостойкость тол- кателей возросла в 4,3 раза, при этом износостой- кость кулачков распределительного вала увеличи- __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 102 лась в 2,3 раза несмотря на то, что они пучком не обрабатывались. 1.2. Радиационно-химическая модификация полимерных материалов с помощью широ- коапертурных ускорителей электронов Радиационно-химическая модификация полиме- ров основана на физическом явлении неупругого рассеяния электронов или квантов электромагнитно- го излучения в облучаемом веществе. Вторичные электроны инициируют процессы, изменяющие структуру полимера. Используя радиационно-технологические про- цессы, можно получать многие материалы с улуч- шенными, а иногда и с качественно новыми свой- ствами. Например, при радиационной модификации полиэтилена структурирование (сшивка) молекул повышает механическую прочность и термостой- кость полиэтилена. Облучённые провода и кабели с полиэтиленовой изоляцией могут эксплуатироваться при более высоких температурах (токовых нагруз- ках), что даёт совокупный экономический эффект. Радиационная полимеризация композиций из по- лиэфирных смол и мономеров позволяет получать высококачественные декоративные и защитные по- крытия поверхности деревянных и металлических изделий (без шлифовки и полировки поверхности изделий), а также изделий из пластмасс с невысокой нагревостойкостью. При этом устраняются источни- ки взрыво- и пожароопасности, уменьшается загряз- нение окружающей среды, так как не используются легковоспламеняющиеся и летучие растворители. Радиационный процесс отверждения длится секун- ды вместо часов, энергозатраты уменьшаются на по- рядок величины. Радиационно-химическая обработка текстильных материалов придаёт им антимикробные свойства и несминаемость, повышает гигроскопичность. При радиационной вулканизации резиновых изделий, так же как и при отверждении покрытий, достигается значительная экономия энергоресурсов. В качестве генераторов электронного пучка ис- пользуются импульсные широкоапертурные ускори- тели, высоковольтные ускорители и линейные уско- рители. Для обработки покрытий толщиной до 300 мкм оптимальная энергия электронов на выходе ускори- теля 250 кэВ. Обработка полимерного покрытия электронным пучком является энергосберегающим, ресурсосбере- гающим и экологически чистым технологическим процессом, так как не используются растворители. В отличие от традиционных технологий электрон- но-пучковая технология обеспечивает: • полимеризацию многослойных покрытий за один цикл обработки; • более высокую адгезию покрытия к поверхно- сти изделия; • высокую (около 100 %) степень полимеризации защитной композиции; • повышение предела прочности защитного по- крытия на отрыв и на сдвиг в 2 - 3 раза; • малое (несколько секунд) время полимеризации (отверждения) покрытия. Для генерации электронного пучка применяются низкоэнергетичные широкоапертурные ускорители электронов импульсного действия, которые обеспе- чивают: • одновременное облучение больших поверхно- стей; • повышение скорости транспортёров, перемеща- ющих облучаемый объект. Ускорители сравнительно просты по конструк- ции, технологичны в изготовлении, невелики по га- баритам и массе. (Табл. 1). Таблица 1 Широкоапертурные ускорители электронов Ускоритель Технические характеристики Энергия электронов, кэВ Площадь зоны об- лучения, м2 Средняя мощность в пучке, кВт Ток пучка в импульсе, А SMOL 180 0,45×0,30 2 5 LITTLE-SMOL 200 0,17×0,22 2 1,5 TUR-M 250 2,2×0,3 6 6 BUR 250 1,20×0,18 5 8 EFA-1 250 2,2×0,3 50 10 1.3. Радиационно-технологические процессы с использованием высоковольтных ускорителей На базе высоковольтных ускорителей освоено промышленное производство кровельного материа- ла "Кровлен", двухслойной термоусаживающейся полимерной ленты для защиты подземных газо- и нефтепроводов от коррозии, вспененного полиэти- лена и полимерной ленты с адгезивным слоем. Производство кровельного материала с исполь- зованием ускорителя "Электрон-10" Кровельный материал "КРОВЛЕН" для устрой- ства кровель и гидроизоляции зданий изготавлива- __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 103 ется по типовой технологии резинового произ- водства, состоящей из следующих операций: • приготовление резиновой смеси в резиносмеси- теле; • формирование резиновой ленты на термоваль- цах; • придание окончательных размеров ленте с по- мощью каландра; • вулканизация ленты двухсторонним облучени- ем электронным пучком; • рулонирование и упаковка ленты. Производительность технологической линии – до миллиона квадратных метров в год. В составе технологического оборудования ис- пользуется высоковольтный ускоритель «Электрон- 10», облучающий ленту одновременно с двух сто- рон. Ускоритель снабжен индивидуальной защитой. Основные характеристики ускорителя: энергия электронов 500…700 кэВ; мощность пучка до 50 кВт. Производство термоусаживающейся полимер- ной ленты с использованием ускорителя "Электрон-10" Наилучший способ защиты от коррозии подзем- ных трубопроводов для транспортировки нефти и газа – это обмотка труб снаружи двухслойной тер- моусаживающейся полимерной лентой. Сторона ленты, прилегающая к поверхности трубы, покрыта герметиком-адгезивом, который выравнивает по- верхность трубы при термоусадке ленты. Натяжение усадки – до 20 кг/см. Технологические операции изготовления двух- слойной термоусаживающейся ленты: • изготовление ленты из полимерной компози- ции на основе полиэтилена; • двухстороннее облучение ленты электрон- ным пучком; • растяжка ленты в туннельной печи; • нанесение на одну сторону ленты герметика- адгезива; • намотка ленты в рулон и обрезка кромок. Производительность технологической ли- нии – до 1500 тонн в год. Промышленное изготовление термоусаживаю- щейся ленты организовано на предприятиях "Терма" в Санкт-Петербурге и "Гефест" в Ростове-на-Дону. Производство вспененного полиэтилена с ис- пользованием ускорителя "Аврора-5" Вспененный полиэтилен обладает хорошими тепло- и звукоизолирующими свойствами, широко применяется в строительстве, на транспорте и в бы- товых условиях. Технологические операции изготовления вспе- ненного полиэтилена: • смешивание предварительно измельченного по- лиэтилена высокого давления с порообразова- телем и другими добавками; • формование листов с помощью экструдера; • двухстороннее облучение листов электронным пучком; • вспенивание листов в термокамере при нагрева- нии до высокой температуры; • охлаждение листов и упаковка. Производительность технологической линии – до 900 тонн в год. В составе технологического оборудования ис- пользуется высоковольтный ускоритель «Аврора-5», облучающий ленту одновременно с двух сторон. Ускоритель снабжен индивидуальной защитой. Основные характеристики ускорителя: энергия электронов 750 кэВ; мощность пучка до 50 кВт. Промышленное изготовление вспененного поли- этилена организовано на Ижевском заводе пласт- масс. Производство полимерной ленты с адгезивным слоем с использованием высоковольтного ускорителя Разработана технология изготовления полимер- ной ленты с адгезивным слоем (изолента и скотч). В качестве лент-подложек используются полимерные плёнки промышленного производства на основе ПВХ (для изоленты) и полиолефинов (для скотчей). В рецептуре адгезивой композиции используют- ся полимер-олигомерные связующие, высококипя- щие мономеры и добавки целевого назначения, ко- торые не содержат растворителей, отвердителей, других токсичных и летучих веществ. Самоклеящаяся плёнка образуется в результате полимеризации нанесённой на ленту композиции при облучении последней электронным пучком. Ко- эффициент использования адгезивов близок к еди- нице. Для генерации электронного пучка используется высоковольтный ускоритель с регулируемой от 200 до 300 кэВ энергией электронов и мощностью в пуч- ке до 10 кВт. Ускоритель обеспечен индивидуаль- ной радиационной защитой. Производственная пло- щадь технологической линии – 4 м × 10 м. Преимущества производства самоклеящихся ма- териалов с электронно-пучковой обработкой по сравнению с производством по традиционной техно- логии (термическая сушка): • повышение производительности в 1,5 раза; • снижение энергопотребления в 2 раза; • экологическая чистота; • отсутствие растворителей в технологическом процессе. 1.4. Радиационно-технологические про- цессы с использованием линейных ускорителей электронов Для реализации радиационно-технологических процессов с использованием пучков электронов и тормозного излучения в НИИЭФА разработаны ли- нейные ускорители на энергию электронов 5…15 МэВ, мощность пучка 5…30 кВт. Области использования ускорителей: • электронно-лучевая стерилизация изделий ме- дицинского назначения и лекарственных препа- ратов; __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 104 • электронно-лучевая обработка изделий сложной формы из пластмасс для улучшения свойств из- делий; • радиационная вулканизация резинотехнических изделий, в том числе изделий из силиконовых резин, используемых в космической промыш- ленности; • производство термоусаживающихся трубок и кабельной продукции; • очистка дымовых выбросов электростанций и промышленных предприятий от окислов азота и серы; • стерилизация отходов больничных комплексов перед захоронением отходов; • стерилизация органических удобрений для агро- комплексов; • стерилизация древесины. Излучатели этих ускорителей могут быть уста- новлены как в горизонтальном, так и в вертикаль- ном положениях. Ускорители снабжены устройствами для скани- рования пучка электронов в полосу. Вместо скани- рующего устройства (или совместно с ним) ускори- тель может быть снабжён мишенями для генериро- вания мощных потоков тормозного излучения. В этом варианте он, в частности, может эффективно использоваться для фотоактивационного анализа рудных проб на золото и сопутствующие элементы. Ускорители эксплуатируются в комплексе с со- ответствующим процессу технологическим обору- дованием и снабжены компьютерным управлением. 1.5. Модификация поверхности материалов ионной имплантацией Инжектор тяжелых ионов Т-5010 Инжектор тяжелых ионов применяется: • для сепарации изотопов; • для модификации поверхности материалов; • в установках ионной имплантации; • для исследований в области физики и техники ионных пучков; • в материаловедении. Технические характеристики Энергия ионов (однозарядные ионы), кэВ ……………...………………… 40…50 Максимальный ток пучка, мА …………………………..………………………. 10 Рабочие вещества для ионного источника …….… газообразные,жидкие,твердые Нестабильность энергии, % ……………….…………..………………………... 0,1 Установка "КВАРЦ для имплантации ионов кислорода Высокодозная ионная имплантация – это наибо- лее эффективный способ создания КНД-структур (кремний на диэлектрике), который заключается в формировании скрытого слоя оксида или нитрида в полупроводниках. Ионная имплантация позволяет получить лучшее кристаллографическое строение приповерхностного слоя, высокую чистоту и одно- родность состава диэлектрика. Установка "КВАРЦ" предназначена для создания КНД-структур, которые применяются при изготов- лении интегральных схем с высоким быстродей- ствием и повышенной радиационной стойкостью. Технические характеристики Рабочее вещество …………………………..…..……. кислород, азот Диапазон энергии ускоренных ионов, кэВ …………..…... 100…250 Ток пучка атомарных ионов на мишени, мА …… …..…….….... 30 Немоноэнергетичность пучка ионов, %……………………………. 2 Максимальный диаметр кремниевых пластин, мм ……….…..... 150 Установка "КВАРЦ" состоит из высоковольтного ускорителя ионов кислорода или азота и технологи- ческой станции. Пучок ионов из микроволнового ис- точника ускоряется в секционированной ускори- тельной трубке до энергии 200…250 кэВ, разделяет- ся по массам в электромагнитном сепараторе и фо- кусируется электромагнитными квадрупольными линзами. В составе технологической станции ис- пользуется устройство электромагнитной развертки, позволяющее облучать одновременно несколько кремниевых пластин диаметром до 150 мм. Равно- мерность распределения дозы облучения по площа- ди пластин достигается развёрткой пучка. Нагрев пластины в процессе облучения предотвращает аморфизацию поверхностного слоя пластины. 2. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ С 1970 г. для неразрушающего контроля в НИИ- ЭФА изготовлено более 25-ти линейных ускори- телей электронов на энергию 5…16 МэВ. Ускорите- ли используются на заводах атомного энергомаши- ностроения (Ижорский завод, "Атоммаш"), атом- ного судостроения (Северодвинск, Комсомольск-на- Амуре), на машиностроительных заводах (Сумы и др.). На Ижорском заводе с использованием ускори- телей проконтролировано более 50-ти комплектов оборудования для блоков атомных и химических ре- акторов. В настоящее время внедряются более эффектив- ные, чем радиография, методы контроля. Это интро- скопия и томография. На интроскопе, созданном в __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 105 НИИЭФА, с детекторной линейкой на кристаллах из вольфрамата кадмия (размером 3 × 3 мм2) при соот- ветствующей компьютерной обработке сигналов до- стигается детальное разрешение контрастных объек- тов - до 1 мм, а разрешение по плотности - не хуже 1% (сталь толщиной 200 мм, энергия 8 МэВ). Мето- ды томографии используются при контроле валов турбин и электрогенераторов, твердотопливных кос- мических ракет. По сравнению с радиографией производитель- ность радиометрического контроля увеличивается в десятки раз, так как осуществляется практически в режиме реального времени. Промышленный радиационный комплекс нераз- рушающего контроля качества крупногабаритной стальной продукции Промышленный радиационный комплекс на базе ускорителей электронов УЭЛВ-6-1Д-15, УЭЛВ-10- 2Д-40, УЭЛВ-15-2Д-80 предназначен для обнаруже- ния внутренних дефектов в стальных крупногаба- ритных изделиях (сварных швах, отливках, поков- ках, прокате и т.д.) толщиной 40…600 мм просвечи- ванием пучком тормозного излучения. Высокая ста- бильность параметров и воспроизводимость харак- теристик пучка позволяет использовать данные ускорители в промышленной томографии и интро- скопии. (Табл. 2). Комплекс применяется для неразрушающего контроля изделий атомного энергомашиностроения, химической промышленности, в судостроении и в других отраслях промышленности. На выходе ускорителя установлена мишень для генерирования тормозного излучения, коллиматор, определяющий угол расхождения пучка фотонов от мишени, и ионизационная камера контроля мощно- сти тормозного излучения. Излучатель смонтирован на подвеске, позволяющей изменять положение из- лучателя относительно контролируемого изделия. Для наведения излучателя на контролируемый уча- сток изделия используется луч лазера. Управление ускорителем ручное или автомати- зированное. Ручное управление производится с пульта управления, автоматизированное – с исполь- зованием компьютера, который обрабатывает и ар- хивирует результаты контроля. Размеры радиационно-защищенного зала зависят от размеров контролируемых изделий. Для обеспе- чения маневренности относительно изделия излуча- тель ускорителя может быть установлен на мосто- вом кране или на электокаре. Таблица 2 Радиационные характеристики Модель ускорителя Энергия электронов, МэВ Средняя мощность дозы тор- мозного излучения на расстоя- нии 1 м от мишени, Гр/мин Диаметр поля облу- чения на расстоянии 1 м от мишени, мм УЭЛВ-6-1Д-15 6 15 450 УЭЛВ-10-2Д-40 9 40 300 УЭЛВ-15-2Д-80 15 80 210 В настоящее время разрабатываются линейные ускорители нового поколения с использованием современных комплектующих изделий, конструк- тивных элементов и технологий. 3. АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ В НИИЭФА накоплен большой опыт использо- вания линейных ускорителей электронов для акти- вационного анализа на основе фотоядерных реак- ций. С 1979 г. несколько ускорителей эксплуатиру- ются на месторождении Мурунтау в Узбекистане для анализа рудных проб на содержание золота и со- путствующих золоту элементов. Аналогичные уста- новки работают в Якутии (Батагай) и в Магадане. Этот метод, впервые разработанный в России, превосходит по экспрессности и чувствительности ранее использовавшиеся для этой цели промышлен- ные методы анализа: • порог определения золота в руде 0,4 г/т; • точность ±10 %; • производительность 1200 анализов в сутки. Если для получения результатов анализа пробир- ным методом требовалось двое суток, то фотоакти- вационный метод даёт результат через 1 минуту. Штат лаборантов при этом сократился в 10 раз. Сравнительно низкая граничная энергия фотонов тормозного излучения (около 8 МэВ) оптимальна для возбуждения изомера золота, излучение которо- го регистрируется. Для фотоактивационного и ней- троноактивационного анализа на другие элементы используются ускорители электронов на энергию до 30 МэВ, а также ускорители ионов. Линейный ускоритель ионов УИЛ-2-433 Ускоритель ионов УИЛ-2-433 является главной частью комплекса активационного экспресс-анализа элементного состава материалов. В процессе анали- за измеряется либо вторичное излучение (гамма-из- лучение) или характеристическое рентгеновское из- лучение вещества, облученного ионами H+, либо из- лучение, активированное нейтронами, испускаемы- ми мишенью в результате реакции 3Li7(p,n)4Be7. В состав комплекса активационного экспресс- анализа входят также камера взаимодействия, бы- стродействующая измерительная система и система обработки данных. Технические характеристики ускортеля __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 106 Энергия ионов H+ на выходе ускорителя, МэВ ……………. 2 Максимальный средний ток, мА ……………………………. 1 Максимальная средняя мощность в пучке, кВт ……………. 2 Масса ускорителя, т ………………………………………….. 2 Потребляемая мощность (3х380/220 В, 50 Гц), кВт ……… 20 Генераторы нейтронов Генераторы предназначены в основном для ней- троноактивационного анализа, с помощью которого определяются более 50-ти элементов с чувствитель- ностью до 10-5 %. Генераторы представляют собой ускоритель ионов дейтерия с металло-тритиевой мишенью. Нейтроны генерируются вследствие реакции Т(d,n)Не4 при взаимодействии ускоренных ионов дейтерия с ядрами трития мишени. При сравнитель- но низком ускоряющем напряжении (150…300 кВ) генераторы позволяют получать интенсивные пото- ки нейтронов с энергией 14 МэВ. (Табл. 3). Таблица 3 Технические характеристики НАИМЕНОВАНИЕ ПАРАМЕТРА Тип генератора НГП-11 НГП-11М НГ-12-1 Максимальный поток нейтронов, 1/с 2х1011 5х1011 1х1012 Ускоряющее напряжение, кВ 150 175 250 Ток пучка атомарных ионов на мишени, мА 2 5 10 Диаметр пучка на мишени, мм 20 20 30 Диаметр титано-тритиевой мишени, мм 90 90 230 Скорость вращения мишени, об/мин 60 100 500 4. ПРОИЗВОДСТВО КОРОТКОЖИВУЩИХ РАДИОНУКЛИДОВ Линейные ускорители электронов и ионов и цик- лотроны используются для наработки короткоживу- щих радионуклидов, применяемых в медицине (диагностика и терапия) и в материаловедении. Многоцелевой циклотрон МГЦ-20 Циклотрон МГЦ-20 предназначен, в частности, для производства радионуклидов и для активаци- онного анализа. Циклотрон рассчитан на ускорение ионов изото- пов водорода и гелия с возможностью регулирова- ния их конечной энергии. При работе на бериллие- вую мишень циклотрон становится генератором бы- стрых нейтронов. МГЦ-20 позволяет работать как с внутренним, так и с внешним пучком ускоренных ионов. (Табл.4). Таблица 4 Технические характеристики МГЦ-20 Ускоряемые частицы Энергия частиц, МэВ (внешний/внутренний пучок) Ток пучка, мкА (внешний/внутренний пучок) Протоны Дейтроны Ионы гелия-3 Ионы гелия-4 5 - 18 / 2 - 20 3 - 10 / 1 - 11 8 - 24 / 4 - 27 6 - 20 / 2 - 22 50 / 200 50 / 200 25 / 50 25 / 50 Масса электромагнита циклотрона, т 24 Потребляемая мощность (3х380/220 В, 50 Гц) без системы транспортировки пучков, кВт 170 __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 107 Циклотроны МГЦ-20 для производства радиону- клидов используются в С.-Петербурге (РИ АН им. В. Г.Хлопина, НПО "Позитрон", ЦНИРРИ), в Моск- ве, Финляндии, Венгрии, Северной Корее. Для наработки изотопа йода-123 и позитронно- активных изотопов для позитронно-эмиссионной то- мографии во всем мире с наибольшей эффективно- стью используются компактные циклотроны. В Обнинске и Твери для производства радиону- клидов в коммерческих целях используются специа- лизированные циклотроны на 14 и 30 МэВ. Многоцелевой циклотрон МГЦ-30 Циклотрон на 30 МэВ предназначен для коммер- ческого производства радионуклидов (модель РИЦ- 30). ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 1. Плазменные технологии нанесения покрытий Установка «УНВП» для напыления на поверх- ность изделия пленок металлов, сплавов и диэлек- триков Напыление на поверхность изделия пленок ме- таллов, сплавов и диэлектриков производится на магнетронной установке «УНВП», построенной по принципу аксиально-симметричного диодного маг- нетрона. Покрытие наносится на поверхность изде- лия в вакууме при распылении материала катода- мишени ионами плазмы магнетронного разряда. Отработана технология нанесения высокопрово- дящего и антиэмиссионного покрытия. Высокопроводящее покрытие (Cu или Ag) нано- сится на внутреннюю поверхность резонаторов ускоряющей структуры ионных ускорителей, изго- товленных из алюминиевого сплава. Защитное антиэмиссионное покрытие (TiN, ZrC или ZrN) наносится на поверхность электродов ускоряющей структуры в области модуляции, где напряженность электрических ВЧ полей при эксплу- атации ускорителя превышает 150 кВ/см. Изделия с нанесенными покрытиями могут исполь- зоваться в производстве: • оборудования газо- и нефтеперерабатывающего комплекса, продукции машиностроения, прибо- ростроения, микроэлектроники; • оптических устройств; • медицинской техники и инструментов; • элементов ускоряющих структур линейных ускорителей и циклотронов. Параметры магнетронного разряда: • режим работы – импульсный; • частота следования импульсов – 150 Гц; • скважность – 2; • амплитуда тока разряда – до 120 А; • амплитуда напряжения разряда – до 1,2 кВ. Допустимые габариты изделия для нанесения по- крытия – 0,2 м х 0,6 м х 1, 7 м. Толщина покрытия от 0,1 до 30 мкм, неоднород- ность по толщине – не более 10%. Двухкамерная вакуумно-дуговая установка «ДЕКОР» Установка «ДЕКОР» предназначена для про- мышленного нанесения на поверхность изделий раз- личного назначения износостойких, антикоррозион- ных, термостойких, декоративных с широкой цвето- вой гаммой и защитных покрытий. Возможно нане- сение покрытий чистыми металлами, а также их нитридами, карбидами и оксидами. Таблица 5 Технические характеристики Максимальная потребляемая мощность 100 кВт Фоновое давление 6.7.10-4 Па (5.10-6 Торр) Мощность внутрикамерного нагрева 40 кВт Источник ионной очистки Ток 150 мА Напряжение 5 кВ Электродуговой источник Ток 60 А Напряжение 30 В Электродуговые источники металлической плаз- мы Электродуговые источники металлической плаз- мы являются эффективным технологическим инструментом для модификации рабочих поверхно- стей изделий различного назначения. (Табл.5). Плазмооптический сепаратор Плазмооптический сепаратор предназначен для сепарации (очистки) плазменного потока, генериру- емого электродуговым источником, от макрокапель и макрочастиц. Принцип его действия заключается в плазмооптической транспортировке заряженной компоненты плазмы по криволинейному каналу, яв- ляющемуся оптически непрозрачным для макро- капель и макрочастиц. Плазмооптический сепаратор с электродуговым источником разработки НИИЭФА используется на плазменной технологической установке "PETRA" в Институте физики плазмы им. М. Планка (г. Гар- хинг, Германия). С использованием плазмооптиче- ского сепаратора разработана технология осаждения Al2O3 покрытий, использующихся в качестве барьер- ных для снижения высокотемпературной коррозии конструкционных материалов. __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 108 2 Плазменные технологии очистки воды Установка комплексной обработки воды (УКОВ) Установка предназначена для очистки воды из загрязнённых источников до соответствия требова- ниям ГОСТ Р 51232-98. Обеззараживание воды (снижение общего ми- кробного числа, индекса ЛКП и индекса колифаги до допустимого стандартом значения) обеспечивает- ся одновременной обработкой в УКОВ загрязнённой воды ультрафиолетовыми лучами и озоном. Меха- ническая фильтрация воды осуществляется на входе и выходе УКОВ. Питьевое качество воды на выходе УКОВ гарантируется при показателях воды на входе по мутности — до 100 мг/дм3; по цветности — до 72 град. Установка может использоваться в местах с недостатком питьевой воды необходимого качества, в том числе в полевых условиях и при возникнове- нии чрезвычайных ситуаций, а также для оператив- ной обработки воды, забираемой из открытых водо- емов, подземных источников, повреждённых водо- проводов. При необходимости УКОВ дополнительно комплектуется трёхступенчатым фильтром физико- химической очистки воды для удаления радиону- клидов и солей тяжёлых металлов. УКОВ поставляется в двух вариантах: базовый (стационарный) и автономный (мобильный), разме- щаемый на транспортном средстве грузоподъёмно- стью 700 кг. Производительность по очистке воды – 3,0 м3/час, потребляемая мощность - 220 В, 50 Гц; базо- вый вариант – 1,5 кВт, автономный вариант – 4,0 кВт Генератор озона на базе несамостоятельного объемного газового разряда Разработан новый тип генератора озона, в кото- ром синтез озона происходит в поле объёмного не- самостоятельного разряда, контролируемого элек- тронным пучком. Генератор проходит натурные ис- следования и испытания. Технические характеристики Производительность по очистке воды, м3/сутки …...…… 15000 Энергозатраты на синтез озона, кВт∙ч/кг О3 ………………… 15 Преимущества генератора озона нового типа: для синтеза озона используется воздух; подготовка пи- тьевой воды без хлорирования; прост в управлении и эксплуатации; малые габариты и масса. Таким образом, проведенные в НИИЭФА сов- местно с другими российскими и зарубежными ор- ганизациями исследования позволили определить перспективные направления пучковых технологий модификаций технологий. К ним относятся: • модификация поверхности металлов и сплавов мощными импульсными электронными пучка- ми; • радиационно-химическая модификация поли- мерных материалов; • модификация поверхности материалов ионной имплантацией. Ионно-плазменные технологии нанесения по- крытий на поверхность изделий могут использовать- ся при производстве оборудования газо- и нефте- перерабатывающего комплекса, продукции машино- строения, приборостроения, микроэлектроники;оп- тических устройств; медицинской техники и инстру- ментов; элементов ускоряющих структур линейных ускорителей и циклотронов. __________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.101-109. 109 РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Пучковые и ионно-плазменные технологии Пучковые технологии 1. Модификация материалов воздействием электронными и ионными пучками 1.1. Модификация поверхности металлов и сплавов мощными импульсными электронными пучками Параметры электронного пучка ускорителей ГЕЗА 1.2. Радиационно-химическая модификация полимерных материалов с помощью широкоапертурных ускорителей электронов Технические характеристики SMOL Технические характеристики Технические характеристики 2. Неразрушающий радиационный контроль Таблица 2 Радиационные характеристики 3. Активационный анализ Наименование параметра Тип генератора 4. Производство короткоживущих Ускоряемые частицы Энергия частиц, МэВ Ток пучка, мкА ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 1. Плазменные технологии нанесения покрытий Таблица 5 Технические характеристики 2 Плазменные технологии очистки воды Технические характеристики
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80093
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:34:33Z
publishDate 2002
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Ворогушин, М.Ф.
Глухих, В.А.
Манукян, Г.Ш.
Карпов, Д.А.
Свиньин, М.П.
Энгелько, В.И.
Яценко, Б.П.
2015-04-11T17:23:09Z
2015-04-11T17:23:09Z
2002
Пучковые и ионно-плазменные технологи / М.Ф. Ворогушин, В.А. Глухих, Г.Ш. Манукян, Д.А. Карпов, М.П. Свиньин, В.И. Энгелько, Б.П. Яценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 3. — С. 101-109. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80093
537.534
В ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова в течение многих лет разрабатываются и внедряются пучковые и ионно-плазменные технологии. Импульсные электронные пучки применяются для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности материалов. Широкоапертурные ускорители электронов используются для радиационно-химической модификации полимерных материалов. На базе линейных и высоковольтных ускорителей электронов освоены промышленное производство кровельного материала «КРОВЛЕН», двухслойной термоусаживающейся полимерной ленты для защиты подземных газо- и нефтепроводов от коррозии, вспененного полиэтилена и полимерной ленты адгезивным слоем, стерилизация изделий медицинского назначения и т.д. Для высокодозной имплантации и активационного анализа разработаны ускорители различных сортов ионов. Ионно-плазменные установки применяются для нанесения на поверхность изделий пленок металлов, сплавов и диэлектриков.
В ФДУП НДІЕФА ім. Д.В. Єфремова протягом багатьох років розробляються та впроваждуються пучкові та іонно-пламові технології. Імпульсні електронні пучки застосовуються для підвищення зносостійкості, корозійної стійкості, динамічної міцності матеріалів. Широкоапертурні прискорювачі електронів використовуються для радіаційно-хімічної модифікації полімерних матеріалів . На базі лінійних та високовольтних прискорювачей електронів освоєні промислове виробництво кровельного матеріалу "КРОВЛЕН", двошарової термоусаджуваної полімерної стрічки для захисту підземних газо- та нафтопроводів від корозії, пінного поліетилену та полімерної стрічки адгезивним шаром, стерилізація виробів мeдичного призначення і таке інше. Для високодозної імплантації та активаційного аналізу розроблені прискорювачі різних сортів іонів. Іонно-плазмові пристрої застосовуються для нанесення на поверхню виробів плівок металів, сплавів та діелектриків.
In FSUP "NIIEFA" during many years beams and ion-plasma technologies are developed and introduced. Pulsed electron beams are used for the increase of wear resistance, corrosion resistance and dynamic strength of materials. Large aperture electron accelerator are used for the radiation-chemical modification of polymer materials. On the base of linear and high-voltage electron accelerator the industrial production of roofing material is adopted; also are developed the production of two-layers thermal-shrinking band for the protection of underground gas and petroleum pipe-line from corrosion, production of foam polyethylene and polymer band by adhesive layer, sterilization of medical instruments. For the high-dose implantation and activation analysis different ions accelerators were developed. Ion-plasma installation are fabricated. Ion-plasma installation are used for the deposition of metal, alloy and dielectric films on the surface.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Пучковые и ионно-плазменные технологи
Article
published earlier
spellingShingle Пучковые и ионно-плазменные технологи
Ворогушин, М.Ф.
Глухих, В.А.
Манукян, Г.Ш.
Карпов, Д.А.
Свиньин, М.П.
Энгелько, В.И.
Яценко, Б.П.
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
title Пучковые и ионно-плазменные технологи
title_full Пучковые и ионно-плазменные технологи
title_fullStr Пучковые и ионно-плазменные технологи
title_full_unstemmed Пучковые и ионно-плазменные технологи
title_short Пучковые и ионно-плазменные технологи
title_sort пучковые и ионно-плазменные технологи
topic Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
topic_facet Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80093
work_keys_str_mv AT vorogušinmf pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi
AT gluhihva pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi
AT manukângš pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi
AT karpovda pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi
AT svinʹinmp pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi
AT éngelʹkovi pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi
AT âcenkobp pučkovyeiionnoplazmennyetehnologi