Группа плазменных и ионно-пучковых технологий

В настоящее время на кафедре физической электроники ведутся активные работы по созданию новых источников плазмы, разработке новых и усовершенствованию известных плазменных и ионно-пучковых технологий. Основным направлением фундаментальных работ группы плазменных и ионно-пучковых технологий является продолжение исследований физики ВЧ-разряда, начатых А.А. Кузовниковым, В.П. Савиновым, А.Ф. Александровым и А.А. Рухадзе. К настоящему времени центр тяжести фундаментальных работ по ВЧ-разряду на кафедре сместился к изучению поведения разряда при наличии внешнего магнитного поля. Известно, что вихревые ВЧ-поля скинируются в плазме и нагревают электроны только в пределах скин-слоя. Наложение на разряд внешнего магнитного поля определенной величины приводит к проникновению ВЧ-полей вглубь плазмы, возбуждению волн и эффективному нагреву электронов во всем объеме.

Спектры волн, возбуждаемых в безграничной плазме при наличии магнитного поля, были ранее исследованы А.А. Рухазде и А.Ф. Александровым. Особенностью лабораторных источников плазмы, в том числе используемых в промышленности, является ограниченность их объема. Ограниченность приводит к изменению структуры возбуждаемых ВЧ-полей. Источники плазмы становятся резонаторами, в которых эффективность поглощения ВЧ-мощности существенно зависит не только от индукции магнитного поля, концентрации электронов и их частоты столкновений с тяжелыми частицами, но и от геометрических размеров самих источников.

Еще одной особенностью ВЧ-разряда является тот факт, что не вся мощность ВЧ- генератора, отдаваемая во внешнюю цепь, вкладывается в плазму, часть мощности теряется во внешней цепи разряда. При этом возникает интересная ситуация: доля мощности, поступающая в разряд, зависит от внешних (индукции внешнего магнитного поля и др.) и внутренних (концентрации электронов и др.) параметров разряда, в свою очередь внутренние параметры разряда, в частности, концентрация электронов в значительной степени определяются вложенной мощностью. Таким образом, при изменении величины магнитного поля происходит самосогласованное изменение параметров плазмы (см. рис. 1). Нахождение областей внешних параметров разряда, при которых достигаются максимальные значения концентрации электронов при заданной мощности генератора, имеют не только фундаментальное, но и большое прикладное значение, как при реализации космических, так и земных технологий.

Начиная с 60-х годов ХХ века в промышленно развитых странах начались разработки электроракетных двигателей (ЭРД). Они предназначены для коррекции обрит, маневрирования космических аппаратов в космосе. Конструкция ЭРД включает в свой состав газоразрядную камеру, где генерируется плотная плазма. Полученные в плазме ионы затем ускоряются, как правило, с использованием или электростатических систем ускорения, или электрических полей, возникающих в плазме в области скрещенных электрических и магнитных полей.

Рис. 1. Зависимость интенсивности свечения плазмы от индукции внешнего магнитного поля. Pgen= 50Вт — красная кривая и Pgen= 300Вт — синяя кривая

Поток ускоренных ионов создают тягу с типичными значениями от единиц до сотен мН.

Важными характеристиками работы ЭРД являются количество затраченной энергии на получение 1 мН, а также так называемая газовая экономичность, равная отношению потока ускоренных ионов, истекающего из ЭРД, к потоку атомов рабочего тела, поступающих в ЭРД. Очевидно, что конкурентноспособными являются ЭРД, позволяющие получить заданную тягу при минимальных энергозатрах и максимальной газовой экономичности. Фундаментальные работы, выполненные на кафедре физической электроники, позволили найти оптимальные режимы и разработать оригинальный прототип ВЧ индуктивного ионного двигателя с внешним магнитным полем. Характеристики двигателя не уступают мировым аналогам.

Разработанный прототип ионного двигателя работает на ксеноне — тяжелом инертном газе с большим сечением ионизации. В настоящее время в связи с развитием телекоммуникационных систем появилась потребность в разработке двигателей для космических аппаратов, работающих на низких (до 500 км) орбитах, где присутствует достаточно большое количество азота и кислорода. В связи с этим актуальной стала разработка двигателей, работающих на воздухе. Наиболее перспективными для этой цели устройствами являются ВЧ ЭРД, т.к. они не требуют использования катодов, время жизни которых в присутствии воздуха сильно ограничено. В настоящее время на кафедре физической электроники ведутся поисковые работы по нахождению оптимальных режимов прототипов ВЧ ионного, ВЧ Холловского и «геликонного» двигателей при использовании воздуха в качестве рабочего тела.

Фундаментальные исследования ВЧ-разряда, выполненные на кафедре физической электроники, применяются и для разработки новых и усовершенствования существующих наземных технологий. В частности, прототип ВЧ ионного двигателя использован для создания источника ускоренных ионов инертных и химически активных газов для поверхностной модификации материалов, распыления материалов в технологии получения тонких пленок. Источник плазмы на основе ВЧ индуктивного разряда с внешним магнитным полем использован для ассистирования процессам напыления пленок. На основе разработок кафедры совместно с НИИ точного машиностроения (г. Зеленоград) была создана полупромышленная установка (см. рис. 2).

Рис. 2. Полупромышленная установка для напыления тонких пленок с ионным стимулированием

Малогабаритный «геликонный» источник плазмы, позволяющий получать поток ускоренных ионов с энергией 50–70 эВ, использован для придания гидрофильных и усиления сорбционных свойств углеродной ткани, разработанной в НИИГРАФИТ. Ткань используется в медицинских целях для лечения ран и ожогов.

На основе емкостного ВЧ-разряда в толуоле разрабатывается технология получения толстых алмазоподобных пленок по заданию ОАО «Трэм инжиниринг».

Кралькина Е.А., д. ф.-м.н., в.н.с.