Эксπир
Регистрация / Вход

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

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.516.11.6117
Организация
ИСЭ СО РАН
Руководитель работ
Коваль Николай Николаевич
Продолжительность работ
2007 - 2008, 14 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Внебюджетные средства
3 млн

Разработка теоретических моделей разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, позволяющих сформулировать пути и способы создания источников ионов, предназначенных, в частности, для нанесения нанопокрытий на поверхности электротехнического железа и пермолоя для трансформаторов, упрочнения и легирования поверхностей различных материалов путем эффективного формирования на их поверхности покрытий с заданными свойствами.

Этапы проекта

1
08.08.2007 - 31.10.2007
Проведены анализ научно – технической литературы и патентные исследования, подтверждена патентная чистота предлагаемого метода. Разработаны электронные схемы, конструкция и изготовлен источник питания для источника непрерывных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков газовых ионов на основе разряда с полым катодом. Источник питания включает в себя три источника питания: эмиттерного разряда, плазменного разряда, генератор импульсов поджига, и, кроме того, систему управления. Успешно проведены испытания источника питания. Разработана конструкция, произведен выбор конструкционных материалов и изготовлен экспериментальный образец источника ионов на основе разряда с полым катодом. Проведено предварительное тестирование источника, получены некоторые предварительные результаты, определены рабочие параметры источника. Разработана общая методика проведения исследований.
Развернуть
2
01.11.2007 - 31.12.2007
В ходе выполнения второго этапа контракта были выполнены следующие работы:
Проведены дополнительные патентные исследования, подтверждающие патентную чистоту предлагаемого метода формирования моноэнергетического ионного пучка непосредственно в области его использования, т.е. у поверхности подложки.
Были начаты теоретические исследования физики разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, в результате которых разработана модель ионизации аргона в скрещенных полях, предложена модель расчета радиальных распределений концентрации электронов в цилиндрической ячейке Пеннинга и выполнен коррелятивный анализ причин, влияющих на величину энергетической дисперсии генерируемого пучка ионов.
Были начаты работы по созданию источников моноэнергетических потоков ионов на основе других видов разряда, а именно магнетронного и дугового. Разработаны конструкции и выбраны конструкционные материалы макета источника импульсных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков ионов металлов на основе открытого магнетронного разряда и модели источника непрерывных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков газовых ионов на основе дугового разряда низкого давления. Изготовление и исследование характеристик этих источников ионов запланировано на следующем этапе работы.
Разработаны электрические схемы, конструкция и выполнено изготовление источника питания для источника импульсных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков ионов металлов на основе открытого магнетронного разряда. Источник питания ионного источника включает в себя два универсальных источника питания: магнетронного разряда (мощность 2 кВт) и смещения ускоряющего электрода (мощность 1 кВт). Источник питания магнетронного разряда работает как в режиме на постоянном токе, так и в импульсном монополярном режиме с частотой до 40 кГц. Источник смещения работает, как в режиме на постоянном токе, так и в импульсном биполярном режиме на частоте от 1 до 100 кГц.
Осуществлен запуск и окончательная экспериментальная отработка аксиального источника непрерывных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков газовых ионов на основе разряда с полым катодом, конструкция которого была разработана на первом этапе работы. Отличительной особенностью источника ионов является возможность генерировать поток ионов газа с током до 5 А и энергией 30-300 эВ. Ширина энергетического спектра ионов на полувысоте составляет 5 эВ. В качестве эмиттера электронов в источнике используется дуговой контрагированный разряд с холодным катодом двухслойной структуры. Эмиттер отличается долговечностью, надежностью, высокой энергетической эффективностью, простотой технического обслуживания. Фильтрация электронного потока, генерируемого эмиттером, обеспечивает минимальное загрязнение ионного потока частицами металла.
Таким образом, при выполнении второго этапа контракта было завершено исследование разработанного источника моноэнергетических ионов на основе разряда с полым катодом и начато исследование источников ионов на основе других видов разряда. Данные источники ионов отличаются от известных аналогов способом формирования ионного потока, не требующего дополнительных устройств для извлечения, транспортировки и нейтрализации ионного пучка. Простота и надежность их конструкции совместно уникальными выходными характеристиками пучков ионов делают их, безусловно, перспективными электротехническими устройствами в таком направлении модификации поверхности различных материалов, как нанесение покрытий с заданными свойствами.
Развернуть
3
01.01.2008 - 31.05.2008
Проведены дополнительные патентные исследования, подтверждающие патентную чистоту предлагаемого метода формирования моноэнергетического ионного пучка.
Разработана физическая модель электрического разряда низкого давления с полым катодом, позволяющая рассчитать основные характеристики разряда.
Осуществлен запуск и проведены исследования макета источника импульсных моноэнергетических пучков ионов металлов на основе открытого магнетронного разряда и модели источника непрерывных моноэнергетических пучков газовых ионов на основе дугового разряда низкого давления.
Модель источника пучков газовых ионов на основе дугового разряда низкого давления позволяет генерировать поток ионов рабочего газа с током до 5 А, и при подаче на образцы отрицательного напряжения, обеспечивать ионам требуемую энергию (30 – 300 эВ). Ширина энергетического спектра ионов на полувысоте составляет 3 эВ.
Макет источника металлических ионов на основе магнетронного разряда создан на базе магнетронного распылителя, работающего при давлении 0.07-0.3 Па. Источник ионов позволяет плавно регулироваться ток ионов в диапазоне от 0.3 до 1 А. Требуемая энергия ионов (30 – 300 эВ) обеспечивается подачей на подложку отрицательного напряжения. Ширина энергетического спектра ионов на полувысоте составляет 2.5 эВ.
Развернуть
4
01.06.2008 - 31.10.2008
Проведены дополнительные патентные исследования, подтверждающие патентную чистоту предлагаемого метода формирования моноэнергетического ионного пучка.
Проведены оценки размеров области плазмы в магнетронном разряде, показана возможность масштабирования магнетронного разряда, и отработана методика расчета магнитных полей.
Показано, что источник непрерывных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков газовых ионов на основе разряда с полым катодом может использоваться для формирования адгезионных a-C:H пленок на поверхности металла с твердостью до 9?11 ГПа и коэффициентом трения 0,35. а-С:Н пленка позволяет увеличить коррозионную стойкость материалов в 3?5 раз по сравнению с исходными образцами без покрытия.
Разработана оригинальная методика модификации поверхности конструкционных сталей с использованием источника пучков газовых ионов на основе дугового разряда низкого давления. С помощью данной методики на поверхности стали был получен модифицированный слой, толщиной 15 мкм, обладающий высокой твердостью (~13 ГПа) и протяженная (300 мкм) зона диффузионного насыщения с повышенной твердостью. При дуговом распылении композиционных катодов в условиях низкоэнергетической ионной бомбардировки (ионного ассистирования) получены сверхтвердые покрытия на основе Ti-Cu-N толщиной 2–3 мкм с нанокристаллической структурой (10-30 нм) твердостью > 40 ГПа.
В результате экспериментальных исследований по нанесению покрытий TiN на трансформаторное железо с помощью источника импульсных высокоинтенсивных моноэнергетических пучков ионов металлов на основе открытого магнетронного разряда был разработан способ уменьшения удельных потерь мощности в листовой электротехнической стали.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Тема
Разработка новых элементов энергоэффективного электротехнического оборудования на основе исследования физики генерации высокоинтенсивных моноэнергетических пучков ионов в разрядах в скрещенных электрическом и магнитном полях
Продолжительность работ
2007 - 2008, 15 мес.
Бюджетные средства
24 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка технологических основ оперативной диагностики электротехнического оборудования
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
36 млн
Количество заявок
8
Тема
Разработка экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения.
Продолжительность работ
2014 - 2016, 27 мес.
Бюджетные средства
83 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка технических решений для обеспечения сопряжения потребителей и различных типов источников электрической энергии.
Продолжительность работ
2007 - 2008, 16 мес.
Бюджетные средства
24 млн
Количество заявок
7
Тема
Разработка новых многофункциональных нанопокрытий и технологии их нанесения.
Продолжительность работ
2007 - 2009, 25 мес.
Бюджетные средства
115 млн
Количество заявок
1