Распыление керамик и керамических композитов потоками ионов низких энергий

• Автор: Семенов, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 103 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ведение
Глава 1. Современное состояние исследований ионного распыления керамических материалов
1.1. Керамики и их применение в стационарных плазменных двигателях
1.2. Краткие сведения о механизме ионного распыления
1.3. Исследование распыления керамических материалов
Глава 2. Экспериментальная установка и методика проведения
эксперимента
2.1. Источник ионов и параметры ионного потока
2.2. Динамическая чистота поверхности
2.3. Проверка работоспособности методики эксперимента
2.4. Зависимость коэффициента распыления от дозы облучения
Глава 3. Зависимость коэффициентов распыления керамических
материалов от энергии и угла падения ионов
3.1. Зависимости коэффициента распыления от энергии ионов
3.2. Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионов
Глава 4. Влияние состава керамических композитов на их характеристики распыления
Глава 5. Зависимость распыления керамических материалов от
температуры поверхности
5.1. Уточнение методики эксперимента для повышенных температур
5.2. Температурные зависимости коэффициентов распыления
5.3. Влияние температуры на угловые зависимости коэффициента распыления
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Интерес к распылению керамических материалов под действием ускоренных ионов атомного масштаба обусловлен, прежде всего, их широким использованием в различных ионных и плазменных устройствах. Потребность в количественных данных по ионному распылению керамик и их композитов испытывает практически любое направление техники, связанное с разработкой или эксплуатацией ионно-плазменных источников и ускорителей. В первую очередь это относится к электрореактнвным двигателям (ЭРД) и, в частности, активно эксплуатируемым в настоящее время стационарным плазменным двигателям (СПД), используемым в качестве двигателей стабилизации и коррекции орбит космических летательных аппаратов. Наличие таких данных интересно и необходимо как с точки зрения прогнозирования ресурса этих двигателей, так и с точки зрения их воздействия на окружающие объекты. В открытой литературе такие данные встречаются достаточно редко, при этом относятся в основном к области больших энергий и, как правило, получены на однокомпонентных керамиках.
Актуальность данной работы заключается в том, что в ней исследуются не только чистые, т.е. однокомпонентные керамики, но и керамические композиты, реально используемые в лётных образцах СПД или рассматриваемые к использованию в перспективных моделях данного вида техники.
Использование стационарных плазменных двигателей в составе космических аппаратов с длительным сроком эксплуатации ставит перед ними достаточно высокие требования по ресурсу — 5-10 и более тысяч часов [1]. При этом, как показывает опыт эксплуатации СПД, одной из основных причин ограничения их ресурса является эрозия стенок разрядной камеры и ускорительного канала, вызываемая распылением материала под воздействием ускоренного плазменного потока. Результатом эрозии является изменение геометрии ускорительного канала, что приводит к деградации основных параметров (КПД, тяга) двигателя и выходу их за предельно допустимые значения вплоть до полной потери работоспособности.

Одним из наиболее эффективных путей повышения ресурса стационарных плазменных двигателей является использование материалов, обладающих повышенной устойчивостью к ионному распылению [2, 3, 4]. В этом смысле керамики, обладая в большинстве случаев высокой энергией связи атомов, т.е. высокой устойчивостью к ионной эрозии, в сочетании с хорошими электроизоляционными свойствами, являются на сегодняшний день единственными материалами, пригодными для разрядных камер и ускорительных каналов СПД. Однако различные типы керамик существенно отличаются по своим физическим (в том числе и по ионно-эрозионным) и эксплуатационным свойствам, и далеко не все из них по совокупности характеристик пригодны для использования в ЭРД.
Строго говоря, проблема ресурса ионно-плазмениых устройств (а соответственно, и ионной эрозии материалов) наблюдается не только в космических приложениях. Точно такая же проблема имеет место и в области ионно-плазменных технологий, где используются ионные и плазменные источники и ускорители, построенные, как правило, по тем же принципам и схемам, что н ЭРД. По всей видимости, проблема ресурса в этой сфере стоит не так остро, как в электроракетных двигателях - ввиду гораздо больших, чем в космосе, возможностей обслуживания технологических установок. Тем не менее, здесь она тоже существует и, в некоторой степени, определяет стоимость реализуемых технологических процессов. Поэтому результаты, представленные в данной работе, могут быть востребованы и в технологической сфере.
Имея в виду прикладной характер проведённых исследований, не следует забывать и о научной стороне вопроса. Несмотря на то, что исследованием процесса распыления под действием ускоренных ионизированных частиц занимаются уже более 100 лет, какого-либо единого физического механизма, достоверно объясняющего все закономерности данного явления, не существует. При этом на сегодняшний день исследованы практически все элементы таблицы Д.И. Менделеева, имеющие хоть какое-то значение для практических приложений - данные по их распылению получены в широком диапазоне условий облучения и параметров ионных потоков. Однако исследование распыления многоэлементных материалов, к коим относятся и керамики,

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились в вакуумной камере, откачиваемой паромасляным диффузионным насосом, при остаточном давлении />ост=(5-6)-10‘6 мм.рт.ст. В процессе эксперимента давление в камере повышалось до значений Яро^(6-9)'1 0'5мм.рт.ст. за счет натекания рабочего тела. Для ограничения миграции паров масла в рабочую зону, связанной с работой диффузионного насоса, в вакуумную систему установки была включена криоловушка, захолаживаемая жидким воздухом до температуры Г=130-150 К. Применение криоловушки позволило снизить давление паров масла в камере примерно на 1,5 порядка. Об эффективности работы ловушки свидетельствуют масс-спектры остаточной атмосферы камеры, показанные на рисунке 4. Хорошо видно, что пики масляных фракций, в изобилии присутствующие в спектре с неохлажденной ловушкой (Д=300°К), практически отсутствуют в спектре с ловушкой, захоложенной до температуры ~130°К.

•к» пр.ед.

40 ОН*
20 Ы*
Т=300°К

120 М, а.е.м.
60 Н2*
НгО О
40- Т=130К
ОН*
го ■ М| I С0г*
її Д-,—,ііі.—...1.1:1..,—1.1.1;! .11 уШ, ,11 |ш 1—... ,1,1 ,.,,1,11 1—т—

120 М, а.е.м.
Рисунок 4. Массовый состав остаточной атмосферы. Коэффициенты распыления определялись весовым методом как Ут=Ат/(1гт) [мг/Кл], где Ат - потеря массы мишени за время эксперимента г, 1-, - средний за время г ионный ток на поверхности мишени. Потеря массы измерялась взвешиванием мишени на высокоточных (точность взвешивания 0.