Генерация и свойства электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности твёрдых тел и жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Йе Хлаинг Тун

• Йе Хлаинг Тун
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Йе Хлаинг Тун

Введение

1.Общие свойства электронно-пучковой плазмы

2.Особенности приповерхностной электронно-пучковой плазмы

3.Генерации электронно-пучковой плазмы в двухфразных и многофазных средах

Глaвa 1. Oбзop современного состояния научно-технической проблемы. (Анализ доступной литературы)

1.1.Взаимодействие электронно-пучковой плазмы с поверхностью: физические и химические процессы

1.2.Приложения электронно-пучковой плазмы, основанные на ее воздействии на компактные твердые тела, жидкости, двухфазные и многофазные среды

1.3.Генерации комбинированный (гибридный) плазмы

1.4.Выводы по результатам анализа современного состояния проблемы генерации и исследования свойств приповерхностной электронно-пучковой

и гибридной плазмы

Глава 2. Цели и задачи работы, научная новизна исследований, практическая значимость полученных результатов, научные положения, выносимые на защиту

Глава 3. Экспериментальная установка и методики измерений

3.1 .Описание экспериментальной установки

3.2.Методики измерения температуры стенок реакционной камеры

3.2.1.Неконтактные измерения температуры стенок реакционной камеры

3.2.2.Контактные измерения температуры стенок реакционной камеры

3.3.Методики измерения интегральной и спектральной интенсивности

излучения электронно-пучковой плазмы

2

Глава 4. Результаты испытаний лабораторной установки и проведенных экспериментов

4.1.Нагрев стенок реакционной камеры

4.2.Исследования формирование ЭПП вблизи поверхности твердой мишени, помещенной в цилиндрическую реакционную камеру (коаксиальная конфигурация реакционной камеры)

4.3.Спектроскопические исследования приповерхностной электронно-пучковой плазмы

4.4.Поглощение оптического излучения в слое электронно-пучковой плазмы

4.5.Специальные схемы генерации приповерхностной плазмы

5. Выводы

Cпиcoк литepaтypы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генерация и свойства электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности твёрдых тел и жидкости»

Введение

Актуальность работы: Уже более двух десятилетий ведутся исследования, нацеленные на разработку плазмотехнических систем, в которых плазма возбуждается электронными пучками (Е1ес1гоп-BeamGeneratedPlasma) при их взаимодействии с достаточно плотной газообразной средой. Рассматриваются применения таких систем в производственных, аэрокосмических технологиях, а также для решения медико-биологических и экологических задач. При этом эффективно используются уникальные свойства пучково-плазменных систем -возможность генерации больших объемов сильнонеравновесной химически активной плазмы практически любых газов. Обычным диапазоном рабочих давлений для таких систем являются давления форвакуумного диапазона (0,1-100 Торр), а температура газовой среды может варьироваться в весьма широком диапазоне в зависимости от мощности электронного пучка, используемого для генерации плазмы, и от особенностей решаемой технической задачи.

Наиболее успешно продвинулись разработки пучково-плазменных

реакторов, предназначенных для плазмохимической модификации

материалов со сложной молекулярной структурой, таких синтетические и

природные полимеры (биополимеры), поскольку именно такие соединения

оказались наиболее восприимчивыми к многофакторному воздействию

электронно-пучковой плазмы. Для таких задач возникает принципиальное

ограничение на температуру реакционного объема, так как большинство

таких материалов не выдерживают сколько-нибудь заметного нагрева. В

плазмохимических реакторах, предназначенных для обработки

термолабильных материалов, удается использовать еще одно из наиболее

значимых преимуществ электронно-пучковой плазмы - высокую

химическую активность при низких, вплоть до комнатных, температурах.

Химическая активность достигается интенсивной наработкой атомов, ионов,

4

и радикалов при достаточно высоких давлениях плазмообразующего газа, недоступных большинству известных генераторов холодной плазмы.

При этом весьма полезной оказалась совместимость электронных пучков с другими источниками химически активной плазмы, например сгазоразрядными системами форвакуумного давления, что позволило создать особый класс плазмохимических реакторов - реакторов гибридного типа. В таких реакторах удается в полной мере объединить преимущества электронно-пучковой и газоразрядной плазмы и добиться высокой управляемости реакционным объемом при давлениях, более высоких, чем в обычных газоразрядных системах.

Важной особенностью пучково-плазменных систем является то обстоятельство, что в большинстве прикладных задач имеет место контакт электронно-пучковой плазмы с какой-либо поверхностью, например, с поверхностью обрабатываемого изделия (см. рис. В1.1-а) или частиц аэрозоля, если обработке подвергаются материалы в виде порошков. Плазма может контактировать со слоем жидкости, если решается соответствующая технологическая задача. И наконец, в реальных плазмохимических реакторах плазма контактирует со стенками реакционной камеры. Если камера имеет цилиндрическую форму, а именно такую геометрию имеют многие из известных пучково-плазменных реакторов, то плазма контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью, как показано на рисунке (В1.1-б)

^ 1

(а) (б)

Рис. В(1.1). Генерация электронно-пучковой плазмы (ЭПП): (а) - около плоской поверхности, (б) - внутри металлической трубки.

Свойства электронно-пучковой плазмы вблизи поверхности твердого тела или жидкости могут значительно отличаться от свойств плазмы, генерируемой в неограниченном пространстве, даже если параметры электронного пучка и характеристики плазмообразующей среды одинаковы. Это различие обусловлено физико-химическими процессами, которые происходят вблизи границы контакта плазма-поверхность, причем с обеих сторон этой границы (см. раздел 3 Введения). При конструировании пучково-плазменных реакторов чрезвычайно важным является учет реальной геометрии реакционной камеры и условий взаимодействия плазмы с поверхностью, например - наличие (или отсутствие) плазменного потока на границе раздела фаз.

Таким образом, разнообразие физико-химических процессов в условиях, когда происходит взаимодействие электронно-пучковой плазмы с твердой или жидкой поверхностью в реакционных объемах реальных плазмохимических реакторов, определяет сложность физических и технических задач, решаемых при проектировании таких устройств и отработке технологий, основанных на их применении. Именно это определяет актуальность темы диссертационной работы, в которой

экспериментально изучаются процессы генерации приповерхностной электронно-пучковой плазмы и исследуются некоторые ее свойства, важные с точки зрения приложений.

1. Общие свойства электронно-пучковой плазмы

Рис. В(1.2) иллюстрирует принцип генерации электронно-пучковой плазмы (ЭПП) с помощью непрерывного концентрированного электронного пучка (ЭП). Электронная пушка (1), формирует в высоковакуумной камере (3) электронный пучок (2), который затем через выводное окно (4) выводится в заполненную плазмообразующим газом рабочую камеру (6). При этом создаётся облако электронно-пучковой плазмы (7). При прохождении через газ ЭП рассеивается в упругих столкновениях, а энергия быстрых электронов постепенно расходуется в различных неупругих процессах взаимодействия со средой - ионизации, возбуждения атомов и молекул с возможной диссоциацией молекул и др. В качестве плазмообразующей среды могут использоваться газы и их смеси, пары неорганических и органических веществ, газы с мелкодисперсными добавками в твердой и жидкой фазах.

Рис. В(1.2). Генерация электронно-пучковой плазмы:

(1) электронная пушка, (2) электронный пучок, (3) высоковакуумная камера, (4) выводное окно, (5) блок управления пучком, (6) рабочая камера, (7) облако электронно-пучковой плазмы, (8) твердое тело и жидкость.

Состав ЭПП сложен; в общем случае в ней присутствуют молекулы, атомы, радикалы и ионы в основном и в возбужденном состояниях, а также плазменные электроны и электроны инжектируемого пучка. Функция распределения электронов по энергиям(ФРЭЭ) в ЭПП - немаксвелловская, а сама плазма является сильно неравновесной. В общем случае свойства генерируемой ЭПП и геометрия плазменного облака определяются параметрами инжектируемого ЭП (энергией электронов Еь, полным током пучка 1ь и плотностью тока ]ъ), свойствами плазмообразующей среды (химическим и фазовым составом, давлением Рт, температурой Тт), продолжительностью инжекции г Интенсивность излучения различных точек облака плазмы и другие свойства зависят от координат гиг, измеренных перпендикулярно оси инжекции, соответственно

ЭП.Функцияраспределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в ЭПП -немаксвелловская с тремя характерными энергетическими областями:

I. область энергий, близких к энергии первичного ЭП (Еь), являющаяся источником вторичных электронов;

II. область промежуточных энергий вторичных электронов от пороговых (~ 10 эВ) до энергий ~Еь/2, которые наряду с первичными электронами способны осуществить ионизацию и возбуждение электронных состояний атомов и молекул; III. область электронов с относительно низкой энергией. В молекулярных газах эти электроны определяют колебательное и вращательное возбуждение молекул и влияют на диссоциацию многоатомных молекул в ЭПП.

№

Млксвелловскля ФРЭЭ

101 10° 101 102 КРЕ.эВЮ-1

Рис. В(1.3). Релаксация и рассеяние ЭП в газообразной среде; качественный вид ФРЭЭ в ЭПП.

2. Особенности приповерхностной электронно-пучковой плазмы

При контакте ЭПП с поверхностью твердого тела происходят разнообразные процессы, обусловленные взаимодействием с веществом присутствующих в плазме как высокоэнергетичных частиц (первичных электронов и электронов каскада), так и низкоэнергетичных частиц (плазменных электронов, ионов, атомов и радикалов). Наиболее изученным является воздействие быстрых электронов на поверхность материалов. Эти задачи рассматривались, главным образом, в связи обработкой материалов концентрированными потоками энергии и, в частности, применительно к электронно-лучевой обработке. Энергия падающего на поверхность потока электронов расходуется по трем каналам:

• поглощается материалом в виде тепла, которое затем идет на нагрев и фазовые переходы;

• уносится за счет вторичной электронной эмиссии;

• излучается в виде теплового, тормозного, переходного, характеристического излучения и излучения Вавилова-Черенкова [1].

Рис. В(2.1). Схема процессов на границе контакта ЭПП-поверхность твердого тела.

Схема процессов на границе контакта ЭПП-поверхность твердого тела показана на рис. В(2.1). В ЭПП присутствуют различные частицы, все эти частицы могут взаимодействовать с поверхностью твёрдого тела. Если быстрый электрон попадает на поверхность твердого тела, то он может быть отражен, или может проникнуть твердое тело. Кроме того, при падении быстрого электрона на поверхность твёрдого тела может наблюдаться вторичная электронная эмиссия. Отражение бывает двух типов: упругое и неупругое. При упругом отражении энергия подающего электрона и отраженного электрона одинаковы. При неупругом отражении энергия отраженного меньше, чем подающего электрона. Коэффициенты упругого и неупругого отражения зависят от материала тела и энергии подающих электронов. Обычно пользуются экспериментальные данные для значений этих коэффициентов. Общие закономерности:чем больше энергии электронов,тем меньше коэффициент упругого отражения;чем больше атомный номер материала, тем больше коэффициенты упругого и неупругого отражения [2].

Полный коэффициент отражения (ст) приставляет собой сумму коэффициента упругого отражения (г), коэффицента неупругого отражения(ц), коэффициента вторичной электронной эмиссии (3).

СТ — Г + / + 3

где, а— полный коэффициент вторичной эмиссии, г — коэффициент упругого отражения, г/ — коэффициент неупругого отражения,

3 — коэффициент истинной вторичной эмиссии (включая термоэмиссию, фотоэмиссию).

Вторичное излучение за счет поверхностного воздействия тяжелых

частиц (например, ионы) [3], вусловиях ЭПП заметной роли не играет, однако

11

рекомбинация ионов и радикалов, а также колебательная релаксация возбужденных молекул на границе раздела фаз могут привести к разогреву и интенсификации испарения поверхностного слоя без повышения температуры газа в целом [4]. Неравновесный разогрев и испарение поверхности позволяют ускорить десорбцию хемосорбированных комплексов, интенсифицировать удаление пассивирующих пленок и т. п. Эти процессы могут существенно повлиять на протекание плазмохимических реакций на поверхности, особенно, если твердая фаза имеет развитую поверхность, например, если материал находится в мелкодисперсной фазе. Модификации поверхности в неравновесных плазмы может происходить и без разогрева системы [5], особенности если обработать поверхность полимера материала [6].

3. Генерации электронно-пучковой плазмы в двухфразных и многофазных средах

Генерация двухфазных потоков ЭПП

ЭПП может генерироваться не только в чистой газообразной среде, но

и в среде, в которой присутствеут конденсированная дисперсная фаза (КДФ)

в виде распыленных в ней частиц порошка или капелек жидкости [7]. Для

транспортировки ЭП из вакуумной камере в такую среду могут быть

использованы такие же выводные окна, как и для инжекции ЭП в газ.

Несколько более сложные выводные окна приходится использовать, если

требуется инжектировать пучок в газовый поток. Но принципиально нет

колько-нибудь существенных отличий между инжекцией ЭП в неподвижный

или движущийся газ. Наличие высокоскоростного потока

плазмообразующего газа облегчает создание двухфазных плазменных струй,

поскольку распыливание жидкости происходит не только благодаря

самопроизвольному распаду струи или пелены (как это было в случае

генерации неподвижных пучково-плазменных образований), но и за счет

аэродинамического воздействия на них набегающего газового потока [8]. В

12

этом случае удалось применить методы пневматического распыливания [9]: струя или пелена жидкости впрыскивается в поток газа-носитсля так, чтобы обеспечить наиболее эффективное диспергирование жидкости. При этом экспериментально исследовались следующие варианты:

• цилиндрическая струя впрыскивалась перпендикулярно оси газового потока вне соплового устройства;

• цилиндрическая струя впрыскивалась перпендикулярно оси газового потока в каком-либо сечении соплового устройства;

• коническая пелена центробежной форсунки впрыскивается в газовый поток так, что ось конуса перпендикулярна оси потока;

• плоская пелена, сформированная щелевым соплом или диспергирующим устройством дефлекторного типа, впрьюкивается в поток газа вне соплового устройства так, что ее плоскость перпендикулярна оси газового потока[10];

На рис. В(3.1-а) показана генерация двухфазного потока ЭПП в свободном пространстве. ЭП инжектируется через выводное окно, констуктивно объединенное с соплом Лаваля, вдоль оси газовой струи. В результате формируется поток ЭПП (2). Жидкость вводили в поток плазмы с помощью распылителя (4). В аэродинамических экспериментах в качестве присадок для распыления использовались жидкие углеводороды и авиационное топливо. Для распыления жидкости применялись центробежные распылители с электрическим управлением, а пневматические распылители можно было применять при более высокой скорости потока газа. Дисперсная жидкость смешивалась с потоком газа,и образовывалась зона (1) двухфазной ЭПП. Соотношение компонентов воздушно-жидкостной смеси и форма аэрозольной зоны контролировались по расходу воздуха Оа и расходу жидкости О^ которые можно изменять и измерять в ходе эксперимента.

Плазмы твердых аэрозолей генерировались аналогичным образом:

механический распылитель непрерывно вводил некоторые порции порошка в

13

зону генерации ЭПП. Частицы порошка перемещались вместе с потоком плазмы, а затем их улавливала специальная ловушка. Хотя плазма твердых аэрозолей очень перспективна для применения [11,12], существует основная проблема в контроле пылевой плазмы, поскольку частицы аэрозоля способны накапливать сверхвысокий электростатический заряд в ЭПП [13]. При более низких давлениях газа (Рт<1-5 Торр в зависимости от типа плазмообразующего газа) кулоновские силы превышают аэродинамические, и они могут вызвать нестабильность потока плазмы и даже разрушить объем плазмы.

(а)

(б)

Рис. В(3.1). Аэродинамические эксперименты в ЭПП:

а) — генерация потоков аэрозольной плазмы;

б) — комплексный аэродинамический эксперимент.

1 — зона аэрозольного ЭПП, 2 — поток ЭПП, 3 — поток газа, 4 - распылитель, 5 — игольчатый электрод , 6 — генератор высокого напряжения, 7 — зона внешнего сгорания, 8 — аэродинамическая модель._

Эксперименты ставились для изучения влияния ЭПП на:

• воспламенение и сгорание авиационного топлива, распыляемого в свободном потоке ЭПП;

• воспламенение и сгорание авиационного топлива, распыляемого внутри цилиндрического канала;

• внешнее сгорание топливовоздушной смеси вблизи поверхности тела;

• обтекание тел простейшей формы (сферы и конуса);

• аэродинамическое сопротивление длинных цилиндрических каналов, заполненных текучей жидкостью.

Одна из схем проведения экспериментов по плазменному воспламенению и сжиганию воздушно-топливного аэрозоля показана на (рис. В(3.1-а). Аэрозольную зону (6) формировали внутри потока (2) ЭПП путем пневматического или центробежного распыления топлива (керосина), а воздушно-топливную смесь поджигали игольчатым электродом 5, питаемым высоким напряжением от импульсного источника питания 6. Частота работы источника питания составляла около 100 Гц. Изменялись давление окружающей среды Рт, скорость газа, разряды воздуха и топлива, напряжение на игольчатом электроде и его полярность. Эксперименты показали, что обычно воздушно-топливный аэрозоль:

• может воспламеняться, когда ЭП впрыскивается в поток воздуха, и не может воспламеняться, когда ЭП выключен.;

• стабильное горение наблюдалось только при включенном ЭП и работающем воспламенителе.

Таким образом, ЭПП способствовал воспламенению аэрозоля воздуха-топлива и поддерживал горение аэрозоля. Аналогичное поведение воздушно-топливной смеси наблюдалось, если поток аэрозоля формировался в цилиндрическом канале, который можно рассматривать как модель камеры сгорания.

Измерения сил трения между потоком ЭПП и стенкой канала не выявили каких-либо эффектов, которые можно было бы отнести к плазменным процессам. Ни плазмохимическая модификация поверхности канала, ни ионизация и возбуждение газа не изменили сопротивления воздуха в канале. Однако нагрев газа при более высоких значениях Ыь до Тт~103 К приводил к увеличению сопротивления воздуха в канале, что коррелировало с температурной функцией вязкости газа. Установлено, что впрыск ЭП в сверхзвуковую газовую струю способен изменять распределение давления вблизи поверхности тела, помещенного в поток.

Этоизменениеможноинтерпретироватькакуменьшениесопротивлениятела

[14].

Рис. В(3.1-б) иллюстрирует экспериментальное исследование аэродинамических характеристик тела при наличии ЭПП вблизи его поверхности. Модель (8) была вставлена в поток ЭПП на аэродинамических весах, которые измеряли интегральную силу воздействия потока на модель. Модель имела тонкие каналы для впрыска газообразного или жидкого топлива в поток воздуха, и импульсы высокого напряжения подавались на модель через держатель модели, если требовалось воспламенение топлива. При определенных условиях (специально отрегулированное сочетание скорости потока и параметров ЭП) происходило стабильное горение топлива, а вокруг поверхности модели возбуждалась зона (7) комбинированной плазмы продуктов сгорания. Установлено, что внешнее горение пропана, стимулированное плазмой, дополнительно снижает лобовое сопротивление сферической моделина 20-40% в потоках воздуха с числом Маха ~ 1,5 (Рт ~ 10 Торр).

Многофазнаяплазма

Газовые разряды с дисперсной жидкой фазой (аэрозольная плазма)

Аэрозоли широко используются в плазменной технологии, например, в индуктивно связанной плазме (ИСП) для идентификации атомных соединений в жидких образцах с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии (ИСП-АЭС) и масс-спектроскопии (ИСП-МС) [15-18]. В этих приложениях, где плазма близка к тепловому равновесию, аэрозоль полностью испаряется в плазме с образованием распыленных компонентов аэрозоля [19,20]. Термическая плазма с аэрозолями также широко используется для обработки поверхностей и материалов осаждение [21-25]. Также были исследованы аэрозоли, содержащие плазму, которая ближе к неравновесной. Чаще всего аэрозоль содержит предшественник для

плазменного осаждения [26-31]. В литературе обсуждались доказательства выживания капель в неравновесной плазме низкого давления и атмосферного давления [32], а также количественно оценивалось влияние аэрозоля на свойства плазмы. Однако, влияние плазмы на физико-химическое состояние капель до сих пор недостаточно изучено.

Достаточно подробно изучено электрическое распыливание жидкостей. Существует множество режимов непрерывного и прерывистого электрораспыления в зависимости от расхода газа, поверхностного натяжения жидкости, проводимости и вязкости. Вода неявляется типичной жидкостью, используемой в электроспрее, из-за ее высокого поверхностногонатяжения, что приводит к необходимости высокого напряжения для производства аэрозоля. Это напряжение часто близко к электрическому пробою окружающего газа. Однако, использование электрораспыления воды при напряжениях, превышающих потенциал пробоя, приводитк электрическому разряду в сочетании с генерацией брызг капель воды [33,34-36]. Такая конфигурация обеспечивает эффективный массоперенос активных частиц плазмы в воду благодаря микронным размерамкапли с большим отношением поверхности к объему. Например, эффективное производство радикалов Н2О2 в импульсных разрядах с водяным распылением объясняется быстрым массопереносом из Н2О2, образующегося в газовой фазе, в капли жидкости. Попав в капли, Н2О2 экранируется от высокореактивной плазменной среды, которая потенциально может разрушить Н2О2 [37].

Недавние исследования подняли вопросы о типе взаимодействий между аэрозольными каплями и окружающей плазмой и о том, отличаются ли эти взаимодействия от взаимодействий на границе раздела объемной плазмы и жидкости. Аэрозольная капля испытывает множество процессов, включая селективный нагрев,зарядку и диффузию частиц плазмы, которые отличаются, по крайней мере, помасштабу, от их аналогов на границе раздела

объемной жидкости и плазмы. Первоначальные результаты показывают, что капли могут пережить несколькомиллисекунд времени пребывания в низкотемпературной атмосфере плазмы атмосферного давления, и что этого времени достаточно для проведения многих химических реакций в жидком аэрозоле [38].

Глава 1. Обзор современного состояния научно-технической проблемы. (Анализ доступной литературы)

1.1. Взаимодействие электронно-пучковой плазмы с поверхностью: физические и химические процессы

Генерация ЭПП вблизи поверхности компактного твердого тела, слоя жидкости, частицы диспергированного порошка или жидкой капли являются типичными для анализа процессов пучково-плазменной модификации материалов, плазмохимического синтеза и управления деструкцией сложных органических и биоорганических соединений [39].

Свойства ЭПП вблизи поверхности могут существенно отличаться от свойств плазмы в неограниченном объеме. Эти различия сведены в таблицу (1.1.1), в которой знаки (+) и (++) означают, что процесс является существенным или очень существенным, знак (—) означает, что процесс не является значимым, а значки (±) - что процесс может быть важным при определенных условиях. Теоретическое описание этих процессов и компьютерное моделирование взаимодействия ЭПП с поверхностью помещенного в нее образца, требуют самосогласованного решения многочисленных электрофизических, молекулярно-кинетических,

плазмохимических тепловых и газодинамических задач, каждая из которых, даже решаемая отдельно, является весьма сложной. Поэтому при исследовании упомянутых выше процессов наиболее информативными оказываются экспериментальные методы.

Таблица (1.1.1). Физико-химические процессы в электронно-пучковой плазме

№ Процесс Неограниченная плазма Плазма вблизи поверхности

1. Упругое рассеяние электронного пучка в газе + +

2. Неупругое рассеяние электронного + +

пучка в газе, вызывающее: • Торможение первичных электронов • Ионизацию молекул газа • Возбуждение молекул газа • Нагрев газа

3. Теплопередача в газе + +

4. Диффузия нейтральных частиц плазмы + +

5. Амбиполярная диффузия заряженных частиц плазмы + +

6. Плазмохимические реакции в газе + +

7. Эмиссия оптического излучения газом (УФ, видимое, ИК) + +

8. Генерация тормозного излучения, вызванная замедлением первичных электронов в газе + +

9. Упругое и неупругоеотражение электронов от поверхности +

10. Поглощение электронов твердым телом +

11. Генерация тормозного излучения (рентгеновские лучи), вызванное замедлением первичных электронов в твердом теле +

12. Нагрев тела, вызванный замедлением и поглощением первичных электронов в твердом теле +

13. Фазовые переходы в твердом теле - +

14. Распыление материала - +

15. Теплопередача в твердом теле - +

16. Теплопередача между газом (плазмой) и твердым телом +

17. Массоперенос в поверхностном слое - +

тела (диффузия)

18. Плазмохимические реакции на поверхностном слое тела (плазмохимия) ++

19. Эмиссия излучения поверхностью тела (тепловое и люминесценция) ++

20. Реакции в твердых телах, стимулированные бомбардировкой быстрыми электронами и тормозным излучением ++

21. Электростатическая зарядка тела (диэлектрики или незаземленные тела); дифференциальная зарядка диэлектриков ±

22. Вторичная электронная эмиссия твердым телом +

23. Плазменные неустойчивости ± ±1

Анализ накопленных экспериментальных данных проводился в рамках физической модели процессов, протекающих в реакционном объеме пучково-плазменного реактора, основные положения которой иллюстрируются рисунком (1.1.1). Тонкий непрерывный ЭП инжектируется в молекулярный газ известного химического состава, генерируя неподвижное плазменное облако, в которое помещается обрабатываемый образец. В качестве примера на рис. (1.1.1) изображен образец в виде полуограниченного твердого тела, хотя все нижеследующие рассуждения могут быть отнесены и образцам другой геометрии, а также к реакционному объему, содержащему

конденсированную дисперсную фазу. Задача рассматривается в цилиндрической системе координат, продольная ось 2 которой совпадает с направлением инжекции ЭП.

Рис. (1.1.1). Физические процессы в электронно-пучковой плазме и вблизи гранцы ее контакта с твердым телом.

Электронный пучок рассеивается и тормозится в толстом слое газа между выводным окном и поверхностью твердого тела. При этом происходят процессы, перечисленные в Талице (111) под номерами 1-8. В приповерхностном слое ЭПП к этим процессам добавляются новые процессы, обусловленные взаимодействием ЭПП с поверхностью твердого тела и бомбардировкой поверхности достаточно быстрыми электронами деградационного спектра пучка. Это процессы (9-11) и (18-22).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Йе Хлаинг Тун, 2021 год

Список литературы

1. Рьпсалин H.H. и др. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. М.Машиностроение, 1985.

2. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М.; Высшая школа, 1984. 320 с.

3. Черепин В. Т., Васильева М.А. Вторичная ионно-ионная эмиссия материалов и сплавов. Киев: Наукова думка , 1981.

4. Русанов В.Д., Фридман A.A. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984.415 с.

5. электронно-пучковой плазмы в нагретом аргоне // Физика плазмы Кальдераццо Ф., Эрколи Р., Натта Д. // В кн. Органические синтезы через карбонилы металлов. М.: Мир, 1970. С. 11 - 211.

6. Гильман А.Б., Потапов В.К. Плазмохимическая модификация поверхности полимерных материалов // Прикладная физика. 1995. Вып. 3 - 4. С. 14 - 22.

7. Vasiliev M N and Aung Tun Win 1992 AIP. Conf. Proc. 1482, 519 519524

8. Александров И.В., Васильев М.Н., Бойко Д.А. Обработка бурого угля в низкотемпературной плазме // Химия твердого топлива. 1996. № 1. С. 36 - 42.

9. Производство и применение хитина и хитозана / Тезисы докладов IV Всероссийской конф. Москва, 25 - 26 апреля 1995 г. М.: Изд. ВНИРО, 1995. 87 с.

10.Васильев Михаил Николаевич. Экспериментальное исследование генерации и приложений неравновесной низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмы // диссертация доктора технических наук :01.04.08 Москва 1998.

11. Vasiliev M N and Mahir A H Publications of the Astronomical Observatory of Belgrade 2011 135-140 (Beograd)

12. Vasilieva T M and Mahir A H 2008 VDI Berihte Iss. 2027 237-240

13.Fortov V E, Gavrikov A V, Petrov O F, Sidorov V S, Vasiliev M N and Vorona N A 2011 EPL (Europhysics Letters) 94 No. 5 55001.

14.Klimov A, Biturin V, Vasiliev M, Vystavkin N and Kuztetsov A 2004 42-th Aerospace Meeting and Exebition AIAA 0670 (Reno, Nevada USA)

15.Kahen K, Jorabchi K, Gray C and Montaser A 2004 Spatial mapping of droplet velocity and size for direct and indirect nebulization in plasma spectrometry Anal. Chem. 76 7194

16. Olesik J W and Hobbs S E 1994 Monodisperse dried microparticulate injector: a new tool for studying fundamental processes in inductively coupled plasmas Anal. Chem. 66 3371

17. Chan G-Y, Zhu Z and Hieftje G M 2012 Effect of single aerosol droplets on plasma impedance in the inductively coupled plasma Spectrochim. Acta B 76 87

18. Olesik J W and Kinzer J A 2006 Measurement of monodisperse droplet desolvation in an inductively coupled plasma using droplet size dependent peaks in Mie scattering intensity Spectrochim. Acta A 61 696

19. Shan Y and Mostaghimi J 2003 Numerical simulation of aerosol droplets desolvation in a radio frequency inductively coupled plasma Spectrochim. Acta B 58 1959

20.Benson C M, Zhong J, Gimelshein S F, Levin D A and Montasera A 2003 Simulation of droplet heating and desolvation in inductively coupled plasma—part II: coalescence in the plasma Spectrochim. Acta B 58 1453

21.Damiani D, Tarlet D and Meillot E 2014 A particle-tracking-velocimetry (PTV) investigation of liquid injection in a DC plasma jet J. Therm. Spray Technol. 23 340

22.Muboyadzhyan S A 2008 Deposition from the two-phase multicomponent flow of a vacuum-arc plasma containing droplets of an evaporated material Russ. Metall. 2008 112-21

23. Shan Y and Hu Y 2012 Heat and mass transfer within an evaporating solution droplet in a plasma jet J. Therm. Spray Technol. 21 676

24.Marchand C, Chazelas C, Mariaux G and Vardelle A 2007 Liquid precursor plasma spraying: modeling the interactions between the transient plasma jet and the droplets J. Therm. Spray Technol. 16 705

25.Fauchais P, Joulia A, Goutier S, Chazelas C, Vardelle M, Vardelle A and Rossignol S 2013 Suspension and solution plasma spraying J. Phys. D: Appl. Phys. 46 224015

26.Fanelli F, Mastrangelo A M and Fracassi F 2014 Aerosol-assisted atmospheric cold plasma deposition and characterization of superhydrophobic organic-inorganic nanocomposite thin films Langmuir 30 857

27.Fanelli F and Fracassi F 2014 Aerosol-assisted atmospheric pressure cold plasma deposition of organic-inorganic nanocomposite coatings Plasma Chem. Plasma Process. 34 473

28.Da Ponte G, Sardella E, Fanelli F, d'Agostino R, Gristina R and Favia P 2012 Plasma deposition of PEO-like coatings with aerosol-assisted dielectric barrier discharges Plasma Proc. Polym. 9 1176

29.Da Ponte G, Sardella E, Fanelli F, Van Hoeck A, d'Agostino R, Paulussen S and Favia P 2011 Atmospheric pressure plasma deposition of organic films of biomedical interest Surf. Coat. Technol. 205 S525

30. Ogawa D, Saraf I, Sra A, Timmons R, Goeckner M and Overzet L 2009 The direct injection of liquid droplets into low pressure plasmas J. Vac. Sci. Technol. A 27 342

31. Ogawa D, Chung C W, Goeckner M and Overzet L 2010 Transient effects caused by pulsed gas and liquid injections into low pressure plasmas Plasma Source Sci. Technol. 19 034013

32. Stallard C P, Iqbal M M, Turner M M and Dowling D P 2013 Investigation of the formation mechanism of aligned nano-structured siloxane coatings deposited using an atmospheric plasma jet Plasma Proc. Polym. 10 888

90

33. Cloupeau M and Prunet-Foch B 1994 Electrohydrodynamic spraying functioning modes: a critical review J. Aerosol Sci. 25 1143-57

34.Jaworek A and Krupa A 1997 Studies of the corona discharge in EHD spraying J. Electrost. 40-1 173-8

35.Kim H H, Kim J H and Ogata A 2011 Time-resolved high-speed camera observation of electrospray J. Aerosol Sci. 42 249-63

36.Pongrac B, Kim H H, Janda M, Martisovits V and Machala Z 2014 Fast imaging of intermittent electrospraying of water with positive corona discharge J. Phys. D: Appl. Phys. 47 315202

37.Burlica R, Shih K Y and Locke B R 2010 Formation of H2 and H2O2 in a water-spray gliding arc nonthermal plasma reactor Ind. Eng. Chem. Res. 49 6342-9

38.Maguire P D et al 2015 Controlled microdroplet transport in an atmospheric pressure microplasma Appl. Phys. Lett. 106 224101

39.Йе Хлаинг Тун, Аунг Чжо У, Васильев.М.Н. Экспериментальное исследование электрофизических свойств приповерхностной электронно-пучковой плазмы// ТРУДЫ МФТИ. 2019. Том 11, № 2 (42). C.156 - 160.

40. Васильева Татьяна Михайловна. Получение биоактивных соединений и материалов на основе процессов, стимулированных пучково-плазменным воздействием на вещество // диссертация на соискание степени доктора технических наук. Москва, 2016 г.

41. A. KOBAYASHI. New applied technology of plasma heat sources// Journal of the Japan Welding Sociery. 2010. Volume 4, 1990 - Issue 4. C. 276-282

42.Шарнина Л.В. Научные основы и технологии отделки текстильных материалов с использованием низкотемпературной плазмы, новых препаратов и способов колор6ирования: автореф. диссертация доктра техн. наук. - Иваново, 2006. 32 с.

43.Васильев Михаил Николаевич. Экспериментальное исследование генерации и приложений неравновесной низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмы // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1998 г.

44.Васильев М.Н. Физические основы применения электронно-пучковой плазмы - 2001г.

45.Аброян И. А., Андронов. А. Н., Титов А. И. Физические основы электронной и ионной технологии: Учеб. Пособие для спец.электронной техники вузов. М.Высш. шк., 1984. - 320 с.

46.Васильев Михаил Николаевич. Экспериментальное исследование генерации и приложений неравновесной низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмы // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1998 г.

47.В.Л.Бычков, М.Н.Васильев, А.С.Коротеев. Электронно-пучковая плазма. Генерация, свойства, применение: Учеб, пособие. Издательство МГОУ. Москва, 1993 г.

48.В.Л.Бычков, М.Н.Васильев, А.С.Коротеев. Электронно-пучковая плазма. Генерация, свойства, применение: Учеб, пособие. Издательство МГОУ. Москва, 1993 г.

49.TraylorMJ, PavlovichMJ, KarimS, HaitP, SakiyamaY, ClarkDSandGravesDB 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 472001

50.Locke B R, Sato M, Sunka P, Hoffamnn M R and Chang J-S 2006 Ind. Eng. Chem. Res. 45 882-905

51. Tatarova E, Bundaleska N, Sarrette J Ph and Ferreira C M 2014 Plasma Sources Sci. Technol. 23 063002

52. Ostrikov K, Cvelbar U and Murphy A B 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 174001

53. Graham W G and Stalder K R 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 174037

54.Kaneko T, Takahashi S and Hatakeyama R 2012 Plasma Phys. Control. Fusion 54 124027

55.Richmonds C and Sankaran R M 2008 Appl. Phys. Lett. 93 131501

56. Belmonte T, Hamdan A, Kosior F, Nöel C and Henrion G 2014 J. Phys. D: Appl. Phys. 47 224016

57. Kong M G, Kroesen G, Morll G, Nosenko T, Shimizu T, van Dijk J and Zimmermann J L 2009 New J. Phys. 11 115012

58. Nastuta A V, Topala I, Grigoras C, Pohoata V and Popa G 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 105204

59. Weltmann K D, Kindel E, von Woedtke T, Hähnel M, Stieber M and Brandenburg R 2010 Pure Appl. Chem. 82 1223-37

60. Lukes P, Dolezalova E, Sisrova I and Clupek M 2014 Plasma Sources Sci. Technol. 23 015019

61.Tian W and Kushner M 2014 J. Phys. D: Appl. Phys. 47 165201

62.Jablonowski H and von Woedtke T 2015 Clin. Plasma Med. 3 42-52

63. Ma R, Wang G, Tian Y, Wang K, Zhang J and Fang J 2015 J. Hazardous Mater. 300 643-51

64. Witzke1 M, Rumbach P, Go D B and Sankaran R M 2012 J. Phys. D: Appl. Phys. 45 442001

65. Shirai N, Uchida S, Tochikubo F and Ishii S 2011 IEEE Trans. Plasma Sci. 39 2652

66. Dong L, Shang J, He Y, Bai Z, Liu L and Fan W 2012 Phys. Rev. E 85 066403

67.Dong L, Fan W, He Y and Liu F 2008 IEEE Trans. Plasma Sci. 36 1356

68. Gubkin J 1887 Elektrolytische Metallabscheidung an der freien Oberfache einer Salzlösung Ann. Phys. 32 114

69.Hickling A and Ingram M D 1964 Contact glow-discharge electrolysis Trans. Faraday Soc. 60 783-93

70.Martin J C 1996 J.C. Martin on Pulsed Power (New York: Plenum)

71. Sato M, Ohgiyama T and Clements J S 1996 Formation of chemical species and their effects on microorganisms using a pulsed high-voltage discharge in water IEEE Trans. Ind. Appl. 32 106-12

93

72. Foster J E, Sommers B S, Gucker S N, Blankson I M and Adamovsky G 2012 Perspectives on the interaction of plasmas with liquid water for water purification IEEE Trans. Plasma Sci. 40 1311-23

73. Webb M R and Hieftje G M 2009 Spectrochemical analysis by using discharge devices with solution electrodes Anal. Chem. 81 862-7

74. Rosen A L and Hieftje G M 2004 Inductively coupled plasma mass spectrometry and electrospray mass spectrometry for speciation analysis: applications and instrumentation Spectrochim. Acta B 59 135-46

75. Smoluch M, Mielczarek P and Silberring J 2016 Plasma-based ambient ionization mass spectrometry in bionanalytical sciences Mass Spectrom. Rev. 35 22-34

76. Mariotti D, Patel J, Svrcek V and Maguire P 2012 Plasma-liquid interactions at atmospheric pressure for nanomaterials synthesis and surface engineering Plasma Proc. Polym. 9 1074-85

77. Ishijima T, Nosaka K, Tanaka Y, Uesugi Y, Goto Y and Horibe H 2013 A high-speed photoresist removal process using mutibubble microwave plasma under a mixture of multiphase plasma environment Appl. Phys. Lett. 103 142101

78. Friedrich J F, Mix N, Schulze R-D, Meyer-Plath A, Ranjit Joshi R and Wettmarshausen S 2008 New plasma techniques for polymer surface modification with monotype functional groups Plasma Proc. Polym. 5 40723

79. Bruggeman P J and Locke B R 2013 Low Temperature Plasma Technology ed P K Chu and X P Lu (London: Taylor and Francis)

80. Fridman G, Friedman G, Gutsol A, Shekhter A B, Vasilets V N and Fridman A 2008 Applied plasma medicine Plasma Proc. Polym. 5 503-33

81. Bruggeman P J and Leys C 2009 Non-thermal plasmas in and in contact with liquids J. Phys. D: Appl. Phys. 42 053001

82.Elford M T 1995 The ratio DT/^ for electrons in water vapour at 294 K Aust. J. Phys. 48 427-37

83. Barnett R N, Giniger R, Cheshnovsky O and Landman U 2011 Dielectron attachment and hydrogen evolution reaction in water clusters J. Phys. Chem. A 115 7378-91

84. Ruiz-Vargas G and De Urquijo J 2009 Pressure-dependent electron attachment in H2O-air mixtures XXIX Int. Conf. Phenomena in Ionized Gases (Cancun, Mexico) pp PB1-7

85. An W, Baumung K and Bluhm H 2007 Underwater streamer propagation analyzed from detailed measurements of pressure release J. Appl. Phys. 101 053302

86. Bonifaci N, Denat A and Atrazhev V 1997 Ionization phenomena in high-density gaseous and liquid argon in corona discharge experiments J Phys. D Appl. Phys. 30 2717

87. Starikovskiy A, Yang Y, Cho Y I and Fridman A 2011 Non-equilibrium plasma in liquid water: dynamics of generation and quenching Plasma Source Sci. Technol. 20 024003

88. Samukawa S et al 2012 The 2012 plasma roadmap J. Phys. D: Appl. Phys. 45 253001-37

89. Grumbt G., Zenker R., Biermann H., Weigel K., Bewilogua K., Brauer G. Duplex surface treatment - physical vapor deposition (PVD) and subsequent electron beam hardening (EBH) // Adv. Eng. Mater. - 2014. - V. 16, N. 5. -P. 511-516.

90.Аунг Мьят Хейн. Гибридная плазма газовых смесей как инструмент комбинированного воздействия на полимерные материалы с целью повышения их биосовместимости // дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Москва. 2019

91.Hao S., Wang H., Zhao L. Surface modification of 40CrNiMo7 steel with high current pulsed electron beam treatment // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. - 2016. - V. 368. - P. 81-85.

92. Matthews A., Leyland A. Hybrid technologies in surface engineering // Surf. Coat. Technol. - 1995. - V. 71. - P. 88-92.

95

93.Zenker R. Structure and properties as a result of electron beam surface treatment // Adv. Eng. Mater. - 2004. - V. 6, N. 7. - P. 581-588.

94.Zenker R. Electron meets nitrogen: combination of electron beam hardening and nitriding // Int. Heat Treat. Surf. Eng. - 2009. - V. 3, N. 4. -P. 141-146.

95. Sacher G., Zenker R., Spies H.J. Duplex treatment of tools and components: previous or subsequent electron beam hardening of thermochemicallytreated and PVD hard-coated steels for tools and components // Mater. Manuf. Process. - 2009. - V. 24. - P. 800-805.

96.Petrov P. Optimization of carbon steel electron-beam hardening // J. Phys.: Conf. Ser. - 2010. - P. 223. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/223/1/012029.

97.Petrov P., Dimitrov D., Aprakova M., Valkanov S. Surface hardening of alloy steels using high intense electron beams // Mater. Manuf. Process. -1998. - V. 13, N. 4. - P. 555-564.

98.Dimitrov D., Aprakova M., Valkanov S., Petrov P. Electron beam hardening of ion nitrided layers // Vacuum. - 1998. - V. 49, N. 3. - P. 239246.

99.Vaislieva T., Lysenko S., Bayandina D., Vasiliev M. Electron beam transport in dusty plasma // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2011. - V. 645. - P. 90-95.

100. D'Agostino R., Favia P., Oehr C., Wertheimer M.R. Plasma processes and polymers // 16th International Symposium on Plasma Chemistry. -2006. - P. 545.

101. Tamou Y., Yoshida T., Akashi K. The synthesis of ultrafine silicon carbide in a hybrid plasma // J. Jpn I. Met. - 1987. - V. 51 - P. 737.

102. D'Agostino I.R., Favia P., Kawai Y., Ikegami H., Sato N., Arefi-Khonsari F. // Advanced Plasma Technology (Weinheim: John Wiley & Sons). - 2008.

103. Fujiyama H., Kawasaki H. Sputter coating on high speed steel tube using a hybrid plasma produced by coaxial ECR and magnetron discharges in Surface & Coatings Technology // ed. B. D. Sartwell and A Matthews (Lausanne: Elsevier). - 2016. - P. 140.

104. Kong P.C. Modular hybrid plasma systems for low cost production of nanoparticles // CRADA final report 9-22-2009, (Idaho National Laboratory and PPG Industries, Inc.). - 2009.

105. Aleksandrov A.F., Petrov A.K., Vavilin K.V., Kralkina E.A., Neklyudova P.A., Nikonov A.M., Pavlov V.B., Ayrapetov A.A., Odinokov V.V., Sologub V.A., Pavlov G. Ya. Investigation of the helicon discharge plasma parameters in a hybrid RF plasma system // Plasma Phys. Rep. -2016. - V. 42. - P. 290.

106. Юшков Ю.Г. Форвакуумный импульсный плазменный источник электронов для модификации поверхности диэлектрических материалов // дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Томск, 2012. 104 с.

107. Йе Хлаинг Тун, Аунг Чжо У, М.Н.Васильев. Экспериментальное исследование электрофизических свойств приповерхностной электронно-пучковой плазмы // ТРУДЫ МФТИ. 2019. Том 11, № 2 (42). C. 156 - 160.

108. Хтет Ко Ко Зау. Исследование нестационарных процессов в пучково-плазменных реакторах, применяемых для обработки материалов и изделий медико-биологического назначения // дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Москва. 2021.

109. Н.Л. Александров, М.Н. Васильев, С.Л. Лысенко, А.Х. Махир. Экспериментальное и теоретическое исследование квазистационарной электронно-пучковой плазмы в камере, заполненной аргоном // ХХХ!Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому

термоядерному синтезу, 16-20 февраля 2004, г. Звенигород Московской обл., С. 179.

110. Йе Хлаинг Тун, Аунг Чжо У, Васильев М.Н. Генерация электронно-пучковой плазмы внутри диэлектрического контейнера // ТРУДЫ МФТИ. 2020. Том 12, № 2 (46). C. 126 - 130.

111. Хтет Ко Ко Зау. Исследование нестационарных процессов в пучково-плазменных реакторах, применяемых для обработки материалов и изделий медико-биологического назначения // дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Москва. 2021.

112. Васильев М.Н, Мясников В.А, Аунг Тун Вин. Электронно-пучковая плазма в замкнутом объеме: генерация, свойства, приложения. 3-7 сентября 2014 г, Плёс, Россия. С. 447-450.

113. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Зуев А.П. Экспериментально-теоретическое исследование приповерхностной электронно-пучковой плазмы азота // Теплофизика высоких температур. 1994. Т. 32. № 3. С. 323 - 333.

114. Аунг Чжо У. Электростатическая зарядка проводящих и диэлектрических мишеней в электронно-пучковой плазме // дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. МФТИ. 2021.

115. KlimovA. S., ZeninA. A., OksE. M., PrechK. //PhysicsofPlasmas. 2018. Vol. 25 (11). P. 113103

116. А. С. Климов, А. А. Зенин, Д. Б. Золотухин, А. В. Тюньков, Ю. Г. Юшков. Генерация плазмы при ионизации газа электронными источниками диапазоне давлений 1-100 Па (обзор). Успехи прикладной физики, 2019, том 7, № 3. С.249-259

Отпечатано с оригинал-макетов Заказчика в типографии "Переплетофф" Адрес: г. Долгопрудный, ул. Циолковского, 4. Тел: [phone]. www.perepletoff.ru Формат 210 х 297 мм. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 11 экз. Твердый переплет. Заказ № . 23.08.21 г.