|
|
Сильноточная
электроника на службе инноваций
|
Институт сильноточной электроники Сибирского
отделения РАН, созданный в 1977 году академиком Геннадием Месяцем — сегодня один
из ведущих институтов физико-технического профиля в Сибири. На мировой научной
арене ИСЭ отлично известен своими пионерскими работами по мощной импульсной
энергетике, физике плазмы и экстремальных состояний вещества, физике
сверхмощных микроволн, разработкой высокоэнергетических лазеров и источников
рентгеновского излучения. Наряду с научными результатами, главная продукция
Института — это крупные электрофизические устройства: источники электрических
импульсов, электронных пучков и различных излучений с колоссальной мощностью. Чтобы
охарактеризовать масштаб деятельности, достаточно сказать, что Институт разрабатывает
компоненты «супермашин» — импульсных генераторов для проектов импульсной
термоядерной энергетики в Европе и США.
Сегодня под
руководством члена-корреспондента РАН Николая Ратахина Институт продолжает
интенсивно заниматься «высокой» наукой, при этом создавая «штучный товар» — масштабные
и уникальные электрофизические установки для крупнейших научных центров мира. Однако
ИСЭ активно и последовательно стремится к продвижению своей наукоемкой продукции
и на более широкий рынок, предлагая свои разработки отечественной и зарубежной
промышленности и медицине. Ученые ИСЭ не забывают и о модном ныне слове
«нанотехнологии», стремясь наполнить его вполне конкретным смыслом:
разрабатывают пучково-плазменные технологии получения наноструктурированных слоев
и покрытий на материалах и изделиях.
О ряде
технологических разработок Института, созданных на основе фундаментальных научных
исследований, мы и расскажем.
Вакуумная
импульсная электронно-пучковая установка «СОЛО»
Установка «Соло» предназначена для
модификации поверхности металлических и металлокерамических изделий. Она
обеспечивает уникальные возможности по полировке поверхности, упрочнению
поверхности, повышению ее стойкости к износу и коррозии, приданию ей
антизадирных свойств.
В
зоне обработки очищается поверхность и отжигаются легкоплавкие примеси. При
кристаллизации в вакууме за счет сил поверхностного натяжения происходит
выглаживание рельефа и полировка поверхности. При этом шероховатость
поверхности штамповых сталей и твердых карбидных сплавов можно уменьшить в 15
раз, вплоть до Ra = 0.05 мкм. В общем случае, по сравнению с финишной электроискровой
обработкой (ЕDM),
данный метод позволяет снизить уровень шероховатости в 5—6 раз.
В
результате сверхбыстрой закалки, на поверхности формируется упрочненный слой толщиной
2—10 мкм. с субмикро- и нанокристаллической структурой. Поверхностная микротвердость сталей после обработки может
увеличиться в 2—3 раза, а для карбидных материалов типа WC-Co возрастает от
15 ГПа до 25 ГПа.
Установки
«Соло» нового поколения включают вакуумную камеру, электронный источник с
плазменным катодом, систему формирования и транспортировки электронного пучка в
магнитном поле, схемы электропитания и управления. Использование плазменного
катода и современной элементной базы в источниках питания позволяет независимо
и в широких пределах регулировать параметры электронного пучка и таким образом
реализовывать различные технологические режимы обработки изделий.
Комплексная установка для азотирования и ионно-плазменного
нанесения функциональных покрытий с нанокристаллической структурой
Установка предназначена
для формирования из плазмы дуговых разрядов низкого давления на поверхности
материалов (стали, твердые сплавы, диэлектрики) упрочняющих слоев и покрытий с
нанокристаллической структурой. Обеспечивает повышение твердости,
износостойкости, антизадирных свойств, коррозионной стойкости и улучшение
внешнего вида изделий. Этими изделиями могут быть инструмент, штамповая оснастка,
детали машин и механизмов.
Толщина получаемых
покрытий составляет 2—5 мкм. Микротвердость покрытия 40—50 ГПа, что в 2 раза
превышает твердость TiN покрытий, получаемых по традиционной КИБ-технологии на установках
типа ННВ-6 или «Булат». По всей толщине покрытия имеют нанокристаллическую
структуру с размером зерна 10 – 30 нм, обладают высокой адгезией и
трещиностойкостью.
В установке реализована технология, в едином вакуумном
цикле совмещающая (i) ионно-плазменную очистку и активацию поверхности деталей,
(ii) формирование
твердого (8—12) ГПа переходного азотированного слоя в сталях, (iii) нанесение сверхтвердых
наноструктурных функциональных покрытий при температурах 100—800 °С
и импульсном отрицательном напряжении на покрываемых деталях. Изменяя энергию
ионов реактивного газа и состав многоэлементных композиционных катодов, можно
эффективно управлять микроструктурой растущего слоя и получать покрытия с
заданными физико-химическими и механическими свойствами.
Универсальность
и высокий уровень автоматизации установок позволяют быстро адаптировать их для
нужд конкретного производства. В то же время, по желанию заказчика каждая
установка может иметь свои особенности (функции манипулятора, размеры рабочей
камеры, количество плазмогенераторов), учитывающие основные требования конкретного
производства по производительности и назначению покрытий.
Импульсная электронно-пучковая установка «РИТМ»
Эта установка является одним
из наиболее успешных примеров продвижения импульсных технологий ИСЭ на международный
рынок. В 2003 году японская компания «ITAC Ltd» приобрела лицензию на
производство таких установок, и уже в 2004 году в Японии начато их серийное
производство компанией «Sodick Co., Ltd»
под торговой маркой «Electron Beam PIKA FINISH Machine EB300».
Было произведено более 100 установок данного типа в течение первых двух лет, и
производство продолжается до настоящего времени. Основное назначение установок
состоит в полировке металлических изделий сложной формы. В отличие от
традиционных методов полировки, электронно-пучковая полировка является
значительно более технологичной. Кроме того, при полировке электронным пучком
достигается повышение коррозионной стойкости поверхности за счет глубокой
очистки тонкого поверхностного слоя в вакууме. В настоящее время авторским
коллективом разработана концепция установок «РИТМ» нового поколения. По
сравнению с прототипом, новый «РИТМ» позволяет не только полировать
поверхность, но и формировать наноструктурированные поверхностные сплавы
контролируемого состава, что является одним из перспективных инновационных
направлений в инженерии поверхности. В отличие от высокотехнологичных экономик
мира, в России данные установки пока не находят широкого применения, что
связано, прежде всего, с их недостаточной адаптацией к нуждам Российского
рынка. Для коммерциализации установок «РИТМ» и разработки технологий на их
основе авторским коллективом в 2008 году было создано малое инновационное
предприятие ООО «Микросплав».
Лабораторная установка
«РИТМ» – прототип промышленно
выпускаемых в Японии установок «EB300»
Автограф одиночного
импульса электронного пучка установки «РИТМ» на титановой пластине
Автоматизированная установка для создания
многофункциональных покрытий методами плазменного синтеза, вакуумного напыления
и ионной имплантации
Эта установка позволяет формировать
аморфные углеродные — в том числе, алмазоподобные — покрытия на поверхности
различных сталей и сплавов или проводить высокодозную имплантацию ионами любых
металлов или газов в поверхность изделий. Указанные методы обработки
поверхности приводят к существенному увеличению поверхностной твердости,
снижению коэффициента трения, улучшению коррозионной стойкости. Установка
позволяет решать широкий круг задач для различных применений ионно-плазменных
технологий.
Электронно-пучковая технология создания фильтров на основе
полипропиленового нетканого волокна
Институтом совместно с
НТЦ ООО «Томскнефтехим», а также при участии ОАО «Сибирский химический
комбинат» и Томского атомного центра разработаны фильтры, получаемые с помощью
радиационно-химического воздействия на волокнистые ионообменные материалы (ВИМ)
на основе текстильных и нетканых изделий из промышленного изотактического
полипропилена. После облучения материала сильноточным электронным пучком
осуществляется химическая прививка мономеров, например, акриловой кислоты.
Такие ионообменные фильтры могут применяться, в частности, для очистки сточных
вод от ионов тяжелых металлов. В отличие от фильтров, изготовленных из гранулированных
смол типа К-2, они обладают более высокой (в 10—20 раз) динамической скоростью
обмена и повышенной обменной емкостью (до 6—7 мг-экв/г материала), а также
селективностью фильтрации.
В технологической
установке используется один из импульсно-периодических ускорителей уникального
семейства наносекундных сильноточных электронных ускорителей «СИНУС»,
разработанного в ИСЭ. Установка автоматизирована и проста в эксплуатации.
Температура в рабочей камере комнатная, а низкая энергия электронов (до 250 кэВ)
дает возможность ограничиться радиационной местной защитой.
Специализированные
источники электропитания серии ApEl для технологий вакуумной
модификации поверхности
В
ИСЭ СО РАН разработаны и выпускаются дочерним предпроиятием ООО «Прикладная
Электроника», специализированные источники электропитания серии ApEl для технологий
вакуумной модификации поверхности. Источники питания сконструированы на
основе современной элементной базы и
отвечают последним тенденциям развития технологий нанесения тонкопленочных
покрытий, обработки поверхности материалов и изделий потоками заряженных частиц
и плазмы.
Источники
питания серии ApEl позволяют реализовать большинство вакуумных технологий
обработки поверхности. Все источники имеют встроенный интерфейс RS-485
и могут быть включены в систему автоматизированного управления
1. Источники питания для магнетронных распылительных систем
Современный
источник питания для магнетронных распылительных систем — это интеллектуальная
система, реагирующая и на изменение внешних параметров и на процессы, происходящие
в плазме разряда. В
ИСЭ разработан ряд
источников питания серии ApEl-M, сочетающих
различные наборы функций: от простой системы дугогогашения до
многофункционального высокочастотного источника питания для технологий реактивного
магнетронного распыления. Применение таких источников значительно упрощает
контроль над работой магнетрона, позволяет реализовать сложные технологические
процессы.
2. Источники
питания для технологических ускорителей ионов
Ионные
источники все шире применяются в технологиях модификации поверхности. Одним из
наиболее распространенных типов таких источников является ускоритель с
замкнутым дрейфом электронов (в России его часто называют источником типа
Радикал). Предназначенные для питания таких устройств источники ApEl-IS имеют на выходе регулируемое постоянное напряжение положительной
полярности и оснащены системами дугогашения, предотвращающими и появление брака
продукции и разрушение элементов самого ионного источника.
3. Источники
питания для подачи электрического смещения на подложки
Для
получения покрытий с требуемыми характеристиками зачастую необходимо обеспечить
дополнительную ионную бомбардировку поверхности растущей пленки. Для этого
используется подача на подложку электрического смещения, ускоряющего ионы.
Импульсное высокочастотное смещение позволяет расширить возможности управления
процессом по сравнению с постоянным смещением. Борьба с образованием катодных
пятен на поверхности обрабатываемой детали (подложки) также актуальна, как и для
катода магнетронной распылительной системы. Для решения таких задач
предназначены источники серии ApEl-SB
4.
Высоковольтные импульсные источники питания для плазменно—иммерсионных
технологий
При создании высоковольтных источников серии ApEl-HV применены новые схемные решения, позволяющие получать
импульсы напряжения с амплитудой в десятки киловольт без использования
высоковольтных элементов. Запатентованная схема управления обеспечивает
широчайшие возможности управлениями выходными параметрами. Эти приборы могут
работать и как источник постоянного напряжения и как генераторы импульсов с
регулировкой всех параметров (частота, длительность, амплитуда,
скважность). Короткое время реакции на
пробой обеспечивает не только защиту самого источника, но и нагрузки.
эксилампы ВУФ диапазона с высокой средней мощностью излучения
Эксилампы — источники
спонтанного излучения в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ)
области спектра, возбуждение которых осуществляется барьерным разрядом. В
настоящее время эксилампы находят применение в самых различных областях
промышленности — от микроэлектроники до газодобычи. Излучение эксиламп успешно
опробовано и в медицине как средство обеззараживания; показана эффективность
этого излучения для лечения некоторых кожных заболеваний. В микроэлектронике
широко используются источники ВУФ излучения, в том числе открытого разряда. При
открытом разряде облучаемые образцы находятся в том же газе, который заполняет разрядный промежуток
эксилампы. Подобные источники обычно применяется для возбуждения димеров аргона
и криптона. Эксилампы на димерах
ксенона (172 нм) имеют наибольшие средние мощности и эффективности в ВУФ
диапазоне. Для создания ксеноновых эксиламп используются трубки из
синтетического кварца, пропускание которого в этом диапазоне превышает 80 %.
Это позволяет создавать отпаянные образцы излучателей со сроком службы более
1000 часов.
Разработанные в ИСЭ эксилампы обеспечивают высокие
мощности излучения и плотности мощности, имеют высокую эффективность. Имеется богатый
опыт создания миниатюрных и крупногабаритных образцов эксиламп с различными
длинами волн. Отпаянные излучатели из кварца в эксилампах на димерах ксенона (длина
волны 172 нм) не содержат экологически опасной ртути и других вредных и
ядовитых веществ.
Фотографии Алексея Смирнова
