Проект РНФ № 16-12-10351 (продолжение)
Проект направлен на продолжение, начатых в проекте РНФ № 16-12-10351, исследований взаимодействия кумулятивных высокоэнергетических плазменных, корпускулярных и электромагнитных потоков с неорганическими материалами. Научная проблема взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом сохраняет свою актуальность, так как представляет большой научный и практический интерес, как для исследований в области физики плазмы и проблемы управляемого термоядерного синтеза, так и с точки зрения изучения элементарных физических процессов, происходящих при одновременном воздействии на поверхность твердого тела различного рода интенсивных потоков плазмы, корпускулярных и электромагнитных излучений, при которых активируются радиационно-стимулированные процессы. Результаты данных исследований крайне важны при создании новых материалов, способных функционировать в экстремальных условиях, характеризующихся высокими температурой, давлением и потоками частиц, в том числе проникающих излучений. Прогресс в этой области зависит от знания процессов, протекающих в условиях экстремального воздействия на материалы, понимания происходящих в них явлений и особенностей их поведения, а также поиска и разработки материалов с требуемыми физико-химическими характеристиками. В частности, продолжается изучение поведения неорганических материалов (металлов, диэлектриков, сверхпроводников) под воздействием сверхвысоких давлений, температур, радиационных потоков. Для решения поставленной задачи будет использована сильноточная импульсная электроразрядная установка типа плазменный фокус (ПФ) с энергозапасом 4 -400 кДж (установка «Тюльпан). Установка «Тюльпан» состоит в реестре уникальных установок Российской Федерации (http://www.ckp-rf.ru/usu/73565/; http://sites.lebedev.ru/DPPL/show.php?page_id=1005). Установка позволяет выполнять комбинированное воздействие на материалы потоков плотной высокотемпературной плазмы (плотность порядка 10^19 см^-3, скорость более 10^7 см/с), пучков быстрых ионов и электронов (~100 кэВ), импульсов рентгеновского и нейтронного излучений. В результате импульсной (c длительностью каждого импульса около ~ 50 нс обработки материалов потоками с указанными выше параметрами в них реализуются экстремальные условия (сверхвысокие давления, температуры, локальные ядерные реакции), приводящие к значительным изменениям их поверхностных и объемных свойств. Актуальность исследований воздействия на материалы высокоскоростных высокоэнергетических потоков определяется возможностью получения материалов с уникальными физико- химическими характеристиками, а также возможностью прогнозирования поведения материалов, работающих в жестких радиационно-термических условиях. В ходе реализации данного проекта будут решаться следующие задачи: дальнейшее изучение причин образования плазменных струй, и измерение их параметров лазерно-оптическими методами с целью управления их свойствами; дальнейшее изучение корпускулярных и электромагнитных излучений, генерируемых в установке типа плазменный фокус; дальнейшее изучение воздействия плазменных потоков, корпускулярных и электромагнитных излучений на материалы; изучение распространения ударных волн в прозрачных для лазерного излучения материалах; повышение качества пленок за счет проведения отработки методики напыления; получение пленок ударно-волновым методом; изучение процесса выброса микрочастиц со свободной поверхности металлической пластины при выходе на нее ударной волны; получение пористых пленок; разработка узлов установки ПФ для формирования узконаправленных плазменных пучков диаметром 2-3 мм с плотностью потока энергии ~10^9-10^10 Вт/см^2; оптимизация условий ударно-волновой обработки ВТСП материалов для повышения критических токов; направленная модификация структуры сверхпроводящих соединений Bi-2223, Y-123 и MgB2 с целью повышения их функциональных характеристик. (Тс, Jc, Hk2); отработка новых методов синтеза перспективных ВТСП соединений. Все перечисленные задачи являются новыми, имеют большую научную значимость для физики взаимодействия концентрированных энергетических потоков с материалами и разработки на их основе новых технологий в материаловедении.
Сведения о достигнутых научных результатах в отчетном году
1. Проведена модификация установки ПФ-4 для раздельного облучения материалов энергетическими потоками разной природы. Модификация подверглась система зарядки конденсаторной батареи, система управления разрядниками. В результате появилась возможность подавать на внутренний электрод установки плазменный фокус напряжение различной полярности. Были проведены наладочные пуски установки при отрицательной полярности на внутреннем электроде. Проведены электротехнические измерения, рентгеновские измерения. Изменение полярности привело к изменению направления пучков быстрых ионов и электронов.Проведены предварительные облучения материалов (см. файл с дополнительными материалами).
2. Разработана методика изучения распространения ударных волн, генерируемых при воздействии плазменной струи на поверхность материалов прозрачных для лазерного излучения (см. файл с дополнительными материалами).
Методика основана на методе лазерного зондирования (теневая и интерферометрическая методики). Для реализации данных исследований изготовлен узел крепления изучаемых материалов в разрядной камере установки плазменный фокус. В качестве образцов будут использоваться стекла и жидкости.
3. Разработана методика многокадрового лазерного зондирования плазмы, получаемой на установке ПФ-4. Проведены предварительные исследования плазмы, получаемой в установке плазменный фокус. (см. файл с дополнительными материалами).
4. Разработано устройство для формирования узконаправленного плазменного пучка диаметром 2-3 мм с плотностью потока энергии ~10^9-10^10 Вт/см^2. Предложен способ получения достаточно однородного ионно-плазменного пучка путем установки металлических диафрагм. Однородное распределение энергии в ионно-плазменном пучке подтверждается распыленным металлом на поверхности стекол. Выполнены оценки плотности потока поглощенной энергии ионно-плазменного пучка, величина которой оказалась равной ~ 2·10^8 Вт/см^2. Энергия ионно-плазменного пучка, попадающего на мишень, существенно зависит от амплитуды особенности на производной тока, расстояния диафрагм до анода установки, а также диаметра отверстий диафрагм (см. файл с дополнительным материалом).
5. Отработана методика ударно-волнового напыления тонких пленок металлов: Cu, Al, Mo, Ti и Fe на силикатных и кварцевых стеклах на установке Плазменный фокус ПФ-4 в плазмообразующих газах N2 и Ar;
- доработаны приспособления для получения тонких пленок металлов: Cu, Al, Mo, Ti и Fe ударно-волновым способом на силикатных и кварцевых стеклах (см. файл с дополнительным материалом);
- получены тонкие пленки металлов: Cu, Al, Mo, Ti и Fe путем ударно-волнового воздействия плазмы на силикатных и кварцевых стеклах в плазмообразующих газах N2 и Ar (см. файл с дополнительным материалом).
6. Выполнены эксперименты по напылению тонких оптически прозрачных пленок металлов: Cu, Al, Ti, Mo и Fe на поверхность силикатных и кварцевых стекол при ударно-волновом воздействии импульсных плазменных потоков с плотностью энергии <10^9 Вт/см^2 на металлические мишени. Установлено, что пленки являются неоднородными и диэлектрическими из-за малой плотности частиц на единицу поверхности ~10^9 см^-2, что не позволяет создать мостики проводимости по всей поверхности пленок. Чтобы получить пленки достаточно однородные, обладающие электропроводностью, необходимо увеличить число импульсов воздействия плазмы~10. При напылении пленок УВ способом предпочтительнее использовать в качестве плазмообразующего инертный газ. В оптических спектрах пропускания в диапазоне 0,35 - 1,0 мкм имеются две характерные области: область 0,35 - 0,6 мкм, где преобладает влияние диффузного рассеяния света на мелких частицах < 0,5 мкм и область ближнего инфракрасного спектра 0,6 - 1,0 мкм, где преобладает влияние более крупных частиц >2 - 8 мкм. Обнаружено, что на адгезию пленок всех металлов существенное влияние оказывает шероховатость поверхности подложки. Для кварцевых стекол где шероховатость мала ~2 нм, адгезия пленок значительно ниже, чем для силикатных стекол, где шероховатость поверхности составляет ~10 нм.
7. Отработана методика напыления на силикатные и кварцевые стекла тонких пленок металлов: Al, Mo, Ti и Fe из металлической плазмы, формирующейся на анодном узле установки ПФ-4 в плазмообразующих газах N2 и A. Разработано приспособление для получения однородных пленок металлов на диэлектрических подложках. Выполнены эксперименты по напылению Cu пленок на силикатные стекла с использованием металлической Cu плазмы, формирующейся на анодном (Cu) узле установки ПФ-4. Изучена структура пленок и их адгезия с поверхностью стеклянных пластинок (см. файл с дополнительными материалами)..
8.Установлена возможность изготовления покрытий из различных сверхпроводящих соединений Y-123, MgB2 на подложках из алюминия и меди методами холодной прокатки порошка и последующей ударно-волновой обработки на установке “Плазменный фокус»(см. файл с дополнительными материалами)..
9.Разработан способ изготовления сверхпроводящих лент, содержащих порошок МgВ2 в оболочках из меди и алюминия. Синтез соединения осуществлен за счет ударно-волновой обработки (см. файл с дополнительными материалами).
10. Установлено значительное влияние физико-механических свойств материала защитных экранов (титана, меди, железа, молибдена и др) на критические токи лент, морфологию зерен, пористость, плотность, текстуру сверхпроводящего керна (см. файл с дополнительными материалами)..
11. После холодной прокатки в оболочке из меди установлена разница в твердости керна в продольном и поперечном сечении(см. файл с дополнительными материалами).
12. Установленные изменения структуры и микроструктуры объясняют закономерности повышения критического тока при обработке плазменным ударным воздействием. Во- первых, происходит измельчение зерен, происходит возникновение дефектов, что приводит к повышению силы пининнга, а во вторых, порошок уплотняется за счет измельчения и уплотнения керна в объёме самих жил, кроме того, по-видимому, происходит его подплавление, что также способствует улучшению контактов между зернами, а также образованию текстуры в направлении протекания тока (см. файл с дополнительными материалами).
13. Показано, что токонесущие характеристики сверхпроводящих соединений зависят от режимов воздействия: расстояния между лентами и анодом, количества импульсов, а также материала используемых защитных прокладок (см. файл с дополнительными материалами).
14. Получен патент на изобретение "СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ" № 2706214 от 15.11.2019.
Перечень публикаций за год по результатам проекта
Информация о представлении достигнутых научных результатов на научных мероприятиях (конференциях, симпозиумах и пр.)
Б.П. Михайлов, В.Я. Никулин, А.Б. Михайлова, П.В. Силин, И.В. Боровицкая, В.Ф. Шамрай. Влияние материала защитного экрана на критический ток сверхпроводника при ударно-волновом воздействии плазмы. V Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ-2019. 12 – 15 февраля 2019 г., Москва, НИЯУ МИФИ. (Стендовый доклад).
2. Колокольцев В.Н., Масляев С.А., Боровицкая И.В., Кобелева Л.И., Дегтярев В.Ф., Силин П.В., Никулин В.Я., Гайдар А.И. Выброс частиц тугоплавких металлов с поверхности фольг под воздействием ударных волн, генерируемых на установке Плазменный фокус. XXIX Международная конференция «Радиационная физика твердого тела» (Россия, Севастополь, 8-13 июля, 2019 г.) . (Устный доклад).
3. Михайлов Б.П., Никулин В.Я., Михайлова А.Б., Силин П.В., Крутских Н.А., Алибеков С.Я., Боровицкая И.В. Воздействие механических и плазменных ударных волн на структуру и свойства сверхпроводников. XXIX Международная конференция «Радиационная физика твердого тела» (Россия, Севастополь, 8-13 июля, 2019 г. ) . (Устный доклад).
4. B.P.Mikhailov, A.B.Mikhailova, V.Ya. Nikulin, I.V. Borovitskaya, P.V. Silin The critical currents of MgB2 tapes after the shock-wave plasma influence through the protective screens with different thermal characteristics XV Международный Российско-Китайский Симпозиум «Новые материалы и технологии». г. Сочи, 16 – 19 октября 2019 г. (Стендовый доклад)
5. Б.П. Михайлов, В.Я Никулин, А.Б. Михайлова, П.В. Силин, И.В. Боровицкая. Современное состояние исследований плазмо-фокусного воздействия на структуру и свойства сверхпроводников. Сборник тезисов докладов 17-ой Международной школы - конференции для молодых ученых и специалистов «Новые материалы: Перспективные технологии». МИФИ. Москва 5-8 ноября 2019 года, стр. 168-171. (Стендовый доклад)
6. Б.П. Михайлов, А.А. Шиков, А.Б. Михайлова, И.В. Боровицкая. Влияние ударно-волновой и термической обработки на сверхпроводящий переход лент Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x. Сборник материалов VIII Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва, 19-22 ноября 2019 г. (Устный доклад).
7. V.Ya. Nikulin, S.P. Tsybenko, A.A. Eriskin "The generation and structures of current filaments in plasma focus". International Conference on Research and Applications of Plasmas (Plasma 2019), Opole, Poland, July 15-19, 2019. Стендовый доклад.
8. V.Ya. Nikulin, E.N. Peregudova, P.V. Silin, I.V. Borovitskaya, L.I. Kobeleva, V.N. Kolokoltsev, S.A. Maslyaev, V.F. Degtyarev, A.I. Gaidar EJECTION OF PARTICLES OF REFRACTORY METALS FROM THE SURFACE OF FOIL UNDER EXPOSURE TO SHOCK WAVES, GENERATED ON INSTALLATION PLASMA FOCUS, International Conference on Research and Applications of Plasmas (Plasma 2019), Opole, Poland, July 15-19, 2019. Стендовый доклад.
9. А.А. Ерискин, А.П. Кобзев, В.Н. Колокольцев, П.В. Силин, В.Я. Никулин. «Профиль распределения и элементный состав медных пленок, напыленных на поверхность металлов Fe, V, Ti на установке плазменный фокус». Тезисы докладов XLIX Международной Тулиновской конференции по физике заряженных частиц с кристаллами. МГУ, Москва, 29-31 мая 2019 г. Стендовый доклад.