Researches on plasma physics and controlled fusion in IPP NSC KIPT

Recent results of experimental and theoretical investigations, carried out in the Institute of Plasma Physics of the NSC KIPT, are presented in the report. The main problems of discussion are as follows: plasma confinement and heating in stellarators and electromagnetic traps; powerful quasi-steady-state plasma accelerators (QSPA); experiments relevant for ITER; fusion plasma theory; methods of high temperature plasma diagnostics; plasma technology. The main prospects of the IPP investigations are discussed alsoПредставлены результаты следующих экспериментальных и теоретических исследований, проводимых в настоящее время в Институте физики плазмы ННЦ ХФТИ: удержание и нагрев плазмы в стеллараторах и электромагнитных ловушках; мощные квазистационарные плазменные ускорители (КСПУ) для т/я и технологического применения; эксперименты, связанные с программой ИТЭР; теория термоядерной плазмы; разработка методов диагностики высокотемпературной плазмы; плазменные технологии. Обсуждаются также основные направления последующих исследований в ИФП.Представлено результати наступних експериментальних і теоретичних досліджень, що проводяться в Інституті фізики плазми ННЦ ХФТІ: утримання та нагрів плазми у стелараторах та електромагнітних пастках; потужні квазістаціонарні прискорювачі плазми (КСПП) для т/я та технологічних застосувань; експерименти з програми ІТЕР; теорія термоядерної плазми; розробка методів діагностики високотемпературної плазми; плазмові технології. Обговорюються також основні напрямки майбутніх досліджень в ІФП

Plasma characteristics of two-step vacuum-arc discharge and its application for a coatings deposition

Non-self-maintained gaseous discharge, where the vacuum-arc plasma gun is used as a source of supplementary charges, is characterized by a great currents and high values of ionization coefficient. This kind of discharge is well adapted for thermo-chemical treatment of products but still is not applied for a coatings deposition. In this paper we show the possibility of a-C:H films synthesis from a plasma of this discharge. The films obtained have a high transparence and good adhesion to metal and dielectric substrates. In addition, such parameters as temperature and density of electrons, ionization coefficient, plasma potential distribution and ion energy have been determined by probe methods for the plasma of non-self-maintained discharge in both: nitrogen and propane-butane mixture.Досліджено ряд характеристик плазми двоступінчастого вакуумно-дугового розряду. За допомогою одиночного та двосіткового зонду визначені: температура і концентрація електронів, коефіцієнт іонізації, розподіл потенціалу на розрядному проміжку та енергія іонів. Дані отримано в широкому діапазоні тиску для двох газів: азоту і пропанобутанової суміші. Показана можливість синтезу гідрогенізованих вуглецевих покриттів із плазми газового ступеню двоступінчастого вакуумно-дугового розряду, що збуджується в пропанобутановій суміші.Исследован ряд характеристик плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Методом одиночного и двухсеточного зонда определены: температура и плотность электронов, коэффициент ионизации, распределение потенциала в разрядном промежутке и энергия ионов. Данные получены в широком диапазоне давлений для двух газов: азота и пропанобутановой смеси. Показана возможность синтеза гидрогенизированных углеродных покрытий из плазмы газовой ступени двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, возбуждаемого в пропанобутановой смеси

Deposition of refractory metal films with planar plasma ECR source

The condition of the deposition of refractory metal and alloy films such as W, Mo, Ti, Ta, Cr, Ni, Fe₈₀B₂₀ with using ECR plasma source at the different magnitudes of bias voltage on targets and substrates were investigated. It was revealed that the maximal rate of the films growth amounted to 0,052 µm/min for Cr. The thicknesses of the films were obtained of 16-20 µm in the current experiments.Досліджено умови нанесення покритій тугоплавких металів, таких як W, Mo, Ti, Ta, Cr, Ni, а також сплава Fe₈₀B₂₀ з використанням ЕЦР плазмового джерела при різних величинах напруги на мішені та підкладці. Показано, що максимальна швидкість росту товщини покриття складала 0,052 мкм/хв для Cr. В даних експериментах були отримані покриття товщиною порядку 16 - 20 мкм.Исследованы условия нанесения покрытий тугоплавких материалов, таких как W, Mo, Ti, Ta, Cr, Ni, а также сплава Fe₈₀B₂₀ с использованием ЭЦР плазменного источника при различных величинах смещения напряжения на мишени и подложке. Показано, что максимальная скорость роста толщины покрытия составляла 0,052 мкм/мин для Cr. В данных экспериментах были получены покрытия толщиной порядка 16 - 20 мкм

The synthesis of TiAlN composites by condensation of the different arc plasma flows

Some properties of the arc-vapour deposited TiAlN films, obtained both – by condensation of the different and combined titanium and aluminium plasma flows, have been investigated. The different flows was provided by two arc evaporators with titanium and aluminium cathodes, at that, the aluminium plasma was passed through the curvilinear plasma filter. The combined titanium-aluminium plasma was generated by single evaporator with the alloyed TiAl cathodes, which have a volumetric content of aluminium 50 %. The growth rates, surface morphology and the Vickers hardness of the TiAlN films, obtained under the various conditions, have been analyzed. The comparative cutting tool trials with the cemented carbide drills, covered by TiN, TiCN and TiAlN were conducted. It is shown, that the TiAlN film compositions, condensed from different plasma flows with the filtering aluminium plasma, are more profitable and has much higher characteristics, than films, obtained from alloyed TiAl cathodes.Досліджено властивості композитів TiAlN одержаних із окремих і сполучених потоків титанової та алюмінієвої плазми. Генерування окремих потоків забезпечувалося двома вакуумно-дуговими випаровувачами з титановим і алюмінієвим катодами, причому, алюмінієва плазма проходила через криволінійний плазмовий фільтр, де очищалася від парiв і макрочасток. Сполучений потік титан-алюмінієвої плазми створювався одним випаровувачем з використанням сплавних катодів TiAl, що мiстили 50 об'ємних % алюмінію. Визначено стiйкiстнi характеристики твердосплавного інструменту, зміцненого покриттями TiAlN. Показано, що композити TiAlN, конденсовані з окремих потоків з фiльтрацiєю алюмінієвої плазми, більш рентабельні і мають більш високі характеристики, нiж покриття, одержанi з використанням сплавних катодів.Исследованы свойства композитов TiAlN полученных конденсацией раздельных и совмещенных потоков титановой и алюминиевой плазмы. Генерирование раздельных потоков обеспечивалось двумя вакуумно- The quantity of holes, N 5 10 15 Fig. 3. The quantity of holes, perforated in tempered steel (HRC 52) with a drills of Mitsubishi Carbide: – uncoated –TiN-coated coated; –TiCN –TiAlN non- filtering –TiAlN with Al-plasma filtering дуговыми испарителями с титановым и алюминиевым катодами, причем, алюминиевая плазма проходила через криволинейный плазменный фильтр, где очищалась от паров и макрочастиц. Совмещенный поток титан-алюминиевой плазмы создавался одним испарителем с использованием сплавных катодов TiAl с объемным содержанием алюминия 50%. Исследованы стойкостные характеристики твердосплавного инструмента, упрочненного покрытиями TiAlN. Показано, что композиты TiAlN, осажденные из раздельных потоков с сепарацией алюминиевой плазмы, более рентабельны и обладают более высокими характеристиками, чем покрытия, полученные с использованием сплавных катодов

Characteristics of the plasma created by ECR plasma source for thin films deposition

The construction of planar ECR plasma source with multipolar magnetic field is described and the distribution of plasma parameters is measured. Plasma density and electron temperature at the distance 2,5 cm from the magnet surface achieve 5×10¹⁰ сm⁻³ and 22,5 eV accordingly and they linearly decreased with the moving off from ECR zone. The possibility of homogeneous and dense films deposition for both pure metals and alloys is shown.В роботі розглянута конструкція планарного ЕЦР плазмового джерела з мультипольним магнітним полем та виміряно розподіл параметрів створюваної плазми. На відстані 2,5 см від поверхні магнітів густина плазми та електронна температура 5 *10¹⁰ см⁻³ та 22,5 еВ відповідно, які лінійно зменшуються при віддаленні від ЕЦР зони. Показана можливість нанесення однорідних та щільних плівок, як чистих металів, так і сплавів.В работе описана конструкция планарного ЭЦР плазменного источника с мультипольным магнитным полем и измерены распределения параметров создаваемой плазмы. На расстоянии 2,5 см от поверхности магнитов плотность плазмы и электронная температура 5*10¹⁰ см⁻³ и 22,5 еВ соответственно, которые линейно спадают при удалении от ЭЦР зоны. Показана возможность напыления однородных и плотных пленок, как чистых металлов, так и сплавов

Experimental studies of ion emission from RPI-IBIS facility and modeling of ion motions

The paper presents the recent measurements of ion beams emitted from an RPI-IBIS plasma injector and some preliminary results of the theoretical modeling. The RPI-IBIS facility was equipped with coaxial electrodes made of thin molybdenum rods and a fast acting electromagnetic valve for the injection of a working gas. Plasma discharges were initiated with a variable time delay (τ ) after the gas injection and they were powered from a condenser bank charged to 30 kV, 30 kJ. The first part describes measurements of spatial distributions and energies of intense ion beams, which were performed by means of ion-pinhole cameras equipped with nuclear track detectors. Detailed analysis of ion mass- and energy-spectra was performed by means of a Thomson analyzer. The second part presents numerical simulations of ion motions in the RPI-IBIS facility, which were performed on the basis of a single-particle model.Представлены результаты исследований ионных пучков, эмитируемых стержневым инжектором RPI-IBIS, и некоторые предварительные результаты теоретического моделирования. RPI-IBIS оснащен коаксиальными электродами в виде тонких молибденовых стержней и быстодействующим электромагнитным клапаном для инжекции рабочего газа. Разряд инициировался с варьируемым временем задержки по отношению к напуску газа при напряжении на конденсаторной батарее 30 кВ. В первой части описаны измерения пространственных распределений и энергий интенсивных ионных пучков. Детальный анализ массовых и энергетических спектров проведен с использованием анализатора Томпсона. Вторая часть посвящена численному моделированию движения ионов в RPI-IBIS, которое проведено на основе одночастичной модели.Представлено результати досліджень іонних пучків, емітуємих стрижневим інжектором RPI-IBIS, і деякі попередні результати теоретичного моделювання. RPI-IBIS оснащений коаксіальними електродами у виді тонких молібденових стрижнів і швидко діючим електромагнітним клапаном для інжекції робочого газу. Розряд ініціювався з варіацією часу затримки стосовно напуску газу при напрузі на конденсаторній батареї 30 кВ. У першій частині описано виміри просторових розподілів і енергій інтенсивних іонних пучків. Детальний аналіз масових і енергетичних спектрів проведено з використанням аналізатора Томпсона. Друга частина присвячена чисельному моделюванню руху іонів у RPI-IBIS, що проведено на основі одночасткової моделі

Production of metal and dielectric films in a combined RF and arc discharge

In the presentation we investigate the possibilities to deposit metallic and dielectric films on metal and dielectric materials by means of vacuum technology with application of high frequency (RF) electric fields. As a base-model the device “Bulat-6” was used with proper arc evaporators. The leading-in of a RF power (3 kW, f=1-10 MHz) was realized by connecting the RF generator to a planyclic system of the device. Before the film deposition the samples were conditioned by plasma of RF discharge (without arc discharge) at the gas pressure p=10⁻⁴ Torr. The multi-layer coatings of the type Cr-CrN, Cr-TiN-Cr, Ti-TiN-Ti deposited on complicated shape wares of aluminum alloys had a microhardness value up to 2000 kg/mm². The properties of such coatings were studied depending on the vacuum conditions in the process of deposition. Taking into account the potential well developing under RF field, the experiments were provided on depositing the drip-free coatings by placing the wares in that region of vacuum chamber, which is closed from the direct ingress of particles from the arc vaporizer. The Al₂O₃ and AlN dielectric coatings were obtained and their characteristics were studied by using the electron microscope technique.Вивчались можливості нанесення металевих i діелектричних плівок на метали й діелектрики в вакуумі з застосуванням високочастотних (ВЧ) електричних полів. Експерименти проводились на установці “Булат-6” . Підвід ВЧ енергії (3кВТ, f =1-10мГц) було здійснено шляхом підключення ВЧ-генератора до поворотного пристрою установки. Перед нанесенням плівок поверхня зразків оброблялась плазмою газового ВЧ-розряду (без дугового розряду) під тиском p=10⁻⁴ Toр. Багатошарові покриття складу Cr-CrN, Cr-TiN-Cr, Ti- TiN-Ti, осаджувані на вироби різних форм із сплавів алюмінію, мали мікротвердість до 2000кГ/мм². Вивчалась залежність властивостей таких покриттів від вакуумних умов під час осадження. Хороше проникнення ВЧ-електричного поля в плазму давало можливість одержувати покриття без макрочастинок за рахунок розміщення зразків в місцях вакуумної камери, куди макрочастинки з дугового випаровувача не попадали. Одержано також діелектричні покриття Al₂O₃ й AlN. Їх характеристики досліджувались за допомогою методів електронної мікроскопії.Исследованы возможности осаждения металлических и диэлектрических пленок на металлы и диэлектрики при помощи вакуумной технологии с применением высокочастотных (ВЧ) электрических полей. Эксперименты проводились на установке “Булат-6”. Подвод ВЧ энергии (3кВт, f = 1-10мГц) обеспечивался подключением ВЧ-генератора к поворотному устройству установки. Перед нанесением покрытий образцы подвергались воздействию плазмы высокочастотного газового разряда (в отсутствие дугового разряда) при давлении p=10⁻⁴ Toр. Многослойные покрытия Cr-CrN, Cr-TiN-Cr, Ti-TiN-Ti, осажденные на изделия различной формы из алюминиевых сплавов имели микротвердость до 2000 кГ/мм². Исследованы свойства этих покрытий в зависимости от вакуумных условий процесса осаждения. Учитывая хорошее проникновение высокочастотного электрического поля в плазму, были выполнены эксперименты по нанесению покрытий, не содержащих макрочастиц, путем помещения изделий в те части вакуумной камеры, куда макрочастицы из вакуумно-дугового испарителя не попадают. Получены, также, диэлектрические покрытия Al₂O₃ и AlN. Их свойства исследованы с помощью методов электронной микроскопии

Application of pulsed plasma streams for materials alloying and coatings modification

Results of pulsed plasma streams processing of material surfaces with previously deposited FeB and TiAlN coatings are presented. Under the plasma treatment intensive mixing the materials of coating with the material of substrate was achieved. In the first case this provided boronizing of the modified layer with aim of corrosion properties improvement, in the second case – formation of intermediate mixed layer for subsequent deposition of the hard alloyed coatings. Materials alloying with pulsed metal-gas plasma is discussed also

Influence of plasma stream parameters in pulsed plasma gun on modification processes in exposed structural materials

This paper is focused on investigation of helium, nitrogen and krypton plasma streams generated by pulsed plasma gun (PPA). The main objection of this study is adjustment of plasma treatment regimes for different materials that allows achieving optimal thickness of modified layer with simultaneously minimal value of surface roughness. Features of materials alloying from gas and metallic plasma as a result of the plasma ions mixing with the steel substrate in liquid phase are discussed also.Проведено аналіз параметрів гелієвих, азотних і криптонових плазмових потоків, що генеруються імпульсним плазмовим прискорювачем (ІПУ). Основним завданням цих досліджень є оптимізація режимів плазмової обробки різних матеріалів. Така оптимізація дозволяє домогтися однорідної товщини модифікованого шару та мінімального значення шорсткості поверхні. Також обговорюються особливості легування матеріалів в результаті перемішування в рідкій фазі тонкої поверхневої плівки з матеріалом.Анализируются параметры гелиевых, азотных и криптоновых плазменных потоков, генерируемых импульсным плазменным ускорителем (ИПУ). Основной задачей данных исследований является оптимизация режимов плазменной обработки различных материалов. Такая оптимизация позволяет добиться однородной толщины модифицированного слоя и минимального значения шероховатости поверхности. Также обсуждаются особенности легирования материалов в результате перемешивания в жидкой фазе тонкой пленки с материалом подложки