Development of plasma and ion beam technology for material engineering at NCBJ

The Plasma/Ion Beam Technology Division is one of several laboratories forming the Material Physics Department at the NCBJ in Świerk, Poland. Scientific activity of the Division concerns different aspects of research related to material engineering, surface engineering, functional properties characterization, as well as synthesis and modification of different materials.Plasma surface engineering methods like cathodic arc UHV deposition and pulsed magnetron sputtering methods as well as ion beam implantation methods are intensively exploited and developed in our laboratory.Відділення плазмових та іонно-пучкових технологій - одна з лабораторій відділу фізики матеріалів НЦЯД у Свєрці, Польща. Наукова діяльність відділення пов’язана з різними аспектами досліджень у галузі матеріалознавства, технології поверхні, визначення характеристик функціональних властивостей, а також синтезу й модифікації різних матеріалів. У лабораторії активно використовуються та розробляються методи плазмової обробки поверхні, такі як катодно-дугове осадження за надвисокого вакууму (UHV deposition), та методи імпульсного магнетронного розпилення, а також методи іонної імплантації.Отделение плазменных и ионно-пучковых технологий - одна из лабораторий отдела физики материалов НЦЯИ в Сверке, Польша. Научная деятельность отделения связана с различными аспектами исследований в области материаловедения, технологии поверхности, определения характеристик функциональных свойств, а также синтеза и модификации различных материалов. В лаборатории активно используются и разрабатываются методы плазменной обработки поверхности, такие как электронно-дуговое осаждение при сверхвысоком вакууме (UHV deposition), методы импульсного магнетронного распыления, а также методы ионной имплантации

Сharacterization of ARC-PVD ZrN nanostructured coatings by using the fractals theory

Nanostructured ZrN coatings for hardening of a thin-walled cutting tools operating under cyclic loads conditions have been obtained and investigated. The structure and mechanical properties of nanocoatings have been examined. It was revealed that the ZrN coating improved the properties of thin-walled cutting tools. ZrN surface morphology was theoretically substantiated with the application of the fractals theory.Отримано та досліджено наноструктуровані покриття ZrN для зміцнення тонкостінних ріжучих інструментів, що працюють в умовах циклічних навантажень. Досліджено структуру та механічні властивості нанопокриттів. Виявлено, що покриття ZrN покращує властивості тонкостінних ріжучих інструментів. Морфологія поверхні ZrN теоретично обґрунтована із застосуванням теорії фракталів

Structure of Fe-Cu coatings prepared by the magnetron sputtering method

This work presents the results of our research concerning the synthesis of metallic Fe-Cu coatings by use of the magnetron sputtering method. The structure of the coatings synthesized during two modes of pulsed magnetron sputtering was compared . In our experiment the pulsed magnetron power supply generated a series of pulses gated at 1kHz - standard pulsed mode (SPM) and 2 Hz - low frequency pulsed mode (LFPM). The analysis of the microstructure by means of SEM and TEM show that obtained coatings are characterized by nanocrystalline structure. Additionally the optical emission spectra (OES) during the copper and iron sputtering were measured

Spectroscopic studies of tungsten samples exposed to intense deuterium and argon plasma streams

The use of tungsten (W) as the main plasma facing component (PFC) was proposed for fusion reactors many years ago. Our recent experiments have been focused on spectroscopic studies of tungsten properties under its irradiation by intense plasma streams. Several samples made of pure W or (90 %W + 10 %Cu) alloy have been exposed to deuterium and argon plasma streams generated by the RPI-IBIS multi-rod plasma injector at different experimental conditions. The optical emission spectroscopy (OES) measurements have been carried out as a function of a plasma-stream energy density. The plasma electron density was estimated on the basis of the Stark broadening of the Dβ and Dα spectral lines in a deuterium-plasma stream propagating freely, i.e. without any target, as well as near the irradiated tungsten surface. In this paper the results of a surface analysis of the tungsten samples after their irradiation by pulsed plasma-ion streams, and the influence of those streams on physical and mechanical properties of the irradiated samples, are discussed. A relationship of the structure and properties of the modified surfaces with parameters of the incident plasma-streams is also analyzed.Експерименти були націлені на спектральні дослідження властивостей вольфраму при його опроміненні інтенсивними плазмовими потоками. Використання вольфраму (W) в якості основного компоненту дивертора для термоядерних реакторів було запропоновано багато років тому [1,2]. Декілька зразків чистого вольфраму та 90%W+10%Cu опромінювались потоками дейтерієвої та аргонової плазм, що генерується стрижневим плазмовим інжектором IBIS, при різних експериментальних умовах. Спектральні вимірювання випромінювання плазми приповерхневого шару проводилися в залежності від густини енергії плазмового потоку. Електронна густина плазми оцінювалась заштарківським розширенням спектральних ліній Dβ та Dα як у вільному потоці, так і поблизу поверхні вольфраму. Представлені також результати поверхневого аналізу опромінених зразків вольфраму та впливу плазмових потоків на фізико-механічні властивості вольфраму. Виявлено взаємозв’язок параметрів налітаючого плазмового потоку та ластивостей модифікованих поверхонь.Проведенные эксперименты были направлены на спектральные исследования свойств вольфрама при его облучении интенсивными плазменными потоками. Использование вольфрама (W) в качестве основного компонента дивертора для термоядерных реакторов было предложено много лет назад [1,2]. Несколько образцов из чистого вольфрама и 90%W+10%Cu облучались потоками дейтериевой и аргоновой плазмы, которая генерируется стержневым плазменным инжектором IBIS, при разных экспериментальных условиях. Спектральные измерения излучения плазмы приповерхностного слоя проводились в зависимости от плотности энергии плазменного потока. Электронная плотность плазмы оценивалась на основе штарковского уширения спектральных линий Dβ и Dα как в свободном потоке, так и вблизи поверхности вольфрама. Обсуждаются также результаты поверхностного анализа облученных образцов вольфрама и влияние плазменных потоков на физико-механические свойства вольфрама. Выявлена взаимосвязь параметров налетающего плазменного потока и свойств модифицированных поверхностей

Non-destructive control of PVD coating surface defects

Nanostructured ZrN coatings were deposited by the vacuum arc method with partial separation of the plasma flow from macroparticles using a curvilinear magnetic filter. With the proposed deposition parameters, a ZrN coating with an fcc lattice and (111) texture is formed. Theoretical studies are carried out to assess the defects of the surface layer in the presence of an adsorbed impurity of an fcc lattice with the surface orientation plane (111), and the characteristics of surface waves in the ZrN coating are considered. Equations are obtained for the dispersion laws and parameters of the splitting off of the surface wave from the zone of bulk vibrations in the nearest-neighbor approximation.Розглянуто параметри осадження наноструктурного покриття ZrN вакуумно-дуговим методом із частковою сепарацією плазмового потоку від макрочасток за допомогою криволінійного магнітного фільтра. При запропонованих параметрах нанесення формується покриття ZrN з ГЦК-ґратками та орієнтаційною площиною поверхні (111). Виконано теоретичні дослідження для оцінки дефектності поверхневого шару в вигляді адсорбованих домішок та розглянуто характеристики поверхневих хвиль у покритті ZrN. Отримано вирази для законів дисперсії та параметрів відщеплення поверхневої хвилі від зони об'ємних коливань при врахуванні найближчих сусідів

Comparative characterization of ARC-PVD ZrN and PEO hydroxyapatite coatings on pure Ti-6Al-4V substrates for biomedical applications

The nanocrystalline films of zirconium nitride have been synthesized using ion-plasma vacuum-arc deposition technique on pure Ti-6Al-4V, whereas the hydroxyapatite coatings were deposited by the method of plasmaelectrolytic oxidation in alkaline electrolytes (hydroxyapatite + 1 М potassium hydroxide). Structure evaluation by X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with microanalysis (EDS) – were performed to study phase and chemical composition, surface morphology, microstructure of coatings. The formed HA PEO coatings with spheroidal structure contain the phases of CaTiO₃ calcium titanate, CaHPO₄ anhydrous dicalcium phosphate, and Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ hydroxyapatite. It was revealed that ZrN single-phase coatings of cubic modification with finecrystalline grains of 20 nm in size were formed. This experimental study found that coating Ti-6Al-4V with ZrN and HA positively influences preosteoblast cell adhesion, which results in the almost complete coverage of the surface, along with a less number of cells grown on uncoated titanium surface.Нанокристалічні плівки нітриду цирконію було синтезовано методом іонно-плазмового вакуумно-дугового осадження на підкладки з Ti-6Al-4V, а покриття з гідроксиапатиту наносили методом плазмоелектролітичного оксидування в лужних електролітах (гідроксиапатит + 1 М гідроксид калію). Для вивчення фазового та хімічного складу, морфології поверхні, мікроструктури покриттів проводили структурні дослідження: рентгеноструктурний аналіз (РСА), скануючу електронну мікроскопію (СЕМ) з мікроаналізом (ЕДС). Сформовані покриття HA PEO зі сфероїдальною структурою містять фази титанату кальцію CaTiO₃, безводного дикальційфосфату CaHPO₄ та гідроксиапатиту Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Виявлено, що утворюються однофазні покриття ZrN кубічної модифікації з дрібнокристалічними зернами розміром 20 нм. Експериментальне дослідження показало, що покриття ZrN і HA на Ti-6Al-4V позитивно впливають на адгезію клітин преостеобластів, що призводить до майже повного покриття поверхні, порівнянно із меншою кількістю клітин, вирощених на титановій поверхні без покриття

Research on interactions of intense deuterium plasma streams with SiC targets in plasma-focus experiments

The paper presents results of experimental research on emission of the visible radiation (VR) from intense deuterium plasma streams propagating freely within a vacuum chamber or interacting with silicon-carbide (SiC) targets. The investigated pulsed plasma streams were generated by high-current discharges realized within two facilities of the Plasma-Focus (PF) type, i.e. within the PF-1000U facility operated at the IFPiLM and the PF-360U device operated at the NCBJ. Detailed measurements have been carried out using optical emission spectroscopy (OES) technique. Parameters of plasma were estimated from the Dα line only. Structural changes of the irradiated SiC targets were analyzed by means of a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometer (EDS).Представлены результаты экспериментальных исследований по эмиссии видимого излучения из интенсивных дейтериевых плазменных потоков свободно распространяющихся в вакуумной камере или взаимодействующих с SiC-мишенями. Исследуемые импульсные плазменные потоки генерировались высокоточными разрядами на двух установках типа плазменный фокус (ПФ). А именно, установка PF-1000U, работающая в IFPiLM, и PF-360U, работающая в NCBJ. Детальные измерения были проведены с использованием оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС). Параметры плазмы были оценены из Dα-линии. Структурные изменения облучаемых SiC-образцов были проанализированы с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭM) и энергии рентгеновского спектрометра (ЭРС).Представлено результати експериментальних досліджень з емісії видимого випромінювання з інтенсивних дейтерієвих плазмових потоків, що вільно розповсюджуються у вакуумній камері чи взаємодіють з SiC-мішенями. Імпульсні плазмові потоки, що досліджувались, генерувались високоточними розрядами на двох установках типу плазмовий фокус (ПФ). А саме, установка PF-1000U, що функціонує в IFPiLM, та PF-360U – у NCBJ. Детальні вимірювання були проведені за допомогою оптичної емісіонної спектроскопії (OEС). Параметри плазми були оцінені з Dα-лінії. Структурні зміни опромінених SiC-мішеней проаналізовані за допомогою скануючого електронного мікроскопа (СEM) та енергії рентгенівського спектрометра (EРС)

The role of magnetic energy on plasma localization during the glow discharge under reduced pressure

In this work, we present the first results of our research on the synergy of fields, electric and magnetic, in the initiation and development of glow discharge under reduced pressure. In the two-electrode system under reduced pressure, the breakdown voltage characterizes a minimum energy input of the electric field to initiate and sustain the glow discharge. The glow discharge enhanced by the magnetic field applied just above the surface of the cathode influences the breakdown voltage decreasing its value. The idea of the experiment was to verify whether the contribution of potential energy of the magnetic field applied around the cathode is sufficiently effective to locate the plasma of glow discharge to the grounded cathode, which, in fact, is the part of a vacuum chamber wall (the anode is positively biased in this case). In our studies, we used the grounded magnetron unit with positively biased anode in order to achieve favorable conditions for the deposition of thin films on fibrous substrates such as fabrics for metallization, assuming that locally applied magnetic field can effectively locate plasma. The results of our studies (Paschen curve with the participation of the magnetic field) seem to confirm the validity of the research assumption. What is the most spectacular – the glow discharge was initiated between introduced into the chamber anode and the grounded cathode of magnetron ‘assisted’ by the magnetic field (discharge did not include the area of the anode, which is a part of the magnetron construction)