Генератор низкотемпературной плазмы на основе концентрированного электронного пучка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Ризаханов Ражудин Насрединович

• Ризаханов Ражудин Насрединович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Ризаханов Ражудин Насрединович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ методов выпуска электронного пучка в газовую среду применительно к проблеме создания малогабаритного генератора низкотемпературной плазмы

1.1. Генераторы плазмы на основе выпуска пучка с помощью фольгового

окна

1.2. Формирование плазменных образований путем вывода концентрированного электронного пучка сквозь газодинамические окна

1.2.1. Методы снижения натекания газа в генераторе плазмы

1.2.2. Методы транспортировки заряженных потоков в выводных устройствах генераторов низкотемпературной плазмы

1.3. Методы расчета формирования и транспортировки электронных пучков

1.3.1. Методы расчета электронных пушек

1.3.2. Методы расчета транспортировки интенсивных электронных потоков

1.4. Решаемые задачи и облик генератора электронно-пучковой плазмы

1.4.1. Снижение натекания газа

1.4.2. Выбор методов транспортировки пучка

1.4.3. Облик генератора низкотемпературной электронно-пучковой плазмы в

зависимости от решаемой задачи

Выводы, Глава

Глава 2. Расчет электронной пушки для формирования электронного пучка с малым фазовым объемом для генерации низкотемпературной плазмы

в газовой среде

2.1. Проблемы синтеза интенсивного заряженного потока и пути их решения

2.1.1. Конфигурация электродов для формирования осесимметричного цилиндрического пучка

2.1.2. Подходы и проблемы внутренней и внешней задачи синтеза пушки

2.1.3. Аналитические методы решения внутренней задачи синтеза

2.2. Модифицированный метод решения внешней задачи синтеза электронной

пушки для генератора низкотемпературной плазмы

2.2.1. Традиционные методы расчета электрического поля вне пучка

2.2.2. Новый метод решения внешней задачи синтеза

2.2.3. Конфигурация электродов для интенсивного цилиндрического электронного пучка (модифицированная теория)

2.3. Восстановление в пространстве потенциала по его осевому распределению

2.3.1. Методы восстановления потенциала

2.3.2. Метод виртуальной плоскости

2.3.3. Суперпозиция потенциалов

2.4. Электронная пушка с плоским катодом, формирующая сходящийся пучок, для генерации низкотемпературной плазмы

2.4.1. Решение задачи формирования сходящегося пучка в прикатодной области

2.4.2. Решение задачи формирования сходящегося пучка в параксиальном приближении

2.4.3. Согласование параксиального и антипараксиального решений

2.4.4. Конфигурация электродов для формирования сходящегося пучка

Выводы, Глава

Глава 3. Транспортировка концентрированного электронного потока в выводном устройстве генератора низкотемпературной плазмы

3.1. Релятивистское уравнение движения заряженной частицы в аксиально-симметричных электрических и магнитных полях с учетом сил произвольной природы

3.1.1. Уравнения движения в форме Ньютона

3.1.2. Уравнение траектории заряженной частицы в параксиальном приближении

3.2. Уравнение огибающей пучка заряженных частиц в рассеивающе-диссипирующей среде

3.2.1. Гидродинамическое описание моноэнергетичного потока заряженных частиц

3.2.2. Огибающая параксиального пучка в рассеивающе-диссипирующей

среде

3.3. Аналитическое решение уравнения огибающей электронного пучка

3.3.1. Снижение порядка интегро-дифференциального уравнения

3.3.2. Условия параксиальности пучка в рассеивающей среде

3.3.3. Метод последовательных приближений

3.3.4. Критерий фокусировки

3.3.5. Транспортировка электронного пучка на различных участках выводного устройства генератора низкотемпературной плазмы

3.4. Метод расчета транспортировки диафрагмированного пучка

3.4.1. Модель распространения диафрагмированного потока

3.4.2. Некоторые случаи распространения диафрагмированного пучка

3.5. Феноменологическая модель плазменного образования, созданного

генератором низкотемпературной плазмы в плотной газовой среде

Выводы, Глава

Глава 4. Инженерные аспекты создания малогабаритных генераторов низкотемпературной электронно-пучковой плазмы

4.1. Выводное устройство генератора низкотемпературной плазмы на базе системы дифференциальной откачки

4.1.1. Оптимизация количества шлюзовых камер в системе дифференциальной откачки в выводном устройстве генератора плазмы

4.1.2. Транспортировка электронного пучка в приатмосферной шлюзовой камере выводного устройства генератора плазмы

4.1.3. Условие устойчивой транспортировки электронного пучка

4.2. Транспортировка концентрированного электронного пучка в генераторе

низкотемпературной плазмы сквозь прожигаемый тракт

4.2.1. Тепловая задача прожигания электронным пучком отдельной перегородки

4.2.2. Прожигание отверстий пучком в системе перегородок выводного устройства генератора плазмы

4.3. Генераторы низкотемпературной электронно-пучковой плазмы Центра Келдыша, функционирующие в стационарном режиме

4.4. Метод замещающего газа

4.4.1. Возможности метода замещающего газа

4.4.2. Экспериментальное исследование откачки методом замещающего газа

4.4.3. Малогабаритный генератор электронно-пучковой плазмы с замещающим

газом

Выводы, Глава

Глава 5. Источник высокотемпературного газового потока на базе плазменного образования, формируемого генератором низкотемпературной электронно-пучковой плазмы

5.1. Способы генерации высокотемпературных потоков

5.2. Основные элементы источника высокотемпературного газового потока

5.3. Истечение высокотемпературного газового потока, нагретого плазменным образованием

5.4. Камера плазменного образования для нагрева газового потока

5.4.1. Одномерная модель нагревания газа в плазменном образовании

5.4.2. Учет зазора между границей плазменного образования и стенкой камеры нагрева

5.4.3. Влияние потерь на процессы в плазменном образовании

5.5. Узел ввода пучка

5.6. Тепловые режимы элементов ИВПГ

5.6.1. Рабочие процессы в узле ввода электронного пучка

5.6.2. Соленоид для формирования магнитного поля

5.6.3. Узел истечения газа

5.6.4. Параметры источника высокотемпературного газового потока

Выводы, Глава

Заключение

Список сокращений и обозначений

Список литературы

Приложение А. Поверхностное упрочнение металлов

Приложение Б. Электронно-лучевая очистка газовых потоков от токсичных примесей с помощью плазменного образования

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования Электронный пучок, выведенный в плотную газовую среду, рассматривается как уникальный инструмент, способный решить широкий спектр научно-технических и технологических задач. Электронно-пучковая плазма содержит, с одной стороны, высокоэнергетические электроны самого пучка, которые могут быть использованы как направленный поток концентрированной энергии, а с другой, относительно медленные плазменные электроны, активизирующие многие физико-химические процессы, которые в обычных условиях не протекают. Указанные свойства плазмы, высокая степень управляемости, возможность создания плазмы в стационарном режиме при любых давлениях и температурах обусловливают ее широкое применение в различных технологиях.

Одной из важных задач, которую можно решить только с помощью электронно-пучковых технологий, является моделирование в лабораторных условиях воздействия на теплозащиту космических летательных аппаратов тепловых потоков воздуха за ударной волной (температура до 5 - 9 тысяч Кельвин), реализуемых при их входе в атмосферу Земли. Помимо высоких температур и давлений, необходимо обеспечить стационарность воздействия и отсутствие технологических примесей. Наличие последних может существенно исказить протекание процессов вследствие каталитических или иных эффектов. Для создания высокотемпературных газовых потоков можно использовать жидкостные ракетные двигатели, электродуговые или высокочастотные индуктивные плазмотроны, однако ни один из этих способов не обеспечивает требуемого набора характеристик. Плазменные потоки, генерируемые с помощью вывода мощного стационарного электронного пучка в газовую среду требуемого давления, способны обеспечить высокотемпературное воздействие и химическую чистоту, так как в их создании не участвуют электроды, и, таким образом, решить поставленную задачу.

Другое применение плазменных образований основано на их электродинамических свойствах - поглощении и преломлении электромагнитных волн. Данные эффекты приводят к тому, что сигнал, посланный радиолокационной станцией для детектирования объекта, возвращается ослабленным, если последний окружен плазмой.

По исполнению генераторы электронно-пучковой плазмы (ГЭПП) делятся на 2 большие группы: ГЭПП с фольговыми окнами и ГЭПП с газодинамическими окнами. В установках первой группы электроны выводятся в газовую среду сквозь тонкие мембраны. Как правило, они используются для решения ряда промышленных и научно-технических задач: очистка дымовых газов от токсичных примесей, обработка продуктов (пастеризация, стерилизация, дезинсекция и т. д.), скоростное отверждение лаковых покрытий, накачка электроионизационных лазеров и т. д.

Вместе с тем существует ряд приложений, требующих использования низкоэнергетических (до 150 - 300 кэВ) концентрированных пучков -плазмохимические процессы при пониженных давлениях (1 - 50 торр), нанесение покрытий методом осаждения из парогазовой фазы, термохимическая модификация поверхностных слоев, электронно-лучевая сварка или резка в атмосфере и т. п., а также технологии специального применения. Очевидно, ГЭПП с фольговыми окнами не способны решать подобные задачи - в них характерные энергии электронов составляют 0,4 - 1,5 МэВ при средней плотности тока пучка не более 1 мА/см2.

Генератор плазмы в случае малых энергий может базироваться на электронной пушке (инжекторе) с относительно низким ускоряющим напряжением, а в качестве устройства вывода пучка в плотный газ может быть использовано газодинамическое окно. В отличие от ГЭПП с фольговыми окнами здесь электронный пучок должен быть максимально сфокусированным, чтобы минимизировать натекание газа.

Подобная трансформация схемного решения приводит к качественным изменениям:

- снимаются ограничения на мощность выводимого в газ пучка;

- появляется возможность использования электронов с любой начальной энергией и, следовательно, генерации плазмы в малых геометрических объемах и при низких давлениях;

- упрощаются системы высоковольтного питания и управления;

- существенно снижаются требования по радиационной защите;

- удешевляется конструкция.

В результате возникают технические возможности создания малогабаритных электронно-лучевых генераторов (или генераторов электронно-пучковой плазмы), обладающих высокой маневренностью, оперативностью. Подобные устройства могут стать частью подвижного робототехнического устройства, мобильного наземного или воздушного средства и выполнять особые задачи, решение которых невозможно иными способами. Именно в таком аспекте следует понимать малогабаритность.

К настоящему времени решены многие задачи формирования и транспортировки электронных пучков в различных устройствах (ускорители заряженных частиц, элементы электронной и ионной оптики, СВЧ-приборы и т.п.). Однако системные исследования применительно к созданию устройств нового класса - малогабаритных генераторов электронно-пучковой плазмы -отсутствуют.

В связи с вышеизложенным представляется актуальной разработка научных, технических, методологических основ создания малогабаритных ГЭПП, способных существенно расширить области применения и возможности пучково-плазменных технологий, снизить стоимостные и повысить эксплуатационные, экологические показатели установок.

Степень разработанности исследования

В мире существует большое количество электронных ускорителей с выводом пучка в плотную газовую среду (ЕВ-1536NVA (США), Ebara (Япония), RDK (Германия), серия ЭЛВ (Россия)). Однако они характеризуются большими

массовыми и габаритными характеристиками. Так, ускоритель ЭЛВ-1 (мощность 20 кВт) имеет совмещенный высоковольтный источник с электронным ускорителем с размерами до 2 м высотой при диаметре 1,5 м и массой более 1 тонны. При этом конструкция ускорителя выполнена в стендовом варианте и не предусматривает перемещений или изменения ориентации. Установка «Онега», в которой реализованы наиболее перспективные способы организации вывода пучка в атмосферу, состоит из трех громоздких устройств: источника высокого напряжения, блока управления и, непосредственно, самого ускорителя с системой вывода. Каждое из них имеет большие габариты (0 1,5 х 2 м) и большую массу -1 - 2 тонны.

Таким образом, существующие установки являются крупногабаритными, не могут применяться в качестве автономных мобильных установок или робототехнических устройств. Следовательно, тема исследования до настоящего времени разработана неудовлетворительно.

Настоящая работа является законченным исследованием, включающим все этапы разработки и создания устройств нового класса - малогабаритных непрерывно действующих генераторов электронно-пучковой плазмы. Этапы состоят из:

- анализа мирового опыта создания генераторов электронно-пучковой плазмы;

- определения ключевых решений, направленных на снижение массогабаритных характеристик генераторов;

- разработки физико-математических моделей процессов, происходящих в генераторах, с целью их оптимизации и выявления условий надежного функционирования их узлов;

- разработки и изготовления типоряда генераторов электронно-пучковой плазмы и экспериментальных исследований их функциональных характеристик;

- практических применений генераторов для решения ряда научно-технических и технологических задач.

Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для создания генераторов с параметрами пучков в диапазоне энергий 50 - 300 кэВ и выше и мощностей 1 - 500 кВт. Многие математические соотношения, описывающие процессы в генераторе, представлены в виде инженерных формул, позволяющих понимать глубокую взаимосвязь между параметрами устройства и среды. Разработанные критерии устанавливают условия устойчивой работы генератора и особенности поведения пучка, что дает возможность проектирования долгоресурсных устройств.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генератор низкотемпературной плазмы на основе концентрированного электронного пучка»

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка научных, технических, методологических основ создания малогабаритных генераторов электронно-пучковой плазмы, в том числе схемотехнических решений, физических моделей и математического аппарата для их проектирования. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка на основе анализа массива выводных устройств ключевых проблем, решение которых позволит существенно снизить массогабаритные характеристики ГЭПП.

2. Расчет электронной пушки, формирующей пучок с высокой фазовой плотностью, на основе новых методов решения уравнений электростатики (внешняя задача синтеза).

3. Разработка моделей транспортировки интенсивного электронного пучка в выводном устройстве с учетом воздействия всех факторов (рассеяния и диссипации энергии электронов на частицах газа, магнитного поля, прожигаемых диафрагм).

4. Экспериментальные исследования системы откачки камер выводного устройства ГЭПП методом замещающего газа.

5. Создание и исследование работоспособности ГЭПП различного функционального назначения.

6. Апробация ГЭПП в актуальных технологических процессах: формирование высокотемпературных газовых потоков, упрочнение материалов, электронно-лучевая газоочистка.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что на основе новых подходов и теоретических моделей разработан алгоритм создания малогабаритных генераторов низкотемпературной электронно-пучковой плазмы. В результате работы:

1. Предложена новая классификация ГЭПП с выводом пучка через газодинамические окна, которая основана на методах минимизации натекания газа и способах транспортировки пучка в выводных устройствах.

2. Получено новое представление точного решения классической задачи формирования интенсивного осесимметричного цилиндрического электронного пучка в режиме ограничения тока пространственным зарядом, применимое для инженерных расчетов.

3. Впервые разработан теоретический подход к формированию интенсивного пучка в электронной пушке, базирующейся на определении эквипотенциалей с помощью осевого распределения потенциала.

4. Впервые получено приближенное аналитическое решение задачи о формировании сходящегося электронного пучка, эмитируемого плоским катодом. Метод основан на решении задачи формировании пучка вблизи катода в приближении поверхностных разложений, а вдали от катода - в параксиальном приближении; далее решения сшиваются по потенциалу, плотности заряда и радиусу пучка.

5. Разработан новый метод восстановления потенциала электростатического поля в пространстве с оси симметрии, базирующийся на применении виртуальной плоскости.

6. Выведены обобщенные уравнения движения и траектории релятивистского электрона в постоянных осесимметричных электрическом и магнитном полях при наличии сил произвольной природы.

7. Получено аналитическое решение нелинейного интегро-дифференциального уравнения огибающей Ли-Купера для стационарного электронного пучка, распространяющегося в газовой среде, с учетом сил рассеяния и диссипации при наличии магнитного поля.

8. Впервые разработана теория транспортировки стационарного интенсивного электронного пучка сквозь систему тонких перегородок, предварительно прожигаемых пучком, учитывающая изменения внутренней структуры пучка вследствие гибели периферийных электронов на стенках диафрагм.

9. Впервые предложены три критерия, описывающих работу ГЭПП: критерий фокусировки, критерий прожига, критерий устойчивости транспортировки электронного пучка.

10. Разработан и изготовлен типоряд генераторов низкотемпературной электронно-пучковой плазмы в диапазоне энергий 50 - 200 кэВ и мощностей 2 -80 кВт для проведения экспериментальных исследований по работе ключевых узлов генератора и отработки технологических процессов их применения (поверхностное упрочнение, электронно-лучевая очистка, получение высокотемпературных газовых потоков и др.).

11. Реализована высокоэффективная система откачки методом замещающего газа (скорость откачки на уровне 103 м3/с без применения вакуумных насосов).

12. Разработан стационарный источник высокотемпературного газового потока, основанный на нагревании газа электронным пучком и позволяющий получать потоки с рекордной температурой.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы

Разработана методология создания электронных пушек, формирующих

электронные пучки с высокой фазовой плотностью, эмитируемые плоским катодом.

Получены инженерные формулы для расчета транспортировки пучка на различных участках генератора электронно-пучковой плазмы, учитывающие силы рассеяния, диссипации, магнитного поля, а также наличие диафрагм.

Разработаны критерии транспортировки электронного пучка, играющие важную роль в проектировании ГЭПП:

а) критерий фокусировки, устанавливающий равенство между силами рассеивания и диссипации, с одной стороны, и силами со стороны фокусирующего магнитного поля, с другой.

б) критерий прожига, устанавливающий связь между параметрами пучка и магнитного поля, а также характеристиками перегородок, которые обеспечивают возможность прожига бесконечного числа перегородок.

в) критерий устойчивости транспортировки пучка, описывающий условия в приатмосферной шлюзовой камере, соблюдение которых позволит произвести бесконечное число запусков пучка без розжига последней перегородки в камере ГЭПП.

Изготовлены следующие установки:

ТУР-1 - энергия электронов 50 кэВ, мощность 8 кВт, решаемые задачи -исследование транспортировки пучков в выводном устройстве при наличии магнитного поля;

ТУР-3 - энергия электронов 200 кэВ, мощность 80 кВт, решаемые задачи -электронно-лучевая очистка отходящих газов на уровне 104 нм3/час (Черепетская ГРЭС);

М-1 - энергия электронов 100 кэВ, мощность 35 кВт, решаемые задачи -поверхностное упрочнение материалов (в частности, рельсовой стали);

М-2 - энергия электронов 100 кэВ, мощность 2 кВт, исследование плазмохимических процессов связывания N0 в газовых потоках;

УГО - энергия электронов 100 кэВ, мощность 35 кВт, исследования модификации материалов при воздействии электронного пучка в атмосфере,

вывод пучка в горизонтальном направлении;

УВО - энергия электронов 100 кэВ, мощность 15 кВт, исследования модификации материалов при воздействии электронного пучка в атмосфере, вывод пучка в вертикальном направлении.

По материалам работы получены следующие авторские свидетельства и патенты:

- АС № 1780817 «Способ очистки дымовых газов от оксидов серы и/или азота при помощи электронного облучения». Заявка № 4803046. Приоритет 16.03.90. Зарегистрировано 15.08.92.

- АС № 1799231 «Устройство для вывода пучка электронов». Заявка № 3165788. Приоритет 25.02.87. Зарегистрировано 8.10.92

- Патент № 2704051 «Способ и установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующих путей». Заявка № 2018137161. Приоритет 23.10.2018. Зарегистрировано 23.10.2019.

Разработан проект «Создание производства мобильного оборудования для реализации технологических процессов, направленных на повышение ресурса верхнего строения железнодорожных путей и колес подвижного состава» (2009 год).

Полученные результаты служат руководством по конструированию электронных пушек, выводных устройств генераторов электронно-пучковой плазмы, а также при разработке технологических процессов с применением плазменных образований.

Методология и методы исследования

При разработке физико-математических моделей процессов используются методы математической физики, теории поля, гидродинамики, теплофизики, электронной оптики. Особое внимание уделяется моделям, позволяющим получит аналитическое решение. Аналитические решения, как известно, дают наиболее полную информацию о процессе в рассматриваемых рамках, способствующую пониманию ключевых закономерностей, служат инструментом для тестирования

программ ЭВМ, убыстряют работу программ, сокращая многократное обращение к процедурам. В ряде случаев использованы численные методы. Полученные результаты сопоставляются с публикациями, где решаются подобные задачи, опираясь на иные подходы. Но, в основном, верифицируются в действующих ГЭПП в ходе многочисленных экспериментальных исследований.

Личный вклад

Общая постановка задачи о создании малогабаритного генератора электронно-пучковой плазмы, основные направления исследований сформулированы доктором технических наук, профессором, академиком РАН А.С. Коротеевым.

Автором разработаны теоретические и расчетные модели, выработаны научные и технические решения для создания ГЭПП, разработаны варианты конструкций, принципиально важные узлы, проконтролирована конструкторская документация и этапы изготовления узлов ГЭПП, поставлены и осуществлены экспериментальные исследования, определены конкретные прикладные задачи, обработаны и обобщены полученные результаты.

Базовый вариант ГЭПП с системой дифференциальной откачки был создан в Центре Келдыша в отделе 120 (руководитель О.А. Горшков); установки для исследования процессов газоочистки и поверхностного упрочнения - совместно с А.И. Шныревым и А.А. Ильиным. В экспериментальных исследованиях участвовали также А.С. Ловцов и В.В. Абашкин.

Базовый вариант ГЭПП с замещающим газом создавался в Центре Келдыша (отделение 3, руководитель Ю.М. Кочетков) совместно с В.В. Бобровым, С.Х. Джанибековой, М.Н. Полянским. В создании двух установок для исследования поверхностного упрочнения материалов участвовали С.Ю. Федотов, А.А. Бармин, О.К. Таушканов, А.И. Шлойдо, А.И. Головин, А.С. Ларченков.

Положения, выносимые на защиту

1. Новая классификация генераторов низкотемпературной электронно-пучковой плазмы с выводом пучка через газодинамические окна определяет перечень мероприятий по снижению их массогабаритных характеристик, а именно: формирование электронного пучка с высокой фазовой плотностью, его транспортировка сквозь прожигаемый тракт, применение замещающего газа для высокоэффективной откачки.

2. Новое представление точного решения классической задачи формирования интенсивного осесимметричного цилиндрического электронного пучка в режиме ограничения тока пространственным зарядом позволяет инженерными методами рассчитывать требуемую для создания такого пучка конфигурацию электродов.

3. Новый теоретический подход к формированию интенсивного осесимметричного пучка в электронной пушке дает возможность определить эквипотенциали электрического поля в пространстве по его осевому распределению с учетом потенциала пространственного заряда пучка. Традиционный подход основан на восстановлении потенциала в пространстве с криволинейной границы пучка. В такой постановке задача в общем виде до сих пор не решена.

4. Решение задачи формирования сходящегося электронного пучка, эмитируемого плоским катодом, используется для конструирования и изготовления электронной пушки, формирующей пучок с высокой фазовой плотностью (эмиттанс (1...3)10-5 мрад) при мощности 35 кВт. Данная пушка является основой малогабаритного генератора низкотемпературной плазмы.

5. Метод восстановления электрического потенциала в пространстве по его известному осевому распределению, базирующийся на применении зарядовых или мультипольных распределений в виртуальной плоскости, лежит в основе решения внешней задачи синтеза электронной пушки, т.е. расчета конфигурации ее электродов и их потенциалов.

6. Обобщенные уравнения движения и траектории релятивистского электрона в стационарных осесимметричных электрическом и магнитном полях при наличии сил произвольной природы позволяют произвести осреднение ансамбля электронов по сечению пучка и получить уравнение огибающей электронного пучка. Это дает возможность исследовать транспортировку всего пучка, а не отдельных электронов, что на порядки убыстряет расчет прохождения пучка в генераторе низкотемпературной плазмы.

7. Аналитическое решение нелинейного интегро-дифференциального уравнения огибающей для стационарного электронного пучка, распространяющегося в газовой среде, с учетом сил рассеяния, диссипации, магнитного поля описывает в общем виде эволюцию пучка в шлюзовых камерах выводного устройства генератора низкотемпературной плазмы. Аналитическая форма записи устанавливает зависимость формы огибающей от релятивистских параметров пучка, его структуры, магнитного поля, а также концентрации и свойств частиц газа.

8. Теория транспортировки стационарного интенсивного электронного пучка сквозь систему тонких перегородок, предварительно прожигаемых пучком, позволяет рассчитать диаметры образующихся отверстий и определить требуемые для работы выводного устройства производительности откачных средств, обеспечивающих функционирование генератора плазмы в стационарном режиме.

9. Предложенные критерии играют ключевую роль при проектировании генератора низкотемпературной электронно-пучковой плазмы.

9.1. Критерий фокусировки определяет отношение рассеивающих сил со стороны частиц газа и фокусирующих сил со стороны магнитного поля. От этого отношения зависит вид транспортировки пука. Если доминирует рассеяние, то г2 ~ zi, в обратном случае сильного магнитного поля г2 ~ г, где г - радиус пучка, г -пройденное им в среде расстояние.

9.2. Критерий прожига устанавливает связь между параметрами электронного пучка, с одной стороны, и геометрическими и теплофизическими характеристиками прожигаемых перегородок, с другой, которая обеспечит

прожиг пучком большого (в пределах бесконечного) числа перегородок, расположенных в последовательных фокусах пучка. Соблюдение критерия важно для многошлюзовых выводных устройств.

9.3. Критерий устойчивости транспортировки электронного пучка зависит от большого количества параметров (характеристики пучка, газа, магнитного поля, производительности откачных средств) в приатмосферной шлюзовой камере и определяет условия, соблюдение которых позволит произвести бесконечное число пучков пучка без разжигания последней перегородки выводного устройства генератора низкотемпературной плазмы.

10. Разработанная серия генераторов низкотемпературной плазмы подтверждает правильность проведенных расчетов по формированию и транспортировке электронного пучка в электронной пушке и выводном устройстве, в чем можно убедиться по отверстиям, прожигаемым в перегородках. С помощью генераторов отработаны технологические процессы поверхностного упрочнения (повышение твердости в 2.4 раза), газоочистки (удаление токсичных примесей на уровне 66 %).

11. Метод замещающего газа продемонстрировал реализуемость высокоэффективной откачки без использования вакуумных насосов. В случае применения в качестве замещающего газа водяных паров (предварительно обезгаженных) и конденсационных панелей, охлаждаемых жидким азотом, скорость откачки находится на уровне 103 м3/с.

12. Стационарный источник высокотемпературного газового потока способен формировать химически чистый газовый поток расходом 0,12 кг/с и температурой до 6000 К с тепловой эффективностью более 75%.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертация соответствует научной специальности 1.3.9. Физика плазмы, в частности, пунктам: п. 5 - разработка и создание новых источников генерации плазмы; п. 6 - заряженная плазма, пучки частиц в плазме, плазменная электроника; п. 12 - плазменные технологии и устройства.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением разрабатываемых математических моделей, решением частных задач, имеющих аналитическое представление и дающих возможность анализа процесса в обобщенном виде, сопоставлением результатов с данными публикаций, их верификацией в установках в ходе экспериментальных исследований.

Результаты работы представлены на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

- 7 Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике (Томск, 1988);

- 1 и 2 Семинары "Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов" (Москва ИВТ РАН, 1991 г., Москва ИВТ РАН, 1993);

- Конференция "Решение экологических проблем г. Москвы" (Москва, ВИМИ, 1994);

- Международная конференция ЕРАС-98 (Бристоль, Великобритания,

1998);

- Международная конференция AIAA-2000 (Солт-Лейк-Сити, США, 2000);

- 14 Международная конференция BEAMS-2002 (Альбукерке, США, 2002);

- 13 и 14 Международные симпозиумы "High Current е^^гоп^'^томск, 2004, 2006);

- Международная конференция APAC-2004 (Южная Корея, 2004);

- Международная конференция EMRS-2004, Spring Meeting (Страсбург, Франция, 2004);

- Научно-технических семинар-совещание "Радиационные технологии и оборудование" (Москва, ВНИИ ТФ, 2004);

- 36 Уральский семинар "Механика и процессы управления" (Екатеринбург,

2006);

- 34, 35 и 36 Международные (Звенигородские) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2007, 2008 и 2009);

- II Всероссийская конференция «Современные проблемы физики плазмы и физической электроники» (2015);

- XIII Всероссийская конференция по физической электронике ФЭ-2024 (Махачкала, 2024),

а также на отраслевых конференциях, научных семинарах МФТИ, ГНЦ "Центр Келдыша".

Основные научные публикации по теме диссертации

1. Белогривцев В.М., Коротеев А.С., Ризаханов Р.Н. Использование электронно-лучевой технологии в системах очистки дымовых газов угольных ТЭС // Известия Академии наук СССР. Энергетика и транспорт. 1991. № 3. С. 2634.

2. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н. Устройства для вывода концентрированного электронного пучка в газ при атмосферном давлении // Приборы и техника эксперимента. - 2002. №2. с. 162-163.

3. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н. Установка для изучения процессов очистки промышленных газов от токсичных примесей электронными пучками // Приборы и техника эксперимента. - 2003. №1. с. 123125.

4. Abashkin V.V., Gorshkov O.A., Ilyin A.A, Lovtsov A.S., Rizakhanov R.N. Multipass Surface Hardening of Steel Samples with Inclined Surfaces by Concentrated Electron Beam in the Air of Atmospheric Pressure. High Temperature Material Processes. 2004. v. 8. № 1-4. Р. 427-432.

5. Бармин А. А., Ризаханов Р.Н. Новый подход для расчета электродов, формирующих мощный цилиндрический пучок. Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2006. №8. http://jre.cplire.ru/mac/aug06/2/text.html.

6. Rizahanov R.N. Analytical solution of formation problem for intense axisymmetric cylindrical beam // Journal of Communications Technology and Electronics. 2006. Т. 51. № 2. Р. 216-217.

7. Rizakhanov R.N. Reconstruction of the spatial distribution of an axisymmetric-field potential from its axial distribution // Journal of Communications Technology and Electronics. 2006. Т. 51. № 4. р. 463-467.

8. Rizakhanov R.N. Equation of Motion of Relativistic Electron in Stationary Axially Symmetric Electric and Magnetic Fields under Forces of Arbitrary Nature. // Russian Physics Journal. - 2006. - №11. Приложение. P. 142 - 143.

9. Rizakhanov R.N. Propagation of Apertured Beam of Charged Particles // Russian Physics Journal. - 2006. - №11. Приложение. P. 120 - 123.

10. Rizakhanov R.N. Transporting path formation by intensive e-beam in beam plasma generator // Plasma Physics Reports. - 2007. № 4. Р. 71-74.

11. Barmin A.A., Rizakhanov R.N. Phenomenological model of e-beam propagation in dense gaseous medium // Plasma Physics Reports. - 2007. № 6. Р. 115118.

12. Rizakhanov R.N. Analytical solution of electron beam envelope equation in paraxial approximation taking into account scattering medium and external magnetic field // Plasma Physics Reports. - 2007. № 1. Р. 47-50.

13. Koroteev A.S., Rizakhanov R.N. Modern electron-beam plasma generators with gas-dynamic valves // Plasma Physics Reports. - 2008. № 4. Р. 64-72.

14. Koroteev A.S., Rizakhanov R.N. The role of magnetic field for electron transportation in e-beam plasma generator // Plasma Physics Reports. - 2009. № 6. Р. 123-126.

15. Rizakhanov R.N., Barmin A.A., Rudshtein R.I. Electron beam transportation into scattering medium and external magnetic field // Plasma Physics Reports. - 2019. № 5. Р. 20-26.

16. Rizakhanov R.N., Barmin A.A., Rudshtein R.I. Electron beam transportation stability in the electron-beam plasma generator chamber // Plasma Physics Reports. -2019. № 6. Р. 42-47.

17. Koshlakov V., Rizakhanov R. On the role of electron beam scattering in additive technologies // Inorganic Materials: Applied Research. - 2020. № 3. Р. 48-52. DOI: 10.30791/0015-3214-2020-3-48-52

18. Горшков О.А, Ризаханов Р.Н. Поверхностное термоупрочнение металлов концентрированным пучком электронов низких энергий в воздухе атмосферного давления. Изв. АН, Сер. Энергетика. 2004. №1. с. 137-146.

19. Ризаханов Р.Н. Метод расчета электронной пушки, формирующей осесимметричный пучок // Журнал радиоэлектроники. - 2024. № 12. DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.16

20. Ризаханов Р. Н. Новый метод расчёта электронно-оптической системы для формирования интенсивного осесимметричного электронного пучка // Физические основы приборостроения. - 2024. Т. 13. № 2 (52). С. 52-57. Б01: 10.25210^ор-2402-МБНдаК.

Публикации в трудах конференций

21. Коротеев А.С., Белогривцев В. М. , Ризаханов Р. Н. , Ярцев А. М. Вывод концентрированного электронного пучка в плотную газовую среду. Тезисы докл. VII Всесоюзн. симпоз. по сильноточной электронике. Томск, ч.2. 1988. с. 263-265.

22. Белогривцев В.М, Давыдов А.В., Ризаханов Р.Н. Ускоритель с концентрированным выводом электронного пучка для опытной установки электронно-лучевой очистки дымовых газов на Черепетской ГРЭС. — В сб. Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. М. ИВТАН. 1991. с. 17-21.

23. Герасимова Т.С., Зароченцев Г.Г., Кудрявцев С.В., Нечаев В.В., Ризаханов Р.Н., Фадеев С.А. Разработка концепции конструирования промышленных установок электронно-лучевой очистки газов ТЭС. - В сб. Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. М. ИВТАН. 1993. с. 19-21.

24. Горшков О.А, Ризаханов Р.Н. Очистка дымовых газов от окислов азота и серы с помощью концентрированных электронных пучков. — Тез. докл. конф. «Решение экологических проблем г. Москвы». ВИМИ. 1994. с. 210-213.

25. Горшков О.А., Ризаханов Р.Н. Ускорители электронов с концентрированным выпуском пучка в атмосферу и их применение в лучевых вневакуумных технологиях. Конверсия в машиностроении. 1995. №1. с. 33-36.

26. Абашкин В.В., Горшков О.А., Ловцов А.С., Ильин А.А., Ризаханов Р.Н. Экспериментальные исследования очистки газов от токсичных примесей (NOx) концентрированным электронным пучком. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Техническая физика и автоматизация. М.: 2004. №52. с. 50-53.

27. Абашкин В.В., Горшков О.А., Ловцов А.С, Ильин А.А., Ризаханов Р.Н. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов под воздействием концентрированного электронного пучка в атмосфере. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Техническая физика и автоматизация. 2004. № 58. с. 16-20.

28. Gorshkov O.A., Koroteev A.S., Rizakhanov R.N. Electron Accelerators with Concentrated Beam Ejection to Atmosphere and Their Applications in Beam Extra-Vacuum Technologies. EPAC-98. Institute of Physics Publishing. Bristol. UK. 1998. p. 2425.

29. Yongfeng D. Numerical model of materials surface hardening using high energy electron beam in atmosphere / D. Yongfeng, H. Xianwei, T. Chang, L. Rong, R.N. Rizakhanov, A.A. Barmin // Journal of rocket propulsion. - 2011. - V. 39, № 2.

30. Gorshkov O.A., Ilyin A.A., Lovtsov A.S., Rizakhanov R.N. Application of Concentrated Electron Beams in Extra Vacuum Technologies. BEAM 2002. American Institute of Physics, Melville. New York. 2002. p. 349-352.

31. Rizakhanov R.N. The Synthesis of Expanded Electron Beam (Inner Problem). Proc. of 13th Intern. Symp. on High Current Electronics. Tomsk. 2004. p. 53-56.

32. Rizakhanov R.N. Problem of Electronic-Optical System Synthesis for High Power Electron Gun. 13th Int. Symp. On High Current Electronics. Proc. Tomsk, 2004, p. 57-59.

33. Rizakhanov R.N. Electron-beam systems for realization of plasma technologies. В сборнике: The 3rd Asian particle accelerator conference APAC 2004. Proceedings. 2004. с. 681-683.

34. Джанибекова С.Х., Ризаханов Р.Н. Расчет газодинамического затвора. Сб. Механика и процессы управления. Труды 36 Уральского семинара. Екатеринбург: УрО РАН. 2006 г. с. 147-157.

35. Бармин А.А., Ризаханов Р.Н. Численное решение задачи транспортировки электронного пучка в рассеивающей среде при помощи внешнего магнитного поля. Материалы научно-технической конференции «Актуальные вопросы планетных экспедиций». М.: ФГУП «Центр Келдыша». 2006 г. с. 94-97.

36. Коротеев А.С., Ризаханов Р.Н. Аналитический расчет электронной пушки, формирующей сходящийся пучок, для установок вневакуумных лучевых технологий. Тезисы докладов XXXVI Международной конференции по физике плазмы и УТС (г. Звенигород, 2009). с. 272.

37. Shengzhi H. Surfase modification by higt current pulsed electron beam / H. Shengzhi, H. Dongyun, T. Chang, R.N. Rizakhanov, A.A. Barmin, H. Xianwei, D. Chuang // Symposium on Charged Particle Sources and Beams. Dalian. - China. June 30 - July 3. - 2010.

38. Rizakhanov R.N., Barmin A.A., Rudshtein R.I., Djanibekova S.K. The method for determination of electron-beam characteristics in the dense gaseous medium. В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Scientific Conference on "Radiation-Thermal Effects and Processes in Inorganic Materials", RTEP 2014. 2015. с. 012029.

39. Коротеев А.С., Ризаханов Р.Н. Генераторы электронно-лучевой плазмы и области их применения. II Всероссийская конференция «Современные проблемы физики плазмы и физической электроники» (г. Махачкала, 2015). с. 5861.

40. Ризаханов Р.Н. Магнитное сопровождение электронного пучка в электронно-лучевом генераторе высокотемпературного газового потока. XIII Всероссийская конференция по физической электронике ФЭ-2024 (г. Махачкала, 2024). с. 28-32.

Патенты и авторские свидетельства

41. Коротеев А.С., Ризаханов Р.Н., Шишканов И.И., Белогривцев В.М. Устройство для вывода пучка электронов. Авторское свидетельство SU 1799231. 1992.

42. Фадеев С.А., Сапаров М.И., Ермаков В.В., Герасимова Т.С., Белогривцев В.М., Ризаханов Р.Н. Способ очистки дымовых газов от оксидов серы и/или азота при помощи электронного облучения. Авторское свидетельство SU 1780817 A1, 15.12.1992. Заявка № 4803046 от 16.03.1990.

43. Кошлаков В.В., Ризаханов Р.Н. Способ и установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующих путей. Патент на изобретение RU 2704051 С1, 23.10.2019. Заявка № 2018137161 от 23.10.2018.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы из 210 наименований, приложения, содержит 364 стр., включая 87 рисунков и 17 таблиц. Каждая глава состоит из нескольких параграфов.

Первая глава представляет собой обзор современного состояния в области генерации электронно-пучковой плазмы, а также методов расчета формирования и транспортировки пучков в электронных пушках и выводных устройствах ГЭПП. Представлена классификация выводных устройств (ВУ) в двух аспектах - по методам снижения натекания газа в сторону инжектора пучка (электронной пушки) и по типам транспортировки пучка в ВУ. Рассмотрены ГЭПП, разработанные как в России, так и за рубежом, в которых используется, как правило, сразу несколько методов снижения натекания. Кроме того, в данной части представлен критический анализ методов расчета формирования и транспортировки концентрированных пучков в инжекторах и ВУ. Сформулированы основные направления исследований по созданию малогабаритных ГЭПП непрерывного действия.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Ризаханов Ражудин Насрединович, 2025 год

Список литературы

Глава 1.

1.1. Абрамян, Е.А. Интенсивные электронные пучки / Е.А. Абрамян, Б.А. Альтеркоп, Г.Д. Кулешов. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 232 с.

1.2. Абрамян, Е.А. Промышленные ускорители / Е.А. Абрамян. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

1.3. Мачурин, Е.С. Перспективные материалы для фольговых окон вывода электронных пучков с повышенной энергией и мощностью. Тезисы Докладов VI Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. - Ленинград, 1988. - С. 275 - 276.

1.4. Куксанов, Н.К. Выпуск в атмосферу развернутого электронного пучка с током до 100 мА / Н.К. Куксанов, Р.А. Салимов, В.Г. Черенков // Приборы и техника эксперимента. - 1988. - №4 - С. 20 - 22.

1.5. Vidmar, R. MicroChannel Cooling for High-Energy Particle Transmission Window, and RF Transmission Window, and VLSI Heat Deposition / R. Vidmar, R. Barker // IEEE Trans. on Plasma Science, 1998. - V. 26, №3. - P. P. 1031 - 1043.

1.6. А. с. 795301 Устройство вывода пучка в область высокого давления / В.П. Цхай, В.И. Федоров, Л.П. Шактурин. 1979.

1.7. Свиньин, М.П. Расчет и проектирование высоковольтных ускорителей электронов для радиационной технологии/ М.П. Свиньин. М. : Энергоиздат, 1989. - 144 с.

1.8. Electron Beam Processing of Combustion Flue Gases. Final Report of Consulting Meeting. Karlsruhe, 27 - 29 October, 1986. JAEA, Vienna, 1987, - P. 289.

1.9. Olson, N.T. Sport Pulse Electron Beam Guns for Pulsed Laser. Applications. / N.T. Olson. IEEE. Trans. Nucl.Sci, 1981. - 28, №2. - P. 1763 - 1766.

1.10. Никитин, М.К. Экспериментальная установка для исследования конверсии газов в электронно-пучковой плазме / М.К. Никитин, Т.М. Васильева // В книге: Вакуумная техника, материалы и технология. Тезисы XXII Международной научно-технической конференции. - Москва, 2023. - С.71.

1.11. Воробьев, М.С. Источник электронов с многоапертурным плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления с эффективным выводом пучка большого сечения в атмосферу: специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Воробьев М.С.; Институт сильноточной электроники СО РАН. - Томск, 2015. -127 с.

1.12. Pauly, W.E. Uber line neue Entladungsrohe die den Austritt alter in der Rohe entstehenden Strahlen in die atmosphärische Luft gasttater / W.E. Pauly. - Zeit. Phys, 1920. - Bd. 21, No 1. - S. 11 - 14.

1.13. Коротеев, А.С. Современные генераторы электронно-пучковой плазмы с газодинамическими окнами / А.С. Коротеев, Р.Н. Ризаханов // Прикладная физика. - 2008. - № 4. - С. 65-72.

1.14. Дулов, В.Г. Газодинамика процессов истечения / В.Г. Дулов, Г.А. Лукьянов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 235 с.

1.15. Орликов, Л.Н. О повышении эффективности газодинамического окна для вывода электронных пучков / Л.Н. Орликов, Е.В. Чикин // Прикладная механика и техническая физика. - 1985. - № 2. - С. 3-6.

1.16. А. с. 1047371 Устройство для вывода частиц / Л.Н. Орликов, Е.В. Чикин. -1979. - Бюллетень № 11.

1.17. А. с. 412586 Устройство для получения и вывода частиц / Л.Н. Орликов. -1998. - Бюллетень № 11.

1.18. Трохан, А.М. О выводе электронных пучков из вакуума в газ через газодинамическое окно / А.М. Трохан.// Прикладная механика и техническая физика. - 1965. - № 5. - С. 108-111.

1.19. Schumacher, B.W. High Power Electron Beam in Atmosphere / B.W. Schumacher, J.F. Lowry, R.C. Smith. - In.: Proc. Of the 4th Intern. Electron Beam Processing Symp. - 1976.

1.20. Голятина, Р.И. Сечения столкновения электронов с атомами инертных газов / Р.И. Голятина, С.А. Майоров // Прикладная физика. - 2021. - №3. - С. 11 - 16.

1.21. А. с. 1055310 Устройство вывода пучка ускоренных частиц / Б.Д. Ершов, Г.Л. Саксаганский. - 1989. - Бюллетень № 6.

1.22. Иевлев, В.М. Вывод в атмосферу и исследование мощных стационарных электронных пучков / В.М. Иевлев, А.С. Коротеев // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. - 1981. - № 3. - С. 3 - 13.

1.23. Hershcovitch, Ad. High pressure arcs as vacuum-atmosphere interface and plasma lens for nonvacuum electron beam welding machines, electron beam melting, and nonvacuum ion material modification / Ad Hershcovitch // J. of Appl. Phys. - V. 78. -1995.

1.24. Hershcovitch, Ad The plasma window: a windowless high pressure-vacuum interface for various accelerator applications / Ad Hershcovitch, E.D. Johnson, R.C. Lansa. - Proc. of the 1999 Particle Accelerator Conference. - New York. - 1999. - P.P. 584 - 587.

1.25. А. с. 1281141 Устройство для вывода пучка заряженных частиц / Л.Н. Орликов, Д.А. Носков. - 1998. - Бюллетень № 11.

1.26. А. с. 1521261 Устройство для вывода частиц / Л.Н. Орликов. - 1998. -Бюллетень № 11 .

1.27. А. с. 105174 Окно для вывода сфокусированного электронного пучка в газовую среду / П.В. Белков, М.Н. Васильев, Е.Е. Голубков, А.С. Коротеев.

1.28. Васильев, М.Н. Устройство для вывода концентрированного электронного пучка в плотную газообразную среду/ М.Н. Васильев, А.С. Коротеев // Приборы и техника эксперимента. - 1984. - № 1. - С. 154 -157.

1.29. Горбунов, В.А. Выпуск в атмосферу концентрированного пучка электронов мощностью до 60 кВт ускорителя ЭлВ-4 / В.А. Горбунов, Н.К. Куксанов, Р.А. Салимов, И.Л. Черток // Доклады III Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. - Ленинград, 1979. - 4.1. - C. 122 - 125.

1.30. Белогривцев, В.М. Ускоритель с концентрированным выводом электронного пучка для опытной установки электронно-лучевой очистки дымовых газов на Черепетской ГРЭС / В.М. Белогривцев, А.В. Давыдов, Р.Н. Ризаханов. - В сб.

Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. - М. : ИВТАН, 1991. С. 17 - 21.

1.31. Коротеев, А.С. Вывод концентрированного электронного пучка в плотную газовую среду / А.С. Коротеев, В.М. Белогривцев, Р.Н. Ризаханов, А.М. Ярцев // Тезисы докл. VII Всесоюзн. симпоз. по сильноточной электронике. - Томск, ч. 2.

- 1988. - С. 263 - 265.

1.32. Коротеев, А.С. Мощные электронные пучки - путь к реализации новых технологий / А.С. Коротеев // Вестник АН СССР. - 1988. - № 10. - С. 13 - 19.

1.33. Gorshkov, O.A. Electron Accelerators with Concentrated Beam Ejection to Atmosphere and Their Applications in Beam Extra-Vacuum Technologies / O.A. Gorshkov, A.S. Koroteev, R.N. Rizakhanov // EPAC-98. Institute of Physics Publishing. Bristol. UK. - 1998. - P. 2425.

1.34. Горшков, О.А., Ризаханов Р.Н. Ускорители электронов с концентрированным выпуском пучка в атмосферу и их применение в лучевых вневакуумных технологиях / О.А. Горшков, Р.Н. Ризаханов // Конверсия в машиностроении. - 1995. - № 1. - С. 33 - 36.

1.35. Горшков, О.А. Очистка дымовых газов от окислов азота и серы с помощью концентрированных электронных пучков / О.А. Горшков, Р.Н. Ризаханов // Тез. докл. конф.: Решение экологических проблем г. Москвы. - ВИМИ, 1994. - С. 210

- 213.

1.36. Чвертко, А.И. Оборудование для электронно-лучевой сварки / А.И. Чвертко, О.К. Назаренко, А.М. Святский, А.И Некрасов. - Киев : Наукова думка, 1973. -408 с.

1.37. Живописцев, В.С. Импульсное устройство вывод квазинепрерывного электронного пучка в плотный газ / В.С. Живописцев, А.О. Иконников, С.А Ильченко и [др.] // Приборы и техника эксперимента. - 1991. - № 3. - С. 122 -123.

1.38. А. с. 403370 Устройство для генерирования в атмосфере пучка заряженных частиц / Е.А. Абрамян, И.В. Лещенко, В.М. Радченко, И.Л. Черток. -1984. - Бюл. № 28.

1.39. А. с. 950169. Устройство для выпуска пучка заряженных частиц из ускорителя в газовый объем / Е.А. Абрамян, В.М. Короткий, Г.Д. Кулешов и [др.]. - 1986. - Бюл. № 46.

1.40. Лоусон, Дж. Физика пучков заряженных частиц / Дж. Лоусон. - М. : Мир, 1980. - 439 с.

1.41. Власов, М.А. Бесстолкновительная релаксация холодного сильноточного электронного пучка / М.А. Власов, С.В. Никонов // Радиотехника и электроника. -1983. - Т. 28, № 5. - С. 965-970.

1.42. Рыкалин, Н.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник / Н.Н. Рыкалин, И.В. Зуев, А.А. Углов, А.Н. Кокора.. М. : Машиностроение, 1985. - 496 с

1.43. Кельман, В.М. Электронная оптика / В.М. Кельман, С.Я. Явор. - Л.: Наука, 1968. - 488 с.

1.44. Мешков, И.Н. Транспортировка пучков заряженных частиц / И.Н Мешков -Новосибирск : Наука, 1991. - 222 с.

1.45. Иевлев, В.М Экспериментальная установка для получения концентрированного пучка релятивистских электронов в атмосфере / В.М Иевлев, А.С. Коротеев, В.В. Коба, И.Г. Кулаков. // Изв. АН СССР. Сер. Технические науки. - 1977. - № 13, в. 3. - С. 52-56.

1.46. Назаренко, О.К Электронно-лучевая сварка / Назаренко О.К. и [др.] Под ред. Б.Е. Патона. - Киев : Наукова думка,1987. - 256 с.

1.47. А. с. 1799231 Устройство для вывода пучка электронов / А.С. Коротеев, Р.Н. Ризаханов, И.И. Шишканов, В.М. Белогривцев. - 1992.

1.48. Коротеев, А.А. Малогабаритные энергонапряженные системы транспортировки электронных пучков в плотные среды / А.А. Коротеев. - М.: Машиностроение, 2003. - 224 с.

1.49. Орликов, Л.Н. Вопросы теории и практики вывода в газ низкоэнергетических электронных пучков / Л.Н. Орликов. - Томск : ТГУ, 2002. -150с.

1.50. Сыровой, В.А. Формирование и транспортировка плотного электронного пучка с сечением , близким к прямоугольному / В.А. Сыровой // Радиотехника и электроника. - 2018. - Т.63, №8. - С.871 - 879.

1.51. Бурцев, А.А. Синтез электронно-оптических систем с компрессией ленточного пучка для ламп бегущей волны терагерцевого диапазона / А.А. Бурцев, А.В. Данилушкин, Н.И. Синицын // Журнал технической физики. - 2018.

- Т.88, №12. - С. 1908 - 1911.

1.52. Бурцев, А.А. Моделирование электронно-оптической системы со сходящимся ленточным пучком для лампы бегущей волны терагерцевого диапазона частот / А.А. Бурцев, А.В. Данилушкин // Письма в журнал технической физики. - 2018. - Т.44, № 17. - С. 75 - 85.

1.53. Ризаханов, Р.Н. Новый метод расчёта электронно-оптической системы для формирования интенсивного осесимметричного электронного пучка / Р.Н. Ризаханов // Физические основы приборостроения. - 2024. - Т. 13, № 2(52).

1.54. Ризаханов, Р.Н. Метод расчета электронной пушки, формирующей осесимметричный пучок / Р.Н. Ризаханов // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). - 2024. №12. Режим доступа: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.16.

1.55. Lee, E.P General Envelop Equation for Cylindrically Symmetric Charged Particle Beams / E.P. Lee, R.K. Cooper // Particle Accelerators. - 1976. - № 7. - p. 83 - 92.

1.56. Lee, E.P. Kinetic Theory of a Relativistic Beam / E.P. Lee // The Phisics of Fluids.

- 1976. - V. 19, № 1. - P. 60 - 73.

1.57. Озур, Г.Е. Генерация низкоэнергетических сильноточных электронных пучков в пушках с плазменным анодом / Г.Е. Озур, Д.И. Проскуровский // Физика плазмы. - 2018. - Т.44, № 1. - С. 21 - 44.

1.58.Астрелин, В.Т. Численное моделирования формирования электронных пучков в источниках двух типов с плазменным катодом и их транспортировка в магнитном поле / В.Т. Астрелин, М.С. Воробьев, И.В. Кандауров, В.В. Куркучеков // Известия РАН. Серия физическая. - 2019. - Т.83, № 11. - С. 1529 -1533.

1.59. Петросян, А.И. Расчет влияния начальных тепловых скоростей электронов на ток пучка, формируемого электронной пушкой / А.И. Петросян, Н.А. Алексеева, В.И. Роговин, И.А. Чистяков // Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника. - 2022. - №4 (555). - С. 43 - 50.

1.60. Хокс, П. Основы электронной оптики. В двух томах / Хокс П., Э. Каспер. -М. : Мир, 1993. Т1 - 552 с. Т2 - 480 с.

Глава 2.

2.1. Кресанов, В.С. Высокотемпературный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана / В.С. Кресанов, Н.П. Малахов, В.В Морозов и [др.]. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - 152 с.

2.2. Соминский, Г.Г. Полевые эмиттеры нового типа для высоковольтных электронных устройств / Г.Г. Соминский, В.Е. Сезонов, Е.П. Тарадаев и [др.] // Известия вузов. Радиофизика. - 2015. - Т. 58, № 7. - . С. 567 - 576.

2.3. Шестеркин, В.И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов / В.И. Шестеркин // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65, № 1. - С. 3 - 30.

2.4. Кузириди, П.П. Взрывоэмиссионные катоды с резистивной развязкой для сильноточных плазмонаполненных диодов / П.П. Кузириди, Г.Е. Озур // Приборы и техника эксперимента. - 2019. - № 4. - С. 67 - 72.

2.5. Новиков, А.А. Источники электронов высоковольтного тлеющего разряда с анодной плазмой / А.А. Новиков. - М. : Энергоатомиздат, 1983.

2.6. Крейндель, Ю.Е. Плазменные источники электронов / Ю.Е. Крейндель. - М. : Атомиздат, 1977.

2.7. Источники низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом: Сборник / ответственный редактор Н.Н. Коваль. -Новосибирск, 2018.

2.8. Молоковский, С.И. Интенсивные электронные и ионные пучки / С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. М. : Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

2.9. Кирштейн, П.Т. Формирование электронных пучков / П.Т. Кирштейн, Г.С. Кайно, У.Е Уотерс. - М. : Мир, 1970. - 600 с.

2.10. Сыровой, В.А. Проблема адекватности математической модели в оптике плотных релятивитских электронных пучков / В.А. Сыровой // Радиотехника и электроника. - 2003. - Т. 48, №4. - С. 467 - 479.

2.11. Пирс, Дж.Р. Теория и расчет электронных пучков / Дж.Р Пирс. - М. : Советское радио, 1956.

2.12. Форрестер, А.Т. Интенсивные ионные пучки / А.Т. Форрестер. - М.: Мир, 1991. - 358 с.

2.13. Daykin, P.N. Electrod shapes for cylindrical electron beam / P.N. Daykin // British Journal of Applied Physics. - 1955. - Vol. 6. - P. 248 - 250.

2.14. Radley, D.E. The Theory of the Pierce Type Electron Gun / D.E. Radley // Journal of Electronics and Control. - 1958. - Vol. IV, № 2. - P. 125-148.

2.15. Harker, K.J. Solution of the Cauchy Problem for Laplace's Equation in Axially Symmetric Systems / K.J. Harker // Journal of Mathematical Physics. - 1963. - Vol. 4, № 7. - P. 993 - 997.

2.16. Вашковский, А.В. Исследование точных решений уравнений электростатического пучка / А.В. Вашковский, В.А. Сыровой // Радиотехника и электроника. - 1983. - Т. 28, № 11. - С. 2247 - 2257.

2.17. Шантурин, Л.П. Суммирование асимптотических разложений методом нелинейных m-преобразований / Л.П. Шантурин //Радиотехника и электроника. -1991, - Т. 36, №5. - С. 972 - 984.

2.18. Сыровой, В.А. Проблемы теории антипараксиальных разложений в оптике плотных электронных пучков / В.А. Сыровой // Радиотехника и электроника. -1991. - Т. 36, №8. - С. 1545 - 1558.

2.19. Сыровой, В.А. Расчет формирующих электродов в оптике осесимметричных электронных пучков / В.А. Сыровой // Радиотехника и электроника. - 1994. - Т. 39, №4. - С. 666 - 687.

2.20. Прудников, А. П. Интегралы и ряды / А. П. Прудников, Ю. А. Брычков, О. И. Маричев. - М. : Наука, 1981. - 799 с.

2.21. Ризаханов, Р.Н. Аналитическое решение задачи формирования интенсивного осесимметричного цилиндрического пучка / Р.Н Ризаханов // Радиотехника и электроника. - 2006. - Т. 51, №2. - С. 216 - 217.

2.22. Власов, А.А. Теория многих частиц / А.А. Власов. - М. : Гостехиздат, 1950.

2.23. Девидсон, Р. Теория заряженной плазмы / Р. Девидсон. - М. : Мир, 1978.

2.24. Овчаров, В.Т. Уравнения электронной оптики для плоскосимметричных и осесимметричных электронных пучков с большой плотностью тока / В.Т. Овчаров // Радиотехника и электроника. - 1962. - Т. 7, №8. - С. 1367 - 1378.

2.25. Овчаров, В.Т. Внешняя задача для параксиальных электронных пучков / В.Т. Овчаров // Радиотехника и электроника. - 1967. -Т. 12, №12, - С. 2156 - 2161.

2.26. Овчаров, В.Т. Приближенное решение внутренней задачи теории формирования электронных пучков / В.Т. Овчаров, В.В. Пензяков // Радиотехника и электроника. - 1970. - Т. 15, №8. - С. 1651 - 1658.

2.27. Овчаров, В.Т. Приближенное решение внешней задачи теории формирования электронных пучков / В.Т. Овчаров, В.В. Пензяков // Радиотехника и электроника. - 1970. - Т. 15, №9. - С. 1897 - 1902.

2.28. Неганова, Л.А. Расчет и эксперементальное исследование электронной пушки технологического назначения / Л.А. Неганова, В.А. Сыровой, В.Н. Цхай // Радиотехника и электроника. - 1990. - Т. 35, №10. - С. 2146—2155.

2.29. Гинзбург, В.Е. Оптимизация параксиальной асимптотики для электрического поля в электрооптических системах / В.Е. Гинзбург, В.Н. Данилов // Журнал технической физики. - 1974. - Т. 44, в. 3. - С. 651 - 655.

2.30. Сыровой, В.А. Расчет формирующих электродов в отике плоских электронных пучков/ В.А. Сыровой // Радиотехника и электроника.- 1994. - Т. 39, №4. - С. 481 - 501.

2.31. Harker, K.J. Determination of Electrode Shapes for Axially Symmetric Electron Gun / K.J. Harker // J. Appl. Phys. - 1960. - V.31, №12. - P. 2165 - 2170.

2.32. Вашковский, А.В. Точные решения уравнений стационарного электронного пучка и проблема тестирования программ траекторного анализа / А.В.

Вашковский, В.А. Сыровой, Ш.Е. Цимринг // Радиотехника и электроника. - 1996. - Т. 41, №3. - С. 350 - 361.

2.33. Кузнецов, В.С. Обобщенный закон Чайлда-Ленгмюра для аксиально-симметричных электронно-оптических систем с ограниченным плоским катодом /

B.С. Кузнецов // Радиотехника и электроника. - 1962. - Т. 7, №8. - С. 1379 - 1384.

2.34. Rizakhanov, R.N. The Synthesis of Expanded Electron Beam (Inner Problem) / R.N. Rizakhanov // Proc. Of 13th Intern. Symp. on High Current Electronics. - Tomsk, 2004. - P. 53 - 56.

2.35. Янке, Е. Специальные функции / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. - М. : Наука, 1977. - 342 с.

2.36. Гринберг, Г.А. О некоторых классах статических осесимметричных электрических и магнитных полей, для которых основное уравнение электронной оптики допускает решение в известных функциях / Г.А. Гринберг // Журнал технической физики. - 1953. - Т. 23, №11. - С. 1904 - 1914.

2.37. Бонштедт, Б.Э. Метод нахождения широкого класса электрических и магнитных полей, для которых решения основного уравнения электронной оптики выражаются через известные функции / Б.Э Бонштедт // Журнал технической физики. - 1955. - Т. 25, №3. - С. 541 - 543.

2.38. Голиков, Ю.К. Способы получения точных решений параксиальных уравнений в параметрической форме / Ю.К. Голиков, В.Г. Кудрявин // Письма в Журнал технической физики. - 1995. - Т. 21, в. 13. - С. 45—49.

2.39. Саввин, В.Л. О транспортировки ленточного электронного пучка в аксиально-симметричном магнитном поле / В.Л. Саввин, А.В. Коннов, Д.А. Михеев, Г.М. Казаряк, И.И. Шуваев // Журнал радиоэлектронки. - 2015. - № 9. -

C. 5.

2.40. Ефремова, М.В. Транспортировка электронных потоков в магнитных периодических фокусирующих системах с негармоническим распределением магнитного поля / М.В. Ефремова, С.П. Морев // Радиотехника и электроника. -2019. - Т. 64, № 7. - С. 719 - 727.

2.41. Данилов, В.Н. О применении асимптотических методов к расчету криволинейных электронных пучков / В.Н. Данилов, В.А. Сыровой. - В кн. Задачи физической электронники. - М. : Наука, 1982. - С. 1945.

2.42. Бармин, А.А. Новый подход для расчета электродов, формирующих мощный цилиндрический пучок / А.А. Бармин, Р.Н. Ризаханов // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). - 2006. - № 8. - Режим доступа: http://ire.cplire.rU/mac/aug06/2/text.html.

2.43. Прудников, А.П. Интегралы и ряды / А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев. - М. : Наука, 1981. - 798 с.

2.44. Глазер, В. Основы электронной оптики / В Глазер. - М. : Гостехиздат, 1957.

2.45. Силадьи, М. Электронная и ионная оптика / М Силадьи. - М. : Мир, 1990. -639 с.

2.46. Полякин, А. Д. Справочник по интегральным уравнениям / А. Д. Полякин, А. В. Манжиров. - М.: Физматлит, 2003. - 608 с.

2.47. Гурбанов, З.З. Распределение потенциала поля в пространство по заданному его распределению на оси / З.З. Гурбанов, П.П. Касьянов, И.Н. Таганов // Радиотехника и электроника. - 1967. - Т. 12, № 4. - С. 451 - 455.

2.48. Урев, М.В. Об аксиально-симметричной задаче Коши для уравнения Лапласа. Журнал вычислительной математики и математической физики / М.В. Урев. - 1980. - Т. 20. - С. 939.

2.49. Тихонов, А.Н. Уравнения математической физики / А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. - М. : Наука, 1972. - 456 с.

2.50. Верлань, А.Ф. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы / А.Ф. Верлань, В.С. Сизиков. - Киев : Наукова думка, 1986. - 544 с.

2.51. Ризаханов, Р.Н. Восстановление в пространстве потенциала аксиально-симметричного поля по его осевому распределению / Р.Н. Ризаханов // Радиотехника и электроника. - 2006. - Т. 51, №4. - С. 492 - 496.

2.52. Коротеев, А.С. Аналитический расчет электронной пушки, формирующий сходящийся пучок, для установок вневакуумных лучевых технологий / А.С.

Коротеев, Р.Н. Ризаханов // Тезисы докладов 36 Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УГС. - 2009. - С. 272. Глава 3.

3.1. Аккерман, А.Ф. Решение методом Монте-Карло задач переноса быстрых электронов в веществе / А.Ф. Аккерман, Ю.М. Никитушев, В.А. Ботвин. - Алма-Ата : Наука, 1972. - 164 с.

3.2. Алямовский, И.В. Электронные пучки и электронные пушки / И.В. Алямовский. - М. : Сов. радио, 1966. - 87 с.

3.3. Диденко, А.Н. Мощные электронные пучки и их применение / А.Н Диденко, В.Н. Григорьев, Ю.П. Усов. - М. : Атомиздат, 1977.

3.4. Незлин, М.В. Динамика пучков в плазме / М. В. Незлин, - М.: Энергоиздат, 1982.

3.5. Рыкапин, Н.Н Основы электронно-лучевой обработки материалов / Н.Н. Рыкапин, И.В. Зуев, А.А. Углов. - М. Машиностроение, 1978. - 239 с.

3.6. Завьялов, Ю.Е. Плазменные процессы в технологических электронных пушках / М.А. Завьялов, Ю.Е. Крейндель, А.А. Новиков, Л.П. Шактурин. - М. : Энергоатомиздат, 1989. - 256 с.

3.7. Сокольская, И.Л. О газовой концентрации электронных лучей / И.Л. Сокольская // Журнал технической физики. - 1935. - Т. 5, в. 5. - С. 984 - 995.

3.8. Переводчиков, В.И. Об условиях компенсации пространственного заряда в мощных электронных лучах / В.И. Переводчиков, Л.П. Шактурин // Радиотехника и электроника. - 1967. - Т. 12, в. 13. - С. 552 - 554.

3.9. Габович, М.Д. Об относительной роли собственных электрических и магнитных полей в самофокусировке газонейтрализованных пучков / М.Д. Габович, В.П. Коваленко, О.А. Металлов и [др.] // Журнал технической физики. -1977. - Т. 47, в. 7. С - 1569 - 1571.

3.10. Климов, А.С. Генерация электронных пучков в форвакуумной области на основе плазменно-эмиссионных разрядных систем с полым катодом: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук:

специальность: 01.04.04 - Физическая электроника/ Климов А.С.; Томский гос. университет систем управления и радиоэлектроники. - Томск, 2016. - 44 с.

3.11. Колесников, Е.К. Условие равновесия Беннета для релятивистского электронного пучка, распространяющегося в режиме ионной фокусировки продольно внешнему магнитному полю / Е.К. Колесников, А.С. Мануйлов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. - 2014. - Т. 1, № 2. - С. 217 - 277.

3.12. Власов, М.А. Компрессия электронного пучка плавно меняющимся магнитным полем / М.А. Власов, О.А. Малафеев, С.В Никонов // Радиотехника и электроника. - 1983. - Т. 28, в. 2. - С. 410 - 412.

3.13. Власов, М.А. Транспортировка, компрессия и устойчивость электронного пучка в положительно заряженной плазме / М.А. Власов, С.В. Никонов // Радиотехника и электроника. - 1989. - Т. 34, в. 10. - С. 2176-2181.

3.14. Власов, М.А. Электромагнитная компрессия сильноточного электронного пучка / М.А. Власов, Б.Н. Ивкин, С.В. Никонов, А.В. Рыхлов // Радиотехника и электроника. - 1989. - Т. 34, в. 12. - С. 2582 - 2586.

3.15. Тюньков, А.В. Механизм ионизации пучковой плазмы, генерируемой электронным пучком в среднем вакууме / А.В. Тюньков, А.А. Андронов, Ю.Г. Юшков, Д.Б. Золотухин // Письма в журнал технической физики. - 2023. - Т.49, № 10. - С. 13 - 16.

3.16. Глебов, В.В. Экспериментальные исследования равновесия квазинейтрального релятивистского электронного пучка в разреженном газе / В.В. Глебов, Д.Н. Новичков // Радиотехника и электроника. - 1983. - Т. 28, в. 1. - С. 143 - 147.

3.17. Зинченко, Б.Н. Исследование релаксационных колебаний тока неустойчивого электронного пучка / Б.Н. Зинченко // Радиотехника и электроника. - 1989. - Т. 34, в. 7. - С. 1435 - 1438.

3.18. Власов, М.А. Поперечные колебания электронного пучка в положительно заряженной плазме / М.А. Власов, С.В. Никонов, Ю.В. Юргеленас // Радиотехника и электроника. - 1990. - Т. 35, в. 11. - С. 2375 - 2384.

3.19. Архипов, А.В. Применение негармонического распределения магнитного фокусирующего поля для транспортировки интенсивных электронных потоков в магнитных периодических фокусирующих системах / А.В. Архипов, Е.П. Глотов, А.Н. Дармаев и [др.] // В сборнике: Лащерные, плазменные исследования и технологии ЛАПЛАЗ - 2019. V Международная конференция. - 2019. - С. 194 -195.

3.20. Матвеев, А.А. Магнитные фокусирующие системы реверсного типа с улучшенными массогабаритными характеристиками для вакуумных СВЧ приборов / А.А. Матвеев, С.П. Морев, Э.К. Муравьев и [др.] // Электроника и микроэлектроника СВЧ. - 2021. - Т. 1. - С. 197 - 201.

3.21. Лебедев, П.М. Теория пучково-плазменного разряда / П.М. Лебедев, И.Н. Онищенко, Ю.В. Ткач и [др.] // Физика плазмы. - 1976. - Т. 2, в. 3. - С. 407 - 413.

3.22. Власов, М.А. Взаимодействие электронного пучка с газом в протяженном канале дифференциальной откачки / М.А. Власов, А.В. Попович, А.В. Рыхлов и [др.] // Журнал технической физики. - 1984. - Т. 54, в. 8. - С. 1638 - 1640.

3.23. Овчинников, А.В. Потери энергии электронного пучка в плазменно-пучковом разряде / А.В. Овчинников // Физика плазмы. - 1990. - Т. 16, в. 1. - С. 32 - 38.

3.24. Мешков, И.Н. Пучково-плазменный разряд при инжекции электронного пучка в разреженный газ / И.Н. Мешков, С.С. Нагайцев, И.А. Селезнев, Е.М. Сыресин // Физика плазмы. - 1990. - Т. 16, в. 11. - С. 1332 - 1338.

3.25. Гладышев, М.В. Пучково-плазменный разряд при распространении длиноимпульсного релятивистского электронного пучка в разряженном газе среднего давления / М.В Гладышев, М.Г. Никулин // Журнал технической физики.

- 1997. - Т. 67, в. 5. - С. 94 - 98.

3.26. Аржанников, А.В. Интенсивное пучково-плазменное взаимодействие как источник сублимированного излучения / А.В. Аржанников, И.В. Тимофеев // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия : Физика. - 2016.

- Т. 11, № 4. - С. 78 - 104.

3.27. Богданкевич, И.Л. Нелинейная динамика пучково-плазменной неустойчивости в конечном магнитном поле / И.Л. Богданкевич, П.Ю. Гончаров, Н.Г. Гусейнзаде, А.М. Игнатов // Физика плазмы. - 2017. - Т. 43, № 6. - С. 548 -559.

3.28. Ледовский, В.П. Рассеяние быстрых электронов в пучках, проходящих через разреженный газ / В.П. Ледовский // Журнал технической физики. - 1976. - Т. 46.

- С. 2222 - 2224.

3.29. Евдокимов, О.Б. Многократное рассеяние быстрых электронов в газе в присутствии электрического поля / О.Б. Евдокимов // Журнал технической физики. - 1975. - Т. 45, в. 3. - C. 593 - 599.

3.30. Наумов, Н.Д. Влияние магнитного поля на прохождение заряженных частиц через вещество / Н.Д. Наумов // Журнал технической физики. - 1993. - Т. 63, в. 4.

- С. 205 - 207.

3.31. Григорьев, В.П. Эрозия переднего фронта низкоэнергетического пучка при инжекции во внешнем магнитном поле / В.П. Григорьев, И.Л. Звягинцев. // Журнал технической физики. - 2018. - Т. 88, №. 5, - С. 755 - 759.

3.32. Наурызбаев, А.Е. Численное моделирование динамики квазистационарного РЭП в плотном газе / А.Е. Наурызбаев, Г.А. Сорокин // Журнал технической физики. - 1989. - Т. 59, в. 1. - С. 131 - 137.

3.33. Ильин, А.А. Экспериментальное исследование потока электронно-лучевой плазмы в плотном газе : дисс. на соиск. уч. степ. к.ф.-м.н.: специальность: 01.02.05. - Механика жидкости, газа и плазмы/ Ильин А.А. - М. : 2003. - 79 с.

3.34. Ловцов, А.С. Динамика высокотемпературного газа с концентрированным потоком электронов: дисс. на соиск. уч. степ. к.ф.-м.н.: специальность: 01.02.05 -Механика жидкости, газа и плазмы /Ловцов А.С. - М.: 2005. - 95 с.

3.35. Кимель, Л.Р. Многократное рассеяние заряженных частиц в среде с аксиально-симметричным магнитным полем при наличии потерь энергии / Л.Р. Кимель, О.Н. Салимов // Журнал технической физики. - 1972. - Т. 42, в. 6. - С. 1154 - 1160.

3.36. Коновалов, В.П. Деградационные спектры электронов в газах / В.П. Коновалов, Э.Е. Сон. В сборнике Химия плазмы. Под редакцией Б.М. Смирнова. Вып. 14. - М. : Энергоатомиздат, 1987.

3.37. Чихачев, А.С. Распространение сильноточного электронного пучка при наличии рассеяния / А.С Чихачев // Журнал технической физики. -1986. - Т. 56, №. 10. С. - 2062 - 2065.

3.38. Наумов, Н.Д. Рассеяние заряженных частиц веществом в магнитном поле. / Н.Д. Наумов // Журнал технической физики. - 1992. - Т. 62, №. 2. - С. 178 - 180.

3.39. Вялов, Г.Н. К расчету формы моноэнергетического электронного пучка в условиях многократного рассеяния и при наличии фокусировки / Г.Н Вялов // Журнал технической физики. - 1974. - Т. 44, №. 9. - С. 1955 - 1960.

3.40. Артамонов, А.С. К вопросу о многократном рассеянии в электрических и магнитных полях / А.С. Артамонов, В.А. Горбунов // Журнал технической физики. - 1983. - Т. 53, в. 1. - С. 23 - 27.

3.41. Ковалев, С.Д. Прохождение быстрых заряженных частиц через вещество в магнитном поле / С.Д. Ковалев, А.И. Кузовлев, Д.Б. Рогозкин // Журнал технической физики. - 1993. - Т. 63, №. 6. - С. 27 - 46.

3.42. Головин, А.И. Численное решение уравнения переноса электронов в веществе / А.И. Головин // Теплофизика высоких температур. - 2002. - Т. 40, № 2.

- С. 204 - 209.

3.43. Стрелков, П.С. Экспериментальная плазменная релятивистская сверх высокочастотная электроника / П.С. Стрелков // Успехи физических наук. - 2019.

- Т. 189, № 5. - С. 494 - 517.

3.44. Ризаханов, Р.Н. Решение параксиального уравнения огибающей электронного пучка в рассеивающей среде и внешнем магнитном поле / Р.Н. Ризаханов // Прикладная физика. - 2007. - № 1. - С. 47-50.

3.45. Савельев, И.В. Основы теоретической физики. Т. 1, Механика. Электродинамика / И.В. Савельев. - М. : Наука, 1975. - 416 с.

3.46. Rizakhanov, R.N. Equation of Motion of Relativistic Electron in Stationary Axially Symmetric Electric and Magnetic Fields under Forces of Arbitrary Nature/ R.N. Rizakhanov // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - № 11. - Приложение. - С. 142.

3.47. Шпак, Е.В. Распределение фазовой плотности в электронно-оптических системах с прямой осью./ Е.В. Шпак // Журнал технической физики. - 1981. - Т. 51, № 12. - С. 2491 - 2496.

3.48. Овсянникова, Л.П. Распределение фазовой плотности в пучках заряженных частиц в системах электронных линз, имеющих не менее двух плоскостей симметрии электрического или двух плоскостей антисимметрии магнитного поля / Л.П. Овсянникова. Е.В. Шпак // Радиотехника и электроника. - 1995. - Т. 30, № 8. - С. 1620 - 1624.

3.49. Кузнецов, В.С. Метод расчета внутренней структуры неламинарных аксиально-симметричных интенсивных потоков заряженных частиц с нулевыми тепловыми скоростями / В.С. Кузнецов // Журнал технической физики. - 1968. -Т. 38, № 2. - С. 274 - 278.

3.50. Кузнецов, В.С. Метод расчета внутренней структуры неламинарных интенсивных пучков заряженных частиц с аксиальной симметрией / В.С. Кузнецов, Р.П. Фидельская // Журнал технической физики. - 1968. - Т. 38, № 10. -С. 1156 - 1161.

3.51. Мотт, Н. Теория атомных столкновений / Н Мотт, Г Месси. - М. : Мир, 1969.

3.52. Зайцев, В.Ф. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям / В.Ф. Зайцев, А.Ф. Полянин. - М. : Физматлит, 2001. - 576 с.

3.53. Ризаханов, Р.Н. Магнитное сопровождение электронного пучка в электронно-лучевом генераторе высокотемпературного газового потока / Р.Н. Ризаханов // XIII Всероссийская конференция по физической электронике ФЭ-2024. - Махачкала, 2024. - С. 55 - 59.

3.54. Rizakhanov, R.N. Propagation of Apertured Beam of Charged Particles / R.N. Rizakhanov // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - № 11. - Приложение. - С. 120.

3.55. Бармин, А.А. Феноменологическая модель описания распространения электронного пучка в плотной газовой среде / А.А. Бармин, Р. Н Ризаханов // Прикладная физика. - 2007. - № 6. - С. 115 - 118.

3.56. Шумахер, Б. Законы проникновения электронов в вещество / Б. Шумахер // В сб. Электронно- и ионнолучевая технология. - М. : Металлургия, 1968. - С. 7 - 43. Глава 4.

4.1. Горшков, О.А Устройства для вывода концентрированного электронного пучка в газ при атмосферном давлении / О.А. Горшков, А.А. Ильин, А.С. Ловцов, Р.Н. Ризаханов // Приборы и техника эксперимента. - 2002. - № 2. - С. 162 - 163.

4.2. Вакуумная техника: Справочник / Под общ. Ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. - М. : Машиностроение, 1992. - 480 с.

4.3. Власов, М.А. Бесстолкновительная релаксация холодного сильноточного электронного пучка / М.А. Власов, С.В. Никонов // Радиотехника и электроника. -1983. - Т. 28, № 5. - С. 965 - 970.

4.4. Горшков, О.А. Установка для изучения процессов очистки промышленных газов от токсичных примесей электронными пучками / О.А. Горшков, А.А. Ильин, А.С. Ловцов, Р.Н. Ризаханов // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - № 1. -С. 123 - 125.

4.5. Окс, Е.М. Источники электронов с плазменным катодом / Е.М Окс. - Томск : Научно-техническая литература, 2005. - 216 с.

4.6. Нгуен, Б.Х. Моделирование генерации плазмы и электронного пучка в источниках с плазменным катодом: дисс. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук: специальность: 01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника/ Нгуен Бао Хынг; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск, 2016. - 118 с.

4.7. Воробьев, М.С. Источник электронов с сетчатым плазменным катодом на основе многодугового разряда низкого давления / М.С. Воробьев, В.Н. Десятков, Н.Н Коваль, С.А. Сулакшин // В сб.: Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ - 2017). Материалы 12-й Международной конференции, 2017. - С. 441 -443.

4.8. Девятков, В.Н. Плазменные сеточные катоды на основе контрагированного дугового разряда для генерации импульсного интенсивного низкоэнергетического электронного пучка в плазмонаполненном диоде с продольным магнитным полем / В.Н. Девятков, Н.Н. Коваль // Известия РАН. Сер. физическая. - 2019. - Т. 83, № 11. - С. 1509 - 1513.

4.9. Коротеев, А.С. Роль магнитного поля при транспортировке электронов в генераторе пучковой плазмы / А.С. Коротеев, Р.Н. Ризаханов // Прикладная физика. - 2009. - № 6. - С. 123 - 126.

4.10. Кошлаков, В.В. О роли электронного пучка в аддитивных технологиях / В.В. Кошлаков, Р.Н. Ризаханов // Физика и химия обработки материалов. - 2020. - № 3. - С. 48 - 52.

4.11. Ризаханов, Р.Н. Устойчивость транспортировки электронного пучка в камере генератора электронно-пучковой плазмы / Р.Н. Ризаханов, А.А. Бармин, Р.И. Рудштейн // Прикладная физика. - 2019. - № 6. - С. 42 - 26.

4.12. Будак, Б.М. Сборник задач по математической физике / Б.М. Будак, А.А. Самарский, А.Н. Тихонов. - М. : Наука, 1972. - 688 с.

4.13. Рыкалин, Н.Н. Основы электронно-лучевой обработки материалов / Н.Н. Рыкалин, И.В. Зуев, А.А. Углов. - М. : Машиностроение, 1978. - 238 с.

4.14. Ризаханов, Р. Н. Формирование концентрированным электронным пучком тракта транспортировки в генераторе пучковой плазмы / Р. Н. Ризаханов // Прикладная физика. - 2007. - № 4. - С. 71-74.

4.15. Коротеев, А.С. Генераторы электронно-пучковой плазмы и области их применения / А.С. Коротеев, Р.Н. Ризаханов // Материалы II Всероссийской конференции «Современные проблемы физики плазмы и физической электроники». - Махачкала, 2015. - С. 58 - 61.

4.16. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

4.17. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под. Ред. М.П. Малкова. - М. : Энергия, 1973. - 392 с.

4.18. Goethert, B.H. High altitude and Space Simulation Testing / B.H. Goethert // Ars Journ. - 1962. - V. 32, № 6. - PP. 872 - 882.

4.19. Джанибекова, С.Х. Расчет газодинамического затвора / С.Х. Джанибекова, Р.Н. Ризаханов // Сб. Механика и процессы управления. Труды 36 Уральского семинара. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006 г. - С. 147 - 157.

Глава 5.

5.1. Корнилов, С.Ю. Вневакуумная наплавка защитных покрытий низкоэнергетическим электронным пучком / С.Ю. Корнилов, Н.Г. Ремпе, Н.Н. Смирнягина // Физика и химия обработки материалов. - 2017. - № 5. - С. 26 - 33.

5.2. Иванов, Ю.Ф. Поверхностное легирование стали 2Х8Н10Т электронно-плазменным методом / Ю.Ф. Иванов, А.Д. Терисов, Е.А. Петрикова, О.В. Крысина и [др.] // Известия вузов. Физика. - 2017. - Т. 60, № 3. - С. 122 - 128.

5.3. Матюшкин, А.В. Особенности формирования структуры наплавленного металла и ЗТВ конструкционной стали в условиях вневакуумной электроннолучевой наплавки // А.В. Матюшкин, М.Г. Голковский, С.Ф. Гнюсов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2018. - Т. 34, № 6 (162). - С. 257 - 263.

5.4. Хлаинг, Т. Йе Генерация электронно-пучковой плазмы внутри диэлектрического контейнера / Т. Йе. Хлаинг, У.А. Чжо, М.В. Васильев // Труды МФТИ. - 2020. - Т.12, № 2 (46). - С. 126 - 130.

5.5. Константинов, В.О. Эффект перекристаллизации при рафинировании металлургического кремния в электронно-пучковой плазме / В.О. Константинов, В.Г. Щукин, Р.Г. Шарафутдинов // Прикладная физика. - 2022. - № 3. - С. 5 - 10.

5.6. Булат, П.В. Влияние пучка ускоренных электронов и внешнего электрического поля на горение пропан - воздушной смесив дозвуковом потоке воздуха / П.В. Булат, К.Н. Волков, Л.П. Грачев, И.И. Есаков, В.Л. Бычков // Теплофизика высоких температур. - 2023. - Т. 61, №6. - С. 904 - 913.

5.7. Валуев, А.А. Радиационно-плазмохимические методы очистки дымовых газов / А.А. Валуев, А.С. Каклюгин, Г.Э. Норман, В.Ю. Подлипчук, П.И. Сопин, Г.А. Сорокин // Теплофизика высоких температур. - 1990. - Т. 28, № 5. - С. 995 - 1008.

5.8. Горшков, О.А. Поверхностное термоупрочнение металлов концентрированным пучком электронов низких энергий в воздухе атмосферного давления / О.А. Горшков, Р.Н. Ризаханов // Изв. АН, Сер. Энергетика. - 2004. -№1. - С. 137 - 146.

5.9. Shengzhi, H. Surfase modification by higt current pulsed electron beam / H. Shengzhi, H. Dongyun, T. Chang, R.N. Rizakhanov, A.A. Barmin, H. Xianwei, D. Chuang // Symposium on Charged Particle Sources and Beams. Dalian. - China. June 30 - July 3. - 2010.

5.10. Yongfeng, D. Numerical model of materials surface hardening using high energy elecron beam in atmosphere / D. Yongfeng, H. Xianwei, T. Chang, L. Rong, R.N. Rizakhanov, A.A. Barmin // Journal of rocket propulsion. - 2011. - V. 39, № 2.

5.11. Углов, А.А. Моделирование теплофизических процессов импульсного лазерного воздействия на металлы / А.А. Углов, И.Ю. Смирнов, A.M. Лашин, А.Г. Гуськов. - М. : Наука, 1991.

5.11. Abashkin, V.V. Multipass Surface Hardening of Steel Samples with Inclined Surfaces by Concentrated Electron Beam in the Air of Atmospheric Pressure / V.V. Abashkin, O.A. Gorshkov, A.A. Ilyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov //. High Temperature Material Processes. - 2004. - V. 8, № 1-4. - P. 427 - 432.

5.12. Абашкин, В.В. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов под воздействием концентрированного электронного пучка в атмосфере / В.В. Абашкин, О.А. Горшков, А.С. Ловцов, А.А. Ильин, Р.Н. Ризаханов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Техническая физика и автоматизация. - 2004. - № 58. - С. 16 - 20.

5.13. Патент на изобретение RU 2704051 C1. Способ и установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующих путей: № 2018137161: заявлено 23.10.2018: опубликовано 23.10.2019 / Кошлаков В.В., Ризаханов Р.Н.

5.14. Белогривцев, В.М. Использование электронно-лучевой технологии в системах очистки дымовых газов угольных ТЭС / В.М. Белогривцев, A.C.

Коротеев, Р.Н. Ризаханов // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1991. - №3.

- С. 26 - 34.

5.15. Gorshkov, О. A. Application of Concentrated Electron Beams in Extra Vacuum Technologies. / O.A. Gorshkov, A.A. Ilyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov // BEAM 2002. American Institute of Physics, Melville. -New York, 2002. - P. 349 - 352.

5.16. Абашкин, В.В. Экспериментальные исследования очистки газов от токсичных примесей (NOx) концентрированным электронным пучком / В.В. Абашкин, О.А. Горшков, А.С. Ловцов, А.А. Ильин, Р.Н. Ризаханов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Техническая физика и автоматизация. - М. : 2004.

- №52. - С. 50 - 53.

5.17. Герасимова, Т.С. Разработка концепции конструирования промышленных установок электронно-лучевой очистки газов ТЭС / Т.С. Герасимова, Г.Г. Зароченцев, С.В. Кудрявцев, В.В. Нечаев, Р.Н. Ризаханов, С.А. Фадеев. В сб. Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых газов. - М. : ИВТАН, 1993. - С. 19 - 21.

5.18. А. С. 1780817 Способ очистки дымовых газов от оксидов серы и азота при помощи электронного облучения / С.А. Фадеев, М.И. Сапаров, В.В. Ермаков, Т.С. Герасимова, В.М. Белогривцев, Р.Н. Ризаханов. - 15.08.92.

5.19. Опытная установка электронно-лучевой очистки дымовых газов концентрированным пучком для Череповецкой ГРЭС. Договор № 120/5-89: НТО / В.М. Белогривцев, Р.Н. Ризаханов. - Москва: НИИТП. Инв. № 2019, 1989. - 18 л.

5.20. Коротеев, А.С. Экспериментальное исследование генератора плазмы на основе использования пучка электронов / А.С. Коротеев, И.И. Шишканов // Изв. СО АН СССР. Серия: Технические науки. - 1984. - № 4, Вып. I. - С. 94 - 99.

5.21. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - М. : Наука, 1972.

5.22. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. -Новосибирск, «Наука», 1970. - 660 с.

5.23. Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие/ С.С. Кутателадзе. -М. Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

Приложение А

Поверхностное упрочнение металлов

Одна из важнейших задач машиностроения - повышение ресурса инструмента, деталей машин, оборудования. Ее решение возможно либо в результате разработки новых материалов, либо путем упрочнения существующих. Дефицит и дороговизна легирующих элементов позволяют рассматривать второй путь как наиболее экономичный и перспективный.

Большое внимание среди упрочняющих технологий уделяется поверхностной закалке, так как максимальные напряжения и допустимый износ определяются именно характеристиками поверхностного слоя детали. В машиностроении насчитывается более 120 видов поверхностного упрочнения.

Среди новых методов модифицирования поверхности изделий особое место занимают процессы на основе источников концентрированных потоков энергии (лазерных, электронно-лучевых), они имеют ряд специфических преимуществ -обеспечивают выделение энергии в поверхностном слое обрабатываемого материала, возможность точной дозировки энергии, локализацию потока мощности на малой площади, воспроизводимость процесса, возможность его автоматизации.

Преимущества поверхностной закалки в сравнении с объемной - меньшие затраты энергии, необходимой для нагрева только поверхностного слоя, и значительно меньшие термические напряжения детали. Кроме того, она способствует снижению вероятности усталостного разрушения изделия в процессе эксплуатации, так как сохраняется достаточно вязкая и пластичная сердцевина.

Вневакуумные электронно-лучевые технологии имеют преимущества перед другими методами обработки. В сравнении с лазерными установками электроннолучевое оборудование имеет существенно больший коэффициент полезного действия, меньшие капитальные и эксплуатационные затраты, возможность обработки любых поверхностей, в т.ч. и неподготовленных. В отличие от

обработки токами высокой частоты электронно-лучевая обработка позволяет упрочнять поверхности сложной формы (днища, впадины, вогнутые участки), в сравнении с вакуумными технологиями дает возможность обработки крупногабаритных изделий, а также создание конвейерных производств.

Особенности поверхностной термозакалки электронным пучком. Термическая обработка сталей основана на различной способности фаз железа, растворять углерод и легирующие элементы. Растворимость углерода в а-фазе железа составляет 0,01 %, а в у-фазе - до 2 %. Конструкционные стали содержат углерода 0,3 - 0,7 %, а инструментальные - от 0,7 до 1,3 %. Иными словами, в этих сталях имеется избыточный углерод. Он выделяется в них в виде карбида железа (Бе3С), так что образуется смесь кристаллов феррита (так называется твердый раствор внедрения углерода в а-фазе) и цементита (так называется карбид железа).

Если нагреть сталь, содержащую, например, 1 % углерода, до температуры превращения а-фазы в у-фазу и выдержать ее при этой температуре, то весь углерод перейдет в раствор, так как у-фаза может растворить до 2 % углерода. Раствор углерода в у-фазе называется аустенитом. При медленном охлаждении этой стали процессы пойдут в обратном порядке: у-форма превратится в а-форму, а излишки углерода выделятся в виде карбида.

Картина станет другой при быстром охлаждении. Диффузия атомов углерода и железа не успеет произойти, поэтому в образовавшейся а-форме железа концентрация углерода будет такой же, как в у-форме. Образующаяся при этом сталь (мартенсит) имеет высокую твердость и является основной составляющей закаленной стали.

Мартенсит имеет высокую твердость, но является хрупким материалом. Поэтому после закалки производят операцию отпуска стали, при которой мартенсит частично распадается, устраняется хрупкость, но твердость металла остается довольно высокой.

Облучение металла концентрированным потоком энергии приводит к быстрому нагреву тонкого слоя, прилегающего к поверхности. Температура определяется плотностью поглощаемой мощности, теплофизическими характеристиками, временем обработки. При малых временах обработки, когда температура не достигает температуры плавления, но превышает точку аустенитного перехода, после отключения пучка происходит такое же быстрое охлаждение тонкого слоя за счет теплоотдачи в еще холодную основу материала. Происходит закалка и, следовательно, упрочнение поверхностного слоя.

Такое упрочнение носит название закалки из твердого состояния. Оно характеризуется образованием в поверхностном слое зоны термического влияния и зоны закалки. Материал в зоне закалки приобретает в процессе обработки температуру, превышающую температуру аустенитного перехода, и после остывания имеет структуру мартенсита. Зона термического влияния располагается глубже, его температура в процессе обработки не превышает точку аустенитизации, тем не менее здесь также возможны изменения структуры и, следовательно, механических свойств веществ.

При увеличении мощности пучка или времени воздействия температура металла может достигнуть величин, превышающих температуру плавления. При быстром остывании такого материала поверхностный слой оказывается состоящим из трех зон: плавления, закалки и термического влияния. Последние две аналогичны зонам, образующимся при закалке из твердого состояния. Первая зона состоит из быстро кристаллизовавшегося расплава, и поэтому для нее характерны вытянутые дендритные структуры с выраженным направлением остывания. Твердости первых двух приповерхностных зон, как правило, близки друг другу и соответствуют твердости закаленной стали. Третья зона - зона термического влияния - имеет меньшую твердость.

Возможен другой механизм упрочнения, известный как пластическая деформация. Суть метода заключается в создании в поверхностном слое металла направленных напряжений путем наклепа или обкатки. При быстром электроннолучевом нагреве в поверхностном слое вследствие высоких градиентов

температуры и, следовательно, плотности стали (а- и у- формы имеют различные плотности) возникают внутренние напряжения большой величины. Это ведет к образованию большой плотности дислокаций и других дефектов, что также сопровождается упрочнением.

Таким образом, упрочнение поверхностных слоев при воздействии концентрированного электронного пучка осуществляется на основе двух механизмов: изменения структуры материала и пластической деформации.

Результаты экспериментальных исследований

Необходимый режим обработки реализуется регулировкой характеристик пучка (ток пучка и энергия электронов), скорости перемещения изделия и расстояния между выходным сечением устройства вывода и обрабатываемым образцом. Диапазоны изменения этих параметров в процессе экспериментов приведены в Таблице А.1. Обработанные образцы в дальнейшем подвергались циклу металлографических исследований.

Таблица А.1 - Условия обработки образцов

Энергия электронов, кэВ Ток пучка, мА Скорость перемещения образца, м/с Расстояние устройство вывода - образец, мм

50 - 100 80 - 350 0,3 - 1,5 40 - 100

Была проведена обработка различных сортов стали: конструкционных (30ХГСА, 45, 40Х), инструментальных (90ХС, 5ХНМ, У7), коррозионно-стойких (90Х13, 20Х13).

Экспериментальные исследования по поверхностному упрочнению проводились на установке М-1, по следующим направлениям:

- упрочнение поверхностного слоя различных сортов стали из твердого состояния;

- упрочнение предварительно закаленных образцов;

- влияние кратности воздействия;

- обработка с частичным перекрытием упрочненных слоев. Представление о возможности вневакуумного электронно-лучевого

поверхностного упрочнения можно получить из данных Таблицы А.2, где приведены результаты обработки некоторых марок стали [5.8].

Таблица А.2 - Результаты упрочнения некоторых сортов стали

Марка стали Исходная микротвердость, 107, Па Микротвердость и структура закаленного слоя, 107, Па Микротвердость и структура переходного слоя, 107, Па

30ХГСА 192-232 765 мартенсит 412-550 троосто-сорбит

9ХС 232-286 765 мартенсит 550-645 троосто-сорбит

Марка стали Исходная микротвердость, 107, Па Микротвердость и структура закаленного слоя, 107, Па Микротвердость и структура переходного слоя, 107, Па

45 192-210 765 мартенсит 321-412 сорбит

20Х13 232-362 362-645 незначительное количество мартенсита, троостит, перлит 362-645 незначительное количество мартенсита, троостит, перлит

У7 210-232 925 мартенсит 321-412 сорбит

Практически все образцы сталей воспринимают закалку электронным пучком, микротвердость поверхностного слоя повышается в три-четыре раза. На Рисунке А.1 представлена характерная картина структур исходного и закаленного состояния со следами алмазной пирамидки на шлифе. Исключение составляют стали, содержащие менее 0,4 % углерода. Например, сталь 20Х13 содержит 0,2 % углерода и поэтому мартенсита в упрочненной структуре образуется мало. Для сталей с высоким содержанием углерода (> 0,4 %) характерно следующее распределение структуры по глубине образца:

- на поверхности образуется наиболее твердая микроструктура -мартенсит;

- под мартенситным слоем образуется переходная зона, состоящая обычно из троосто-сорбитной структуры;

- нижний слой - исходная микроструктура, состоящая из феррита и перлита.

В ряде случаев существует необходимость повышенной твердости не только поверхностного слоя, но и основы изделия (штампы, элементы подшипников и т.д.). В связи с этим представляет интерес возможность электронно-лучевого упрочнения образцов, прошедших предварительную обработку. Условия и результаты термозакалки некоторых материалов приведены в Таблице А.3.

Рисунок А.1 - Структура исходного и закаленного состояния со следами алмазной

пирамидки микротвердомера

Таблица А.3 - Обработка предварительно упрочненных образцов

Марка стали Исходная микротвердость, 107, Па Микротвердость упрочненного слоя, 107, Па

45 412-473 765-925

30ХГСА 412-473 645-765

У8 258-306 765-925

Обработанный слой приобретает такую же структуру и твердость, как и в случае упрочнения отожженного материала, что указывает на слабую зависимость конечного состояния слоя от предварительной обработки.

Отдельным и весьма важным является вопрос о глубине закаленного слоя. Ее величина зависит от параметров пучка, времени воздействия и обрабатываемого материала. Результаты упрочнения стали 45 пучком мощностью 9,6 - 10 кВт диаметром 3 мм при расстоянии до образца 58 мм приведены в Таблице А.4.

Указанные зависимости соответствуют виду г ~ 1/У, т.е. глубина обработки обратно пропорциональна скорости. Следует отметить, что конечная структура обрабатываемого слоя состоит, в основном, из мартенсита и мартенситно-сорбитной смеси и не зависит от глубины закаленного слоя.

Таблица А.4 - Зависимость глубины упрочнения от скорости перемещения образца

№ образца Скорость перемещения, м/с Глубина, мкм

1 0,22 270

2 0,47 140

3 0,64 90

4 1,10 70

Другой способ регулирования глубины упрочненного слоя - многократное упрочнение одного и того же участка. При исследуемых режимах обработки, когда продолжительность нагрева и остывания поверхностных слоев имеет порядок миллисекунд, а период между воздействиями - порядка секунды, возможна аддитивность процесса. Она состоит в том, что каждое воздействие рассматривается как отдельное, и изменения, происходящие после первого воздействия, могут усиливаться при последующих, так как при каждом из них осуществляется переход через температуру фазового изменения (точку аустенитизации).

Для этого были обработаны образцы из стали 45, параметры обработки представлены в Таблице А.5.

Таблица А.5. - Упрочнение при различных кратностях обработки

№ Энергия Ток пучка, Линейная Расстояние Кратность

образц электроно мА скорость от среза до обработки

а в, кэВ образца, м/с образца, мм

1 80 148 0,64 58 1

2 80 155 0,64 58 3

Исходная твердость стали имела значение Н 192-232, структура состояла из перлита и феррита. Длительность воздействия составляла 7-10-3 с, пауза между обработками - 1 с. Ширина дорожки на поверхности - 4,5 мм.

Металлографические исследования образцов выявили следующие закономерности.

Образец № 1. Глубина обработки - 90 мкм. Структура: незначительное количество мартенсита с микротвердостью Н 645 - 765 в сорбитообразной смеси с микротвердостью Н 321 - 362. Поверхность - не оплавлена.

Образец № 2. Глубина обработки - 182 мкм, причем можно выделить две зоны: приповерхностная зона глубиной 70 - 90 мкм, имеющая структуру мартенсита с микротвердостью Н 765 и незначительное количество сорбитообразной смеси с микротвердостью Н 362 - 412; переходная зона толщиной ~ 100 мкм, состоящая из мартенсита и значительного количества феррита с микротвердостью Н 232 - 257. Поверхность имеет незначительное оплавление шириной 1,5 мм, не изменяющее поверхностный рельеф.

Полученные данные свидетельствуют в пользу многократности воздействия - увеличивается количество мартенсита в закаленном слое, растет его глубина, появляется переходная зона, благоприятствующая адгезии.

Поверхностное упрочнение электронно-лучевыми или лазерными методами дают возможность закалки локальных участков, узких дорожек, чего

невозможно достичь другими способами, в то же время позволяет обрабатывать и сплошные поверхности. Для этого организуется сканирование пучка по поверхности изделия с шагом, не превышающим диаметр пучка. Если обратная частота сканирования (время одного прохода пучка) не превышает времени остывания поверхности до температуры аустенитизации, то следует ожидать, что упрочнение вдоль поверхности будет однородным. Однако в реальных условиях, несмотря на высокие скорости перемещения луча относительно образца, обработанный участок успевает остыть перед вторым проходом пучка. Происходит повторная обработка уже упрочненного слоя, и так как перекрытие неполное, различные участки оказываются в неодинаковых условиях, что может привести к неоднородности упрочненного слоя.

Для проверки вышесказанного были проведены исследования по упрочнению поверхностей образцов большой площади. Мощность пучка составляла 8,8 кВт, скорость перемещения - 0,22 м/с, расстояние до образца - 55 мм, марка: 30ХГСА.

Металлографические исследования по всей длине обработанной поверхности выявили следующую закономерность (Рисунок А.2). При перекрытии упрочненных полос образуются дорожки с меньшей твердостью, происходит отпуск. Мартенситный слой с микротвердостью Н 645 - 765 чередуется с сорбитным слоем с микротвердостью Н 363 - 473, т.е. твердость по поверхности образца неоднородна. Ширина сорбитной структуры (Ь1) - 0,8 мм, мартенситной (Ь2) - 2 мм, причем их соотношение зависит от степени перекрытия.

Рисунок А.2 - Обработка с наложением слоев: 1 - мартенсит; 2 - сорбит;

3 - исходная структура

В результате микротвердость по поверхности изделия получается неоднородной. Такая поверхность после определенного времени работы может иметь волнообразную структуру, что для различных технологических задач может иметь как положительный (удержание смазки, создание самозатачивающегося инструмента), так и отрицательный эффект (неровная поверхность изделия).

Цикл исследований по обработке пучком наклонной поверхности представлен в [5.12], где показано, что и в этом случае в целом соблюдаются все вышеизложенные закономерности упрочнения. Различия в структуре упрочненного слоя наблюдаются при перепаде высот между обработанными участками более 5 мм.

Особо следует отметить, что обработанные участки не испытывают изменения химического состава (окисление, обезуглероживание и т.п.), что, по всей видимости, является результатом высокой скорости обработки (весь период нагревания - остывания конкретного участка поверхности длится не более 10-5 -10-4 с).

Полученные результаты демонстрируют возможность применения концентрированных электронных пучков в атмосфере для реализации высокопроизводительных технологий поверхностной обработки материалов.

Проект упрочнения железнодорожного полотна с помощью электронного пучка,

выведенного в воздушную атмосферу

Одним из перспективных направлений применения электронного пучка в качестве направленного потока концентрированной энергии является упрочнение головок железнодорожных рельсов (и, соответственно, колесных пар) с целью повышения ресурса железнодорожного полотна. Это сулит большой экономических эффект, связанный со снижением затрат на замену полотна, ремонтом рельсов, особенно на участке с поворотами.

Существуют и другие методы создания высококачественных железных дорог. Например, путем изготовления рельсов из спецсплавов. Этим путем идут развитые страны (США, Япония, Китай и др.). Другой метод - изготовление закаленных рельсов - подразумевает использование существующих дорог и дешевой стали.

Наиболее рациональный способ повышения эксплуатационных характеристик рельсов является создание тонкого поверхностного слоя с повышенной твердостью. Толщина этого слоя должна быть меньше критической глубины трещины в закаленном поверхностном слое (3 - 4 мм). По мере износа поверхностный слой повышенной твердости должен восстанавливаться с помощью передвижной установки.

В качестве концентрированных потоков энергии рассматривают лазерный и электронный луч, токи высокой частоты (ТВЧ), плазменный поток. Их сравнительные характеристики приведены в Таблице А.6.

Таблица А.6 - Сравнительная характеристика методов упрочнения

Характеристика Электронный Лазерный Плазменный ТВЧ

луч луч метод

Единичная 25.80 10.15 20 20

мощность, кВт

Эффективность 50 15 60 90

конвертации сетевой

энергии, %

Общая потребляемая 50 - 160 200 - 300 35 25

мощность, кВт

Доля энергии, 80 5 - 10 3 - 5 90

преобразующаяся в

тепло, %

Полный КПД 40 0.6.1.5 2.3 80

метода, %

Возможность да да да нет

упрочнения рельсов

в составе

железнодорожного

полотна

Токами высокой частоты можно упрочнять рельсы на стадии их изготовления на заводе. Плазменные потоки не обеспечивают требуемой плотности потока энергии (всего 107 Вт/м2). Лазерный луч характеризуется низкой эффективностью преобразования сетевой энергии в лучевую (световую), а последний - в тепловую. Сравнительный анализ демонстрирует достоинства электронно-лучевого методом поверхностного упрочнения. К несомненным преимуществам метода относятся:

1. Возможность упрочнения рельсов как в заводских условиях производства, так и в составе железнодорожного полотна.

2. Низкая энергозатратность.

3. Высокая скорость обработки.

4. Отсутствие расходных материалов.

5. Возможность локального упрочнения - упрочняется не весь рельс, а рабочие зоны.

6. Обеспечение контактной прочности, твердости, вязкости (т.к. образуется упрочненный слой на вязкой основе).

7. Отсутствие необходимости в предварительной очистке поверхности.

8. Неизменяемость профиля обработанной поверхности.

Технология не имеет аналогов.

Рынок применения данной технологии огромен. Только в России протяженность железных дорог составляет 87 тыс. км. Интенсивность их износа в различных районах разная. Но средний ресурс оценивается в 5 - 7 лет. При стоимости смены одного километра железнодорожного полотна 20 млн. руб. (по ценам 2020 года) требуемый ежегодный размер затрат равен 25 млрд. руб.

Если верхнюю головку рельса упрочнить на глубину 1 мм (не всю головку, а участок, примыкающий к внешнему ободку рельса), то, как показывает практика, износ снизится в 2,5 - 3 раза. Это означает ежегодную экономию до 15 млрд. руб. только в части, связанной со сменой рельсов.

Рассчитаем параметры ГЭПП, его внешний облик для выполнения данной работы.

Требуемый участок упрочнения головки имеет ширину 5 см.

Примерная картина процесса упрочнения показана на Рисунке А.3.

Глубина упрочнения может быть оценена на уровне к = 0,7 мм (чтобы избежать проблем с трещинообразованием). При температуропроводности железа 810-6 м2/с время воздействия должно быть на уровне ? = к1/а = 6 10-2 с. Представляется целесообразным организовать развертку пучка по площади Ь = 5 х 5 см2. При характерной плотности мощности д = 3 107 Вт/м2 требуемая полная мощность пучка должна быть Ж = 3 10725 10-4 = 75 кВт. Скорость перемещения пучка вдоль рельса равна Ь/? = 5 см / 610-2 с = 83 см/с = 3 км/ч.

ВУ

эп

ЖР

Рисунок А.3 - Упрочнение рельса. ВУ - выводное устройство; ЭП - электронный

пучок; ЖР - железнодорожный рельс.

При непрерывной работе в сутки упрочняется 72 км железнодорожного полотна (если на каждый рельс будет своя установка), а в год (около 200 рабочих дней, остальное профилактика и ремонт) - 15 тыс. км. Тогда одна установка обработает все российские железные дороги за 6 лет. Этого достаточно, если речь идет об увеличении ресурса до 10 лет.

Расстояние ВУ - рельс должно удовлетворять двум разнонаправленным требованиям. С одной стороны, это расстояние должно быть не очень велико, иначе уширение пучка по мере распространения в атмосфере может привести к большим энергетическим потерям. С другой - это расстояние должно быть достаточным, чтобы магнитное поле в ВУ и рельс не взаимодействовали. В

противном случае возможно изменение конфигурации пучка и, следовательно, режимов обработки рельса в зависимости от наличия в нем выбоин, щелей и т.д.

Положим уширение пучка на уровне 1 см, что допустимо на фоне поля сканирования 5 х 5 см2. Мощный пучок, выведенный в атмосферу, прогревает газ до 4 - 5 тыс. градусов (так, что можно полагать О = 50 - 60 м). Тогда, если расстояние «ВУ-рельс» взять Ь = 10 см, О = 60 м и г2 = 10-4 м2, г°2 = 0, то релятивистская комбинация электронов согласно (3.3.39) равна

4 2 _ 1 (г + 1)Ь3 _ 8 • 10-3 _ = 3С(г2-г02) = 3 • 60 • 10-4 = 0,44

Отсюда найдем у0 = 1,38, что соответствует энергии электронов Ц=195 кэВ.

Данный расчет показывает, что оптимальным для упрочнения полосы шириной 5 см (без применения специальных магнитных полей) в разогретом пучком воздухе является ускоряющее напряжение 200 кВт. Для обеспечения мощности 80 кВт требуемый ток пучка составляет 400 мА.

Таим образом, облик установки для облучения железнодорожных рельсов имеет следующий вид. Прежде всего, это две идентичные установки для параллельной обработки двух рельсов.

Электронная пушка (200 кэВ, 400 мА) представляет собой четырехзазорную ускорительную систему. Выводное устройство - пятешлюзовая система дифференциальной откачки с вакуумными насосами с производительностью 50.100 л/сек. Магнитная система обеспечивает адиабатическое сопровождение пучка - величина поля в максимуме - 0,5 Тл. Система охлаждения - водяная. Источник высокого напряжения - шестифазный трансформатор - выпрямитель.

Данное оборудование размещается в технологическом вагоне (Рисунок А.4).

Помимо технологического вагона, в состав поезда входят: локомотив, вагон электрофизического оборудования, вагон обслуживающего персонала и вспомогательный вагон.

Данный проект получил одобрение ВНИИЖТ (Рисунок А.5). Его дальнейшее усовершенствование по подбору параметров процесса зафиксировано в патенте [5.13].

Рисунок А.4 - Технологический вагон. 1 - источник высоковольтного напряжения; 2 -электронная пушка; 3 - выводной узел; 4 - электронный пучок; 5 - рельсовый путь; 6 - диффузионные насосы; 7- вакуумные насосы; 8 - система

охлаждения; 9 - сканирующая система.

Таким образом, проведены исследования по применению электронного пучка, выведенного в атмосферу, в качестве источника концентрированного потока энергии для решения задач упрочнения поверхностного слоя материалов. Установлено, что высокоскоростная обработка увеличивает микротвердость обработанных слоев в 2 - 4 раза, сохраняя под ними вязкую основу. Продемонстрирована перспективность многократных воздействий пучка на упрочняемый участок, а также возможность упрочнений внахлест.

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА» (ОАО «ВНИИЖТ»)

З-гМьгшиинсхая ул.. 10. Москва, 107996 ' Тел.[phone] Факс [phone] Е>тп£И: рггя@тли12Ы,т ¡/iit.ru

Управляющему директору инвестиционного управления Государственной корпорации

«РОСНАНО» _Г.Н. КОЛПАЧЕВУ

117420, г. Москва, ул. Наметкина, 12А

Оео^у .Ко 1расЬеу@гизпапо .сот

Ознакомившись с проектом «Создание производства мобильного оборудования для реализации технологических процессов, направленных на повышение ресурса верхнего строения железнодорожных путей и колес подвижного состава», представленным ФГУП «Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша», ОАО «ВНИИ железнодорожного транспорта» считает возможным отметить, что проект направлен на увеличение твердости поверхности рельсов путем воздействия электронного пучка. Данный эффект основан на изменении структуры металла при быстропротекающих фазовых переходах, которые сопровождаются измельчением зерна. Такая обработка повышает не только твердость, но и пластичность материала, что в целом ведет к росту износостойкости.

Внедрение предложенной технологии на российских железных дорогах позволило бы увеличить ресурс колес и ходовых рельсов, сэкономить большой объем металла, улучшить экологическую обстановку. А такой сопровождающий эффект, как снижение сопротивления движения, позволяет предположить существенное уменьшение энергетических затрат на обеспечение движения.

В настоящее время на ремонтно-восстановительные - работы на содержание железных дорог общей протяженностью более 85 тыс.км. затрачивает около 20 млрд.руб. в год. Проблема содержания дорог обострится при реализации Программы «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» (утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17 июня 2008 г., № 877-р), в которой предусмотрен переход на повышенные скоростные режимы, увеличение доли тяжеловесных составов и т.п. Данное обстоятельство делает проблему внедрения новых эффективных технологий и организации соответствующих производств актуальной.

ОАО «ВНИИЖТ» поддерживает предложенный проект и готов оказать содействие как в теоретическом, консультационном, так и практическом плане. Реализация проекта способствует решению стратегических задач Российской Федерации.

При Вашей заинтересованности институты готовы предложить комплексную программу совместных исследований в рассматриваемой области.

С -сЛЫ^м /

Заместитель генерального директора 7, А.Б. Косарев

Рисунок А. 5 - Письмо ВНИИЖТ в поддержку проекта

Приложение Б

Электронно-лучевая очистка газовых потоков от токсичных примесей с помощью

плазменного образования

Электронно-лучевая очистка (ЭЛО) дымовых газов угольных ТЭС основана на радиационно-стимулированном доокислении окислов SO2 и NOx до высших оксидов серы и азота, которые затем связываются дополнительно подаваемыми веществами и удаляются из отходящих газов.

Наиболее известный вариант процесса электронно-лучевой очистки (ЭЛО) был разработан в начале 80-х годов XX века американо-японской корпорацией -фирмами Avco и Ebara Corporation. Согласно этой схеме в дымовые газы вводится вода и газообразный аммиак, и затем полученная смесь облучается электронным пучком. Анализ радиационно-химических процессов, происходящих в реакторе под действием электронного пучка, позволяет выделить три стадии их протекания (Рисунок Б.1)

Первая стадия связана с воздействием быстрых электронов пучка на молекулы газа, вследствие чего происходит ионизация или возбуждение последних, образование активных радикалов и атомов, диссоциация (N, O+, HO-, O, O3, OH и др.). Длительность этой стадии мала (10-10 - 10-5 сек) , но она является весьма важной для протекания последующих процессов. Ясно, что за это время содержание оксидов (SO2, NO) и реагентов (например, NH3) не изменяется (Рисунок Б.1).

Рисунок Б.1 - Стадии радиационно-химических процессов ЭЛО под воздействием

электронного пучка