Томские ученые разработали передовую технологию, направленную на модификацию поверхности металлических материалов
Сотрудники Томского института сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН впервые в мире реализовали возможность управления мощностью электронного пучка в течение его импульса миллисекундной длительности. Открытие сибирских ученых существенно расширило возможности использования таких пучков для обработки металлических поверхностей.
Одним импульсом по цели
Возможность управления мощностью электронного пучка в течение его импульса, генерируемого источником электронов с плазменным катодом, впервые продемонстрировала группа ученых ИСЭ под руководством старшего научного сотрудника Максима Воробьева.
По его словам, сегодня в мире наблюдается настоящий бум технологий поверхностной модификации материалов. Они позволяют снизить шероховатость, повысить прочность и коррозийную стойкость, изменить оптические свойства поверхности металлического материала, а значит, повысить ресурс всего изделия в целом. Динамическое управление мощностью электронного пучка дает возможность соответствовать таким технологическим требованиям, как стабильность, надежность и воспроизводимость результатов обработки. Обработка крупного изделия или крупной партии деталей должна быть совершенно идентичной на любом участке поверхности. Есть уверенность, что предлагаемые решения и продемонстрированные возможности источников электронов с плазменными катодами существенно приблизили оборудование к требуемому технологическому уровню, хотя работы еще достаточно.
В рамках этой деятельности ученые занимаются комплексным изучением работы источника электронов с плазменным катодом на основе дугового разряда на всех этапах – от формирования плазмы и генерации электронного пучка до взаимодействия этого пучка с мишенью – поверхностью обрабатываемого изделия. Работая на стыке двух дисциплин, а именно изучения процессов генерации электронных пучков из плазменных образований и материаловедческой области, исследователи решали и прикладные задачи, в частности разрабатывали принципиально новые специальные системы электропитания. И их труды увенчались успехом.
– Мы стоим на плечах гигантов и в рамках этой работы научились управлять мощностью электронного пучка прямо во время его импульса миллисекундной длительности, – констатирует старший научный сотрудник Института сильноточной электроники СО РАН кандидат технических наук Максим Воробьев.
К этим исследованиям его группа приступила в прошлом году в рамках гранта Российского научного фонда («Научные основы генерации мегаваттных амплитудно- и широтно-модулированных электронных пучков субмиллисекундной длительности на основе источника с плазменным катодом для эффективной модификации поверхности металлов и сплавов»).
Все испытания образцов проводятся на уникальной установке «Комплекс», которая была создана в ИСЭ СО РАН в рамках реализации гранта РНФ в 2014–2018 годах под руководством профессора Николая Коваля. Он же является научным консультантом и одним из основных исполнителей нынешнего проекта РНФ. Всего в команде восемь ученых – специалистов в области физики плазмы и материаловедения, семерым из которых нет еще и 40 лет. Кроме того, к работе обязательно привлекаются студенты ТПУ, ТГУ, ТУСУРа.
В ходе исследования томские ученые обнаружили одно из важнейших преимуществ источников с плазменными катодами, которое может лечь в основу перспективной, экономически выгодной технологии. Как показали результаты экспериментов, новый подход к генерации электронного пучка обладает большей энергетической эффективностью при обработке поверхности металлических изделий, особенно массивных. Это связано с тем, что новые режимы генерации пучка позволяют осуществлять обработку поверхности какой-либо обрабатываемой металлической детали или изделия всего лишь одним импульсом. При этом не требуется производить предварительный нагрев детали, масса которой может достигать десятков и сотен килограммов.
И никакой химии
Но это лишь одно из направлений исследовательской деятельности группы.
– Мы намерены продолжать работу и хотим продемонстрировать другие способы контролируемого ввода энергии в тело металлического материала, – делится планами Максим Воробьев. – Мы активно держим руку на пульсе в плане ускорительной техники – это широкоапертурные ускорители электронов с плазменными эмиттерами, которые позволяют выводить электронные пучки в атмосферу. В мире существует очень много различных ускорителей, каждый из которых отличается диапазоном параметров генерируемого электронного пучка. Мы опять же используем уникальные свойства плазменных эмиттеров, что позволяет нам получать электронные пучки, которые по совокупности параметров не имеют прямых мировых аналогов. При работе в этом направлении мы также много внимания уделяем стабильности и надежности работы оборудования с прицелом выхода на технологический уровень. Поэтому решаются вопросы автоматизации и перехода к интуитивно понятному интерфейсу, повышению КПД и ресурса оборудования, росту средней мощности пучка и прочие.
По словам исследователя, все эти работы ориентированы на стремление выйти на мелкосерийное производство, так как все разрабатываемые машины имеют очень большой потенциал. Главное, не бояться столь сложных и непонятных процессов.
– Эти ускорители, – поясняет Максим Воробьев, – также могут широко использоваться, например, для обработки различных полимеров и жидкостей, полимеризации полимерных материалов, утилизации вредных отходов производства, стерилизации медицинской продукции или пищевых продуктов, что сейчас, кстати, крайне актуально. – Например, мы проводили эксперименты с натуральным латексом, и нам удалось в семь раз повысить прочность образцов без добавления какой-либо химии, – продолжает ученый. – Обычно, для того чтобы получить высокие значения мощности на разрыв, используется сера, но она способна вызывать у людей аллергические реакции, а мы показали, что можем это делать без химических добавок. Либо же другой пример. В своих последних экспериментах по обработке зерен пшеницы, ячменя мы показали, что можем проводить их дезинсекцию и дезинфекцию с одновременным эффектом стимуляции их роста, что крайне важно для зон рискованного земледелия, к которым относится и наш регион. Для работ с натуральным латексом мы активно сотрудничаем с коллегами из Японии, Малайзии и Индонезии, а вот зерна у нас хватает своего, российского.
Командный дух
В разговоре с ученым всегда присутствует местоимение «мы». И это неслучайно.
– У нас достаточно большая команда, – улыбается Максим Сергеевич. – Даже несмотря на то, что недавно на основе нашей лаборатории плазменной эмиссионной электроники удалось организовать еще одну перспективную лабораторию пучково-плазменной инженерии поверхности, где наши коллеги тоже активно занимаются обработкой поверхностей металлических материалов, в настоящий момент у нас в лаборатории работает около 30 человек, включая студентов и аспирантов.
К слову, молодой ученый является руководителем уже второго гранта РНФ, ранее он возглавлял работу над десятком других проектов (гранты РФФИ, президентский грант, хоздоговорная деятельность). Максим Воробьев считает, что участие в проектах РНФ является хорошей школой для развития исследователя, когда он учится формировать команды для выполнения грантов, получать новые знания и научные результаты, которые будут представлены в будущих кандидатских и докторских диссертациях.
На вопрос о том, без каких качеств не может состояться ученый, Максим Воробьев не раздумывая отвечает: «Без интереса». Все остальное, считает исследователь, зависит только от него самого. Но есть еще один важный момент: человеку очень сложно состояться как ученому без стабильности. А это уже зависит от многих факторов.
Эксперимент со Святогором
Максим Воробьев родом из Бурятии. Его родители работали на Селенгинском целлюлозно-картонном комбинате. Они активно поддерживали своих детей в их стремлении к знаниям, как результат – дочь и два сына успешно окончили Томский политехнический университет.
Младший, Максим, выбрал электрофизический факультет, кафедру промышленной и медицинской электроники, а сразу же после получения диплома бакалавра устроился техником в ИСЭ, начав работать в области ускорителей электронов с плазменными эмиттерами и защитив по этой тематике в 2015 году кандидатскую диссертацию. Ну а затем как снежный ком стали появляться другие направления.
– Когда я устроился в лабораторию плазменной эмиссионной электроники, у меня не было ясного понимания, что такое наука. База, которую я получил в Томском политехническом университете, помогла мне закрепиться в нашем институте. Поскольку я получил инженерную специальность, связанную с промышленной электроникой, это позволило и позволяет до сих пор несколько проще смотреть на сложные научные и технические проблемы, вызывая мой интерес к этим вещам и понимание того, куда можно применить свои знания, – уверяет ученый.
После работы Максим спешит домой: он пошел по стопам родителей и тоже стал многодетным отцом. Его старшие дети учатся в Академлицее, а младший готовится к поступлению в детский сад.
Максим Сергеевич рассказывает, что в Академлицее детей с первых классов нацеливают на науку через подготовку презентаций и докладов, участие в конференциях. Так что Воробьевы-младшие нередко проводят научные эксперименты прямо дома.
– Например, в конце прошлого года мы с дочерью решили сделать доклад на тему «Богатырь Святогор против планеты Земля», посвященный третьему закону Ньютона.
Тогда я лишь объяснил дочке, почему Святогор, пытаясь поднять суму с тягой земной, врос в землю ногами, – рассказывает Воробьев-старший. – По сути, в былине был описан третий закон Ньютона (сила действия равна силе противодействия) – если ты хочешь поднять Землю, должен в нее врасти. Мы с дочкой на весах проводили всякие эксперименты, и ей было интересно. А ведь в учебе, как и в науке, это самое главное.
Автор: Валентина Артемьева Фото: Алексей Вшивков