Кафедра компьютерного моделирования и нанотехнологий физического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ ведёт исследования, важные как для прикладной, так и фундаментальной науки. О поисках и открытиях в этом напрвлении рассказывает доктор физико-математических наук, профессор Александр Яловец.
– Какое направление вашей научной работы является наиболее значимым и перспективным?
– Изучение воздействия интенсивных потоков энергии на вещество. Имеются в виду интенсивные потоки ускоренных заряженных частиц – электронов или ионов, потоки плазмы или лазерное излучение. Количественно такие потоки энергии характеризуются плотностью мощности излучения – энергией излучения на единицу площади в секунду. В наших исследованиях она измеряется как минимум мегаваттами на квадратный сантиметр, длительность воздействия – от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Вещество при этом нагревается со скоростью около ста миллионов градусов в секунду, и за время воздействия излучения температура среды, как правило, превышает температуру плавления, в некоторых случаях достигая десятков тысяч градусов. При таких экстремальных воздействиях в объёме облучаемой среды инициируются различного рода процессы, приводящие к изменению её свойств. Вот эти-то процессы и изменения и есть предмет наших исследований.
– В чём значимость работы именно по этому направлению?
– В пятидесятых годах XX века как в нашей стране, так и за рубежом начало бурно развиваться новое научное направление, которое сегодня известно как сильноточная электроника (High Current Electronics). Актуальными задачами той эпохи являлись, например, создание ускорителей для генерации мощных наносекундных электронных и ионных пучков, импульсов гамма- и СВЧ-излучения, и применение этих пучков в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, которые тогда интенсивно проводились в мире.
Практически одновременно с сильноточной ускорительной техникой стала развиваться промышленная радиационная технология. Начало применению обработки материалов сильноточным пучком электронов было положено при электронно-лучевой плавке тугоплавких металлов, закалке поверхностного слоя стали, резке и размерной обработке различных материалов, включая керамику, наплавлении порошковых покрытий.
По мере накопления эмпирических данных при изучении взаимодействия интенсивных потоков заряженных частиц и плазмы с твёрдым телом открывались новые перспективы в создании радиационных технологий обработки различных конструкционных материалов. Таким образом, наряду с традиционными методами упрочняющего объёмного воздействия на материалы, такими как термомеханическая обработка, закалка и ударно-волновое нагружение, появились новые способы обработки материалов: с помощью интенсивных потоков энергии с плотностью потока мощности 0,1–100 МВт/см2.
В настоящее время разработке методов обработки конструкционных материалов мощными потоками ускоренных заряженных частиц и плазмы уделяется всё большее внимание, поскольку во многих случаях она позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики, а иногда и достичь технического и экономического эффекта, который невозможно получить традиционными способами. Радиационные технологии имеют ряд существенных преимуществ перед традиционно используемыми в машиностроении – например, возможность обработки высокоточных деталей сложной формы, малое время обработки, простота автоматизации процесса. Поэтому исследования, направленные на изучение процессов воздействия излучения на вещество с целью разработки новых материалов, являются важнейшей задачей современного материаловедения.
Анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований по модификации конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы с плотностями мощности 0,1–100 МВт/см2 дан в статье «Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы», опубликованной в 2016 году в серии «Машиностроение» «Вестника ЮУрГУ», – при её написании моими соавторами были А.Я. Лейви, К.А. Талала и В.С. Красников.
– Кто ещё в мире занимается этой проблематикой?
– География исследований по обработке материалов интенсивными потоками различного рода излучений сегодня весьма широка. Среди ведущих в экономическом отношении стран – США, Япония, Китай, Германия, Франция. Россия в данной области исследований занимает достойное место, особенно в части разработки сильноточных электронных и ионных ускорителей, предназначенных для решения задач радиационных технологий. Ведущими российскими центрами разработки аппаратуры для радиационных технологий и самих технологий являются Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск), Институт электрофизики УрО РАН (Екатеринбург), ФГУП «НИИ электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова» (Санкт-Петербург), Московский авиационный институт (МАИ), Томский политехнический университет (НИУ). Если речь о ближнем зарубежье, то следует отметить достижения Государственного университета и Академии наук Республики Беларусь в области плазменной обработки конструкционных материалов.
– Каковы особенности исследовательской работы в этой сфере?
– Как правило, проводимые в различных центрах исследования по воздействию интенсивных потоков энергии на вещество являются экспериментальными и направлены на решение определённых технологических задач. При таком подходе, даже при успешном решении конкретной проблемы, вопросы физической природы наблюдаемых явлений остаются без ответа. Отсутствие понимания того, что происходит с веществом при обработке интенсивными потоками энергии, не позволяет, например, определить оптимальные режимы обработки и, как следствие, использовать все возможности реализуемой технологии. Очевидно, что эффективнее всего сочетать экспериментальные исследования с теоретическими.
Здесь следует отметить, что рассматриваемый объект исследования «вещество + интенсивный поток излучения» представляется весьма сложным для теоретического описания по ряду причин. Во-первых, при облучении одновременно включается большое число процессов, для описания которых требуется привлекать теории практически из всех разделов физики, в том числе механики, электродинамики, квантовой механики, механики сплошных сред, физической кинетики. Во-вторых, поскольку сформулированная система уравнений лишь в редчайших случаях допускает аналитическое решение, её приходится решать численно, причём очень часто стандартные алгоритмы не работают – как правило, из-за огромного диапазона термодинамических параметров, который реализуется в рассматриваемой задаче. По этим причинам теоретические исследования во многих научных центрах сводятся обычно к проведению тех или иных оценок, на основании которых делаются попытки объяснить наблюдаемые в экспериментах явления.
– Кто и как занимается этой тематикой в нашем вузе?
– Более десяти лет назад в ЮУрГУ сформировалась группа учёных, ведущих теоретические исследования воздействия интенсивных потоков излучения на вещество. За это время удалось построить строгие математические модели, описывающие физические процессы, которые протекают в веществе при облучении, и с их помощью объяснить большинство наблюдаемых экспериментальных фактов. В эту группу вошли аспиранты, у которых я был научным руководителем, и все они успешно, в положенный срок защитили кандидатские диссертации. Всего за прошедшее время по данной тематике защитилось шесть человек: двое – по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы», двое – по «Электрофизике», один – по «Физике конденсированного состояния» и ещё один – по «Теоретической физике». Спектр приведённых специальностей отражает множество и разнообразие процессов, протекающих при воздействии излучения на вещество.
В настоящее время кроме меня в ЮУрГУ продолжают исследования по данной проблеме доцент Артём Ячеславович Лейви и аспирантка Наталья Сергеевна Дюрягина.
– Какое оборудование используется в ваших исследованиях?
– В 2014 году в университете начались и экспериментальные исследования по воздействию интенсивных электронных и плазменных пучков на вещество. Это стало возможным, во-первых, благодаря поддержке данного направления ректоратом – была куплена уникальная установка РИТМ–М, созданная Институтом сильноточной электроники СО РАН (Томск). Она представляет собой сильноточный электронный ускоритель и два магнетрона, что позволяет после напыления с помощью магнетронов плёнки на подложку обработать эту плёнку электронным пучком и получить таким образом качественное покрытие. Во-вторых, благодаря инициативе доцента А.Я. Лейви в ЮУрГУ создана установка по генерации компрессионного плазменного потока, что позволило проводить эксперименты по воздействию на вещество плазменных потоков. Наличие в вузе двух установок с различным способом воздействия на вещество существенно расширяет спектр решаемых задач.
– И какие это задачи?
– Разработанная в университете теоретическая база и достигнутое на её основе понимание того, что происходит в облучаемом веществе, позволили сразу же решить ряд практических задач. Одной из них было нанесение с помощью установки РИТМ-М медных и никелевых покрытий на латунную подложку – так изготавливаются элементы часовых механизмов. Основная цель нанесения никелевой плёнки на мишени из латуни – получить лучшие адгезионные свойства, чем при помощи гальваники. Образцы с плёнками, нанесёнными магнетронным напылением и гальваническим способом, проходили испытания на коррозию в солёном тумане – выяснилось, что образцы с покрытием, созданным на установке РИТМ-М, «держатся» вдвое дольше, чем образцы с гальваническим покрытием.
Здесь уместно привести один пример: многие годы экспериментаторы не могли ответить на весьма насущный вопрос, почему при облучении мишени интенсивными электронными или ионными пучками даже на очень чистой облучаемой поверхности образуются микрократеры – что крайне нежелательно, поскольку их наличие существенно ухудшает эксплуатационные характеристики детали. В различных публикациях строились десятки гипотез – и ни одна не была правильной. Теоретические исследования показали, что причина – в развитии неустойчивости тейлоровского типа. На рисунке 1 показано сравнение теории и эксперимента.
– Где публикуются результаты ваших исследований?
– Они достаточно хорошо представлены в зарубежной и отечественной печати: например, в таких изданиях, как International Journal of Plasticity, High Temperature Material Processes, Journal of Surface Investigation, «Журнал теоретической физики». Также регулярно делаются доклады на международных научных конференциях и симпозиумах, проходящих как в России, так и за границей.
– Сотрудничаете ли вы по этому направлению с учёными других вузов?
– Разумеется, достичь таких результатов было бы невозможно без сотрудничества с коллегами из других научных центров. Очень тесно взаимодействуем с исследователями из Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург), Института сильноточной электроники СО РАН (Томск), Томского политехнического университета, Государственного университета Республики Беларусь (Минск). Самое главное здесь – обмен полученными результатами со специалистами: в итоге появляются новые задачи, идеи, а часто и совместные публикации.
– Каковы перспективы работы по этому направлению?
– Результаты, полученные на сегодняшний день в экспериментальных и теоретических исследованиях воздействия интенсивных потоков энергии на вещество, показывают огромные перспективы использования электрофизических методов в обработке различного рода конструкционных материалов, поскольку они обладают рядом неоспоримых преимуществ перед традиционными способами обработки. Уже сейчас электрофизические методы находят широкое применение в машиностроении, атомной промышленности, медицине. Так, например, во многих случаях уже реально просматривается возможность заменить причиняющие огромный вред окружающей среде электролитические методы нанесения покрытий электрофизическими, то есть перейти от «мокрых» технологий к «сухим», что можно сравнить с переходом от традиционной «химической» фотографии к цифровой.