Достижения

Приоритетные научные направления деятельности лаборатории связаны с разработкой сильноточных ускорителей ионов, генераторов металлической плазмы и источников ионов на основе вакуумно-дугового разряда, созданием научных основ ионно-лучевого и ионно-плазменного воздействия на поверхность и поверхностные слои с наноструктурными фазами, с целью направленного изменения их физико-химических и эксплуатационных свойств.

Выполнен комплекс исследований по модификации микроструктуры, элементного состава и свойств различных металлических материалов и покрытий при высокодозовой имплантации ионов металлов. В течение многих лет ведутся исследования процессов формирования наноструктурных поверхностных слоев и модификации свойств конструкционных материалов в зависимости от условий ионной имплантации. Исследованы закономерности воздействия ионных пучков на чистые металлы (a-Fe, Ni, Mo, Cu), сплавы на основе никеля, титана и алюминия, конструкционные и инструментальные стали. В этих исследованиях использовался широкий спектр ионов (от ионов газов до ионов тяжелых элементов). Изучены кристаллическая, фазовая и дефектная структуры, поля внутренних напряжений, механические характеристики, износостойкость и т.д. Установлено влияние типа ионов, их массы, зарядового состояния и энергии, атомного радиуса внедряемого элемента, флюенса ионного облучения на структуру легированного и модифицированного слоев. Определены связи дефектной структуры с параметрами ионной имплантации и интенсивностью ионных пучков. Развиты специальные методики для исследования структуры послелучевой модификации материалов.

Выполнен широкий круг исследований структурно-фазовых состояний и элементного составов пленок и поверхностных ионно-легированных слоев металлов (Ni, Ti, Fe) при имплантации ионов алюминия на источнике ускоренных ионов и плазмы на основе непрерывного вакуумно-дугового разряда «Радуга-5»

• Kozlov E. V., Ryabchikov A. I., Sharkeev Yu. P., Stepanov I. B., Fortuna S. V., Sivin D. O., Kurzina I. A., Prokopova T. S., Mel’nik I. A. Formation of intermetallic layers at high intensive ion implantation. Surf. and Coat. Techn. 2002, V.158-159, p.343-348,
• Козлов Э. В., Рябчиков А. И., Шаркеев Ю. П., Фортуна С. В., Курзина И.А., Мельник И.А., Прокопова Т.С., Степанов И. Б., Шулепов И. А. Проблемы формирования твердых растворов и интерметаллидных фаз системы Al-Ni при высокоинтенсивной ионной имплантации. Известия академии наук. Серия физическая, 2002, Т.66, №6, с.818-822,
• Курзина И. А., Божко И.А., Калашников М.П., Сивин Д.О., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В. Alexander I. Ryabchiko, Igor B. Stepanov, v, Eduard V. Kozlov, Yurii P. Sharkeev, Ivan A. Shulepov, Irina A. Kurzina, and Denis O. Sivin, High-current vacuum-arc ion and plasma source "Raduga-5" application to intermetallic phase formation, Rev. Sci. Instrum. 77, 03C115 (2006)).

Показано, что режим высокоинтенсивной ионной имплантации позволяет внедрять легирующие примеси на глубины, многократно превосходящие величину пробега ионов алюминия. Экспериментально установлено, что ионная имплантация алюминия в никель и титан при высокоинтенсивных режимах позволяет формировать в поверхностных слоях мишени нанокристаллические фазы интерметаллидов (MeAl и Me3Al) со средним размером зерна 20-70 нм и твердые растворы переменного по глубине состава и обеспечивает увеличение микротвердости в поверхностном слое толщиной до двух микрометров. Износостойкость и коэффициент трения легированного титана, по сравнению с исходным материалом, практически не изменяются в широком температурном диапазоне.

Предложен высокопроизводительный метод ионной имплантации с достижением высоких концентраций имплантированной примеси в условиях компенсации ионного распыления поверхности материалов осаждением металлической плазмы (А.с. 1412517 СССР. Способ ионной имплантации Н.М. Арзубов, В.А. Ваулин, А.И. Рябчиков и др. принято 26.03.86. БИ 1990, № 33); метод и оборудование для получения управляемых по составу пучков ионов в источниках на основе вакуумной дуги для многоэлементной имплантации (А.с. 1395024 СССР. Источник ионов Н.М. Арзубов, В.А. Ваулин, А.И. Рябчиков и др. принято 07.04.86. БИ 1990, № 36).

Предложены и разработаны высокоэффективные, электромагнитные плазменные фильтры жалюзийного типа для очистки плазмы вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции, основанные на сепарации заряженного и нейтрального компонента плазменного потока. Устройства обеспечивают 58% прохождение заряженного компонента плазменного потока при снижении в потоке плазмы микрокапельной фракции в 10² – 10³ раз (Рябчиков А.И. Патент России RU 2108636 С1, 1998. Рябчиков А.И., Степанов И.Б., Патент России RU 2097868 C1, 1998, Рябчиков А.И., Степанов И.Б., Патент России RU 2107968 C1, 1998, A.I.Ryabchikov, I.B.Stepanov. Investigations of forming metal-plasma flows filtered from micropaticle fraction in vacuum-arc evaporators, Rev. Sci. Instrum. 69, 893 (1998)).

Разработаны источники пучков ионов и плазмы на основе непрерывного вакуумно-дугового разряда. Источник «Радуга-5» генерирует в непрерывном режиме поток очищенной от микрокапельной фракции металлической плазмы с концентрацией ионов до (10⁹ – 10¹¹) ион/см³ и позволяет формировать с частотой до 200 имп/с пучки ионов проводящих материалов, в том числе и композиционных, с энергией ионов до 150 кэВ, с током до 2 А, при длительности импульса ускоряющего напряжения до 400 мкс (Рябчиков А.И., Дектярев С.В., Патент России RU 2113538 C1, 1998, Alexander I. Ryabchikov, Igor A. Ryabchikov, Igor B. Stepanov, and Sergey V. Dektyarev «High current vacuum-arc ion source for ion implantation and coating deposition technologies», Rev. Sci. Instrum. 77, 03B516 (2006)).

Предложен и реализован метод короткоимпульсного, высокочастотного, плазменно-иммерсионного ионного ассистирования осаждения покрытий на материалы с различной проводимостью (Рябчиков А.И, Рябчиков И.А., Степанов И.Б Патент РФ № RU 2238999 C1 «Способ импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий», 2004 г., A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, I.B. Stepanov. Development of filtered DC metal plasma ion implantation and coating deposition methods based on high-frequency short-pulsed bias voltage application // Vacuum, 2005, V. 78, p.331-336) и продемонстрирована эффективность его применения при комбинированных ионно-лучевых и плазменных режимах нанесения композиционных покрытий (A.I. Ryabchikov, I.A. Ryabchikov, D.O. Sivin, I.B. Stepanov. Recent advances in surface processing with filtered DC vacuum-arc plasma //Vacuum, 2005, V. 78, p.445-449).

Разработан плазменно-иммерсионный времяпролетный масс-спектрометр для исследования состава одно- и многокомпонентной плазмы

• Патент РФ № RU 2266587. Способ измерения спектра ионов и времяпролетный спектрометр ионов/ Рябчиков А.И., Рябчиков И.А., Степанов И.Б. Приоритет от 23.07.04. БИ. - 2005. - № 35.
• A.I. Ryabchikov, N.N. Koval, I.B. Stepanov, I.V. Lopatin, S.E. Eremin, D.O. Sivin. Investigation of Composition and Charge State of Vacuum Arc Single- and Multi-Component Plasma.// Известия ВУЗов. Физика. - 2006 - N 8. Приложение.- С.69-52.

Предложены методы получения управляемых по составу пучков ионов в источниках на основе вакуумной дуги. Предложен метод нанесения адгезионно-прочных покрытий на диэлектрические и проводящие материалы в режиме высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ИИ).

Впервые экспериментально показана возможность плазменного осаждения покрытий различного функционального назначения с использованием плазмы вакуумной дуги в условиях испарения микрокапель, генерируемых в катодных пятнах дугового разряда, с поверхности формируемого покрытия, благодаря применению короткоимпульсных высокочастотных потенциалов смещения и реализации эффекта избирательного энерговклада в микрокапли.

На основе разработанных ионных источников, фильтров для очистки плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции и метода короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий создана серия технологических комплексных установок для реализации комбинированных технологий ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов.

С использованием разработанного оборудования и методов обработки материалов отработаны технологии улучшения физико-механических свойств однослойных(TiN, TiAlN) и формирование многослойных, функционально-градиентных, наноразмерных и наноструктурных покрытий системы (TiAl)N/TiN толщиной до 10 мкм, состоящих из отдельных слоев толщиной от 20 до 500 нм., с достижением низкой шероховатости поверхности, высокой адгезионной прочности, износостойкости и твердости. По сравнению с "традиционными" однослойными системами для многослойных покрытий характерно повышение основных физико-механических свойств, а также изменение механизма трещинообразования с поперечного, к продольному вдоль отдельных слоев (Ryabchikov A.I., Stepanov I.B. Equipment and methods for hybrid technologies of ion beam and plasma surface materials modification // Surface and Coating Technology. – 2009. − V. 203. № 17/18. – P. 2784−2787).

Разработана установка нового поколения для ионной обработки и плазменного осаждения покрытий на основе формирования плазмы реактивного газа в полом катоде большого объема с использованием короткоимпусного высокочастотного напряжения. Создана технология осаждения сверхтвердых (40-60 ГПа) нитридных покрытий.

Выполнено исследование закономерностей влияния параметров высокочастотного короткоимпульсного потенциала смещения, включая длительность импульса и его амплитуду, плотности плазмы, материала катода, времени ионно-плазменной обработки, температуры мишени на уменьшение поверхностной плотности макрочастиц на потенциальной мишени, погруженной в вакуумно-дуговую плазму, и выявлены различные физические механизмы подавления макрочастиц и изменение их форм на поверхности. Экспериментально показана возможность реализации метода высокочастотной короткоимпульсной плазменно-иммерсионной имплантации ионов алюминия и титана из нефильтрованной от макрочастиц плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда.

• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Bumagina A.I., Tupikova O.S., Daneikina N.V. Titanium microparticles density decreasing on the sample surface, immersed in plasma, at repetitively pulsed biasing // Applied Surface Science. –2014.– V. 310 .– P. 126–129.
• Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Бумагина А.И., Струц В.К. Механизмы и закономерности поведения микрочастиц вакуумной дуги вблизи и на поверхности потенциального электрода, погруженного в плазму // Поверхность.– 2013.–№ 12.– C. 36-44.
• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Bumagina A.I. Influence of Bias Parameters and Plasma Density to Vacuum Arc Macroparticles Accumulation // Materials and Manufacturing Processes.– 2015.–V. 30.– P. 1471–1475.
• Ryabchikov A.I., Sivin, D.O. Bumagina A.I., Bolbasov E.N. and Daneikina N.V. Unfiltered aluminium vacuum arc plasma application for high-frequency short-pulse plasma immersion ion implantation // Advanced Materials Research.– 2014.– V. 880.– P. 155–160.
• Рябчиков А.И., Сивин Д.О., Бумагина А.И., Степанов И.Б., Струц В.К. Осаждение микрочастиц из вакуумно-дуговой плазмы при подаче на мишень импульсно-периодического отрицательного потенциала смещения // Физика и химия обработки материалов.– 2013.– № 3.– С. 31–37.

Впервые выдвинута и обоснована идея формирования высокоинтенсивных пучков ионов газов, металлов и полупроводников низкой энергии в условиях плазменно-иммерсионной экстракции ионов со свободной плазменной границы и последующей баллистической фокусировки пучка с обеспечением процессов нейтрализации его пространственного заряда благодаря предварительной инжекции плазмы в пространство дрейфа.

Впервые предложена идея развития методов высокоинтенсивной имплантации ионов металлов, полупроводников и газов низкой энергии пучками ионов с плотностью тока от долей до нескольких ампер на квадратный сантиметр. Определены границы ранее не исследованной области модификации свойств материалов ионными пучками.

Проведен анализ комплекса экспериментальных исследований по глубинной модификации элементного состава, микроструктуры и ряда свойств различных материалов при высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии. Обоснована возможность решения проблемы значительного ионного распыления поверхности металлов и сплавов в результате высокоинтенсивной имплантации, реализуемой при сверхвысоких флюенсах ионного облучения. Организовано экспериментальное исследование и получены результаты, подтвердившие возможность реализации идеи управления энергией ионов высокоинтенсивного пучка с сохранением плотности тока. Доказана возможность глубинной модификации металлов и сплавов интенсивными пучками низкоэнергетических ионов в условиях многократного уменьшения распыления поверхности.

• Ryabchikov A.I., Ananin P.S., Dektyarev S.V., Sivin D.O., Shevelev A.E. High intensity metal ion beam generation // Vacuum.– 2017.– V. 143.– p. 447–453.
• Kashkarov E.B., Ryabchikov A.I., Kurochkin A.V., Syrtanov M.S., Shevelev A.E., Obrosov A. and Weiß S., Hydrogen Interaction with Deep Surface Modified Zr-1Nb Alloy by High Intensity Ti Ion Implantation // Metals.– 2018.– V. 8, No 12.– p. 1081.
• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Anan'in P.S., Ivanova A.I., Uglov V.V., Korneva O.S. Din 1.7035 steel modification with high intensity nitrogen ion implantation // Russian Physics Journal.– 2018.– V. 61, No 2.– P. 270–277.
• Ryabchikov A.I., Shevelev A.E., Sivin D.O., Koval T.V., and Tran My Kim An, High intensity, macroparticle-free, aluminum ion beam formation // Journal of Applied Physics.– 2018.– V. 123, No 23.– P. 233301.
• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S., Lopatin I.V., Ananin P.S., Prokopenko N.A., Akhmadeev Yu.Kh. High-current-density gas ion ribbon beam formation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A.–  2018.– V. 906.– P. 56–60.
• Koval N.N., Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Lopatin I.V., Krysina O.V., Akhmadeev Yu.H., Ignatov D.Yu. Low-energy high-current plasma immersion implantation of nitrogen ions in plasma of non-self-sustained arc discharge with thermionic and hollow cathodes // Surface and Coatings Technology.–  2018.– V.  340.– P. 152–158.
• Ryabchikov A.I., Shevelev A.E., Anan’in P.S., and Sivin D.O. Generation of high-intensity aluminum-ion beams at low energy // Technical Physics.– 2018.– V. 63, No 10.– P. 1516–1524.
• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Ananin P.S., Ivanova A.I., Lopatin I.V., Korneva O.S., Shevelev A.E. High intensity, low ion energy implantation of nitrogen in AISI 5140 alloy steel // Surface and Coatings Technology.–  2018.– V. 355.– P. 129–135.
• Ryabchikov A.I., Kashkarov E.B., Pushilina N.S., Syrtanov M.S., Shevelev A.E., Korneva O.S., Sutygina A.N., Lider A.M. High-intensity low energy titanium ion implantation into zirconium alloy // Applied Surface Science.– 2018.– V. 439.– P. 106–112.
• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Shevelev A.É., Ananyin P.S. Regularities of plasma-immersion formation of long-pulse high-intensity titanium ion beams // Russian Physics Journal.– 2018.– V. 61, No 7.– P. 1338–1346.
• Ryabchikov A.I., Shevelev A.E., Sivin D.O., Ivanova A.I., Medvedev V.N. Low energy, high intensity metal ion implantation method for deep dopant containing layer formation // Surface and Coatings Technology.– 2018.– V.  355.– Р. 123–128.
• Ryabchikov A.I., Ananin P.S., Shevelev A.E., Dektyarev S.V., Sivin D.O., Ivanova A.I. Joint influence of steered vacuum arc and negative repetitively pulsed bias on titanium macroparticles suppression // Surface and Coatings Technology.– 2018.– V.  355.– Р. 240–246.
• Ryabchikov A.I., Tran My Kim An, Koval T.V., Sivin D.O., Anan'in P.S. and Korneva O.S. Nitriding of steel 40x with a high-intensity ion beam // Journal of Physics: Conference Series.– 2018.– V. 1115, No 3.– Article number 032019.
• Koval T.V., Ryabchikov A.I., Tran My Kim An, Shevelev A.R., Sivin D.O., Ivanova A.I. and Paltsev D.M. Numerical simulation of high-intensity metal ion beam generation //  Journal of Physics: Conference Series.– 2018.– V. 1115, No 3.– Article number 032007.
• Lopatin I.V., Akhmadeev Yu.H., Korneva O.S., Krysina O.V., Petrikova E.A., Prokopenko N.A., Ryabchikov A.I. and Sivin D.O. Low-energy plasma-immersion implantation of nitrogen ions in titanium, by a beam with ballistic focusing // Journal of Physics: Conference Series.– 2018.– V. 1115.– Article number 032043.
• Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S., Ananin P.S., Dectyarev S.V. Modification of 40X13 steel at high-intensity nitrogen ion implantation // Journal of Physics: Conference Series.– 2018.– V. 1115.– Article number 032053.
• Koval T.V., Ryabchikov A.I., Tran My Kim An, Shevelev A.E., Sivin D.O., Ivanova A.I. and Paltsev D.M. Modification of stainless steel by low-energy focused nitrogen ion beam // Journal of Physics: Conference Series.– 2018.– V. 1115.– Article number 032041.
• Gyngazov S.A., Ryabchikov A.I., Kostenko V., Sivin  D.O. Aluminum Ion Beam Treatment of Zirconium Ceramics // Russian Physics Journal.– 2018.– V. 61, No 8.– P. 1513–1519.
• Nikitenkov N.N., Dauletkhanov E.D., Tyurin Y.I., Zhang L., Sivin D.O., Sypchenko V.S., Syrtanov M.S. Introduction of hydrogen into titanium by plasma methods // Journal of Physics: Conference Series. – 2018.– V. 1115.– Article number 032045.