Исследование влияния высокоэнергетического пучка электронов на поверхность углеродных фольг

Тонкие углеродные фольги широко применяют в различных областях, в том числе в ускорителях заряженных частиц. Цель работы — исследование воздействия пучка высокоэнергетических электронов на структуру поверхности углеродной пленки. С помощью бомбардировки углеродной фольги пучком высокоэнергетических частиц анализировали влияние такого воздействия на время жизни перезарядных углеродных пленок. Проведены сравнительные электронно-микроскопические исследования и рентгеновский спектральный микроанализ элементного состава образца углеродной фольги после воздействия высокоэнергетического электронного пучка. Установлено, что в области облучения наблюдаются коробление и растрескивание пленки по периферии, последующее разрушение и отделение зоны облучения от основы фольги. Высокоэнергетическое воздействие на фольгу заряженных частиц приводит к термической и радиолитической деструкции материала и клеевой подложки, сопровождающейся поверхностными химическими процессами. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования технологии получения перезарядных углеродных фольг и увеличения срока их службы в ускорителях заряженных частиц.

1. Шарков Б. Ю., Мешков И. Н. Развитие физики и технологии ускорителей заряженных частиц. — М.: РАН, 2021. — 140 с.

2. Гикал Б. Н., Гульбекян Г. Г., Казача В. И. и др. Расчет времени жизни углеродных перезарядных мишеней в интенсивных потоках тяжелых ионов. — Дубна: ОИЯИ, 2005. — 12 с.

3. Казаринов Н. Ю., Гульбекян Г. Г., Иваненко И. А. Расчет вывода пучка из циклотронов TR-24 и ДЦ-140 / Письма в журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра». 2020. Т. 17. № 4. С. 468 – 473.

4. Коренев С. А., Дюбков В. С. О перезарядных фольгах и их сроке службы в ускорителях заряженных частиц / IV Междунар. конф. «Лазерные, плазменные исследования и технологии»: сб. тр. — М.: МИФИ, 2018. С. 402 – 403.

5. Klopenkov R. M., Andreeva Z. A., Vanin A. V., et al. Multipurpose cyclotron system for research works and applied use / Phys. Part. Nucl. Lett. 2020. Vol. 17. No. 4. P. 615 – 619. DOI: 10.1134/s1547477120040238

6. Klopenkov R. M., Akimova A. A., Gavrish Yu. N., et al. Multipurpose complex based on the C-80 cyclotron / Phys. Part. Nucl. Lett. 2024. Vol. 21. No. 3. P. 310 – 315. DOI: 10.1134/s1547477124700171

7. Hellborg R. Electrostatic Accelerators. — Berlin – Heidelberg: Springer, 2005. — 275 p.

8. Kabiraj D., Ojha S., Abhilash S., et al. Defect-oriented carbon stripper foil development / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 2004. Vol. 521. No. 1. P. 183 – 186. DOI: 10.1016/j.nima.2003.11.149

9. Jaggi V., Pavan R., Zeisler S. Production of carbon stripper foils for high-power cyclotrons / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 2006. Vol. 561. No. 1. P. 1 – 3. DOI: 10.1016/j.nima.2005.12.183

10. Lisenkov A. A., Kostrin D. K., Pikus M. I. Vacuum arc deposition of carbon and carbon-based coatings / Solid State Phenom. 2017. Vol. 265. P. 750 – 754. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ssp.265.750

11. Kuznetsov B. V., Moreva A. A., Rakhmanova T. A. A comparison of the gravimetric, volumetric, and gas-chromatographic methods for measuring adsorption values / Russ. J. Phys. Chem. A. 2000. Vol. 74. No. 9. P. 1507 – 1511.

12. Kostrin D. K., Lisenkov A. A. Plasmachemical synthesis of coatings using a vacuum arc discharge: deposition of a coating on the inner surface of a cylindrical cavity / Vak. Forsch. Prax. 2017. Vol. 29. No. 3. P. 35 – 39. DOI: 10.1002/vipr.201700646

13. Miller S. A., Jolivet C. S., Stoner Jr J. O. New methods for testing cyclotron carbon stripper foils / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 2008. Vol. 590. Nos. 1 – 3. P. 57 – 65. DOI: 10.1016/j.nima.2008.02.068

14. Saha P., Yoshimoto M., Hotchi H., et al. Measurement of continuous degradation of a stripper foil during ths operation with 300 kW beam power in the 3-GeV RCS of J-PARC / J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. Vol. 305. No. 3. P. 851 – 857. DOI: 10.1007/s10967-015-4023-7

15. Takeda Y., Irie Y., Sugai I., et al. Measurement of lifetimes of thin carbon stripper foils produced by ion-beam sputtering / Vacuum. 2010. Vol. 84. No. 12. P. 1448 – 1451. DOI: 10.1016/j.vacuum.2010.01.050

16. Sugai I., Oyaizu M., Takeda Y., et al. Influence of carbon material and sputtering angle on stripper foil lifetime / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 2010. Vol. 613. No. 3. P. 448 – 452. DOI: 10.1016/j.nima.2009.10.001

17. Браун А. В., Ипатова В. С., Близнюк У. А. и др. Исследование влияния низкоэнергетических ускоренных электронов на структурные характеристики ненасыщенных жирных кислот с использованием жидкостной хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2025. Т. 91. № 4. С. 12 – 21. DOI: 10.26896/1028-6861-2025-91-4-12-21

18. Гольтяев И. В., Барышников Ю. С., Григоренко С. В. и др. Оценка долговечности углеродных перезарядных фольг циклотронных ускорителей / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2025. Т. 91. № 6. С. 45 – 53. DOI: 10.26896/1028-6861-2025-91-6-45-53

19. Артемов А. С., Байгачев Ю. К., Геворков А. К. и др. Взаимодействие ионов H– с фольговыми мишенями перезарядного устройства канала транспортировки пучка / Журнал технической физики. 1998. Т. 68. № 8. С. 102 – 105.

20. Вересов О. Л., Григоренко С. В., Удовиченко С. Ю. Условия формирования пучка H–/D– в объемно-плазменном источнике с магнитным фильтром / Журнал технической физики. 2000. Т. 70. № 2. С. 95 – 101.

21. Махутов Н. А. Развитие технической диагностики в академических и отраслевых лабораториях / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 10. С. 52 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-52-54

22. Muna I., Mieloszyk M., Rimasauskiene R., et al. Thermal effects on mechanical strength of additive manufactured CFRP composites at stable and cyclic temperature / Polymers. 2022. Vol. 14. No. 21. P. 4680. DOI: 10.3390/polym14214680

23. Panin V. E., Elsukova T. F., Popkova Y. F., et al. Effect of structural states in near-surface layers of commercial titanium on its fatigue life and fatigue fracture mechanisms / Phys. Mesomech. 2015. Vol. 18. No. 1. DOI: 10.1134/s1029959915010014

24. Airoldi A., Novembre E., Mirani Ch., et al. A model for damage and failure of carbon-carbon composites: development and identification through Gaussian process regression / Mater. Today Commun. 2023. Vol. 35. P. 106059. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106059

25. Tait N., Tolfree D., John P., et al. The hydrogen and oxygen content of self-supporting carbon foils prepared by DC glow discharge in ethylene / Nucl. Instrum. Methods. 1980. Vol. 176. No. 3. P. 433 – 438.