Одно из научных направлений лаборатории связано с разработкой сильноточных ионных ускорителей и исследованием взаимодействия мощных ионных пучков с поверхностью различных материалов. Впервые показана возможность существенного улучшения адгезии покрытия на проводящих и диэлектрических материалах из абляционной плазмы за счет применения короткоимпульсного высокочастотного потенциала смещения. Установлены закономерности увеличения глубины проникновения имплантируемых элементов в поверхностный слой материалов в условиях периодического воздействия на поверхность мощного ионного пучка. Показаны возможности формирования алмазоподобных покрытий и покрытий с высоким содержанием фуллеренов, а также кальций-фосфатных покрытий с использованием абляционной плазмы, формируемой мощным ионным пучком.

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 структуры поверхностных слоев и модификации свойств конструкционных материалов в зависимости от условий ионной имплантации. Были исследованы процессы 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, зарядности и энергии, атомного радиуса внедряемого элемента, дозовые зависимости 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»

1. 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,
2. 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,
3. 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)).
Источник «Радуга-6» обеспечивает формирование ленточного (псевдоленточного) пучка ионов с длиной 60 см, шириной 10 см с током пучка до 180 мА при постоянном ускоряющем напряжении 40 кВ. Физическая концепция, разработанная при создании ионного источника «Радуга-6», позволяет создавать источники ионов металлов с любым линейным размером псевдоленточного пучка и с мощностью в ионным пучке до 50 кВт
(Рябчиков А.И., Степанов И.Б., Сивин Д.О. Источник псевдоленточных пучков ионов металлов // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 316. – № 4 – С. 94–96).

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

1. 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,
2. 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.