ДЕРЖАТЕЛЬ ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ НА ЛИНЕЙНОМ ПЛАЗМЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

Область техники
Полезная модель относится к вспомогательному оборудованию плазменных установок, вакуумной технике и может быть использована в области исследования взаимодействия плазмы и заряженных частиц с материалами (металлами и их сплавами).
Уровень техники
Устройства для облучения образцов материалов плазмой и заряженными частицами широко известны. Они, как правило, выполнены в различных конструктивных решениях и имеют однотипные по назначению элементы: ускоряющую структуру, пучок ускоренных частиц которого проходит через диафрагму и попадает на образец материала, соединенного с различного рода измерительной аппаратурой.
Эти устройства разрабатываются под конкретный источник электронов/ионов, который является одной из составных частей устройства и взаимосвязан с его другими узлами, и не подлежит замене в случае выхода из строя.
Известно устройство для облучения образцов материалов электронами (RU 2639767), в котором для удержания облучаемого образца материала имеется держатель образцов, охлаждаемый водой, которая поступает и отводится по трубкам водоохлаждения. Конструкция самого держателя подробно не раскрывается.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция держателя для облучения образцов заряженными частицами (RU 186334), состоящая из ложемента с расположенными в нем отверстиями и двухсторонней площадкой для образцов и прижимной пластины с расположенными в ней отверстиями и проточками, выполненных в виде плоскопараллельных пластин цилиндрической формы. Кроме того, в прижимной пластине выполнены четыре отверстия, размеры и конфигурация которых соответствует заданной форме локального облучения, а также три резьбовых отверстия для соединения ее с ложементом и три отверстия для присоединения к источнику излучения.
Недостатком держателя является то, что конструкция не предусматривает охлаждение образца материала в процессе его облучения заряженными частицами, кроме того, при измерении параметров пучка, регистрируется только интегральный поток частиц, попадающий на образец.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является надежная фиксация образцов материалов в процессе облучения плазмой, индивидуальное водоохлаждение каждого образца, а так же измерение потока частиц попадающих на каждый конкретный образец облучаемого материала в отдельности.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является создание конкретных размеров и формы локального облучения нескольких образцов материалов в процессе их облучения плазмой, осуществляя при этом отвод от них тепла и измеряя поток падающих на конкретный образец материала частиц.
Для достижения технического результата предложен держатель для облучения образцов на линейном плазменном генераторе, состоящий из ложемента и прижимной пластины с отверстиями, размеры и конфигурация которых соответствует заданной форме локального облучения, при этом, образцы материалов расположены между прижимной пластиной и ложементом, выполненных в виде токонепроводящих плоскопараллельных пластин сложной формы, соединяющихся при помощи болтовых соединений, при этом, в отверстиях ложемента расположены внешние трубки водоохлаждения, нижние концы которых выполнены с торцевой заглушкой большего диаметра, обеспечивающей прижимной контакт облучаемых материалов и отвод от них тепла, во внутренне пространство которых на расстояние, определяемое толщиной дистанцирующих колец, вставлены внутренние трубки водоохлаждения, выполненные с концевой проточкой.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема держателя для облучения экспериментальных образцов на линейном плазменном генераторе, где:
1 - экспериментальные образцы материалов;
2 - ложемент;
3 - прижимная пластина;
4 - внутренние трубки водоохлаждения;
5 - внешние трубки водоохлаждения;
6 - дистанцирующие кольца;
7 - проточки.
На фиг. 2 показана принципиальная схема линейного плазменного генератора, где:
8 - вакуумная камера линейного плазменного генератора;
9 - плазменный пучок;
10 - присоединительный фланец;
11 - держатель образцов;
12 - отверстия в ложементе 2 заданного размера и формы.
Осуществление полезной модели
Держатель 11 может быть выполнен в варианте для облучения любого количества образцов 1, и не ограничивает варианты его исполнения.
Держатель для облучения экспериментальных образцов на линейном плазменном генераторе 11 содержит ложемент 2 и прижимную пластину 3, между которыми зажимаются экспериментальные облучаемые образцы материалов 1. Ложемент 2 и прижимная пластина 3 выполняются из токоизоляционной высокотемпературной керамики, причем их форма не должна содержать острых углов, во избежание образования повышенной концентрации заряда в этих местах. Ложемент 2 и прижимная пластина 3 соединяются болтовым соединением (на фиг. 1 не показано) через специально предусмотренные отверстия круглой формы. Ложемент 2 содержит отверстия, предназначенные для установки в них внешних трубок водоохлаждения 5.
Во внешние трубки водоохлаждения 5 вставлены внутренние трубки водоохлаждения 4, причем внешние трубки водоохлаждения 5 выполнены с торцевыми заглушками, диаметр которых больше основного диаметра самих трубок.
В процессе болтового соединения (на фиг. 1 не показано) осуществляется жесткая фиксация всех элементов держателя 11 путем передачи усилия от прижимной пластины 3 через края облучаемых образцов 1 на выступающие торцы заглушек внешних трубок водоохлаждения 5, которые в свою очередь прижимаются к ложементу 2.
Внешние 5 и внутренние 4 трубки водоохлаждения выполнены из двух концентрических медных трубок с зазором между стенками не менее 1 мм для обеспечения циркуляции теплоносителя. Они располагаются таким образом, чтобы теплоноситель поступал по внутренней трубке охлаждения 4, и отводился по зазору между трубками водоохлаждения 4 и 5. Для обеспечения эффективной беспрепятсвенной циркуляции теплоносителя на торце внутренних трубок водоохлаждения 4 выполняются проточки 7, а в зазор между внешней 5 и внутренней 4 трубками водоохлаждения помещаются дистанцирующие кольца 6, имеющие сквозные отверстия. Таким образом, будет осуществляться эффективный отвод тепла от образцов 1, прижатых к плоской торцевой заглушке внешней трубки водоохлаждения 5.
Отверстия 12 в прижимной пластине 3 формируют из падающего пучка частиц необходимую конфигурацию локального облучения.
2
В частности, отверстия 12 выполнены в виде четырех квадратов размером 9×9 мм каждый. Держатель 11 позволяет облучать плазмой образцы размером 10×10 мм.
2
Габаритные размеры изготовленного образца держателя 11 составляют 16×90×200 мм.
Держатель образцов 11 в сборе (см. фиг. 2) присоединяется к фланцу 10 любого линейного плазменного генератора с помощью высоковакуумного соединения, таким образом, чтобы держатель образцов 11 располагался строго параллельно пучку плазмы 9, так чтобы все экспериментальные образцы 1 были равноудалены от пучка. Держатель образцов 11 подключается к электрическим контактам и системе водоохлаждения при помощи трубок водохлаждения (на фиг. 1 и 2 не показаны) за пределами вакуумной камеры 8. Внешние трубки водоохлаждения 5 подключаются к электрическим контактам измерительной аппаратуры (на фиг. 1 и 2 не показана) любым удобным способом, обеспечивающим надежный электрический контакт.
Внутренняя полость вакуумной камеры 8 откачивается до уровня необходимого для работы конкретного плазменного генератора.
Плазменный пучок 9, формируясь в вакуумной камере 8, сохраняет свое положение в течение длительного времени. При приложении электрического потенциала к образцам 1, закрепленным в держателе 11, ионы нужной зарядности попадают через отверстия 12 в прижимной пластине 3 на образцы 1, при этом форма локального облучения будет задаваться формой отверстий 12 в прижимной пластине 3.
В ходе проведения облучения электрические сигналы от каждого изолированного образца 1 измеряются дополнительно присоединенной к частям устройства измерительной аппаратурой (на фиг. 1 и 2 не показана). По измеренным электрическим сигналам возможно определение как индивидуального тока ионов на каждый образец 1 отдельно, так и полного тока ионов попадающих на держатель образцов 11.
Ложемент 2 и прижимная пластина 3 выполнены из высокотемпературной токонепроводящей керамики для обеспечения изолирования всех образцов друг от друга, для измерения токовых характеристик потока заряженных частиц на каждом образце отдельно. Внутренняя 4 и внешняя 5 трубки водоохлаждения выполнены из меди для получения максимальной теплопроводности конструкции с целью эффективного отвода тепла от облучаемых образцов 1. Дистанцирующие кольца 6 выполнены из токонепроводящего коррозионностойкого материала.
2
В ходе практического применения держателя 11 были облучены 4 образца низкоактивируемой стали ионами дейтерия с энергией 100 эВ. Получены образцы с облученной зоной площадью 9×9 мм. Значение полных токов ионов, попадающих на каждый из образцов, измеренное в процессе облучения, совпало измеренными альтернативными методами в пределах погрешности измерения и отличаются не более 5%.
Таким образом, держатель 11 позволяет повысить точность попадания потока ионов на исследуемые образцы материалов 1 путем его локализации и измерять значения падающего потока заряженных частиц на каждый конкретный образец отдельно.
Преимуществом держателя 11 является его автономность и универсальность, т.е. возможность присоединения к любому источнику стационарной плазмы с помощью фланцевого соединения 10 с возможной доработкой принципиально не меняющей конструкцию держателя. Предусмотренные конструкцией зазоры между ложементом 2 и прижимной пластиной 3 исключают образование труднооткачиваемых объемов, обеспечивая высокую скорость откачки устройства. Возможно использование прижимных пластин с различными формами отверстий в соответствии с необходимой формой локального облучения.