Ускорители электронов для радиационно-термической технологии получения ферритовой керамики

УДК: 536.37

Работа выполнена в рамках стипендии № СП-1220.2015.1 Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики и в рамках программы «УМНИК» 15-10.

Комлев А. С.

Аспирант, НИТУ «МИСиС»

УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРИТОВОЙ КЕРАМИКИ

В работе описываются ускорители электронов для радиационно-термической технологии получения ферритовой керамики. Рассматриваются основные особенности данных ускорителей.

Ключевые слова: ферритовая керамика, радиационно-термическое спекание, новые технологии, ферриты, электронные ускорители.

Помимо применения электронных ускорителей в области фундаментальных исследований пучки ускоренных частиц чрезвычайно широко используются для прикладных целей. Условно можно выделить две основные области применения ускорителей. В первой ускорители служат инструментом в научных исследованиях, а во второй — технологической единицей, обеспечивающей нормальный ход технологического процесса.

Электронные ускорители из общего числа используемых для технологических целей составляют 70%, ускорители ионов — 30%. Наибольшее распространение электронных ускорителей связано с простотой их эксплуатации, надежностью, относительно небольшой стоимостью и высокой интенсивностью электронных пучков.

Кроме первичного излучения — потоков частиц из ускорителя, часто используется также вторичное излучение, возникающее в процессе взаимодействия пучков с мишенями. Можно получить мощные поля тормозного излучения и нейтронов. Возможность использования вторичного излучения, получаемого сравнительно простым путем, существенно расширяет универсальность ускорителя.

При прохождении излучения через вещество происходят следующие явления, вероятность которых зависит от сорта частиц и их энергии: взаимодействие с электронными оболочками атомов или молекул в веществе, упругие столкновения с ядрами в веществе, ядерные реакции. В результате этих явлений излучение теряет энергию, передавая ее веществу, и может или пройти через вещество или полностью поглотиться внутри него. Само вещество в результате воздействия может нагреться, изменить молекулярную или кристаллическую структуру, или химический состав, возбудиться и затем излучить характерные для элементов вещества спектры [1].

Некоторые химические процессы можно инициировать с помощью мощных пучков ускоренных электронов или тормозного излучения. Для промышленного использования этого явления, а также исследований применяются ускорители электронов.

Под электронно-лучевыми (ЭЛ) технологиями понимают технологические операции, в основе которых лежит использование электронных пучков разной мощности и энергий.

В зависимости от энергии быстрых электронов все многообразие ЭЛ-технологий делится на два класса:

1) Технологии, основанные на электронно-лучевом нагреве материала. К ним относятся плавление, сварка, закалка, отжиг, поверхностное упрочнение материалов, размерная обработка изделий. Главная отличительная особенность указанных процессов состоит в применении мощных пучков электронов с низкими энергиями 2-200 кэВ.

2) Технологии радиационного модифицирования (изменения свойств) и синтеза материалов. Этот класс операций включает полимеризацию, сшивание полимеров, синтез и спекание керамических структур, направленное изменение свойств (модифицирование) твердых тел, дезинфекцию и др. Поскольку в данном случае необходимо получить радиационные эффекты в объеме материала, то используется сильно проникающее в вещество излучение — электроны с большими энергиями (1-5) МэВ.

В качестве электронных пучков при реализации радиационных технологий, как правило, используются ускорители электронов. В настоящее время существует несколько десятков типов таких устройств. Независимо от круга решаемых задач и параметров, ускорительные аппараты состоят из одинаковых узлов: инжектор электронов, ускорительное устройство, устройство управления пучком, вакуумная система.

Основной особенностью технологии радиационно-термического спекания ферритовой керамики под воздействием быстрых электронов является одновременное воздействие на обрабатываемый материал двух факторов: интенсивного потока высокоэнергичных электронов и высокой температуры.

В настоящей работе были использованы два ускорителя для радиационно-термической обработки: «Ускоритель ИЛУ-6» (рис. 1) Институт ядерной физики СО РАН (г. Новосибирск) и «Линейный ускоритель электронов 10 МэВ» (рис. 2) НИИЯФ МГУ (г. Москва).

Рис. 1. — Электронный ускоритель ИЛУ-6

Рис. 2. — Линейный ускоритель 10 МэВ

В высокочастотных ускорителях для ускорения электронов используется переменное высокочастотное (ВЧ) электрическое поле. В ускорителях типа ИЛУ электроны ускоряются в зазоре ВЧ резонатора высокой добротности. Резонатор возбуждается ВЧ генератором через петлю связи, и ВЧ цепь работает как повышающий трансформатор.

Базовой моделью семейства ускорителей ИЛУ-6 имеет диапазон рабочей энергии 1,22,5 МэВ. Данные параметры востребованы промышленностью, поэтому ускорители ИЛУ-6 используются для широкого спектра технологических процессов.

Ускорители типа ИЛУ-6 является достаточно специфическим линейным высокочастотными ускорителем. Это однорезонаторная установка, работающая в режиме стоячей полуволны. Рабочие частоты ускорителя ИЛУ находятся в метровом диапазоне радиоволн — 118 МГц. Длина ускоряющего промежутка ускорителя ИЛУ-6 — 16 см. Ускоряющий зазор у этой установки короче длины волны в вакууме, поэтому в процессе ускорения электроны приобретают энергию, практически равную максимальному напряжению на резонаторе. В ускорителе ИЛУ-6 используется триодная электронная пушка (имеющая управляющий электрод), расположенная непосредственно перед ускоряющим зазором. Использование управляющего напряжения на электронной пушке позволяет быстро регулировать ток пучка и уменьшает фазовый угол инжекции, что существенно снижает разброс энергии электронов в пучке [2].

Для получения образцов ферритовой керамики использовалась технология радиационно-термического спекания (энергия электронов 2,5 МэВ, рабочая частота резонатора 117 МГц, максимальный импульсный ток пучка 450 мА, частота повторений импульса до 50 Гц, длительность импульса тока пучка 0,5 мс). Температура образцов в процессе обработки контролировалась термопарой платина-платина-родий. С целью устранения в термопаре наводок от пучка электронов, использовался третий платиновый электрод, один конец которого был приварен к рабочему спаю, а противоположный заземлялся. В процессе обработки разную партию образцов нагревали до температуры

1000°С, 1100°С, 1200°С, 1300°С, 1400°С соответственно, и выдерживали при нужной температуре 60 минут. В итоге у нас получилось 5 кольцевых образцов спеченных в разных температурных режимах. На рис. 3 ниже представлены слева на права сырой образец, спеченный при 1000°С и при 1100°С. Визуально можно увидеть, что образцы начинают спекаться уже при 1000°С. Происходит усадка материала, кольцевые образцы уменьшаются в размере.

Рис. 3. — Кольцевые образцы состава Mn-Zn

Выводы

Среди большого арсенала источников ионизирующего излучения ускорители электронов являются наиболее технологичными аппаратами в силу следующих качеств: низкая степень активации объектов облучения, варьирование мощности поглощенной дозы в широких пределах, высокая степень точности дозиметрии электронного пучка, относительно высокая степень однородности поглощенной дозы по облучаемому объему.

Радиационно-термическое спекание ферритовой керамики может стать альтернативной технологией получения магнитномягкой ферритовой керамики по отношению классической керамической. Продемонстрированы экономические преимущества такой технологии, которые опубликованы в статье [3].

Литература

1. Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей: Учеб. Пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 528 с.

2. Ауслендер В. Л., Безуглов В. В., Брязгин А. А., и др. Импульсные линейные ускорители электронов серии ИЛУ производства института ядерной физики им. Будкера // Вестник новосибирского государственного университета. серия: физика. 2006., №2., сс. 8996.

3. Kiselev B. G., Kostishin V. G., Komlev A. S., Lomonosova N. V. Substantiation of economic advantages of technology of radiation-thermal agglomeration of ferrite ceramics // Tsvetnye Metally. 2015. № 2015. С. 7-11.