Уникальные научные установки Института электрофизики УрО РАН

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2018, том 28, № 4, с. 58-63 РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ

УДК 621.38 © А. С. Кайгородов

УНИКАЛЬНЫЕ НАУЧНЫЕ УСТАНОВКИ ИНСТИТУТА ЭЛЕКТРОФИЗИКИ УРО РАН

В работе приводятся перспективные разработки ИЭФ УрО РАН в области создания мощного импульсного оборудования, способного генерировать пикосекундные потоки заряженных частиц, напряжение с пиковой мощностью 6 ГВт при длительности импульса 7 нс, а также рентгеновское излучение со значительно сниженной дозой облучения. С помощью созданного оборудования реализованы такие методы синтеза порошков, как электрический взрыв проволоки и лазерное испарение, а также магнитно-импульсное прессование таких порошков.

Кл. сл.: мощная импульсная техника, наноматериалы, физические процессы

ВВЕДЕНИЕ

Основными научными направлениями Института электрофизики УрО РАН (ИЭФ УрО РАН) являются: физика и техника высоких плотностей энергии, получение и применение пучков заряженных частиц, источники когерентного излучения и нанотехнологии. Для проведения в первую очередь фундаментальных исследований в ИЭФ УрО РАН разрабатывается уникальное научное оборудование для изучения физических процессов и создания/модификации материалов. Отличительной особенностью такого оборудования является импульсный режим его работы, что позволяет существенно расширить его эксплуатационные характеристики и в ряде случаев использовать нестандартные подходы к проведению эксперимента.

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

В части исследования электрофизических процессов в ИЭФ УрО РАН созданы приборы, работающие в нано- и пикосекундных временных диапазонах. В зависимости от момента возникновения эмиссии убегающих электронов (УЭ) на нарастающем фронте ускоряющего напряжения энергия частиц за анодом может составлять от десятков до сотен килоэлектронвольт. Типичная длительность импульсов ускоренных частиц с током до десятков ампер лежит в диапазоне вплоть до 40 пс при фронте нарастания 20-30 пс. Такие ультракороткие потоки заряженных частиц, создаваемые источником УЭ серии РАДАН (рис. 1), являются уникальным инструментом для инициирования разрядных процессов в газовых электродных промежутках и изучения пробоев с участием лавин УЭ [1].

Рис. 1. Источник убегающих электронов РАДАН-303 с энергией УЭ -500 кэВ

а б

Рис. 2. Внешний вид узлов наносекундного твердотельного генератора S-500. Выходной узел генератора S-500

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В практическом плане представляют интерес исследования процессов возбуждения катодолю-минесценции диэлектриков (в частности, минералов) и полупроводниковых лазерных мишеней, а короткие вспышки тормозного рентгеновского или оптического излучений являются важным инструментом для калибровочных измерений временн0го отклика сцинтилляторов и люминофоров. Для этого необходима генерация импульсов напряжения с определенными характеристиками.

Очевидным преимуществом полностью твердотельных генераторов является возможность стабильной работы с высокой частотой следования импульсов, их некритичность к нагрузкам и практически неограниченный ресурс. Наносекундный твердотельный генератор S-500 (рис. 2, а) с полупроводниковым прерывателем тока (SOS) (рис. 2, б-г) обеспечивает на нагрузках 40-100 Ом амплитуду импульса напряжения от 500 до 750 кВ с пиковой мощностью 6 ГВт при длительности импульса 7 нс и частоте следования импульсов в режиме пачки до 1 кГц [2]. В генераторе предложена

и реализована новая схема накачки SOS на основе двойной формирующей линии. Такая схема обеспечивает ввод в SOS обратного тока амплитудой 14 кА за время ~12 нс, затем SOS обрывает ток за ~2 нс. Фронт выходного импульса напряжения в передающей линии дополнительно укорачивается ферритовым обострителем до ~1 нс, затем полупроводниковым обострителем до ~0.5 нс. Генератор разработан для применения в области мощной СВЧ-электроники.

В случае дополнения наносекундного импульсного генератора малогабаритной отпаянной рентгеновской трубкой с холодным катодом и устройством визуализации, использующим рентгенолю-минофоры, появляется возможность создания импульсных рентгеновских аппаратов различного типа, которые в настоящее время все шире применяются в медицинской диагностике, дефектоскопии и досмотровых системах. Преимуществом таких комплексов является значительное, в 1020 раз, снижение необходимой дозы облучения в сравнении с аналогичными комплексами на основе источников непрерывного рентгеновского излучения [3] при сохранении контрастности снимка (рис. 3, а).

Рис. 3. Рентгеновский снимок грудной клетки

В ИЭФ УрО РАН разработана серия отпаянных взрывоэмиссионных рентгеновских трубок и компактных высоковольтных наносекундных импульсных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации с выходным напряжением от 65 до 350 кВ, работающих в килогерцовом диапазоне частот. Такое решение значительно повысило срок службы, скорость и стабильность работы, например, мобильных дефектоскопов, позволяющих в полевых условиях проанализировать состояние скрытой детали (рис. 3, б).

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ

В части материаловедения в ИЭФ УрО РАН разработаны и успешно применяются комплекс установок для получения нанопорошков и их эффективного уплотнения. Для получения нанопо-рошков металлов сплавов и их химических соединений в институте используется метод электрического взрыва проволоки (ЭВП). При протекании через проволоку импульса тока плотностью 10 А/см за единицы микросекунд происходит нагрев металла, а затем его взрывное диспергирование. В зависимости от условий взрыва после конденсации паров металла образуются частицы с характерным размером от десятков микрометров до нескольких нанометров. При ЭВП в атмосфере нейтрального газа отработано получение металлических нанопорошков А1, Си, Fe, №, Т^ W, Мо, Al-Mg, №-Ре и др. с характерным размером частиц в области 50-100 нм. В кислородсодержащей среде получены порошки ряда оксидов: А10, СиО,

№О, 2гО, FeO, 2пО, ТЮ, ^А1)О и др. с размерами частиц в области 15-100 нм. Порошки слабо агрегированы, имеют форму частиц, близкую к сферической, высокую чистоту и высокую химическую активность. Установка ЭВП (рис. 4, а) автоматизирована и обладает производительностью по порошку в диапазоне 50-400 г/ч, в зависимости от типа материала. При этом процесс является экологически чистым и позволяет производить порошки с варьированием характеристик путем изменения исходных условий [4].

Параллельно с ЭВП в Институте электрофизики УрО РАН интенсивно развивается и исследуется лазерный метод получения слабоагрегирован-ных нанопорошков сложных составов, который заключается в испарении твердой мишени излучением импульсно-периодического иттербиевого или СО2-лазера "ЛАЭРТ" и последующей конденсации паров в потоке буферного газа. Для этого был создан лазерный комплекс по получению на-нопорошков в газах различного давления (рис. 4, б). С его помощью были получены нанопорошки простых и сложных оксидов: А12О3, FexOy, Yb2O3, ScSZ, Ш^О3, Ш:LuxY1_xOз, Nd:YAG и др. В ходе эксплуатации оборудования было обнаружено, что средний размер наночастиц, полученных в воздухе атмосферного давления, не зависит от сорта материала мишени и лежит в диапазоне 11-16 нм. В то же время за счет изменения давления и сорта буферного газа средний размер наночастиц можно изменять в пределах 7-40 нм. В свою очередь производительность получения наночастиц зависит от свойств материала и составляет 20-80 г/ч при энергозатратах лазерного излучения 830 кВтч/кг [5].

а б

Рис. 4. Внешний вид установок для синтеза нанопорошков методами электрического взрыва проволоки

Рис. 5. Внешний вид установок для одноосного

Проводимые в ИЭФ УрО РАН исследования по магнитно-импульсному прессованию (МИП) показали эффективность метода для компактирования широкого спектра порошковых материалов, особенно в нанометровой области размеров частиц. Применение МИП в сочетании с термообработкой перспективно для формирования из нанопорошков новых типов объемных наноструктурных материалов для различных конструкционных и функциональных назначений. Прессование характеризуется мягкой импульсной волной сжатия в порошке с амплитудой до 2 ГПа при длительности 10-1000 мкс и скоростями перемещения материала 10-100 м/с. Эти условия в сочетании с адиабатическим разогревом благоприятны для эффективного преодоления сильного межчастичного взаимодействия в нанопорошках, что обеспечивает получение состояний спрессованных порошков с повышенной плотностью, способствует разрушению агломератов частиц и генерации структурных превращений (микроискажений решетки, дефектов, фазовых переходов) [6]. Для магнитно-импульсного прессования нанопорошков различных материалов в ИЭФ УрО РАН создано оборудование двух типов с использованием плоских (рис. 5, а) и радиально сходящихся волн сжатия (рис. 5, б).

ВЫВОДЫ

Показаны разработки Института электрофизики УрО РАН, представляющие интерес для дальнейшего их продвижения в технологические и производственные процессы.

Созданные приборы, использующие сильные электрические и магнитные поля, мощные электронные и ионные пучки, чрезвычайно короткие импульсные процессы, в первую очередь являются уникальными инструментами для фундаментальных научных исследований.

В то же время накопленный годами опыт научной работы, технических достижений и кооперации с другими организациями позволяет предлагать внедрение наших разработок в высокотехнологичные отрасли промышленности, сельского хозяйства и медицину.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Mesyats G.A., Yalandin M.I., Reutova A.G., Shary-pov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A. Picosecond runaway electron beams in air // Plasma Phys. Rep. 2012. Vol. 38, no 1. P. 29-45. Doi: 10.1134/S1063780X11110055.

2. Gusev A.I., Pedos M.S., Rukin S.N., Timoshenkov S.P., Tsyranov S.N. A 6 GW nanosecond solid-state generator based on semiconductor opening switch // Review of

Scientific Instruments. 2015. Vol. 86, no. 11. 114706. Doi: 10.1063/1.4936295.

3. Бессонова В.А., Гаврилов П.В., Корженевский С.Р., Чепусов А.С., Комарский А.А. Снижение дозовой нагрузки на пациента при проведении диагностики с помощью цифровых импульсных наносекундных рентгеновских комплексов // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2016. № 2. С. 53-57.

4. Kotov Yu.A. Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders // Journal of Nanoparticle Research. 2003. Vol. 5, № 5-6. P. 539-550. Doi: 10.1023/B:NAN0.0000006069.45073.0b.

5. Осипов В.В., Котов Ю.А., Иванов М.Г., Сама-тов О.М., Смирнов П.Б. Применение мощного им-пульсно-периодического С02-лазера с высоким КПД для получения наноразмерных порошков // Известия академии наук. Серия физическая. 1999. Т. 63, № 10. C. 1968-1971.

6. Ivanov V.V., Kaygorodov A.S., Khrustov V.R., Para-nin S.N. Fine Grained Alumina-Based Ceramics Produced Using Magnetic Pulsed Compaction // Ceramic Materials — Progress in Modern Ceramics. Croatia: InTech, 2012. 228 р.

Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург

Контакты: Кайгородов Антон Сергеевич, kaigor@iep.uran.ru

Материал поступил в редакцию 26.06.2018

ISSN 0868-5886

NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2018, Vol. 28, No. 4, pp. 58-63

UNIQUE SCIENTIFIC EQUIPMENT OF THE INSTITUTE OF ELECTROPHYSICS UB RAS

A. S. Kaygorodov

Institute of Electrophysics UB RAS, Yekaterinburg, Russia

IEP's perspective developments in the field of the creation of pulsed power equipment capable of generating picosecond fluxes of charged particles, a voltage with a peak power of 6 GW at a pulse duration of 7 ns, as well as X-ray radiation with a significantly reduced radiation dose are shown. With the help of the created equipment, such methods of powder synthesis as electrical explosion of the wires and laser evaporation, and also magnetic-pulsed pressing of such powders are realized.

Keywords: pulsed power equipment, nanomaterials, physical processes

REFERENСES

Mesyats G.A., Yalandin M.I., Reutova A.G., Shary-pov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A. Picosecond runaway electron beams in air. Plasma Phys. Rep. 2012. Vol. 38, no 1. pp. 29-45. Doi: 10.1134/S1063780X11110055. Gusev A.I., Pedos M.S., Rukm S.N., Timoshenkov S.P., Tsyranov S.N. A 6 GW nanosecond solid-state generator based on semiconductor opening switch. Review of Scientific Instruments, 2015, vol. 86, no. 11, 114706. Doi: 10.1063/1.4936295.

Bessonova V.A., Gavrilov P.V., Komarskiy A.A., Korz-henevskiy S.R., Chepusov A.S. [Reduction of patient radiation dose during diagnostics with the digital pulsed nanosecond X-ray systems]. Medicinskaya radiologiya i ra-diacionnaya bezopasnost' [Medical radiology and radia-

tion safety], 2016, no. 2, pp. 53-57. (In Russ.).

4. Kotov Yu.A. Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders. Journal of Nanoparticle Research. 2003. Vol. 5, № 5-6. pp. 539-550. Doi: 10.1023/B:NAN0.0000006069.45073.0b.

5. Osipov V.V., Kotov Yu.A., Ivanov M.G., Samatov O.M., Smirnov P.B. [Use of the powerful pulse and periodic CO2 laser with high efficiency for receiving nano-dimensional powders]. Izvestiya Akademii Nauk. Seriyafi-zicheskaya [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics], 1999, vol. 63, no. 10, pp. 1968-1971. (In Russ.).

6. Ivanov V.V., Kaygorodov A.S., Khrustov V.R., Para-nin S.N. Fine Grained Alumina-Based Ceramics Produced Using Magnetic Pulsed Compaction. Ceramic Materials — Progress in Modern Ceramics. Croatia: InTech, 2012. 228 p.

Contacts: Kaigorodov Anton Sergeevitch, kaigor@iep.uran.ru

Article received in edition 26.06.2018