ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ОБЛИЦОВКИ ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК ПРИ МОЩНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИИ

Область техники
Полезная модель относится к вакуумной технике, технике ускорителей и может быть использована в области исследования взаимодействия электронов с материалами, а также в области исследования влияния мощного импульсного энерговыделения на свойства материалов.
Уровень техники
Устройства для облучения образцов материалов широко известны. Они, как правило, выполнены в различных конструктивных решениях и имеют однотипные по назначению элементы: ускоритель, пучок электронов которого проходит через диафрагму и попадает на образец материала, соединенного с различного рода измерительной аппаратурой (см., например, а.с. №1492321).
Известно устройство для измерения механического импульса отдачи (патент №190946). Устройство представляет собой диодный узел, устанавливаемый в вакуумную камеру сильноточного ускорителя электронов «Кальмар» путем резьбового соединения. Конструкция узла схожа, однако устроена таким образом, что в узле отсутствуют смотровые окна. Также к недостаткам устройства стоит отнести латунный катод, использование которого приводит к напылению материала катода на поверхность исследуемого образца.
Известные устройства для облучения образцов материалов электронами (№2639767), держатель для облучения образцов заряженными частицами (№186334), держатель для облучения образцов на линейном плазменном генераторе (№200780), устройство для определения плотности ионов в пучках (№187849) предназначены для работы с существенно меньшими потоками ионизационного излучения, воздействие которого не приводит к распылению материала катода на поверхность исследуемого образца.
У электронного пучка, как средства генерации динамической нагрузки, есть особенность, которая заключается в том, что при срабатывании сильноточного ускорителя происходит взрывная эмиссия электронов с краев катода, которая также приводит к уносу частиц материала катода, которыми загрязняется поверхность анода (исследуемого материала). Известные зарубежные сильноточные ускорители HERMES III и Saturn имеют другой круг задач, а именно используются для получения высоких доз рентгена. В этих установках аноды выполнены из тантала или вольфрама, что необходимо в первую очередь для увеличения дозы рентгена, попадающего на изучаемые образцы. На отечественных ускорителях, например, РС-20 или Ангаре 5-1 используются катоды из нержавеющей стали, которые также загрязняют поверхность исследуемого образца.
Нивелировать эффект загрязнения анода можно путем использования молибдена в качестве материала катода. Известно применение молибденовых электродов при изготовлении стекольной продукции, а также плазменном напылении под вакуумом. Однако в этих случаях энергия, передаваемая через диодный зазор, на порядки меньше, чем та, что возникает при срабатывании сильноточного линейного ускорителя. Проведенные на ускорителе предварительные опыты показали, что молибденовый катод не пригоден для серий экспериментов по причине своей хрупкости. Предлагаемая конструкция диодного узла позволяет решить, как проблему загрязнения исследуемого материала, так и проблему недолговечного срока эксплуатации катода.
Наиболее близкого по технической сущности аналога к заявляемому изобретению не выявлено, поскольку устройства для облучения образцов материалов и устройства генерации пучка разрабатываются индивидуально под имеющийся в наличии ускоритель электронов и каждую конкретную научную задачу.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической проблемой, решаемой данным устройством, является загрязнение исследуемого материла частицами катода, а также возможность наблюдать плазменные процессы, проходящие в диодном зазоре после срабатывания ускорителя.
Техническим результатом заявляемого решения является создание устройства, позволяющего формировать пучок электронов и проводить облучение образцов материалов (металлов и их сплавов) потоком электронов в импульсном режиме.
Технический результат достигается тем, что предложено устройство для исследования прочностных свойств материалов при мощном импульсном энерговыделении, характеризующееся разборным цилиндрическим корпусом, внутри которого осесимметрично расположены камера обскура, подложка с закрепленным на ней образцом исследуемого материала и катод из молибдена, соединенный с катодной ножкой с помощью шпилечного соединения из нержавеющей стали, при этом в корпусе на уровне расположения исследуемого материала выполнены смотровые отверстия, подложка выполнена из молибдена.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что предлагаемый диодный узел:
прост в изготовлении, ремонтопригоден;
способен выдерживать высокие потоки энергии в многократных сериях опытов без разрушения токопроводящих частей;
не загрязняет исследуемый образец, что позволяет моделировать влияние мощных потоков энергии, возникающих в плазменных установках, на исследуемые материалы;
выполненные окна позволяют осуществлять применение средств оптической диагностики,
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 схематично представлен держатель для облучения экспериментальных образцов на линейном плазменном генераторе, где цифрами обозначены
1 - катод,
2 - подложка,
3 - исследуемый материал,
4 - катодная ножка,
5 - шпилька,
6 - смотровые окна,
7 - держатели,
8 - камера-обскура.
Габаритные размеры реально изготовленного образца устройства составляют 101×101×170 мм.
На фигуре 2 показана фотография анодного узла, где
8 - камера-обскура, 7 - держатели, 6 - смотровое окно.
Осуществление полезной модели
Диодный узел для облучения образцов материалов электронами выполнен в виде разборного цилиндрического корпуса. Корпус присоединяется к выходному разъему вакуумной камеры ускорителя при помощи резьбового соединения, которая электрически соединена с корпусом установки. Узел состоит из молибденового катода 1, прикрепляемого при помощи шпильки 5 к катодной ножке 4 линейного ускорителя, которая в свою очередь вставлена в капролоновый изолятор для электрической изоляции проводящей части двойной формирующей линии от корпуса ускорителя. Цилиндрический корпус и катод располагаются на оси симметрии установки, что обеспечивает положение мишени 3, расположенной на молибденовой подложке 2, напротив катода 1. Подложка 2 крепится к внутренней поверхности корпуса при помощи клеевого соединения. В цилиндрическом корпусе узла вырезано четыре смотровых отверстия 6 друг напротив друга размером 10×20 мм. Сквозное отверстие диаметром 23 мм за подложкой с мишенью позволяет измерять площадь пучка электронов с помощью камеры-обскуры присоединяемой к узлу посредством шпилек и держателей 7.
-4
2
Диодный узел работает следующим образом. Устройство в сборе вкручивается выходной разъем внутри вакуумной камеры любого линейного ускорителя электронов. Осевая симметрия узла обеспечивает положение исследуемого образца 3 на подложке 2 прямо на оси симметрии катода 1. После чего производится откачка вакуумной камеры до давления не выше 10 Па, при котором достигается отсутствие пробоя по воздуху. При срабатывании установки на катоде повышается напряжение, происходит взрывная эмиссия электронов в сторону анода, и производится облучение мишени 3 пучком электронов флюенсом энергии до 1000 Дж/см.
В ходе проведения облучения в рамках опытов на ускорителе «Кальмар» проводилось измерение токовых характеристик пучка при помощи безиндуктивного шунта и емкостного делителя напряжения, к которым подсоединялась соответствующая измерительная аппаратура. Для реализации измерения токовых характеристик пучка при подключении устройства к другому ускорителю потребуется наличие контакта корпуса узла с заземлением.
Известным недостатком линейных ускорителей электронов, работающих во взрывоэмиссионном режиме при высоких плотностях тока, является напыление материала катода на исследуемый образец. Традиционно для изготовления материалов катодов сильноточных импульсных ускорителей используются материалы с высокой теплопроводностью на основе меди (бронза, латунь), что обусловлено необходимостью проводить очень большие потоки тепла при сохранении пластичности, т.к. в процессе импульса катод подвергается большим механическим нагрузкам. Однако эти материалы обладают относительно низкой температурой плавления, что приводит к их распылению в процессе импульса. Для исследований прочностных свойств материалов первой стенки плазменных установок напыление инородных материалов на поверхность исследуемых образцов недопустимо. Вольфрам, традиционно используемый в слаботочных ускорителях как материал катода, несмотря на свою высокую теплопроводность и низкий коэффициент распыления, также не применим в данной ситуации, так как слишком хрупкий и разрушается после нескольких циклов импульсных сильноточных нагрузок.
Таким образом, для того чтобы нивелировать эффект напыления, в качестве материала катода 1 и подложки 2, на которой располагается мишень 3, используется молибден. Молибден в данной ситуации оказался компромиссным вариантом, т.к. обладает одновременно всеми требуемыми характеристиками: достаточно высокая теплопроводность, высокая температура плавления, низкий коэффициент распыления, достаточная пластичность и механическая прочность. Проведенные оценки и эксперименты на ускорителе «Кальмар», а также микрофотографии поверхности мишеней показали, что использование молибденового катода и подложки практически полностью исключает загрязнение исследуемого образца в достаточно широком диапазоне энергий электронов в пучке (от десятков кэВ до 1 МэВ) и тока пучка до 100 кА.
Молибденовый катод прикрепляется к катодной ножке 4 при помощи шпильки 5 из нержавеющей стали. Такое крепление позволяет выдерживать колебания установки, возникающие в результате гидроудара от срабатывания ускорителя, при многократном повторе экспериментов. Фокусировка пучка ускорителя зависит от межанодного расстояния, которое можно регулировать при помощи установки между катодом и катодной ножкой дополнительных шайб, а также путем вкручивания узла в выходной разъем ускорителя с шагом в 90°, что при шаге резьбы на узле 1.5 мм позволяет выставлять расстояние между анодом и катодом с точностью до 0.4 мм.
Боковые окна 6 служат для наблюдения за плазменными процессами, возникающими в диодном узле. Рентгеновская камера-обскура 8, необходимая для контроля фокусировки пучка устанавливается в держатели 7, выполненные из нержавеющей стали. Оцифровка снимков из камеры-обскуры позволяет получить данные о площади пучка. Фотография диодного узла в сборе без подложки с мишенью представлена на фигуре.2.
Тем самым предложенная конструкция диодного узла проста в реализации, достаточно легко масштабируема под конкретный ускоритель, а также предоставляет возможность реализации оптических диагностик для изучения плазменных процессов, возникающих в диодном зазоре при взаимодействии сильноточного электронного пучка с материалом мишени.