УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОНАМИ

Область техники

Изобретение относится к вакуумной технике, технике ускорителей и может быть использовано в области исследования взаимодействия электронов с материалами (металлами и их сплавами), а так же в области исследования влияния электронно-индуцированных дефектов структуры 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 облучения электронами рулонированных материалов (текстильных полотен, полимерных плёнок) (авторское свидетельство SU 812151). Данное устройство содержит ускоритель электронов, радиационную защиту и транспортную систему для подачи материала в зону облучения и вывода из неё. Для уменьшения габаритов и повышения качества облучаемого материала транспортная система выполнена в виде вращающегося барабана, установленного на подшипниковых опорах в кольцевой цилиндрической полости, образованной блоками радиационной защиты, коаксиально с этой полостью. На обечайке барабана имеются отверстия, конфигурация которых соответствует заданной форме локального облучения, а источник облучения расположен в барабане.

Данное устройство адаптировано только для облучения предметов, имеющих плоскую форму, обладающих достаточной гибкостью, и не может быть использовано для облучения образцов небольших размеров.

Известно устройство для облучения ускоренными электронами (авторское свидетельство SU 1828380), содержащее ускоритель электронов, из которого ускоренный пучок электронов по вакуумному электронопроводу попадает на вход импульсного электромагнита, к обмотке которого подключён генератор биполярных импульсов тока и генератор тока развертки, и, далее, в вакуумную камеру с окнами, на которых размещены электромагниты. Поле этих магнитов обеспечивают вход электронов в облучаемый объект под углом, близким к 90°.

Недостатком данного устройства является то, что электронно-оптические свойства магнитного поля зависят от величины зазора между полюсами электромагнитов и ширины выпускного окна, что затрудняет получение достаточно однородного поля облучения.

Вышеописанные устройства разработаны под конкретный источник электронов, который является одной из составных частей устройства и взаимосвязан с его другими узлами, и не подлежит замене в случае выхода из строя.

Наиболее близкого по технической сущности аналога к заявляемому изобретению не выявлено, поскольку устройства для облучения образцов материалов разрабатываются индивидуально под имеющийся в наличии ускоритель электронов и каждую конкретную научную задачу.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом изобретения является создание автономного универсального устройства, позволяющего проводить облучение образцов материалов (металлов и их сплавов) потоком электронов от внешнего источника (ускорителя электронов).

Для достижения этого результата предложено устройство для облучения образцов материалов электронами, состоящее из герметичной камеры, выполненной в виде цилиндрического корпуса с патрубками, разделённого изолятором на две части, на входе которой установлена диафрагма, внутри которой расположены водоохлаждаемый держатель образцов, соединённый со средствами охлаждения, и установленными на нем средствами измерения температуры, электрически связанными с вакуумным токовводом, расположенным на торцевой крышке камеры, при этом корпус камеры соединён с патрубком вакуумной откачки и патрубком для установки датчика измерения давления.

Кроме того:

- в диафрагме выполнено отверстие, конфигурация которого соответствует заданной форме локального облучения,

- средства охлаждения выполнены в виде трубок подачи и вывода воды, выведенных через торцевую крышку камеры наружу,

- средства измерения температуры выполнены в виде термопар.

Краткое описание чертежей

На чертеже схематично представлено устройство для облучения образцов материалов электронами.

Устройство содержит камеру 1, разделённую изолятором 6 на две части, внутри которой расположен водоохлаждаемый держатель образцов 2. На входе герметичной камеры расположена диафрагма 3 для формирования пучка электронов нужной конфигурации, отверстие которой соответствует заданной форме локального облучения, в частности отверстие выполнено в виде квадрата размером 22*22 мм, в котором все углы скруглены четвертью окружности с радиусом 3 мм. Камера 1 снабжена патрубком для вакуумной откачки 4 и патрубком 5 для присоединения датчика давления, например манометра. Кроме того, на торцевой крышке камеры 1 расположен вакуумный токоввод 8, к которому присоединены термопары 9.

Держатель образцов 2 охлаждается водой, которая поступает и отводится по трубкам водоохлаждения 7 за пределы камеры 1.

Габаритные размеры реально изготовленного образца устройства составляют 115*180*540 мм.

Осуществление изобретения

Устройство для облучения образцов материалов электронами работает следующим образом.

Устройство в сборе присоединяется к выходному фланцу любого линейного ускорителя электронов со стороны диафрагмы 3, таким образом, чтобы пучок электронов располагался осесимметрично с камерой 1. Устройство подключается к системе проточного водоснабжения посредством трубок водоохлаждения 7, соединенных с полым держателем образцов 2.

В держатель образцов 2 закрепляется исследуемый образец материала 10. Затем из камеры откачивается воздух и создаётся вакуум не хуже 10^-5 Па, предотвращающий загрязнение поверхности образца посторонними веществами. Для этих целей можно использовать имеющуюся в присоединённом источнике электронов (ускорителе электронов) систему откачки, либо присоединить дополнительную систему откачки, используя патрубок для вакуумной откачки 4. Измерение остаточного давления в камере может производиться манометром, присоединенным к патрубку 5. Для измерения температуры образца используются установленные на нем термопары 9 (до 6 штук), сигнал с которых поступает на вакуумный токоввод 8 и контролируется дополнительно присоединённой к нему измерительной аппаратурой (на чертеже не показана).

Из линейного ускорителя электронов на исследуемый образец 10 подавался пучок электронов с интенсивностью 1-10¹⁵ эл/с⋅см² и происходило его облучение. В ходе проведения облучения возможно измерение токовых характеристик пучка путем присоединения измерительной аппаратуры к части устройства электрически изолированной от камеры взаимодействия изолятором 6, например, торцевой крышке камеры 1 или трубкам водоохлаждения 7.

Камера 1 изготавливается из коррозионностойкой стали и предназначена для размещения в ней всех составных частей устройства. Водоохлаждаемый держатель образцов 2 изготовлен из меди и предназначен для размещения на нём образцов материалов; за счет проходящих через держатель трубок 7 с проточным водоснабжением происходит интенсивное охлаждение образца в процессе его облучения электронами и поддержания заданной температуры образца.

Диафрагма 3 выполнена из коррозионностойкой стали и предназначена для ограничения падающего потока электронов за счет того, что электроны либо не проникают через толщу материала (30 мм), либо существенно снижают свою энергию проходя через диафрагму. Таким образом, электроны с необходимой энергией проходят только в отверстие в центре диафрагмы, конфигурация которого соответствует заданной форме локального облучения. Это позволяет точно контролировать поток электронов, падающий на образец и профиль их распределения. Размеры диафрагмы могут быть рассчитаны под конкретные исследования.

Патрубок для вакуумной откачки 4 имеет фланцевое соединение для присоединения к нему системы откачки воздуха.

Патрубок 5 предназначен для закрепления на нём манометра, позволяющего контролировать давление внутри камеры.

Изолятор изготавливается из вакуумплотного керамического электроизолирующего материала и разделяет камеру на две части. Он предназначен для разделения электрических сигналов в процессе измерения зарядовых характеристик падающих электронов (отдельно для держателя для образцов и отдельно для диафрагмы). Электрическое разделение герметической камеры и водоохлаждаемого держателя образцов позволяет контролировать потоки электронов на различные части устройства. Для измерения электрических сигналов стандартная измерительная аппаратура (на фигуре не показана) присоединяется к любому токопроводящему элементу каждой части в отдельности.

Вакуумный токоввод 8 предназначен для подсоединения к нему термопар (до 6 штук) и измерительной аппаратуры. Таким образом, осуществляется непрерывное измерение температуры образца материала.

В ходе практического применения устройства были облучены образцы вольфрама. В качестве источника электронов был использован линейный ускоритель электронов со следующими параметрами: средняя энергия электронов 10 МэВ, импульсный ток 400 мА, длительность импульса 4-7 мксек, частота 10-50 Гц. Облучение происходило в непрерывном режиме в течение 29 ч при температуре образцов в диапазоне 50-150°C. В результате были получены образцы вольфрама, облученные потоком электронов 5*10¹³ эл/с⋅см² до дозы 5*10 эл/с⋅см². Для измерения температуры образцов в ходе облучения использовались 2 хромель-алюмелевые термопары. Для измерения токовых характеристик был использован осциллограф, измерявший падение напряжения на сопротивлении 50 Ом при прохождении через него импульсного тока, создаваемого в электрической цепи при попадании пучка электронов в держатель для образцов.

Таким образом, устройство для облучения образцов материалов электронами для последующего изучения его внутренней структуры позволяет повысить точность попадания потока электронов на исследуемый образец, контролировать количественные значения потока электронов, температуры образца и давления внутри камеры.

Преимуществом устройства является его автономность и универсальность, т.е. возможность присоединения к любому источнику электронов с помощью фланцевого соединения. Кроме того, имеется возможность подключения к устройству независимой системы вакуумной откачки, а также дополнительных измерительных устройств.