Устройство для облучения образцов материалов электронами

Изобретение относится к устройству для облучения образцов материалов электронами. Заявленное устройство состоит из герметичной камеры, представляющей собой цилиндрический корпус с патрубками, разделенный изолятором на две части, внутри которой расположены держатель образца, соединенный со средствами охлаждения, термопар, соединенных с вакуумным токовводом, расположенным на торцевой крышке камеры. На входе камеры установлена диафрагма для точной подачи электронов на образец. Техническим результатом является возможность проведения облучения образцов материалов потоком электронов от внешнего источника (ускорителя электронов). 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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.

1. Устройство для облучения образцов материалов электронами, состоящее из герметичной камеры, выполненной в виде цилиндрического корпуса с патрубками, разделенного изолятором на две части, на входе которой установлена диафрагма, а внутри которой расположены водоохлаждаемый держатель образцов, соединенный со средствами охлаждения, и установленными на нем средствами измерения температуры, электрически связанными с вакуумным токовводом, расположенным на торцевой крышке камеры, при этом корпус камеры соединен с патрубком вакуумной откачки и патрубком для установки датчика измерения давления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в диафрагме выполнено отверстие, конфигурация которого соответствует заданной форме локального облучения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства охлаждения выполнены в виде трубок подачи и вывода воды, выведенных через торцевую крышку камеры наружу.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства измерения температуры выполнены в виде термопар.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях, конкретно к методам коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть применено для получения пучков заряженных частиц для ионной имплантации, нейтронозахватной терапии рака или для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, а также калибровки детекторов слабовзаимодействующих частиц темной материи и других приложений.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, блок подачи напряжения на электроды, цилиндрические электроды, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, мишень, согласно изобретению в ускоритель введен блок контроля и селектор координат, при этом блок контроля соединен к селектору координат, который подсоединен к генератору изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке.

Изобретение относится к технике ускорителей и может быть использовано при создании сильноточных импульсных ускорителей электронов, в частности вакуумных диодных узлов сильноточных ускорителя электронов с двойным катодом и механизмом оперативного изменения рабочего тока.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Устройство для исследования физических явлений при высокоскоростном ударе состоит из ускорительного тракта, содержащего инжектор, индукционные датчики, линейный ускоритель, мишень, согласно изобретению в ускорительный тракт введены соосно расположенные квадруполь, установленный за индукционными датчиками, и блок разряда частиц, сетки заземления, расположенные на входе и выходе блока разряда частиц после линейного ускорителя, приемник ионов, установленный перед мишенью, дополнительно введен второй ускорительный тракт, расположенный под углом от 1° до 10° к первому ускорительному тракту, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, линейного ускорителя, мишени, квадруполя, блока разряда частиц, сетки заземления, приемника ионов, а также дополнительно в устройство введен измерительный блок, соединенный с блоком датчиков, приемниками ионов обоих усилительных трактов и блоком сбора информации, а также веден блок управляющих сигналов, соединенный с индукционными датчиками, квадруполями, линейными ускорителями, блоками разряда частиц обоих усилительных трактов и блоком сбора информации.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для создания пучков заряженных частиц наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Резонансный ускоритель пылевых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, мишень.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в качестве инжектора пылевых частиц в стенде для проведения испытаний по воздействию разнонаправленных потоков ускоренных частиц на материалы и элементов конструкции космических аппаратов.

Изобретение относится к ускорительной технике наносекундного диапазона и предназначено для генерации мощных электронных пучков, используемых в СВЧ приборах, радиационных технологиях и научных исследованиях.

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей с получением разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения. В заявленном блоке излучателя нейтронов нейтронная трубка (8) с металлическим корпусом (9) герметично закреплена на торце корпуса блока схемы питания, имеет с ним тепловой и электрический контакты с возможностью смены нейтронной трубки.

Изобретение относится к устройству для облучения образцов материалов электронами. Заявленное устройство состоит из герметичной камеры, представляющей собой цилиндрический корпус с патрубками, разделенный изолятором на две части, внутри которой расположены держатель образца, соединенный со средствами охлаждения, термопар, соединенных с вакуумным токовводом, расположенным на торцевой крышке камеры. На входе камеры установлена диафрагма для точной подачи электронов на образец. Техническим результатом является возможность проведения облучения образцов материалов потоком электронов от внешнего источника. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх