Национальная академия наук Украины

Национальная академия наук УкраиныИнститут электрофизики и радиационных технологий

Модификация структурных, электрофизических и механических свойствметаллических материалов, облученных трубчатым сильноточным

релятивистским электронным пучком

Донец Станислав Евгеньевич

СИН-НАНО – 2012

2 / 20

Особенности процессов модификации металлов и сплавов пучкамиэлектронов

В настоящее время предметом интенсивных исследований являются процессыизменения свойств материалов под воздействием концентрированных потоковэнергии: лазерное излучение, плазменные потоки, пучки заряженных частиц.

Повышенный интерес к прикладному использованию сильноточных релятивистскихтрубчатых пучков электронов активизировался в связи с развитием сильноточныхтвердотельных коммутаторов, позволяющих реализовывать частотные режимыобработки.

В радиационных технологиях на базе пучков электронов в качестве инструментауправления используются, как правило, внешние магнитные поля. Посколькусильноточные импульсные пучки требуют использования магнитных полей с болеевысокими значениями напряженности, а также согласованности во временивоздействия этих полей, представляется целесообразным учет механизмовфокусировки пучка в результате взаимодействия с полями наводимыми впримишенной оснастке. Также важно изучить возможность использования этихэффектов для задачи управления зоной энерговыделения пучка

При электронно пучковой модификации электропроводящих материалов вчастотном режиме происходит изменение электрофизических свойств мишени, аименно проводимости, т.о. необходимо понимать величину этих изменений как сточки зрения электромагнитного взаимодействия с пучком, так и конечногоэффекта от облучения.

Донец С.Е. (ИЭРТ НАН Украины) Модификация трубчатыми СРЭП

3 / 20

Особенности процессов модификации металлов и сплавов пучкамиэлектронов

Воздействие трубчатого СРЭП на металлическую мишень приводит кабляционному выбросу материала, что может рассматриваться как способполучения дисперсных материалов. Следует заметить, что данные пучкипредставляют интерес не только как модифицирующий инструмент, но и кактестовый, т.е. моделирующий действие на материал экстремальных факторов(взрывы, ударные, температурные, радиационные воздействия) с цельюопределения его стойкости.


4 / 20

Ускоритель электронов

Энергия электронов ∼ 0.5 МэВ.Ток пучка ≤ 2 кА.Длительность импульса ∼ 5 мкс.Внешний диаметр пучка 40 мм.Толщина стенки пучка – 2. . . 3 мм.

Выделяемая плотностьэнергии ∼ 1 кДж/см2 .Полная энергия пучка 5...10 кДж.Давление 10−4 . . . 10−5 торр.

Общий вид ускорителя

Схема магнитоизолированного диода

12345678

––––––––

омический делитель напряжения;токовый шунт;ускорительная колонка;соленоид;ФЭУ;коллектор;анодная вставка;пояс Роговского.


5 / 20

Сильноточный импульсный измерительный шунт

12345

–––––

стакан (аллюминий);крышка (латунь);диски (латунь);нихромовые проволочки;керамический изолятор.

Конструкция измерительного токового шунта

Осциллограмма тока пучка на коллекторе


6 / 20

Управление зоной энерговыделения трубчатого СРЭП в мишени

Исходная расчетная область

Расчетная область с внутренним конусом

Расчетная область с двумя конусами

Общий вид отклоняющих конусов

Отклонение сильноточного электронногопучка от проводящей поверхности


˙ .

7 / 20


Для численного моделирования был выбран метод "больших частиц"(PIC).Уравнение движения одной релятивистской частицы из всего ансамбля:

v =q

m01 −

v2

c2E + v × B − c−2 v vE

Основные расчетные уравнения для определения электромагнитного поля (длявекторного потенциала принята нормировка по Кулону):

1 Скалярный потенциал электрического поля:

с граничными условиями:1. Условие Дирихле

ε 2ϕ = −ρ.

2. Условие Неймана

ϕ = p,

ϕ · n = q,

(x, y, z) ∈ Γ1 .

(x, y, z) ∈ Γ2 .

3. На границах раздела, где ε скачкообразно изменяет значение, применяютсяусловия непрерывности

ϕ+ = ϕ− , (x, y, z) ∈ Γc ,

иε+ ϕ+ · n = ε− ϕ− · n,(x, y, z) ∈ Γc .


2

∂t

r r

8 / 20


Векторный магнитный потенциал:

−1µ

2A + σ∂ A∂t

∂ 2 A+ ε 2 = −σ ϕ − ε

∂ϕ∂t

+ ρv.

с граничными условиями:1. Условие Дирихле

A = P,

2. Однородное условие Неймана

(x, y, z) ∈ Γ1 .

n × × A = 0, (x, y, z) ∈ Γ2 ,

применяемое на плоскостях симметрии.3. На границах раздела, где µ скачкообразно изменяет значение, применяютсяусловия непрерывности

n × A+ = n × A− , (x, y, z) ∈ Γc ,

и 1

µ+n × × A+ =

1

µ−n × × A− , (x, y, z) ∈ Γc .


0 0

9 / 20


*

1,1431,0000,8570,7140,5710,4290,2860,143

d*

1,1431,0000,8570,7140,5710,4290,2860,143

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 r*0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 *

Вставка внутренний конус Вставки внутренний и внешний конусы

Расределение плотности тока электронного пучка на поверхности мишени


10 / 20


Вставка внутренний конус Вставки внутренний и внешний конусы

Реальный и расчитанный следы пучка на поверхности мишеней (в одном масштабе)


мм43,61

мм23,18

мм11,71

мм15,95

˙ ˙

˙

˙

˙

˙

˙

&

& & &

˙

11 / 20

Анализ электропроводности облученных неферромагнитныхмишеней

D1103,94mm

d167,59мм

H1

H 2

D257,40mm

d222,38mm

h2

Измеряемый образец

Возбуждающая катушка

h1

Измерительная катушка

jωσ − ω2 ε0 εотн A + ×

N1 ε − jω A · dS

i=1Si

I1 = z1 + R1 N2 jω A · dS

i=1Si I2 =

zн − R2

1

µ0 µотн× A

˙= Jстор

Расчетная модель вихретоковогопреобразователя

I1

z1

U вх

Rк 1· · Rк 2

U вых I 2zн V

ε – ЭДС генератора;z1 – регулируемое сопротивление;zн – измерительное сопротивление;R1 и R2 – омические сопротивления

Конечноэлементная модель

Расчетная схема преобразователя

катушек.


м

м

12 / 20

Анализ электропроводности облученных неферромагнитныхмишеней

Внешний вид сборки возбуждающей иизмерительной катушек Внешний вид вихретокового датчика

60 МСмм 34 МСм

55 МСмм 32 МСм

Результат измерения элетропроводностиэлектротехнической меди

Результат измерения элетропроводностисплава Д16


13 / 20

Анализ спектра валентных электронов облученного сплава Д16

Исследования спектра валентных электронов по-верхности образцов сплава Д16 проводились мето-дом рентгеновской фотоэлектронной спектросоко-пии на спектрометре XPS-800 Kratos. Давление вкамере прибора составляло 5·10−8 торр. Фотоэлек-троны возбуждались MgKα-излучением с энерги-ей фотонов 1253,6 эВ. Параметры активирующе-го рентгеновского излучения: U = 15 кВ, J =20 мА. Кинетическая энергия электронов анали-зировалась полусферическим электростатическиманализатором. Разрешение спектрометра ∼ 1 эВ,точность определения энергии связи – 0,3 эВ. Спек-тры обрабатывались на компьютере: проводилось

Спектры валентных электроновсплава Д16: овалы – до облучения,прямоугольники – после облучения

сглаживание, вычитание постоянного фона и фо-на неупругих потерь по методу (Shirley), удалениеуширяющего действия рентгеновской линии (ите-

рационная развертка) и разложение сложной ли-нии на составляющие ее компоненты. Толщина ана-

лизируемого слоя ∼ 5 нм. Перед установкой в вакуум поверхность образца протираласьизопропиловым спиртом. Для уменьшения слоя углеводородных загрязнений образцыподвергались ионной бомбардировке в вакууме (Ar+ , E = 2, 5 кэВ, скорость распыления100 A/мин).


14 / 20

Анализ микроструктуры электротехнической меди

Исходное состояние Облученное состояние


15 / 20

Фрактография электротехнической меди

Исходное состояние Облученное состояние


16 / 20

Анализ продуктов конденсации электротехнической меди

d1 d2 d3

Размер, мкмd1

d2

d3

<248%64%56%

3–426%22%23%

5–619%12%15%

7–155%1,7%5%

16–301,5%0,2%0,7%

>300,5%0,1%0,3%


МПа

17 / 20

Анализ микротвердости электротехнической меди

Схема измерения микротвёрдости на поперечном сечении образца

Значения микротвердости по глубине мишени,Область Облучение со вставкой Облучениебез вставки

Зона Зона Исходный Зона Зона Исходныйплавле-ния

терми-ческого

образец плавле-ния

терми-ческого

образец

воздей-ствия

воздей-ствия

внутр.центр.внешн.

807906889

889732732

656494732

748851774

788761807

625681715


1

2

3

4

18 / 20

Выводы

Основные результаты можно сформулировать в следующих выводах:

Разработана и создана примешенная оснастка, которая позволяет регулироватьпространственное распределение энергии излучения в приповерхностном слоеобразцов, облучаемых трубчатым сильноточным релятивистским электроннымпучком.

Разработано и создано устройство для измерения импульсного электрического тока,генерируемого в мишени, которое позволяет устанавливать корреляционныезависимости с импульсами динамических нагрузок, возникающих при облучениитвердотельных мишеней трубчатым сильноточным релятивистским электроннымпучком.

Установлено, что вследствие облучения сплава Д16 трубчатым сильноточнымрелятивистским электронным пучком, происходит изменение спектра валентныхэлектронов, что проявляется в уменьшении значения электропроводности в зонепереплава на 5%.

Установлено, что при синтезе продуктов абляции, возникающих при облучениитрубчатым сильноточным электронным пучком металлических мишеней,существует ряд факторов, влияющих на поле скоростей выброса вещества, егодисперсность и структуру покрытия. Среди установленных факторов основнымиявляются: пространственное распределение поглощенной дозы; расстояние от точкиконденсации в области испарения; модификация структуры приповерхностногослоя мишени в результате действия последовательности импульсов трубчатогосильноточного релятивистского электронного пучка.


5

19 / 20

Выводы

Установлено, что после однократного облучения электротехнической медитрубчатым сильноточным релятивистским электронным пучкомэлектропроводность переплавленного слоя уменьшается на 7%. Определенораспределение микротвердости в поперечном сечении образца – наиболееупрочненная зона соответствует зоне плавления и зоне термического влияния.Показано, что изменения в структуре проявляются в изменении микротвердости иприводят к различиям в характере изломов медных образцов. В зоне переплавамедного образца преобладающий механизм разрушения – хрупкое разрушение, втоже время, для остальной части образца наблюдается вязкое разрушение.


Спасибо за внимание

Национальная академия наук Украины

Documents

Transcript of Национальная академия наук Украины