Выпуск в атмосферу мощного релятивистского сфокусированного электронного пучка для технологических применений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ФАДЕЕВ Сергей Николаевич

ВЫПУСК В АТМОСФЕРУ МОЩНОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СФОКУСИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Куксанов - доктор технических наук,

Николай Константинович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Ауслендер - доктор технических наук, профессор,

Вадим Леонидович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Оришич Анатолий - доктор физ.-мат. наук, профессор,

Митрофанович Институт теоретической и

прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ - Научно-исследовательский институт

ОРГАНИЗАЦИЯ: электрофизической аппаратуры

им. Д.В.Ефремова, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « » а^м-л^рХ_2005 г

в « ¿0 » часов на заседании диссертационного совета Д.ООЗ.016.01 Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан: « ^ » Л^а 2005 г

Ученый секретарь у

диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук / А.А. Иванов

лоое-т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время вывод в атмосферу пучка ускоренных электронов осуществляется, как правило, через тонкие металлические вакуумно-плотные фольги. Выпускные устройства такого типа конструктивно просты и надежны в эксплуатации. Однако, из-за ограничений теплосъема струей сжатого воздуха либо элементами опорной решетки плотность тока электронного пучка в современных выпускных устройствах не превышает 150-200 цА/см2. Поэтому разумные габариты таких выпускных устройств ограничивают мощность модулей по выводу пучка из вакуума в атмосферу на уровне сотен киловатт. Между тем, перспективные экологические технологии (обработка сточных вод крупных промышленных производств, муниципальных стоков, а также очистка отходящих газов тепловых станций) потребуют в ближайшем будущем ускорители с мощностью электронного пучка порядка мегаватт и более.

При выводе в атмосферу сфокусированного электронного пучка через набор диафрагм малого диаметра с непрерывной откачкой промежуточных ступеней между ними (система дифференциальной откачки) принципиальных ограничений на беличину выводимого тока пучка не имеется. Такие системы выпуска могут явиться альтернативой для технологий, где предполагается использование ускорителей с мегаваттной мощностью пучка.

Современные промышленные ускорители электронов мощностью в десятки и сотни киловатт, оснащенные устройством вывода в атмосферу сфокусированного пучка, перспективны для применения в ряде разного рода малотоннажных термических и радиационно-термичесшх производств. В этом случае электронный пучок выполняет роль незагрязняющего теплового источника с высоким коэффициентом тепловой конверсии, так как энергия ускоренных электронов выделяется на глубине их пробега в веществе. При этом отчетливо проявляются такие преимущества электронно-пучковых технологий, как:

• химическая стерильность пучка ускоренных электронов;

• объемный ввод энергии непосредственно в объект облучения;

• высокий кпд трансформации энергии.

Плотность мощности пучка на выходе из системы дифференциальной откачки может достигать 1 МВт/см2. По мере удаления от системы выпуска за счет рассеяния электронов в газовой среде плотность мощности падает. С ростом энергии ускоренных электронов рассеяние пучка в газе уменьшается, что позволяет размещать облучаемый материал на значительном удалении от выпускного устройства, обеспечивать большие зоны термического нагрева. Оснащение выпускного устройства системой одно- или двухкоординатного сканирования пучком вне вакуума позволж Т|фф1ищ}йЗДЮигееб(>йодимые для

1

БИБЛИОТЕКА СПс

■днигьнл |

проведения технологического процесса поля облучения, а также оперативно изменять траекторию пучка и плотность мощности на поверхности облучаемого материала.

Имевшиеся к середине 80-х годов установки с выпуском сфокусированного пучка обеспечивали вывод из ускоряющих устройств низкоэнергетич-ных (до 200 кэВ) электронов. Выпуск пучка для уменьшения его рассеяния осуществлялся главным образом в форвакуум технологических камер, что существенно ограничивало применение электронных пучков, в том числе для обработки габаритных изделий.

Возникший в это же время научный и коммерческий интерес к использованию промышленных ускорителей электронов в таких нетрадиционных областях, как высокотемпературный неорганический синтез, испарение различных материалов для получения нанопорошков, разного рода металловедческие процессы, потребовал, в том числе и для своей коммерциализации, использования мощного высокоэнергетичного электронного пучка вне вакуума.

Развитие перечисленных технологических применений, ориентированных на работу в диапазоне температур 1200-3000°С, сдерживалось отсутствием надежной, адаптированной к условиям промышленного производства системы вывода релятивистского электронного пучка в атмосферу.

Цель работы заключалась в проведении исследований, разработке и испытании устройства для выпуска в атмосферу из ускорителей серии ЭЛВ сфокусированного электронного пучка мощностью до 100 кВт, а также одновременное повышение надежности такого выпускного устройства до уровня устройств с выпуском пучка через фольгу; в разработке и создании устройства для выпуска в атмосферу пучка мощностью до 0.5 МВт из ускорителя с высокими пульсациями энергии, а также в проведении исследований по практическому использованию релятивистского сфокусированного электронного пучка.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Создана система вывода в атмосферу сфокусированного электронного пучка ускорителей прямого действия серии ЭЛВ мощностью до 100 кВт. По сравнению с ранее разработанным выпускным устройством срок службы диафрагм нового выпускного устройства повышен на два порядка и достиг нескольких тысяч часов, что сопоставимо со временами наработки на отказ стандартного фольгового выпускного устройства ускорителей.

2. Проведены исследования влияния размеров отверстий в элементах выпускного устройства и их взаимного расположения на перепад давлений в выпускном устройстве. Установлены зависимости, связывающие основные параметры газовой струи с производительностью откачных средств и проводимостью вакуумпроводов, позволяющие получать максимальный перепад давления без увеличения производительности откачных средств. Рассмотрено влияние пучка на перепад давлений в выпускном устройстве.

2

обеспечивать высокую плотность мощности электронного пучка в воздухе при атмосферном давлении.

Во второй главе представлено описание и основные конструктивные особенности ускорителей электронов ЭЛВ, их ускорительных трубок, а также проведен анализ динамики и формирования пучка в ускорительной трубке.

Ускорители серии ЭЛВ - наиболее массовый тип отечественных ускорителей, нашедший применение практически во всех областях радиационной химии. К настоящему времени почти 100 ускорителей этой серии работают в технологических линиях и научно-исследовательских центрах нашей страны и за рубежом. Ускорители ЭЛВ представляют собой ускорители прямого действия со стабильным по энергии и в пространстве электронным пучком. Именно поэтому ускорители ЭЛВ наиболее пригодны для оснащения системой выпуска в атмосферу сфокусированного пучка. Основные параметры ускорителей ЭЛВ представлены в Табл. 1.

Таблица 1

Основные параметры ускорителей серии ЭЛВ с энергией Е > 0.8 МэВ

Диапазон энергий, МэВ Мощность в пучке, кВт Максимальный ток пучка, мА

ЭЛВ-4 1.0-1.5 50 50

ЭЛВ-6 0.8-1.5 100 100

ЭЛВ-8 1.0-2.5 100 50

В третьей главе дано подробное описание и основные конструктивные особенности устройства для вывода в атмосферу сфокусированного пучка ускорителей ЭЛВ мощностью до 100 кВт, в том числе выбор компоновки и основных элементов устройства. Приведен анализ динамики пучка в выпускном устройстве.

На основе анализа динамики газовой струи, формирующейся на выходном элементе выпускного устройства, а также влияния размеров отверстий в элементах выпускного устройства и их взаимного расположения на перепад давлений в выпускном устройстве установлены зависимости, связывающие основные параметры газовой струи с производительностью откачных средств и проводимостью вакуумпроводов, позволяющие получать максимальный перепад давления в выпускном устройстве. Описано влияние формы элементов выпускного устройства на перепад давления. Обосновывается выбор откачных средств, рассматриваются методы увеличения длительности работы устройства.

- Рассмотрено рассеяние электронов пучка в камерах выпускного устройства, а также влияние пучка на перепад давлений в выпускном устройстве. Приводятся основные параметры, достигнутые при работе выпускного устройства.

Конструкция устройства для вывода пучка

Общий вид устройства для выпуска в атмосферу сфокусированного пучка электронов ускорителя ЭЛВ показан на Рис.1. Электронный пучок, вышедший из ускорительной трубки, фокусируется Магниткой линзой Ь2 в район диафрагмы йЗ. Далее линза Ы вторично фокусирует пучок в область диафрагм 02 и 07, пройдя которые, пучок выходит в атмосферу. Элек+ро-магнитный вакуумный клапан отделяет выпускное устройство от вакуумной системы ускорителя. Для предотвращения попадания отраженных электронов, а также частиц обрабатываемых материалов в ускорительную трубку служит двойной перенос пучка с возвращением его на ось.

Размер пучка в диафрагмах определяется как его собственным эффективным фазовым объемом, так и хроматическими аберрациями, возникающими вследствие нестабильности ускоряющего напряжения и пульсаций токов линз, а также рассеянием пучка в пролетных промежутках выпускного устройства. Максимальный размер отверстия в диафрагме D3 посге наработки в несколько тысяч часов не превышает 0.35 см, а в диафрагмах DI и D2 - 0.25 см.

Откачка устройства производится вакуумными насосами АВЗ-90, 2НВБМ-250 и Н-160/700. Насосы обеспечивают давление в третьей ступени не выше 3 -10"5 Topp.

Исследование параметров устройства для вывода пучка с учетом характеристик газовой струи

Одним из определяющих факторов при проектировании системы выпуска сфокусированного пучка в газовую среду высокого давления являются минимизация размеров отверстий в выходных диафрагмах DI и D2, а также

Рис. 1. Схематичный вид устройства для вывода в атмосферу сфокусированного электронного пучка ускорителей серии ЭЛВ: Ы и Ь2 - магнитные фокусирующие линзы; О], 02 и Ш - диафрагмы; 1 - профиль пучка; 2 - патрубки вакуумпроводов откачки; 3 -измерительная диафрагма; 4 - перенос пучка; 5 - изоляторы фланцев диафрагм; 6 -щелевой сдув, 7 - электромагнитный вакуумный клапан.

их взаимное расположение. Уравнения вакуумной техники позволяют определить лишь проводимость отверстий и количество газа, поступающее в ступени откачки, однако они не дают представление о характеристиках струи газа, формирующейся за диафрагмой D1.

За диафрагмой, отделяющей газовую среду высокого давления от первой камеры системы дифференциальной откачки, формируется сферическая струя, основные параметры которой зависят как от отношения давления вне выпускного устройства к давлению в первой камере N - р0/ рх, так и от размера отверстия в диафрагме. На некотором удалении от среза диафрагмы, равном хс, формируется висячий скачок уплотнения (диск Маха). В случае цилиндрического отверстия в диафрагме, равного с1ф течение газа за диафрагмой становится звуковым, а местоположение скачка уплотнения для воздушной звуковой струи определяется как: хс = 0.59 ■ da ■ -Jn (cm. Lewis

C.N., Carlson P.J. Normal Shock Location in Underexpanded Gas and Gas-Particle Jets // AIAAJ., 1964, vol. 2, v. 4).

Поскольку поток газа, натекающий в первую ступень системы дифференциальной откачки через отверстие da в диафрагме D1, равен потоку газа через трубопровод первой ступени откачки и, соответственно, потоку газа на

входе насоса первой ступени, то: и Jn ~ I '. Как следует из это-

m+tfn)

го соотношения, параметр da-jN при больших степенях расширения газа

С jV»1) есть константа, определяемая исключительно параметрами откач-ных средств первой ступени системы дифференциальной откачки (производительностью насоса и проводимостью вакуумпровода). По этой причине расстояние от среза диафрагмы до скачка уплотнения, как и остальные параметры газодинамической струи, также есть величина постоянная для данного набора откачных средств.

Если вакуумпровод, соединяющий насос первой ступени с системой дифференциальной откачки, имеет проводимость много выше производительности вакуумного насоса (ип » SH), то dajN ~ Js^ ■ Для воздуха при

комнатной температуре j ^¡Jj ~ , где диаметр отверстия измеряется в

4

см, а скорость откачки в л/с.

Положение скачка уплотнения относительно первой диафрагмы системы дифференциальной откачки будет зависеть в этом случае исключительно от производительности вакуумного насоса первой ступени откачки

хс =0.59-d„ 0.15^57

Таким образом, при правильном выборе вакуумного насоса, обеспечивающего постоянную скорость откачки во всем требуемом диапазоне разме-

ров отверстия в первой диафрагме системы дифференциальной откачки, а также при использовании вакуумпровода высокой проводимости можно ожидать постоянство основных размеров струи газа, натекающей через это отверстие, что и было экспериментально подтверждено при эксплуатации системы выпуска сфокусированного пучка.

Измерено давление во второй ступени системы дифференциальной откачки в зависимости от расстояния между диафрагмами £)/ и £>2 (конической, с углом при вершине 90°). Измерения производились в следующих условиях: диаметр отверстия в диафрагме В1 составлял 1.5 мм, в диафрагме 2)2-1.7 мм, вакуум в первой ступени не изменялся и составлял около 3 Торр, соответственно, ЛГ = / ~ 245. Расстояние между внутренней кромкой диафрагмы £>/ и диафрагмой £>2 в ходе экспериментов изменялось от 5 до 20 мм. Откачка второй ступени системы дифференциальной откачки осуществлялась вакуумным насосом 2НВБМ-250. Результаты измерений давления представлены на Рис.2 в виде зависимости от безразмерной величины е _ * . Там же приведен перепад давлений между первой и второй

Из приведенных на Рис.2 зависимостей следует, что давление во второй ступени по мере удаления от диафрагмы уменьшается до тех пор, пока диафрагма В2 не окажется в районе скачка уплотнения. За счет увеличения плотности газа в районе и за диском Маха давление в ступени вновь повышается. Еще более показателен перепад давления между первой и второй ступенями. Он имеет максимум непосредственно перед скачком уплотнения.

Из представленных на Рис.2 зависимостей следует, что при ^-0.6 местоположение диафрагмы, отделяющей вторую ступень системы выпуска пучка от первой, оптимально. При этом поток газа, натекающего во вторую ступень системы дифференциальной откачки, минимален.

Рг.Торр

5 10 -200

4 10

3 10

2 10

10'

Рг

160

120

80

40

0.2 0.4 0.6 0 8

1.0

Рис. 2. Давление во второй ступени и перепад давлений между ступенями в зависимости от расстояния между диафрагмами выпускного устройства.

Представленные зависимости позволяют, выбрав марку вакуумного насоса первой ступени и ожидаемый размер отверстия в первой диафрагме, определить местоположение других элементов системы выпуска пучка в точках, соответствующих максимальному перепаду давления.

Рассеяние пучка электронов на газе

Рассеяние пучка на остаточном газе приводит к росту потока рассеянных электронов на диафрагмы системы выпуска пучка и, в конечном итоге, может приводить к увеличению величины отверстий в диафрагмах.

Величина токооседания на диафрагмы выпускного устройства определяется длиной пролетных промежутков, давлением в камерах системы выпуска пучка, а также энергией ускоренных электронов и током пучка. Для электронов с энергией £=1.4 МэВ суммарная величина токооседания на диафрагмы не превышает 1% от тока пучка.

Термические эффекты пучка в выпускном устройстве

Газ, натекающий в систему дифференциальной откачки, некоторое время находится под воздействием пучка, в результате чего происходит нагрев газа и его ионизация. В свою очередь, горячий ионизированный газ разрушающе воздействует на медные диафрагмы выпускного устройства, приводя к увеличению размера отверстий в них.

Однако, нагрев газа пучком имеет и положительное влияние на работу системы дифференциальной откачки. При включении пучка давление в ступенях системы выпуска пучка падает, причем тем значительнее, чем больше величина тока пучка. Кроме того, с повышением температуры технологического процесса давление в системе выпуска также уменьшается. Вместе с понижением давления в ступенях наблюдается уменьшение высыпания электронов пучка на диафрагму D2. Это происходит вследствие уменьшения плотности газа, поступающего в ступени откачки за счет роста его средней температуры. Действительно, поскольку проводимость диафрагмы с ростом температуры растет как U ~ 4f, а давление пропорционально у, то количество газа, поступающее на вход системы выпуска пучка q _ рц__L_.

л/Г

Нагрев газа, поступающего на вход первой и второй ступени выпускного устройства, приводит к снижению давления во второй ступени до 30% при выводе полного тока пучка.

Основные результаты

Многолетний опыт работы с устройством выпуска в атмосферу сфокусированного электронного пучка ускорителя электронов ЭЛВ-6 показал правильность наших расчетов и оценок, сделанных при проектировании устройства. Показана принципиальную возможность использования устройств подобного типа для вывода в атмосферу электронных пучков мощностью до

100 кВт в условиях, близких к промышленным. Наработка на отказ составляет несколько тысяч часов, что сопоставимо с временами работы аналогичного фольгового оборудования.

Параметры, достигнутые при выпуске сфокусированного пучка:

> максимальный ток пучка, выведенный в атмосферу - 100 мА;

> максимальная мощность пучка в стационарном режиме работы в диапазоне энергий ускоренных электронов 1.0... 1.4 МэВ - 100 кВт;

> максимальный размер отверстия в' первой диафрагме выпускного устройства после наработки с пучком более 2000 часов не превышает 2.5мм.

В четвертой главе дано описание и приведены основные конструктивные особенности устройства для вывода в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка ускорителя с большими пульсациями энергии.

Рис. 3. Общий вид прототипа (а) и модернизированного варианта (б) устройства для вывода в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка. 1 - высоковольтный фидер; 2 - датчик энергии; 3 - генератор питания инжектора электронов; 4 - высоковольтный электрод: 5 - ускорительная трубка; 6 - инжектор электронов; 7 - конический соленоид; 8 - прямолинейный соленоид; 9 - диафрагмы системы дифференциальной откачки; 10 многослойные катушки; 11 - концентратор магнитного поля; 12 -вакуумпроводы системы дифференциальной откачки; 13 - измерительные диафрагмы; 14 - трубка повышенного вакуумного сопротивления; 15 - магнитопроводы.

Обычно устройства для вывода сфокусированного электронного пучка имеют в своем составе 1-3 магнитных линзы для фокусировки пучка. Принципиальным моментом является требование к стабильности энергии уско-

с

г

а)

б)

ренных электронов, поскольку размер пучка в кроссовере линзы <1 связан с

пульсациями и нестабильностью энергии , а также размером пучка Д * на

Е

д р

входе в выпускное устройство соотношением ({ ~ О — • При пульсациях

а Е

энергии порядка 5% и более фокусировка становится неэффективной, а размеры отверстий в диафрагмах системы дифференциальной откачки становятся недопустимо большими.

Альтернативой является не фокусировка электронного пучка, а его адиабатическая компрессия в плавно нарастающем магнитном поле. В этом случае диаметр пучка </ в любой точке тракта связан с величиной магнитного

поля в этой точке В соотношением 4 = £> &, где Д. - диаметр катода, В0 -

В

магнитное поле в районе катода.

Если магнитная система, а также оптика не имеют сильных возмущений, то минимальный размер пучка не зависит от энергии электронов. В таком ускорителе допустимы большие (по крайней мере, 10%) пульсации энергии.

В конструкции, представленной на Рис.3, эмитирующий электроны катод, ускорительная трубка и выпускное устройство с системой дифференциальной откачки расположены на одной оси и находятся в продольном магнитном поле, нарастающем от 11 мТ в районе катода до 0.5... 1 Т в месте расположения выходной диафрагмы. Погруженная в магнитное поле ускорительная трубка вынесена за пределы высоковольтного выпрямителя и соединяется с ним при помощи газового фидера. Рабочий вакуум в ускорительной

трубке обеспечивается использованием системы дифференциальной откачки. Откачка ступеней производится вакуумными насосами ВН-6Г, АВЗ-90, АВР-150, двумя насосами ТМН-500. Для откачки ускорительной трубки использовались два магниторазрядных насоса НМДО-О.25.

На первом этапе был спроектирован и изготовлен прототип устройства для вывода в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка. Его отличительной

_ . т, особенностью является малый раз-Рис. 4. Конструкция выходного узла про- ,

__„„„. , , „„„.,„ „,.„„„„„„„ „„„„ -С мер выходного узла системы диф-

тотипа: 1 - корпус выводного узла; 2 - г ■' ^

каналы водяного охлаждения; 3 - каналы ференциальной откачки. При экс-вакуумной откачки; 4 - диафрагмы. периментах на прототипе были

достигнуты следующие параметры: максимальный выведенный в атмосферу ток пучка - 0.6 А, стационарный ток пучка - 0.3 А. После учета основных недостатков прототипа выпускное устройство было модернизировано и максимальный выведенный ток пучка достиг 0.8 А, стационарный ток - 0.7 А, а мощность выведенного в атмосферу непрерывного электронного пучка достигла 490 кВт в режиме 0.7 МэВ*0.7 А.

Первые три диафрагмы выходного узла прототипа (Рис.4) выполнены с острым нижним краем как для снижения влияния внешней стенки диафрагм на натекающий поток газа, так и смещения отверстий в сторону больших значений магнитного поля системы. Расстояние между диафрагмами выбрано оптимальным с учетом местоположения диска Маха. Благодаря этому минимизирован поток газа в камеры системы дифференциальной откачки.

Конструкция модернизированного варианта системы дифференциальной откачки показана на Рис.5. Отверстия в трех нижних диафрагмах прожигались самим пучком. На пути следования пучка, в местах стыковки отдельных элементов магнитной системы, располагались три диафрагмы для трассировки пучка. Кроме того, в этих же местах установлены магнитопроводы, обеспечивающие плавную стыковку магнитного поля элементов магнитной системы. Размер отверстий в диафрагмах и давление в ступенях системы дифференциальной откачки представлены в Табл.2.

Рис. 5. Конструкция модернизированного варианта системы дифференциальной откачки: 1,2- трубки с малой пропускной способностью; 3 - измерительная диафрагма; 4 - патрубки ваку-умпроводов; 5 - диафрагмы, прожигаемые пучком.

Таблица 2

Размер отверстий и давление в ступенях модернизированного варианта

Номер ступени Стационарный размер Рабочее давление

откачки отверстий в диафрагмах, мм в ступенях, Topp

1 3.0 7.4

2 3.2 1.1

3 3.6 0.11

4 5 4.3 Ю"2

5 6 8-Ю"4

6 10 5-Ю"7

3. A.I. Korchagin, N.K. Kuksanov, A.V. Lavrukhin, S.N. Fadeev, R.A. Salimov, S.P. Bardakhanov, V.B. Goncharov, A.P. Suknev, E.A. Paukshtis, T.V. Larina, V.l. Zaikivskii, S.V. Bogdanov, B.S. Bal'zhinimaev. Production of silver nano-powders by electron beam evaporation // Vacuum 77 (2005), p.485-491.

4. Фадеев C.H., Куксанов H.K., Немытов П.И., Салимов P.A., Вейс М.Э. Мощный ускоритель электронов с выпуском сфокусированного пучка в атмосферу.// Тез. докл. Международной конференции: "Пучковые Технологии - 95" (6-12 марта 1995 г.). - Дубна, 1995.

5. Вейс М.Э., Зайцев В.Н., Косилов М.Р., Кузнецов С.А., Куксанов Н. К., Прудников В.В., Салимов P.A., Фадеев С.Н. Мощный ускоритель с выпуском в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка // Тезисы докладов 7-го Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности, С-Петербург, июнь 1992, с.6.

6. Вайсман А.Ф., Голковский М.Г., Корчагин А.И., Куксанов Н.К., Лавру-хин A.B., Петров С.Е., Салимов P.A., Фадеев С,Н. Технологические применения промышленных ускорителей электронов ç фокусированным пучком, выпущенным в атмосферу // Тезисы докладов 4-й Всесоюзной конференции: "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Томск, 13-17 Мая 1996 г., АудитИнформ, с.244 - 246.

7. Салимов P.A., Куксанов Н.К., Петров С.Е., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин A.B., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г. Получение плавленых оксидных материалов в мощном пучке ускоренных электронов // Тез. докл. 9-го Всеросс. сов. по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, Санкт-Петербург, 22-24 сентября, 1998 г. - М: 1998. -с.35.

8. Салимов P.A., Куксанов Н.К., Петров С.Е., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин A.B., Воронин А.П., Ляхов Н.З. Получение ультрадисперсных материалов в мощном пучке ускоренных электронов // Тез. докл. 9-го Всеросс. сов. по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, Санкт-Петербург, 22-24 сентября, 1998 г. - М: 1998. -с.38.

9. S.N. Fadeev, A.I. Korchagin, N.K. Kuksanov, A.V. Lavruchin, R.A. Salimov B.M. Kuchumov and M.F. Reznitchenko. The device for radiation-thermal high-temperature gas phase synthesis based on electron accelerator // 6th international conference on electron beam technologies. 4-7 June 2000. Varna, Bulgaria, p.90-91.

10. A/c №1478527. Устройство для электронно-лучевой обработки материалов / Лахно Г.С., Фадеев С.Н., Сенюра Ю.М., Холевицкий А.Е., Жаботин-ский В.И. - Пр. 29.06.87. Опубл. 08.01.1989.

11. Патент №2067077. Россия. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния / Лукашов В.П., Бардаханов С.П., Салимов P.A., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин A.B. Пр. 26.01.94. Опубл. 26.01.94.

ФАДЕЕВ Сергей Николаевич

Выпуск в атмосферу мощного релятивистского электронного пучка для технологических применений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 14.11.2005 г. Подписано к печати 15.11.2005 г. Формат 100x90 1/16 Объем 1,0 печ л, 0,8уч.-изд л Тираж 100 экз. Бесплатно Заказ №46

Обработано на ШМ РС и распечатано на ротапринте ИЯФ им Г.И. Будкера СО РЛН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

№24683

РНБ Русский фонд

2006-4 25715

Введение

Глава 1. Устройства для вывода в атмосферу сфокусированного пучка.

Обзор

Глава 2 Ускорители серии ЭЛВ

2.1. Ускорительные трубки ускорителей серии ЭЛВ

2.1.1. Ускорительные трубки с большой апертурой

2.1.2. Ускорительные трубки с магнитной фокусировкой электронного пучка

2.2. Оптимизация параметров и характеристик пучка

Глава 3. Устройство для вывода в атмосферу сфокусированного электронного пучка ускорителей серии ЭЛВ мощностью до 100 кВт

3.1. Конструкция устройства

3.2. Динамика пучка в выпускном устройстве

3.3. Расчет параметров выпускного устройства

3.4. Рассеяние электронов пучка на газе

3.5. Термические эффекты пучка в выпускном устройстве

3.6. Эксплуатационные характеристики устройства

3.7. Основные результаты 103 ^

Глава 4. Выпускное устройство для вывода в атмосферу пучка из ускорителей электронов с большими пульсациями энергии и мощностью до 500 кВт

4.1. Конструкция устройства

4.2. Основные результаты

Глава 5. Основные технологические применения сфокусированного пучка ускорителей серии ЭЛВ

5.1. Взаимодействие электронов с веществом

5.2. Вневакуумная сварка стальных деталей

5.3. Закалка при помощи электронного пучка

5.4. Наплавка модифицирующих покрытий

5.5. Радиационно-термические процессы в химии твердого тела

5.6. Получение ультрадисперсных материалов

5.7. Высокотемпературный газо-фазный синтез 138 Заключение 143 Литература

Актуальность темы

В настоящее время в промышленном производстве широко распространены технологические процессы с использованием ускорителей электронов. Благодаря таким преимуществам, как малая производственная площадь, широкий диапазон основных параметров ускорителей и простота их регулирования, высокая экономичность технологического процесса и возможность его интенсификации, экологическая чистота и безопасность производства использование ускорителей в ряде отраслей постепенно вытесняет имеющиеся технологии. Существуют также области применения, в которых использование промышленных ускорителей просто безальтернативно.

Подавляющее число ускорителей используется в радиационно-химических процессах, то есть в процессах, в которых изменение химических или физических свойств облучаемого объекта происходит вследствие его ионизации электронным пучком и генерируемым им излучением [1,2].

Для процессов такого рода выпуск в атмосферу пучка ускоренных электронов осуществляется, как правило, через тонкие металлические вакуумно-плотные фольги. Выпускные устройства такого типа конструктивно просты и надежны в эксплуатации. Однако их выпускные окна требуют отвода тепла, выделяющегося вследствие потерь энергии электронного пучка при его прохождения через фольгу. Из-за ограничений теплосъема струей сжатого воздуха либо элементами опорной решетки плотность тока электронного пучка в современных выпускных устройствах не превышает 150-200 цА/см2, а ширина одиночного выпускного окна без опорной решетки не может быть более 10 см вследствие ограничений по механической прочности фольги. Поэтому разумные габариты таких выпускных устройств ограничивают мощность модулей по выводу пучка из вакуума в атмосферу на уровне сотен киловатт. Между тем, перспективные экологические технологии (обработка сточных вод крупных промышленных производств, муниципальных стоков, а также очистка отходящих газов тепловых станций от оксидов азота и серы) потребуют в ближайшем будущем ускорители с мощностью электронного пучка порядка мегаватт и более [3-5].

При выводе в атмосферу электронного пучка через набор диафрагм малого диаметра с непрерывной откачкой промежуточных ступеней между ними (система дифференциальной откачки для выпуска сфокусированного пучка) принципиальных ограничений на величину выводимого тока пучка не имеется. Поэтому такие системы выпуска могут явиться альтернативой для технологий, где предполагается использование ускорителей с мегаваттной мощностью пучка.

Современные промышленные ускорители электронов мощностью в десятки и сотни киловатт, оснащенные устройством выпуска сфокусированного пучка, перспективны для применения в ряде разного рода малотоннажных термических и радиационно-термических производств. В этом случае электронный пучок выполняет роль незагрязняющего теплового источника с высоким коэффициентом тепловой конверсии, так как вся энергия ускоренных электронов выделяется на глубине их пробега в веществе. При этом отчетливо проявляются такие преимущества электронно-пучковых технологий, как:

• - химическая стерильность пучка ускоренных электронов,

• - объемный ввод энергии непосредственно в объект облучения,

• - высокий кпд трансформации энергии.

Плотность мощности пучка на выходе из системы дифференциальной откачки может достигать 1 МВт/см и далее падает по мере удаления от системы выпуска за счет рассеяния электронов в газовой среде. С ростом энергии ускоренных электронов рассеяние пучка в газе уменьшается, что позволяет размещать облучаемый материал на значительном удалении от выпускного устройства, обеспечивать большие зоны термического нагрева. Чем выше энергия ускоренных электронов, тем более равномерен нагрев материала по глубине.

Оснащение выпускного устройства системой одно- или двухкоординат-ного сканирования релятивистским пучком позволяет получать необходимые для проведения технологического процесса поля облучения, а также оперативно изменять траекторию пучка и плотность мощности на поверхности облучаемого материала.

Обычные фольговые системы выпуска пучка также могут быть использованы в ряде термических процессов. Однако, ввиду малой плотности мощности электронного пучка, выведенного через фольгу, не может быть обеспечен нагрев материала до температур выше 1500°С. Кроме того, возникают проблемы с защитой самих выпускных устройств (главным образом выпускных фольг) от мощных тепловых потоков с поверхности нагреваемого материала.

Имевшиеся к середине 80-х годов установки были рассчитаны на выпуск низкоэнергетичных сфокусированных пучков электронов. Выпуск пучка для уменьшения его рассеяния осуществлялся главным образом в форвакуум технологических камер, что существенно ограничивало применение электронных пучков, в том числе для обработки габаритных изделий.

В это же время возник научный и коммерческий интерес к использованию ускорителей электронов в таких нетрадиционных областях, как высокотемпературный неорганический синтез, испарение различных материалов для получения нанопорошков, а также в разного рода металловедческих процессах. Все перечисленные технологические применения, ориентированные на работу в диапазоне температур 1200-3000°С, требовали, в том числе и для своей коммерциализации, использования мощного релятивистского электронного пучка вне вакуума.

Необходимо заметить, что высокие температуры, как и высокие плотности мощности, могут быть обеспечены также использованием в качестве источника нагрева мощных лазеров.

Действительно, лазерный нагрев поверхностного слоя обеспечивает крайне высокие уровни энерговклада (вплоть до 10 Вт/см ), а мощность современных газовых СОг — лазеров достигла 25 кВт. Это позволяет получить очень высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемого материала, достигающие тысяч градусов в секунду. При таких условиях нагрева количество энергии, вводимое в материал, много выше оттока тепла вглубь металла за счет теплопроводности и излучения с его поверхности. В результате при обработке, например, сталей образуется поверхностный износостойкий слой с высокой твердостью и износостойкостью.

По этой причине лазеры, как и сфокусированные вневакуумные электронные пучки, эффективно используются для закалки сталей. Разница заключается в том, что энергия ускоренных электронов выделяется в материале на всей глубине их пробега, тогда как энергия лазерного излучения, за исключением теплового потока, отраженного от поверхности, практически полностью поглощается в приповерхностном слое толщиной не более 10"4 см. На большую глубину тепло распространяется только за счет теплопроводности.

Более существенным недостатком лазерной закалки является необходимость предварительного нанесения в зоне термоупрочнения специальных покрытий на основе графита, окиси меди и т.п. для увеличения поглощающей способности поверхности.

Благодаря высокой плотности мощности лазеры в настоящее время успешно используются в таких областях металлообработки, как лазерная резка и

7 О сварка металлов и их сплавов. Плотности мощности на уровне 10 Вт/см позволяют обеспечить так называемое «кинжальное» проплавление, когда глубина образовавшейся ванны расплавленного металла много больше ее ширины. При таком способе энергозатраты на плавление и испарение минимальны, а производительность процесса значительно возрастает.

Вследствие высокой концентрации энергии при лазерной сварке (как, впрочем, и при сварке электронным пучком) уменьшается степень воздействия на металл околошовной зоны. Что в конечном итоге, по сравнению с традиционной аргоно-дуговой сваркой, снижает образование так называемых холодных трещин в прикорневой структуре металла, а также уменьшает образований послесварочных деформаций и напряжений в околошовной зоне.

Что касается использования в таких областях, как высокотемпературный неорганический синтез, получение ультрадисперсных порошков и некоторых других, применение лазеров здесь ограничено как невысокой максимальной мощностью современных лазеров, так и поверхностным вводом энергии в материал. Велико также рассеяние и поглощение излучения в парах испаряемого материала, что делает процессы такого рода малопроизводительными.

К числу несомненных преимуществ использования лазеров в высокотемпературных технологических процессах можно отнести простоту конструкции генераторов излучения, отсутствие (в отличие от ускорителей электронов) необходимости в сооружении какой-либо радиационной защиты, простоту автоматизации процессов управления и зеркального осциллирования луча, а также возможность передачи излучения без больших потерь на значительные расстояния и в труднодоступные места, что принципиально недостижимо при использовании других методов.

Сфокусированный электронный пучок, в особенности мощный релятивистский пучок, выведенный в атмосферу, является не менее технологичным инструментом для использования в материаловедении. Однако относительно невысокие потребительские свойства имевшихся ранее выпускных устройств в значительной степени сдерживали применение таких пучков.

Поэтому появилась задача, интересная как с научной, так и с технической точки зрения, по созданию надежной и простой в эксплуатации системы выпуска в воздух (либо другую газовую среду высокого давления) релятивистского электронного пучка ускорителей серии ЭЛВ, а также улучшение параметров самого пучка. К моменту постановки проблемы имелся устойчивый интерес к научным исследованиям и техническим разработкам разного рода высокотемпературных технологий, как со стороны научных организаций, так и ряда промышленных предприятий.

Так сложилось, что вся научная и техническая деятельность автора данной работы связана как с модернизацией ускорителей серии ЭЛВ, так и с созданием и усовершенствованием оборудования для выпуска в атмосферу мощного сфокусированного пучка электронов, а также разработкой различного подпучкового технологического оборудования, исследованием новых технологических возможностей использования электронного пучка с высокой плотностью мощности. Диссертационная работа является обобщением этих исследований.

Цель работы заключалась в проведении исследований, разработке и испытании устройства для выпуска в атмосферу из ускорителей серии ЭЛВ сфокусированного электронного пучка мощностью до 100 кВт, а также одновременное повышение надежности такого выпускного устройства до уровня устройств с выпуском пучка через фольгу; в разработке и создании устройства для выпуска в атмосферу пучка мощностью до 0.5 МВт из ускорителя с высокими пульсациями энергии, а также в проведении исследований по практическому использованию релятивистского сфокусированного электронного пучка.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Создана система выпуска в атмосферу сфокусированного электронного пучка ускорителей прямого действия серии ЭЛВ мощностью до 100 кВт. По сравнению с ранее разработанным выпускным устройством срок службы диафрагм нового выпускного устройства повышен на два порядка и достиг нескольких тысяч часов, что сопоставимо с временами наработки на отказ стандартного фольгового выпускного устройства ускорителей.

2. Проведены исследования влияния размеров отверстий в элементах выпускного устройства и их взаимного расположения на перепад давлений в выпускном устройстве. Установлены зависимости, связывающие основные параметры газовой струи с производительностью откачных средств и проводимостью вакуумпроводов, позволяющие получать максимальный перепад давления без увеличения производительности откачных средств. Рассмотрено влияние пучка на перепад давлений в выпускном устройстве.

3. Предложена и создана конструкция системы выпуска для реализации вывода в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка с током до 0.8 А и мощностью до 500 кВт.

4. Разработано оборудование и реализован метод получения ультрадисперсных порошков металлов, их оксидов, а также оксида кремния путем их прямого испарения из расплава.

5. Разработано и впервые реализовано устройство и впервые продемонстрирована возможность проведения высокотемпературного радиационно-стимулированного газофазного синтеза.

Практическая значимость работы состоит в том, что: разработка и создание системы выпуска пучка ускорителей серии ЭЛВ позволили поднять мощность выведенного в атмосферу сфокусированного релятивистского электронного пучка до 100 кВт, существенно увеличить средний срок службы сменных элементов, повысить наработку на отказ до тысяч часов, что способствовало поставке двух ускорителей, оборудованных системой выпуска сфокусированного пучка, а также позволило использовать ускорители ЭЛВ для проведения исследований и отработки ряда высокотемпературных технологий; разработка и создание системы выпуска адиабатически сжатого электронного пучка позволили осуществить вывод в атмосферу пучка мощностью до 500 кВт, отработать основные конструктивные принципы работы мощных ускорителей нового поколения с вынесенной ускорительной трубкой, что, в свою очередь, позволило начать разработку и изготовление мощных ускорителей электронов для использования в энергоемких природоохранных технологиях; проведены уникальные эксперименты по получению при помощи сфокусированного электронного пучка нанопорошков металлов, их оксидов, диоксида кремния, а также катализатора синтеза аммиака, радиационно-термическому твердофазному синтезу ряда неорганических систем и исходных компонентов для них, радиационно-стимулированому газофазному синтезу; полученный опыт, результаты экспериментальных исследований и технические решения могут быть использованы при разработке электрофизического оборудования для вывода интенсивных электронных пучков из вакуума в атмосферу, а также для разработки вневакуумных технологических процессов, использующих мощный сфокусированный электронный пучок.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. Разработка и создание системы вывода в атмосферу сфокусированного электронного пучка мощностью до 100 кВт.

2. Оптимизация конструкции выпускного устройства, позволяющая получать максимальный перепад давления без увеличения производительности откачных средств.

3. Повышение надежности выпускного устройства.

4. Разработка и создание устройства для выпуска в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка ускорителя с большими пульсациями энергии мощностью до 0.5 МВт.

5. Технологические применения мощного сфокусированного электронного пучка.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на 5, 7, 8, 9 и 10 совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург, 1985, 1992, 1995, 1998, 2001), на 4-ой Всероссийской конференции «Модификация свойств конструкционных материалах пучками заряженных частиц» (Томск, 1996), на 5-й Международной конференции по электронно-лучевым технологиям (Варна, 1997), на 17-й конференции по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 2000), на 4-м международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2001), на семинарах ИЯФ.

Содержание диссертации опубликовано в отечественных и зарубежных журналах, докладах и тезисах докладов международных и всероссийских конференций, специализированных выпусках журналов. Всего по теме диссертации опубликовано 58 работ. Получено авторское свидетельство и патент.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 12 таблиц.

Основные результаты

Опыт работы с выпускным устройством, использующим компрессию пучка адиабатически нарастающим продольным магнитным полем, показал принципиальную возможность применения устройств подобного типа для вывода в атмосферу сфокусированных электронных пучков мощностью в сотни киловатт из ускорителей с большими пульсациями энергии. После предварительной настройки и наладки практически отсутствует необходимость перестраивать какие-либо параметры магнитной системы (токи соленоидов и катушек коррекции) в широком диапазоне энергий от 0.3 до 0.8 МэВ.

Параметры, достигнутые в ходе экспериментов, являются рекордными для устройств с выводом в атмосферу сфокусированного пучка:

- максимальный ток пучка, выведенный в атмосферу - 0.8 А;

- максимальная мощность пучка в стационарном режиме работы — 490 кВт (0.7 МэВ*0.7 А);

- величина пульсаций ускоряющего напряжения ±110 кВ, что составляет ±16% от полной энергии ускоренных электронов.

Была отработана конструкция высоковольтного выпрямителя, впоследствии использованная при изготовлении ускорителей ЭЛВ-12.

Испытана конструкция ускорительной трубки для генерации непрерывного тока пучка в сотни миллиампер. Проверена устойчивая работа ускорительной трубки в отдельном от выпрямителя сосуде.

121

ГЛАВА 5

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СФОКУСИРОВАННОГО ПУЧКА УСКОРИТЕЛЕЙ СЕРИИ ЭЛВ

5.1. Взаимодействие электронов с веществом.

При взаимодействии ускоренных электронов с веществом кинетическая энергия таких электронов передается электронам и ядрам вещества, вызывая ионизацию и возбуждение его молекул, а также генерацию тормозного излучения.

Энергия, передаваемая электронами веществу, распределяется в нем неравномерно. На малых глубинах имеет место увеличение поглощенной дозы вследствие возрастания числа вторичных электронов и попадания в эту область электронов, рассеянных на больших глубинах. Затем, по мере уменьшения энергии быстрых электронов, поглощенная доза уменьшается. В результате распределение поглощенной дозы в веществе имеет вид, изображенный на Рис.36 [1,2]. Его характерная особенность - наличие максимума, находящегося на некотором удалении от поверхности облучаемого материала (приблизительно на расстоянии 1/3 от глубины полного пробега для полимерных материалов) и пологого спада поглощенной дозы за максимумом по мере увеличения глубины. С увеличением атомного номера и атомной массы положение максимума смещается к поверхности. Одновременно увеличивается значение поглощенной дозы на поверхности. С увеличением энергии ускоренных электронов глубина их проникновения в вещество возрастает, как показано на Рис.37 [1]. Все зависимости на Рис.36 и Рис.37 относятся к случаю нормального падения моноэнергетического пучка электронов на поверхность материала. Если электроны попадают на поверхность с меньшими углами, глубина их проникновения в материал уменьшается, а максимум кривой распределения поглощенной дозы смещается к поверхности облучаемого материала.

Глубина проникновения ускоренного электрона в вещество зависит от начальной энергии электронов, плотности вещества, зарядов и атомных номеров элементов, входящих в облучаемое вещество. На практике удобнее пользоваться потерями энергии не на единицу длины, а на единицу длины, умноженную на плотность вещества р. В этом случае единицей измерений глубины пробега будет величина смх г/см3 ^ г/см2, называемая массовом пробегом частицы. При малых атомных номерах облучаемого материала массовый пробег электронов практически не зависит от атомного номера. Для определения максимальной глубины пробега существует ряд формул, связывающих эти параметры. Например, для диапазона энергий 0,01 < Т < 3 МэВ [33]

0,2 х (Г)" мас

5-1). где /?мас - массовый пробег электронов в веществе, г/см2; Т- кинетическая энергия ускоренных электронов, МэВ; г и А - заряд и атомный номер элементов облучаемого вещества; п = 1,265 - 0,0954 х 1п Т.

Линейный пробег в веществе определится как Ялш = , где р - плотность вещества, г/см3.

Глубина проникновения, г/см

Рис.36 Относительное распределение поглощенной дозы по толщине материала для Си, А1 и С. Т=1 МэВ.

1.6 - 0.5 МэВ

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Глубина проникновения, г/см2

Рис.37 Относительное распределение поглощенной дозы по толщине полимеров при облучении их электронами.

Как следует из приведенных зависимостей, для обработки объектов на глубину в несколько миллиметров пригодны только ускорители релятивистских электронов. По этой причине столь значителен в последнее время интерес в том числе и к системам выпуска сфокусированного пучка электронов таких энергий в атмосферу.

Сфокусированный электронный пучок ускорителей серии ЭЛВ активно используется для проведения экспериментов и отработки высокотемпературных технологий в различных областях науки и техники. Благодаря высокой энергии ускоренных электронов их рассеяние при выводе пучка в воздух при атмосферном давлении мало, что позволяет обрабатывать материал на расстояниях 20.40 см от выпускного устройства. Для получения полей облучения больших размеров с равномерной плотностью мощности система выпуска пучка оборудована разработанным автором двухкоординатным электромагнитным сканером минимальной высоты, позволяющим пространственно перемещать пучок электронов вне вакуума. Пучок перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможно в соответствии с технологическими требованиями сформировать любую конфигурацию дозного поля за счет использования различной формы тока, питающего катушки.

Рис.38. Общий вид двухкоординатного сканера.

1 - магнитный экран; 2 - тепловой экран; 3 - магнитопровод;

4 - катушки; 5 - полюсные наконечники; 6 - профиль пучка.

Конструкция сканера показана на Рис.38. Сканер состоит из магнито-провода с квадрупольными полюсными наконечниками, катушек, магнитного экрана и водоохлаждаемого теплового экрана. Использование полюсных наконечников квадрупольного типа позволило минимизировать высоту сканера. Магнитный экран препятствует проникновению переменного магнитного поля сканера в объем системы выпуска пучка, что позволяет сохранять минимально возможный размер отверстий в диафрагмах выпускного устройства. Тепловой экран принимает на себя тепловой поток от облучаемого материала. Кроме того, для поддержания температуры полюсных наконечников ниже температуры Кюри, они охлаждаются высокоскоростной струей сжатого воздуха.

Ниже перечислены некоторые высокотемпературные прикладные аспекты выведенного в атмосферу мощного релятивистского электронного пучка, разработанные непосредственно при участии автора.

5.2. Вневакуумная сварка стальных деталей Вакуумная сварка электронным пучком в настоящее время является хорошо исследованной областью техники. Как правило, она осуществляется пучком электронов низкой энергии (до 200 кэВ) в вакуумных камерах при давлениях ниже 10"2 Topp. Поддержание вакуума в таких установках необходимо для уменьшения рассеяния электронов на молекулах остаточного газа и обеспечения высокой плотности мощности на поверхности свариваемых изделий. Наличие вакуумной камеры является существенным недостатком, в значительной степени сдерживающим распространение электронно-лучевой сварки из-за ограничения размеров свариваемых деталей, необходимости размещения в той же вакуумной камере поворотных манипуляторов для пространственного перемещения деталей, создания громоздких шлюзовых камер для повышения производительности установки.

Вневакуумная сварка электронным пучком лишена перечисленных недостатков. К тому же, в процессе сварки пучком при атмосферном давлении потери металла из расплавленной ванны значительно ниже, чем при сварке в условиях вакуума. Энергия ускоренных электронов для осуществления процесса вневакуумной сварки должна быть достаточно высокой для того, чтобы уменьшить рассеяние электронов на молекулах воздуха (или нейтрального газа в отдельных случаях). Для осуществления сварки при атмосферном давлении на расстоянии > 10 см от выпускного устройства необходим пучок электронов с энергией выше 1 МэВ. Если в качестве нейтрального газа использовать гелий, а сварку производить на небольших расстояниях от выпускного устройства (5-20 мм), возможна сварка при атмосферном давлении электронным пучком с энергией электронов 150-300 кэВ. При этом плотность мощности на по

Г Л верхности свариваемых изделий должна быть не менее 10 Вт/см . Такая высокая плотность мощности необходима для проведения сварки с глубоким, так называемым "кинжальным" проплавлением, когда глубина ванны расплава может значительно превышать ширину ванны расплава. В этом случае вследствие высокой подводимой плотности мощности происходит перегрев металла в этом объеме. Подвод энергии не успевает компенсироваться оттоком тепла от места сварки за счет теплопроводности. Поэтому происходит перегрев металла в зоне воздействия пучка до температуры кипения и глубина проплавле-ния резко возрастает.

Одним из важных преимуществ электронно-лучевой сварки в воздухе является то, что не требуется проводить предварительную разделку сварочного шва. Нанесение различного рода флюсующих добавок только улучшает качество шва.

Максимальная скорость сварки достигает 2.5 м/мин и зависит как от толщины свариваемых материалов, мощности электронного пучка, так и от требуемого профиля сварочного шва. В Табл.12 представлены данные возможной глубины сварочного шва для различных материалов в зависимости от мощности пучка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве основных результатов работы можно отметить следующие:

1. Установлена связь параметров газодинамической струи, натекающей через диафрагму в первую ступень системы дифференциальной откачки с параметрами откачных средств.

2. На основании предложенного способа расчета разработана и прошла длительную экспериментальную проверку система выпуска в атмосферу релятивистского электронного пучка ускорителей серии ЭЛВ, показавшая высокие эксплуатационные характеристики.

3. Впервые осуществлен вывод в атмосферу релятивистского сфокусированного электронного пучка мощностью до 100 кВт при энергиях ускоренных электронов до 1.5 МэВ.

4. Для получения оптимальных параметров сфокусированного пучка исследована и усовершенствована конструкция как собственно ускорителя электронов ЭЛВ, так и его выпускного устройства.

5. Впервые разработан и реализован выпуск в атмосферу адиабатически сжатого пучка с рекордной мощностью до 500 кВт из ускорителей с большими пульсациями энергии.

6. При непосредственном участии автора разработаны основы ряда технологических применений сфокусированного электронного пучка, а также подпучковое оборудование для их осуществления. В результате два ускорителя, оборудованные системой выпуска сфокусированного пучка, были поставлены на опытный завод ГИАП для отработки промышленной технологии получения катализатора синтеза аммиака и в НПО «Черметмеханизация» для отработки технологии наплавки износостойких покрытий на рабочую поверхность стенок слябовых кристаллизаторов установок непрерывной разливки стали.

1. Современная радиационная химия / Пикаев А.К., // т.1 3, М., "Наука", 1985-87 г.

2. Радиационная химия полимеров. // М., "Наука", 1973.

3. Trump J.G., Wright К.A., Merril E.W. et al. Prospects for High Energy Electrons Irradiation of Wastewater Liquid Residuals. // IAEA-SM 194/302, Munich, March 1975.

4. Progress in radiation processing. Radiation Physics and Chemistry. // 1988, v 31, N1-6.

5. Final report for testing conducted on the EBARA E-beam flue gas treatement system. // Prepared by EBARA international corporation, Hempfield Industrial Park, Greensburg, Pensilvania, 1988.

6. Синицын C.T. Выпуск корпускулярных лучей из трубки через открытое отверстие //ЖЭТФ, 1933 г., т.З, №4, с.277.

7. Электронная пушка мощностью 500 кВт / М.А. Завьялов, Л.А. Лукьянов, А.С. Мурашов и др. // Приборы и техника эксперимента, 1980 г., №2, с.223.

8. Н. W. Lewis, Multiple scattering in an infinite medium, Phys. Rev. 78 (1950) 526-529.

9. L. V. Spencer, Theory of electron penetration, Phys. Rev. 98 (1955) 1597 -1615.

10. Система дифференциальной откачки для выпуска электронного пучка в атмосферу / Артемов В.А., Малафеев О.А., Редер А.В. и др. // Приборы и техника эксперимента. 1978, №5, с. 190-191.

11. Shapiro Р.Н. A large differential pumping system // Transection Eight Vacuum Symposium and Second International Congress Pergamon Press, 1962. - pp. 1187-1191.

12. Shumaher B.W. Dynamic pressure stages for high pressure / high vacuum systems // Transection Eight Vacuum Symposium and Second International Congress Pergamon Press, 1962. - pp. 1187-1191.

13. U. Dilthey, H. Masny. Non-vacuum electron beam welding // Proceedings of the 7-th International Conference on Electron Beam Technologies. 1-6 June, Varna, Bulgaria, pp.169-175.

14. U. Dilthey, H. Masny. Potentials of Electron Beam Welding in the Fields of Large-Diameter Pipes // Proceedings of the 7-th International Conference on Electron Beam Technologies. 1-6 June, Varna, Bulgaria, pp. 176-181.

15. Салимов Р.А. Ускорители серии ЭЛВ для применения в народном хозяйстве. // Дис. на соиск. уч. степ, доктора технических наук. Новосибирск, 1980.

16. R.A. Salimov, V.G. Cherepkov, et all. D.C. high power electron accelerators of ELV-series: status, development, applications. // Radiation Physics and Chemistry 57 (2000) 661-665.

17. Н.К.Куксанов, Р.А.Салимов, М.Э.Вейс, С.Н.Фадеев, П.И.Немытов, Ю.И.Голубенко, В.В.Прудников. Ускорители серии ЭЛВ для промышленного применения // XVII Конференция по ускорителям заряженных частиц. 17-20 октября 2000 г., Протвино, Россия, стр. 15.

18. Пирс Дж.Р. Теория и расчет электронных пучков // М., Советское радио, 1956 г.

19. Фадеев С.Н., Куксанов Н.К., Немытов П.И., Салимов P.A., Вейс М.Э. Мощный ускоритель электронов с выпуском сфокусированного пучка в атмосферу.// Тез. докл. Международной Конференции "Пучковые Технологии 95" (6-12 марта 1995 г.). - Дубна, 1995.

20. Бенфорд А. Транспортировка пучков заряженных частиц // М., Атомиздат, 1969 г.

21. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976 г.

22. H.Z. Ashkenas and F.S. Sherman. The structure and Utilization of Supersonic Free Jets in Low Density Wind Tunnels. Rarefied Gas Dynamics // Proc. 4th RGD Symp., edited by J.H. Leeuw. 1996, v.2, p.84-105.

23. Л.И. Кузнецов, A.K. Ребров, B.H. Ярыгин. Высокотемпературные струи аргона низкой плотности за звуковым соплом // ПМТФ, 1973, №3, с.82-87.

24. В.В. Волчков, A.B. Иванов, Н.И. Кисляков, А.К. Ребров, В.А. Сухнев, Р.Г. Шарафутдинов. Струи низкой плотности за звуковым соплом при больших перепадах давления // ПМТФ, 1973, №2, с.65-73.

25. Lewis C.N., Carlson P.J. Normal Shock Location in Underexpanded Gas and Gas-Particle Jets // AIAAJ., 1964, vol. 2, v. 4, p.776-777.

26. Авдуевский B.C., Иванов A.B., Карпман И.М. и др. Течение в сверхзвуковое вязкой недорасширенной струе // Изв. АН СССР, МЖГ, 1970, №3, с.63-69.

27. Куксанов Н. К., Салимов Р. А., Фадеев С. H. \ Устройство для вывода в атмосферу адиабатически сжатого интенсивного электронного пучка \ Препринт ИЯФ СО АН СССР 91-3, Новосибирск, 1991.

28. Куксанов Н.К. Электронные ускорители непрерывного действия мощностью сотни киловатт. Дис. на соиск. уч.степ. доктора технических наук — Новосибирск, 1993.

29. Katz L., Renfold A.S. // Rev. Mod. Phys. 1952. Vol. 24. P.28-35.

30. М.Г. Голковский, А.И. Корчагин, Н.К. Куксанов, A.B. Лаврухин, P.A. Салимов, С.Н. Фадеев. Некоторые прикладные аспекты использования выведенного в атмосферу интенсивного сфокусированного электронного пучка // Наука производству, 2003, №7, с. 18-22.

31. А/с №1478527. Устройство для электронно-лучевой обработки материалов / Лахно Г.С., Фадеев С.Н., Сенюра Ю.М., Холевицкий А.Е., Жаботинский В.И. Пр. 29.06.87. Опубл. 08.01.1989.