ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 143-145
= ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА =
УДК 553.951
МНОГОПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЙ ЗОНД
© 2004 г. Л. Б. Беграмбеков, П. А. Шигии
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 27.06.2003 г.
Описан многопозиционный материаловедческий зонд, разработанный для токамака Tore Supra. Зонд предназначен для работы с устройством, обеспечивающим "прыгающий" режим ввода-вывода зонда из плазмы, и позволяет экспонировать до пяти образцов из различных материалов в области периферийной плазмы без выноса зонда на атмосферу.
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедческие зонды являются незаменимым инструментом исследований совокупности процессов, сопровождающих взаимодействие плазмы с контактирующими с ней элементами вакуумной камеры, дивертора и т.п. В частности, с их помощью могут быть исследованы захват и удержание изотопов водорода в материалах, процессы модификации материалов при плазменном воздействии, процессы перенапыления и формирования напыленных слоев. Вместе с тем, их использование связано с необходимостью периодического выноса зонда на атмосферу для замены экспонируемых в плазме образцов материалов и их последующего анализа. Как правило, эта процедура на современных токамаках связана с большими затратами времени и усилий и не может осуществляться достаточно часто. В результате, эффективность использования материаловедчес-ких зондов оказывается низкой. Проведение зон-довых измерений значительно упрощается и становится намного более эффективным при работе с многопозиционными зондами, использование которых исключает необходимость выноса зонда на атмосферу для каждой смены исследуемых образцов.
В данной работе описан многопозиционный материаловедческий зонд, предназначенный для работы в установке Tore Supra. Зонд сконструирован для работы с устройствами, обеспечивающими "прыгающий" режим ввода-вывода зонда из зоны облучения плазмой. Зонд позволяет экспонировать до пяти образцов из различных материалов в области периферийной плазмы без необходимости его выноса на атмосферу для замены образцов.
1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗОНДА
Конструктивно материаловедческий зонд представляет собой устройство, имеющее цилин-
дрическую симметрию и состоящее из шести функциональных частей. Они таковы:
1) призматический держатель образцов, на боковых поверхностях которого крепятся образцы материалов, предназначающихся для экспонирования в плазме;
2) механизм, осуществляющий поворот держателя с образцами вокруг оси зонда за счет сил инерции, возникающих при ускоренном "прыгающем" вводе и выводе зонда из плазмы;
3) ленгмюровский зонд, являющийся составной частью конструкции и служащий для измерения параметров плазмы в области нахождения матери-аловедческого зонда;
4) неподвижный защитный кожух, экранирующий элементы зонда от контакта с плазмой, выполненный в виде цилиндрического стакана с отверстием в боковой стороне для облучения только одного из образцов, укрепленных на поверхности держателя;
5) блок скользящих щеточных контактов, обеспечивающих работу термопар и датчика положения держателя образцов;
6) пристыковочный узел, обеспечивающий фиксацию зонда на устройстве ввода-вывода и присоединение электрических цепей зонда к внешним электрическим цепям.
Все детали зонда закрепляются на центральном составном стрежне, являющемся несущим элементом прибора и одновременно элементом, относительно которого вращаются и перемещаются подвижные части зонда.
2. НАЗНАЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЯ ЗОНДА
Держатель образцов 1 (рисунок) служит для их крепления и представляет собой пятигранную призму, на которой с помощью диафрагм 2 устанавливаются пять образцов 3 размерами 10 х 10 х
144
БЕГРАМБЕКОВ, ШИГИН
Многопозиционный материаловедческий зонд (без защитного кожуха). 1 - держатель, 2 - диафрагма, 3 - образец, 4 -контактное кольцо, 5 - блок направляющих, 6 - резьбовая трубка, 7 - направляющая втулка, 8 - пятикулачковая муфта, 9 - двухкулачковая муфта, 10 - стыковочная втулка, 11 - контактные штырьки, 12 - ленгмюровский зонд, 13 - промежуточная втулка.
х 1.5 мм. В торце каждого образца имеется отверстие для термопары. Держатель крепится к втулке 7 поворотного устройства части зонда через промежуточную втулку 13.
Поворотное устройство зонда состоит из блока направляющих 5, "пилота", состоящего из деталей 6, 8, 9, и направляющей втулки 7. Поворот держателя образцов осуществляется за счет энергии, приобретаемой "пилотом" при его ускоренном возвратно-поступательном движении. Блок направляющих 5 представляет собой два треугольных зуба, установленных на трубке, которая одновременно является частью стержня зонда. Угол при вершине зубьев равен 15°, он обеспечивает скольжение кулачков по ребру зубьев. Муфты 8 и 9 вкручены в резьбовую втулку 6. Верхняя муфта 8 имеет пять кулачков, а нижняя муфта 9 -два. Пятикулачковая муфта взаимодействует с направляющими зубьями и при перемещении вверх и вниз приобретает вращательную составляющую движения. Двухкулачковая муфта скользит вдоль цилиндрической поверхности направляющей втулки 7, закрепленной на держателе образцов. Втулка имеет форму цилиндра с двумя продольными пазами. В пазах двигаются кулачки двухкулачковой муфты и поворачивают направляющую втулку. Таким образом, верхняя часть "пилота" движется в пространстве между двумя направляющими зубьями, которые поворачива-
ют его, а нижняя часть "пилота", взаимодействуя с направляющей втулкой, обеспечивает поворот держателя образцов.
По оси зонда устанавливается зонд Ленгмюра 12. Датчик зонда Ленгмюра выступает в отверстии в дне защитного кожуха и используется для измерения параметров плазмы в зоне экспонирования образцов.
Блок скользящих щеточных контактов установлен на держателе образцов 1. Блок состоит из двух групп секторных кольцевых контактов 4 по пять штук в каждой группе и двух щеток. Первая группа образует собой датчик, регистрирующий положение держателя образцов относительно отверстия в защитном кожухе. Работа датчика положения основана на резистивном принципе. Контактные сектора соединяются между собой одинаковыми отрезками резистивной проволоки с известным удельным сопротивлением в последовательности 1-2, 2-3, 3-4, 4-5. В свою очередь, первый контактный сектор контактирует с корпусом зонда, т.е. возможны следующие значения сопротивлений: 0, Я, 2Я, 3Я, 4Я. В каждый момент времени с помощью скользящего контакта измеряется сопротивление между контактным сектором, соответствующим экспонируемому образцу, и корпусом зонда. Таким образом, номер образца, находящегося в данный момент напротив отверстия для экспонирования, определяется по сопро-
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 2 2004
МНОГОПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЙ ЗОНД
145
тивлению соответствующего отрезка резистив-ной проволоки.
Другая группа контактов передает ток с термопар, установленных на образцах, на щетку, закрепленную на стержне зонда. Еще одна термопара служит для измерения температуры деталей, находящихся вблизи точек соединения термопар образцов с секторными контактами и держателем образцов. С ее помощью исключается влияние контактной разности потенциалов контактов на результаты измерения температуры образцов.
Зонд в сборе имеет длину 300 и диаметр 30 мм. Элементы конструкции зонда выполняются из нержавеющей стали. Для измерения температуры используются хромель-алюмелевые термопары. Зонд сохраняет работоспособность до температур 500-600°С. Испытание кинематической системы зонда было проведено на специально спроектированном и изготовленном для этого стенде. Испытания показали, что поворотное устройство срабатывает, когда зонд движется с ускорением более 5g.
10 ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.