ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 2, с. 69-76
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535.11+537.533.3+537.534.3
ТЕПЛОВИЗИОННАЯ ДИАГНОСТИКА МОЩНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ
© 2013 г. Ю. И. Исакова, А. И. Пушкарев
Томский политехнический университет Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: aipush@mail.ru Поступила в редакцию 16.04.2012 г.
Описана тепловизионная диагностика полной энергии импульсного ионного пучка и распределения плотности энергии по сечению. Тестирование диагностики проведено на ускорителе ТЕМП-4М в режиме формирования двух импульсов: первый, плазмообразующий — отрицательный (300— 500 нс, 100—150 кВ), второй, генерирующий — положительный (150 нс, 250—300 кВ). Состав пучка: ионы углерода (85%) и протоны, плотность энергии 0.2—3 Дж/см2 (для разных диодов). Диагностика была применена при исследовании мощного ионного пучка, формируемого ионным диодом с самоизоляцией (двухимпульсный режим) и внешней магнитной изоляцией в одноимпульсном режиме. Использование диагностики позволяет измерять плотность энергии пучка в диапазоне 0.05—5 Дж/см2 при отсутствии процессов эрозии и абляции на мишени. При использовании тепловизора с матрицей 140 х 160 пикселов пространственное разрешение составляет 0.9 мм. Время измерения не превышает 0.1 с.
DOI: 10.7868/S0032816213020080
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие пучков заряженных частиц на металлы и сплавы инициирует в них термические, термомеханические и диффузионные процессы, что приводит к их структурным и фазовым превращениям [1]. В результате изменяются свойства материалов, такие как твердость, прочность, износостойкость, и повышаются эксплуатационные характеристики изделий. Концентрация ионов в импульсных ионных пучках гигаваттной мощности не превышает 1012 см-3, и основным фактором, определяющим изменение свойств изделия, является тепловое воздействие, а не имплантация ионов. Поэтому для контроля и оптимизации режима обработки изделий мощным ионным пучком (м.и.п.) необходимо регистрировать, прежде всего, плотность энергии ионного пучка и однородность пучка по сечению.
Для измерения распределения энергии пучков заряженных частиц в поперечном сечении широко применяют калориметрические методы. Впервые такой метод для измерения параметров м.и.п. был применен в 1976 году [2]. Распределение энергии пучка в поперечном сечении обычно измеряют секционированным калориметром [3]. Однако для обеспечения пространственного разрешения 1-2 мм при площади м.и.п. >20 см2 требуется сложная конструкция калориметра, и процесс измерения занимает много времени. Поэтому этот метод не позволяет оперативно контролировать режим работы генератора м.и.п. в процессе обработки деталей.
В 1997 г. авторы работы [4] предложили использовать тепловизор для измерения распределения плотности энергии импульсного ионного пучка. Они исследовали м.и.п. с плотностью энергии >5 Дж/см2, сформированный диодом с внешней магнитной изоляцией в одноимпульсном режиме. Основное внимание было уделено учету влияния процесса абляции материала мишени на результаты тепловизионных измерений.
Для корректного использования тепловизион-ной диагностики при контроле м.и.п. с низкой плотностью энергии необходимо оценить вклад электронов, генерируемых в течение первого импульса и на послеимпульсах, взрывоэмиссионной плазмы и др. в нагрев мишени. Цель данной работы - разработка тепловизионной диагностики оперативного контроля распределения плотности энергии по сечению импульсных ионных пучков гигаваттной мощности.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ М.И.П.
Исследования проведены на ускорителе ТЕМП-4М [5, 6] в режиме формирования двух импульсов: первый — отрицательный (300-500 нс, 100— 150 кВ), второй — положительный (150 нс, 250— 300 кВ). Состав пучка: ионы углерода (85%) и протоны, плотность энергии на мишени 0.2—3 Дж/см2 (для разных диодов), частота следования импульсов 5—10 импульсов/мин. Для генерации м.и.п. используется диод с магнитной самоизоляцией с взрыво-эмиссионным катодом, работающий в двухим-
I, кА 75
60 45 30 15
0
15
30
45
t, нс
Рис. 1. а — схема диодного узла: 1 — потенциальный электрод, 2 — заземленный электрод, 3 — ионный пучок, 4 — мишень, 5 — CaF2-окно, 6 — тепловизор; б — осциллограммы ускоряющего напряжения (1) и полного тока (2) в плоском полосковом диоде.
пульсном режиме. Схема регистрации и осциллограммы, отражающие работу ускорителя ТЕМП-4М в двухимпульсном режиме, приведены на рис. 1.
Основная часть исследований выполнена с использованием плоского полоскового диода размером 22 х 4.5 см с межэлектродным зазором 7—9 мм. Потенциальный электрод изготовлен из графита, заземленный электрод — из нержавеющей стали с прорезями размером 0.4 х 5 см, прозрачность 60%. Ток диодного узла измеряли поясом Роговского с обратным витком. Плотность ионного тока, состав и энергетический спектр м.и.п. определяли по времяпролетной методике [7], используя кол-лимированный цилиндр Фарадея (к.ц.Ф.) с магнитной отсечкой электронов (В = 0.4 Тл).
Напряжение на потенциальном электроде контролировали высокочастотным высоковольтным делителем, установленным перед диодным узлом, и дифференциальным делителем напряжения [8]. Электрические сигналы с датчиков регистрировали осциллографом Tektronix 2024B (200 МГц, 5 • 109 отсчетов/с). Конструкция диода, расположение и калибровка диагностического оборудования ускорителя ТЕМП-4М подробно рассмотрены в наших работах [9, 10].
Диагностику параметров м.и.п. проводили также и по тепловому отпечатку на мишени с использованием тепловизора Fluke TiR10 (спектральный диапазон 7—14 мкм). В качестве мишени использовали пластинку толщиной 100 или 220 мкм из латуни, поскольку она имеет низкие теплоемкость и теплопроводность, что важно для тепловизионной диагностики. Для увеличения
коэффициента излучения латуни задняя (от ионного пучка) сторона мишени покрывалась черной матовой краской (е = 0.90). Ресурс такой мишени превышает 104 импульсов м.и.п.
Тепловой отпечаток пучка регистрировали через выходное окно, расположенное на фланце диодной камеры (см. рис. 1). В качестве окна использовали плоскопараллельную пластину из фторида кальция (СаБ2). Спектр пропускания оптического окна был измерен и.к.-спектрометром Фурье №со1е1 5700. Фторид кальция имеет неполное пропускание в спектральном диапазоне 7—14 мкм, поэтому показания тепловизора, регистрирующего проходящий через СаБ2-окно тепловой поток, отличаются от действительных значений температуры мишени.
Перед исследованиями была выполнена калибровка диагностического оборудования. В латунную ванночку, внешняя сторона которой была покрыта черной матовой краской, наливали горячую воду. Ванночку устанавливали в диодную камеру на место мишени. Температуру воды измеряли тепловизором (через СаБ2-окно) и термопарой, помещенной в ванночку. Показания термопары также сверяли с показаниями ртутного термометра.
Для корректного определения спектра пропускания окна было выполнено 5 одинаковых измерений. Градуировочную кривую аппроксимировали линейной функцией, коэффициенты рассчитывали методом наименьших квадратов в программе Qrigin 7.5. Погрешность аппроксимации не превышала 5%. Полученную линейную
функцию использовали в дальнейшем для расчета плотности энергии м.и.п.
При угле обзора 25° и минимальном фокусном расстоянии 30 см для тепловизора Fluke TiR10 размер сканируемого объекта составит 12.7 см. Для матрицы тепловизора Fluke TiR10 140 х 160 пикселов пространственное разрешение составит 0.8—0.9 мм.
Количество энергии Q, Дж, выделяемое в мишени при облучении, будет равно
Q = cvmAT = cvSdpAT, где сч — удельная теплоемкость, S — площадь мишени, d — толщина мишени, р — плотность, АТ— нагрев мишени.
Тогда плотность энергии м.и.п. J(x, y), Дж/см2, можно определить по формуле
J(x, У) = Q = cvd pAT (x, y).
Обработку термограмм, регистрируемых тепловизором, проводили с помощью программы SmartView™. При минимальной паспортной температурной чувствительности 0.2°С тепловизора Fluke TiR10 минимальная плотность энергии для латунной мишени толщиной 0.2 мм (с учетом ослабления теплового потока в выходном окне) составляет 0.02 Дж/см2. Для повышения чувствительности тепловизионной диагностики можно использовать более тонкую фольгу или материал с меньшей теплоемкостью.
После нагрева мишени мощным ионным пучком была измерена тепловизором температура другой поверхности (см. рис. 1). Время т0.5, с, необходимое для повышения температуры тыльной (по отношению к м.и.п.) поверхности мишени на 50% от максимальной, можно рассчитать по соотношению [11]
т0.5 - '
0.14d
a
где ё, м — толщина мишени; а, м2/с — температуропроводность.
Для латунной мишени толщиной 220 мкм (температуропроводность латуни равна 3 • 10—5 м2/с) время прогрева по всей толщине не превышает 0.25 мс.
При работе ускорителя ТЕМП-4М формируется тормозное рентгеновское излучение, мощность поглощенной дозы которого превышает допустимую норму для обслуживающего персонала. Поэтому между моментами времени окончания генерации м.и.п. и начала измерения теплового поля на мишени существует задержка 2—3 с.
Для оценки погрешности методики из-за искажения профиля теплового поля при охлаждении один и тот же тепловой отпечаток м.и.п. на мишени был измерен через разные интервалы времени. Выполненные исследования динамики охлаждения латунной мишени толщиной 220 мкм после воздействия м.и.п. (с плотностью энергии
^2 Дж/см2) показали, что в течение 5 с ширина распределения температуры на полувысоте увеличивается на 16%. Максимальная задержка между генерацией импульса м.и.п. и измерением теплового отпечатка на мишени не превышает 3 с, поэтому погрешность тепловизионной методики из-за искажения профиля теплового поля при охлаждении латунной мишени не превышает 10%. При регистрации м.и.п. с плотностью энергии <1 Дж/см2 погрешность будет еще ниже.
Несмотря на снижение температуры в точке максимального нагрева, полная энергия теплового отпечатка, которую определяли по средней температуре, рассчитанной по программе SmartView™ для всей латунной мишени, оставалась постоянной и равнялась 95 ± 5 Дж. Это указывает на т
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.