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 одноили 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 °C. 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 фольгув 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 технологийразработка 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 технологияхпроведены 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 синтезуполученный 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.
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- Ткинетическая энергия ускоренных электронов, МэВг и, А — заряд и атомный номер элементов облучаемого веществап = 1,265 — 0,0954×1п 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.
