Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Глава 1. Устройства для вывода в атмосферу сфокусированного пучка.
Обзор 15
Глава 2 Ускорители серии ЭЛВ 29
2.1. Ускорительные трубки ускорителей серии ЭЛВ 32
2.1.1. Ускорительные трубки с большой апертурой 33
2Л .2. Ускорительные трубки с магнитной фокусировкой
электронного пучка 36
2.2. Оптимизация параметров и характеристик пучка 41
Глава 3. Устройство для вывода в атмосферу сфокусированного
электронного пучка ускорителей серии ЭЛВ мощностью до 100 кВт 49
ЗЛ. Конструкция устройства 49
-
Динамика пучка в выпускном устройстве 57
-
Расчет параметров выпускного устройства 62
-
Рассеяние электронов пучка на газе 94
-
Термические эффекты пучка в выпускном устройстве 98
-
Эксплуатационные характеристики устройства 100
-
Основные результаты 103 Глава 4. Выпускное устройство для вывода в атмосферу пучка из
ускорителей электронов с большими пульсациями энергии и
мощностью до 500 кВт 104
-
Конструкция устройства 106
-
Основные результаты 120
Глава 5. Основные технологические применения сфокусированного
пучка ускорителей серии ЭЛВ 121
-
Взаимодействие электронов с веществом
-
Вневакуумная сварка стальных деталей 53. Закалка при помощи электронного пучка
-
Наплавка модифицирующих покрытий
-
Радиадионно-термические процессы в химии твердого
-
Получение ультрадисперсных материалов
-
Высокотемпературный газо-фазный синтез Заключение
Литература
Введение к работе
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 тешгосъема струей сжатого воздуха либо элементами опорной решетки плотность тока электронного пучка в со- временных выпускных устройствах не превышает 150-200 цА/см , 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/см2 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
6 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 1500С. 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 1200-3000С, требовали, в том числе и для сво- ей 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 107 Вт/см ), а мощность современных газовых С02 — 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 s 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 высо- кими пульсациями энергии, а также в проведении исследований по практическому использованию релятивистского сфокусированного электронного пучка.
Научная новизна состоит в следующем:
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.
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.
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.
Разработано оборудование и реализован метод получения ультрадисперсных порошков металлов, их оксидов, а также оксида кремния путем их прямого испарения из расплава.
Разработано и впервые реализовано устройство и впервые продемонстрирована возможность проведения высокотемпературного радиационно-стимулированного газофазного синтеза.
11 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:
Разработка и создание системы вывода в атмосферу сфокусированного электронного пучка мощностью до 100 кВт.
Оптимизация конструкции выпускного устройства, позволяющая получать максимальный перепад давления без увеличения производительности откачных средств.
Повышение надежности выпускного устройства.
Разработка и создание устройства для выпуска в атмосферу адиабатически сжатого электронного пучка ускорителя с большими пульсациями энергии мощностью до 0.5 МВт.
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.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения
Во введении обосновывается актуальность темы, цель и практическая ценность работы.
В первой главе приведен обзор современных устройств с выпуском сфокусированного пучка. Подавляющее большинство установок имеют энергию электронов до 150 кВ. Вследствие значительного рассеяния электронов пучка при высоких давлениях применение таких низкоэнергетичных установок ограничено использованием пучка в форвакуумных технологических камерах. Показано, что расширение области применения сфокусированных пучков связано с повышением энергии ускоренных электронов до величин порядка 1 МэВ и выше.
