Лазерная дезактивация металлических поверхностей Мутин, Тимофей Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Лазерная очистка в различных отраслях промышленности 9

1.1 Обзор методов очистки поверхности 9

1.2 Обзор работ в области лазерной очистки 13

1.3 Некоторые применения лазерной очистки 19

1.4 Обзор работ по лазерной дезактивации 30

Глава 2 Физические основы лазерной дезактивации 34

2.1 Объект исследования 34

2.2 Явления, лежащие в основе лазерной очистки 36

2.3 Физика процесса поглощения лазерного излучения металлом 38

2.4 Эксперименты по определению параметров лазерной искры 41

2.5 Численное моделирование процесса лазерного разогрева поверхности 44

Глава 3 Исследование взаимосвязи параметров лазерной очистки со степенью дезактивации поверхности 47

3.1 Эксперименты с радиоактивными образцами 47

3.2 Методики измерений 50

3.3 Микроскопия поверхности, очищенной лазером 55

Глава 4 Разработка методов контроля и автоматизации процесса лазерной дезактивации 60

4.1 Метод ЛИЭС и его применение к задачам лазерной очистки 60

4.2 Эксперименты, подтверждающие применимость ЛИЭС 64

4.3 Система контроля качества очистки на основе ЛИЭС 76

Глава 5 Оптимизация параметров лазерного источника 77

5.1 Общие соображения выбора лазерного источника 77

5.2 Сравнение волоконных и твердотельных лазеров 80

Глава 6 Разработка экспериментального оборудования и технологии лазерной дезактивации 81

6.1 Принципиальные схемы установок для лазерной дезактивации 81

6.2 Системы сбора продуктов очистки 86

6.3 Применение результатов работы в промышленности 91

Заключение 97

Литература 98

• Обзор работ в области лазерной очистки
• Физика процесса поглощения лазерного излучения металлом
• Микроскопия поверхности, очищенной лазером
• Эксперименты, подтверждающие применимость ЛИЭС

Введение к работе

Актуальность работы

Современные ядерные энергетические установки требуют постоянного наблюдения и контроля процессов в «горячей» зоне, выполнения регулярных «регламентных» работ по продлению сроков эксплуатации энергоблоков (их очистке), а также грамотной и своевременной утилизации отработавших энергоблоков, что предполагает большие объемы работ, длительные ремонты и привлечение многочисленного персонала, задействованного на этих работах. Сказанное выше относится к атомной технике всех типов, однако каждый из перечисленных вопросов имеет преимущественные области применения. Проблема утилизации является первостепенной для атомных подводных лодок (АПЛ) и надводных кораблей (НК) с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ), которые, как любое техническое средство, имеют срок службы или ресурс, по окончании которого подлежат выводу из эксплуатации. Масштабность и длительность, сложность и капиталоемкость работ по утилизации АПЛ и НК с ЯЭУ, необходимость решения вопросов ядерной, радиационной и экологической безопасности делают проблему комплексной утилизации АПЛ и НК с ЯЭУ приоритетной задачей России. Одной из важных задач при решении проблемы утилизации ядерных и радиационно-опасных объектов является проведение их комплексной дезактивации с целью повторного использования в промышленности дорогостоящих сталей и сплавов после их очистки, а также снижения лучевых нагрузок на обслуживающий персонал. Другая задача, возникающая при штатной эксплуатации АЭС–проведение регламентных работ, связанных с очисткой узлов АЭС от разного рода наслоений. Одной из наиболее важных является проблема очистки внутренней поверхности трубчатых теплообменников от регулярных эксплуатационных отложений, которые значительно ухудшают передачу тепла, вызывая в конечном итоге существенный перерасход энергоносителей, при этом снижение КПД реактора может достигать 20%.

В настоящее время на атомных станциях накоплено большое количество отработанного оборудования, произведенного из дорогостоящих материалов. Это оборудование хранится в специально отведенных местах, при этом экологическое давление на окружающую среду и расходы на содержание мест захоронения (хранения) весьма значительны.

Для решения задачи очистки и дезактивации в атомной технике разработано большое количество способов очистки материалов от радиоактивных загрязнений (речь идёт об очистке и дезактивации поверхности, так что подразумевается, что загрязнение локализовано в приповерхностном слое, как это и имеет место на практике). В настоящее время наиболее распространенными являются химический и электрохимический методы дезактивации радиоактивно загрязненных поверхностей.

Практикуется очистка поверхности при помощи таких традиционных методов, как механическая обдирка поверхности, пескоструйная и водоструйная обработка. Существуют и более технологичные способы дезактивации, например, обработка специальными химическими реагентами, криогенная обработка, обработка струями частиц сухого льда и многие другие. Так, при очистке труб теплообменников применяются: метод химической очистки (степень очистки – до 20%), метод очистки электромагнитными импульсами на установках серии «Зевс» (степень очистки – до 30%), метод очистки высоконапорными установками серии «Хаммельманн» и «Атюмат» (ЗАО «Центр котлоочистка» г. Москва, степень очистки – до 50%), гидромеханический метод установками серии «КРОК» (обеспечивает высокую степень очистки, но снимается часть металла, что ведет к утоньшению стенки) и т.д. Все эти методы обладают многими недостатками. Наиболее общими из них являются образование и вторичный разнос большого количества жидких радиоактивных отходов или пыли, и необходимость присутствия персонала в рабочей зоне. Все они трудоемки, энергоемки, требуют большого количества дорогостоящих расходных материалов (растворы кислот, щелочей, поверхностно-активных веществ) и приводят к образованию значительного количества жидких радиоактивных отходов, хранение, переработка и утилизация которых требует огромных затрат. Очистка и дезактивация поверхности лазерными импульсами лишена всех этих недостатков и не вносит новых, а также обладает большим потенциалом дальнейшего совершенствования как в плане новых физических идей и технологий очистки и дезактивации, так и в отношении значительного усовершенствования оборудования.

Метод лазерной очистки и дезактивации призван облегчить решение перечисленных и многих подобных проблем в атомной технике.

Основными достоинствами лазерной очистки являются:

дистанционно управляемый процесс, минимизирующий радиационное воздействие на персонал,

отсутствие загрязнения окружающей среды благодаря эффективным средства сбора продуктов очистки,

удаление поверхностных радиационных загрязнений в твердой фазе без образования жидких радиоактивных отходов,

способность очистки и дезактивации деталей сложной геометрической формы, в том числе возможность очистки внутренних поверхностей деталей сложной формы (труб теплообменников и т.п.)

мобильность оборудования.

высокое качество и эффективность очистки.

Лазерная очистка представляет собой эффективный метод удаления частиц различных материалов и размеров, пленок и покрытий с поверхностей твердых тел. Проблемы очистки поверхностей от примесей и загрязняющих веществ в виде мелких частиц и пленок встают во многих областях человеческой деятельности: промышленности, строительстве, искусстве, медицине и т.п. Области применения лазерной очистки постоянно расширяются, причем ряд применений связан с возможностью проникновения лазерного излучения в вакуумированные объемы и вовнутрь сложных конструкций (например, очистка внутренней поверхности труб от коррозии).

Лазерная очистка - химически чистый и недорогой процесс, который позволяет удалять широкий спектр примесей, включая такие, которые не удаляются традиционными способами, в частности, глубоко внедренные частицы и «толстые» органические пленки. Нижний предел размера удаляемых частиц при лазерной очистке меньше 0.1 мкм. Некоторые задачи, связанные с очисткой, принципиально невозможно решить, не прибегая к лазерным методам, например, удаление некоторых видов загрязнений при реставрационных и дезактивационных работах.

Удаление загрязнений при лазерной очистке может осуществляться не только посредством испарения тонкого слоя основного материала, но и в доиспарительных режимах, в этих случаях термическое воздействие на подложку оказывается незначительным. Также практикуется лазерная очистка в щадящем режиме взрывного испарения смачивающей жидкости (влажная лазерная очистка), а также некоторые другие комбинированные режимы. Возможность изменения в широких пределах параметров облучения позволяет подбирать режим обработки индивидуально для каждого типа загрязнений и поверхности. К преимуществам лазерной очистки относятся также дистанционность, отсутствие механического повреждения поверхности и высокая производительность.

Проведенные исследования [1] показывают, что большая часть радиоактивных загрязнений сосредоточена в приповерхностном корродированном слое толщиной 100–300 мкм, который покрывает поверхности, имеющие непосредственный контакт с охлаждающим агентом, например, водой. Эта пленка главным образом состоит из продуктов коррозии, в состав которых входят оксиды металлов, кальций, а также некоторые другие элементы и радиоактивные включения. Образование пленок происходит при взаимодействии с охлаждающей жидкостью и осаждении радиоактивных продуктов в процессе коррозии.

Как правило, пленки формируют структуру с двумя слоями: плотный тонкий окисный слой, прилегающий к поверхности материала, и пористый внешний слой. Внешний слой имеет особое значение в формировании и накоплении радиоактивного загрязнения, так как обладает высокими абсорбционными свойствами. Кроме того, охлаждающий агент, проникая в поры поверхностного слоя, вымывает растворимые фракции и замещает их нерастворимыми. Показано, что пленка толщиной 150-200 мкм содержит с своем составе 90-95% радиоактивных продуктов от общего радиоактивного загрязнения материала [2]. Вследствие процессов диффузии некоторая часть радионуклидов из коррозионной пленки может проникнуть в решетку материала на глубину нескольких микрон. Таким образом, удаление только коррозионной пленки с металлической поверхности позволяет значительно уменьшить уровень радиоактивного загрязнения и сделать возможной переработку оборудования. Согласно имеющимся оценкам [3], 80-90% отработанного оборудования в ядерной промышленности имеет поверхностный характер загрязнения и может быть переработано после дезактивации поверхности.

Решение задачи по разработке новой перспективной технологии дезактивации позволит значительно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, уменьшить расходы на процедуры дезактивации и понизить опасность заболевания персонала.

Целью диссертационной работы является изучение процесса лазерной очистки, разработка промышленно применимой технологии дезактивации и рекомендаций по созданию установки для лазерной дезактивации.

Задачи исследования:

1. провести систематические экспериментальные и теоретические исследования процессов, имеющих место при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металла при параметрах, характерных для лазерной очистки;

2. на основе полученных данных создать методику инженерного расчёта технологических параметров процесса очистки;

3. провести исследования спектральных характеристик процесса лазерной очистки с целью создания методики определения степени очистки в режиме онлайн;

4. разработать метод и устройство сбора продуктов лазерной дезактивации;

5. обосновать выбор лазера и режим его работы для создания промышленной установки для дезактивации.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обработка радиационно-загрязнённой металлической поверхности лазерными импульсами длительностью порядка 100 нс на длине волны 1 мкм и с энергетическими параметрами, превышающими пороговые для испарения металла поверхности, приводит к существенному уменьшению радиационной активности поверхности.

2. Коэффициент дезактивации поверхности металла растёт с ростом суммарной поглощённой этой поверхностью лазерной энергии; при этом в экспериментах достигнут коэффициент дезактивации 95%.

3. Степень очистки металлической поверхности может быть определена в процессе обработки путём регистрации и анализа оптических спектров атомов, вылетающих с поверхности в процессе лазерной очистки.

Научная новизна работы:

1. Разработан принцип спектрального контроля параметров лазерной очистки, что в перспективе даст возможность автоматизировать этот процесс.

2. Впервые продемонстрирована корреляция между степенью дезактивации и интенсивностью спектральных линий элементов, специфичных для поверхностного слоя, выделенных из эмиссии лазерной искры непосредственно в процессе очистки.

3. Впервые продемонстрирована эффективность использования волоконных импульсных лазеров для очистки и дезактивации.

4. Предложен метод сбора продуктов лазерной очистки, основанный на использовании электростатического поля вместе с сорбирующей пленкой.

Практическая ценность

1. Разработаны методики и устройства сбора продуктов очистки

2. Разработаны действующие макеты установок для лазерной очистки на основе волоконных лазеров

3. Разработана технология лазерной очистки металлоконструкций от лакокрасочных покрытий

4. Разработана технология лазерной очистки металлопроката от окалины

5. Разработана технология лазерной очистки ступеней эскалатора

6. Разработана технология лазерной дезактивации радиоактивно загрязненных деталей

Реализация результатов работы

Работа частично выполнялась по государственному контракту П968 от 20.08.2009 «Физико–технические основы лазерных технологий и оборудования для очистки и дезактивации узлов атомных энергетических установок». Результаты работы использованы в деятельности ООО «НПП «Лазерные технологии», где создан ряд промышленных технологий очистки (очистка ступеней эскалатора, очистка специзделий от ЛКП, очистка металлопроката от окалины и др.), и в настоящее время завершается создание прототипа мобильного устройства для лазерной дезактивации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

6. 1. PALS’2011 (Санкт-Петербург)

   2. ALT’09 (Turkey)

   3. ХLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО

   4. FLAMN 2010 (Санкт-Петербург)

   Структура и объём диссертации

   Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Материалы изложены на 103 страницах, включая 58 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 89 наименований на 11 страницах.

   Личный вклад автора

   Все результаты, представленные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии.

   Обзор работ в области лазерной очистки

   Долгое время практически единственным методом дезактивации оставался способ ручной очистки с применением широкого спектра химических реагентов - от поверхностно-активных веществ до концентрированных кислот и щелочей. Данный способ, помимо низкой производительности и малой эффективности, несет угрозу здоровью персонала и окружающей среде. Кроме того, многие объекты, такие, как внутренние поверхности трубопроводов этим методом очистить практически невозможно. Быструю очистку ровных поверхностей могут обеспечить механизированные инструменты, но поверхности при этом повреждаются и быстро изнашиваются. Механическую очистку проводят с использованием вращающихся проволочных щеток, машин для зачистки абразивными шкурками, абразивных точильных камней, зачистных молотков с электрическим или пневматическим приводом, игольчатых пистолетов, шлифовальных кругов и т.п. Участки поверхности, недоступные для подобных инетрументов, должны подготавливаться вручную. Очистка механизированным инструментом эффективнее и производительнее очистки ручным инструментом, но по эффективности уступает абразивно-струйным методам, которые явились важным шагом в развитии технологий очистки поверхностей. Это методы пневмомеханической, термопескоструйной, влаго-пескоструйной и др. очистки. Абразивно-струйная очистка (бластинг) заключается в ударе абразивного потока с высокой кинетической энергией о подготавливаемую поверхность. Подача абразива осуществляется при помощи центробежной силы, сжатого воздуха или эжекции. В воздушно-абразивный поток допускается добавлять небольшое количество воды для устранения пыли. Несмотря на заметный рост производительности труда, данные методы не решают задачу в полном объеме, поскольку их существенными недостатками остаются преждевременный износ поверхностей, а также необходимость утилизации отработанногоабразива. Этих недостатков лишена технология гидродинамической очистки. Этот принцип основан на применении в качестве рабочего органа водяной струи, которая под высоким давлением подается в рабочую зону через специальные насадки. Несмотря на то, что этот метод очистки поверхностей является самым быстрым, он подходит не для всех поверхностей. Вода способствует появлению очагов коррозии, что усложняет процесс окраски или нанесения других покрытий на детали объекта. Более того, водоструйная обработка производственного оборудования может вызвать различные проблемы в электрических системах.

   Наряду с другими методами очистки также применяется ультразвуковая (УЗ) очистка. Основную роль при воздействии ультразвука на вещества и процессы в жидкостях играет кавитация. В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут играть различные проявления кавитации, такие как микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, ее газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений, конструкции и виду очищаемых деталей. Разновидностью УЗ очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие ультразвука совмещается с действием сильных химических реагентов. Диапазон масштабов используемого оборудования ультразвуковой очистки очень широк: от малых настольных модулей до огромных систем с объемами в несколько тысяч литров в ряде промышленных применений. Хотя должным образом используемая ультразвуковая технология и обеспечивает большую скорость и высокое качество очистки поверхности, она обладает рядом недостатков. Так, ультразвуковая очистка требует наличия ванны с очищающей жидкостью, что делает такой метод неприменимым, например, для очистки крупных памятников или больших поверхностей котлов. Помимо дезактивации и очистки радиоактивно загрязненных поверхностей, сходные методы очистки применяются и в других отраслях промышленности, как в машиностроении, так и в микроэлектронике (и даже в искусстве при очистке и реставрации предметов культуры и искусства и в медицине - обеззараживание и т.п.). По механизму протекания процессов все методы очистки классифицируют на физические и химические, а по применяемым средствам - на жидкостные и сухие. Жидкостные методы включают обезжиривание и травление. Очистка, при которой удаляется приповерхностный слой пластины или подложки, называется травлением. Процесс удаления жировых загрязнений, сопровождаемый переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием. Физическое обезжиривание основано на отрыве молекул жира от поверхности при ее взаимодействии с органическими растворителями. Несмотря на высокую эффективность очистки в органических растворителях, технология такого обезжиривания связана с определенными трудностями: многократная очистка, большой расход, высокая стоимость и токсичность большинства растворителей. Процесс травления пластин и подложек состоит в растворении их поверхности при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами (щелочами, кислотами, их смесями и солями). В результате удаляются приповерхностный слой и имеющиеся на поверхности загрязнения. Сухие способы включают в себя термообработку и травление. Сущность термообработки состоит в нагреве пластины или подложки до температуры, при которой происходят удаление адеорбированных поверхностью загрязнений, разложение поверхностных загрязнений и испарение летучих соединений. Эффективность очистки зависит от температуры, максимальное значение которой ограничено температурой плавления очищаемых материалов и процессами диффузии примесей. Сухое травление подразделяется на: газовое, ионное и плазмохимичеекое. В процесее газового травления загрязнения удаляются вместе со стравливаемым приповерхностным слоем пластин, образованном вследствие взаимодействия материала пластины с газообразными веществами. Ионное травление - процесс удаления загрязнений вместе с распыляемым в вакууме поверхностным слоем обрабатываемой поверхности при ее бомбардировке ускоренными ионами инертного газа. В отличие от ионного плазмохимическое травление основано на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала при бомбардировке поверхности пластин или подложек. В результате химических реакций образуются летучие соединения. При больших объемах производства традиционные технологии очистки создают серьезные кологические проблемы, связанные с утилизацией больших объемов химических реагентов и абразива.

   Таким образом, на данный момент в мире разработано большое количество способов очистки материалов от радиоактивных загрязнений. Например, практикуется очистка поверхности при помощи таких традиционных методов, как механическая обдирка поверхности, пескоструйная и водоструйная обработка. Существуют и более технологичные способы дезактивации, например, обработка специальными химическими реагентами, криогенная обработка, обработка струями частиц сухого льда и многие другие. Все эти методы имеют определённые недостатки, которых лишена дезактивация короткими лазерными импульсами. Наиболее часто используемые методы - это химические и электрохимические [31]. Их недостаток - большое количество жидких радиоактивных отходов. Например, в течение химической дезактивации элементов ядерного контура реактора типа РБМК было произведено 6000 м3 жидких радиоактивных отходов. Их переработка включала 3 уровня мер для обеспечения лучевой и экологической безопасности, что требует больших временных и финансовых затрат.

   Физика процесса поглощения лазерного излучения металлом

   Процесс поглощения лазерного излучения поверхностью металла широко изучен как теоретически, так и экспериментально. В ПК- и видимой области оптического диапазона металлы хорошо отражают падающее излучение ( на это указывает, в частности, характерный металлический блеск). Это объясняется высокой концентрацией в металле свободных электронов (1022 - 1023 см"3), которые в процессе рассеяния света формируют сильно отраженную волну. Поглощение фотонов непосредственно электронами проводимости возможно только при одновременных столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки, фононами, различного рода примесями, друг с другом, поверхностью металл, границами зерен. (Это следует из материала главы 8). Формирование из рассеянного света отраженной волны происходит вблизи поверхности в тонком скин-слое толщиной около 1мкм, в котором затухает проникающее в металл излучение. В результате указанной роли свободных электронов оптические и электрические свойства металлов оказываются взаимосвязанными: чем больше статическая проводимость металла, тем сильнее он отражает свет. Отклонения возникают при низких температурах и на высоких частотах (начиная с видимой области спектра и выше), когда важную роль играют квантовые эффекты, связанные, в частности, с межзонными переходами. В ультрафиолетовом и более коротковолновом диапазонах с излучением взаимодействуют электроны внутренних оболочек атомов, например, в рентгеновской области спектра металлы уже не отличаются от диэлектриков по оптическим свойствам.

   Теорию взаимодействия излучения с металлами несложно построить, если в уравнениях Максвелла для диэлектриков заменить диэлектрическую проницаемость комплексной диэлектрической проницаемостью, получив в результате уравнения для проводящих сред. В комплексной форме можно представить и волновое число. Известно, что в диэлектрической среде между волновым числом, частотой и диэлектрической проницаемостью существует дисперсионное соотношение

   Для проводящей среды волновое число следует заменить комплексным волновым числом k1(m)=m2Efi-mcm = im)-isf в вышеприведенных формулах а - проводимость среды, связывающая плотность тока j с напряженностью электрического поля Е ( j = а Е ), , ц - относительные соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, ст - скорость света в среде, с - скорость света в вакууме. Мнимая часть комплексного волнового числа описывает затухание волны в проводнике. Разделяя действительные и мнимые части комплексного волнового числа, получим ,где те2 і тєь у характеризует частоту столкновения электронов с кристаллической решеткой или частоту релаксации электронов проводимости (К - плотность электронов), Шр плазменная частота, которая играет для плазмы роль собственной частоты; она характеризует не отдельные частицы (их собственные частоты можно приравнять нулю), а весь коллектив заряженных частиц, из которых состоит плазма.

   Для меди проводимость примерно равно 5,14-Ю7 Ом"1»!"1. Для световых волн (длина волны 0.4 - 0.8 мкм) глубина проникновения составляет 3 нм, т.е. говорить о распространении света в проводнике не имеет смысла. Однако уже для радиоволн (длина волны 10 м) глубина проникновения составляет около 2,5 мм. Используя эти оценки, легко определить те толщины листового металла, которые необходимы для экранирования соответствующих длин электромагнитных волн. Отметим, что электромагнитные волны, особенно низкочастотные, хорошо отражаются от металлов. Это отражение, как ни странно, физически связано с затуханием электромагнитной волны в тонком поверхностном слое металла. Волна затухает в металле на глубине порядка 5, поэтому она не успевает передать значительную часть своей энергии свободным электронам и почти полностью отражается. Интересно отметить, что и фазовая скорость в проводящей среде уменьшается. Следовательно, фазовая скорость электромагнитной волны в проводнике меньше, чем в непроводящей среде с тем же значением (при одинаковых магнитных проницаемостях), т.е наличие в среде проводимости уменьшает фазовую скорость. Длина волны в проводящей среде уменьшается по сравнению с длиной волны в непроводящей среде с теми же значениями диэлектрической и магнитной проницаемостями.

   В задачах лазерной очистки поверхности металла, как правило, используется лазерное излучение с длиной волны, обеспечивающей его поверхностное поглощение. Базовой задачей рассмотрения вопроса является нулевое одномерное приближение -лазерный импульс с известной зависимостью плотности мощности от времени (форма импульса), падая перпендикулярно на плоскую однородную поверхность с известными параметрами, поглощается в тонком приповерхностном слое. При этом происходит теплоперенос внутрь толщи материала, описываемый уравнением теплопроводности. Глубина проникновения температурного возмущения за время действия импульса оценивается формулой flf, где а - температуропроводность металла, а х -длительность импульса. По мере разогрева поверхности возникает расплав, затем начинается испарение материала с его истеканием навстречу лазерному потоку. При дальнейшем нагреве происходит частичная ионизация испарённого металла и его оптический пробой - в типичных для лазерной очистки сочетаниях параметров этого не происходит, да и не нужно, ибо это есть перерасход энергии. Обычно очистка металлической поверхности от коррозионного слоя или лакокрасочного покрытия происходит посредством сноса покрывающего слоя струей паров металла - лазернШ: факелом.

   Для уточнения существующих моделей процесса лазерной очистки и областей их применимости был проведён ряд экспериментов на созданном в рамках работы по госконтракту П639 исследовательском стенде (см. рис.12). Этот стенд представляет собой комплекс экспериментального оборудования для изучения различных аспектов взаимодействия лазерного излучения с веществом при лазерной очистке. Основные направления исследований, для которых предназначен настоящий стенд, следующие: - методологические исследования качества очистки; - исследование оптических, в том числе спектральных, характеристик лазерного факела; - оптико-акустические (ультразвуковые) исследования механических характеристик взаимодействия.

   Микроскопия поверхности, очищенной лазером

   При разработке промышленной установки для лазерной дезактивации необходимо по возможности обеспечить удалённость личного состава от радиационно-загрязнённых объектов с целью уменьшения дозовой нагрузки на персонал. Это обстоятельство накладывает жёсткие ограничения на возможную конструкцию такой установки. В частности, необходимо автоматизировать операции, требующие внимания и активности человека. Одной из таких операций является контроль качества очистки. Контроль степени очистки радиометрическими методами либо невозможен технически, либо требует недопустимо больших затрат времени, и в любом случае подвержен ошибкам из-за невозможности отделить степень загрязнённости обрабатываемой поверхности от влияния общего фона объекта. Визуальный контроль качества очистки - это как раз та операция, которой хотелось бы избежать. Кроме того, поверхности, подлежащие очистке, могут быть неоднородными, иметь сложную форму, нести на себе коррозионные слои различной толщины. Различные участки поверхности могут требовать различной плотности энергии для достижения необходимой степени очистки. Таким образом, есть потребность в автоматизированном методе контроля качества очистки.

   Спектроскопический метод контроля качества очистки, предлагаемый в данном исследовании, даёт возможность в режиме реального времени контролировать степень загрязнённости поверхности без участия оператора. Этот метод заключается в сборе спектральной информации из области взаимодействия лазерного излучения с веществом и обработке её посредством применения аналитического фильтра, выделяющего группы линий выбранных химических элементов. Обработка такого рода не требует больших вычислительных мощностей и может быть осуществлена без помощи персонального компьютера. Далее логический блок системы контроля качества очистки на основе выходных данных аналитического фильтра должен сформировать для управляющего контроллера команду - достаточно ли очищен данный участок поверхности. В дальнейшем этот принцип может лечь в основу создания автоматических систем контроля степени очистки в составе промышленных установок для лазерной дезактивации.

   Процесс лазерной очистки состоит в удалении поверхностных загрязнений путем их перевода в газообразную или пылевую фракцию за счет локального лазерного нагрева. При взаимодействии лазерного излучения (с параметрами, характерными для процесса лазерной очистки) с металлом тонкий поверхностный слой быстро разогревается и возникает приповерхностная сопутствующая плазма, излучающая свет. Спектр излучаемого света несёт информацию о химическом составе поверхности.

   Заметим, что на спектральном анализе испаряемых с поверхности объекта атомов основан метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии [5,6] (ЛИЭС, в зарубежной литературе LIBS) сущность которого состоит в возбуждении лазерной плазмы, последующей регистрации спектров ее излучения и их анализе.

   Согласно простейшей модели строения атома Бора, электроны можно представить расположенными на четко определенных («разрешенных») орбитах вокруг ядра атома. При этом они могут дискретно переходить с орбиты на орбиту, излучая или поглощая порции энергии, и это явление называется квантовым скачком. Если электрон переходит на более низкую орбиту, он теряет квант энергии и излучает квант света— фотон, который характеризуется строго определенной длиной волны, зависящей от потери энергии при квантовом скачке. Излучаемые таким образом фотоны мы воспринимаем как свечение совершенно определенного цвета — раскаленная медная проволока, например, светится синим. Для перехода на более высокую орбиту электрону, наоборот, требуется дополнительная энергия, и обычно он поглощает ее также в виде фотонов с определенной длиной волны.

   Такое взаимодействие между светом и атомами вещества легло в основу важной отрасли экспериментально-прикладной науки, которая называется спектроскопия, или спектральный анализ. Поскольку ядра атомов различных элементов содержат различное число протонов, электроны в этих атомах располагаются на отличающихся друг от друга разрешенных орбитах (или, если придерживаться современной, более еложной картины строения атома,— орбиталях, определяющих вероятность нахождения электрона в определенной области, а не его точное местонахождение). Это означает, что в атомах различных химических элементов энергии квантовых скачков между разрешенными орбиталями отличаются, и они будут излучать свет с различными длинами волн. Так, в видимом спектре излучения натрия наблюдаются лишь две близко расположенные линии в желтой части спектра (вот почему уличные натриевые лампы дневного света можно узнать по характерному желтоватому свечению), а у ртути спектральные линии приходятся на сине-голубую область (соответственно, если лампа уличного освещения светится голубоватым светом, значит это ртутная лампа).

   Простой, казалось бы, факт, что мы можем судить об атомном составе вещества по длине волн излучаемого им света, дал начало целой отрасли экспериментальных и прикладных исследований — спектроскопии. Набор линий в спектре каждого химического элемента уникален. Далее, если атом ионизирован, этот набор спектральных линий смещается и образует новую характерную серию в спектре. Таким образом, обнаружив серию спектральных линий (или набор излучаемых частот, что, по сути, то же самое) изучаемого тела или вещества (например, при накаливании неизвестного материала неизвестного нам химического состава в пламени горелки Бунзена), мы можем с уверенностью судить о присутствии или отсутствии соответствующих химических элементов в составе исследуемого материала.

   Это основа так называемой эмиссионной спектроскопии. Сравнивая интенсивность излучения спектральных линий, характерных для различных элементов, мы можем рассчитать их количественное соотношение в веществе и определить его химический состав. Благодаря этому нам даже не надо иеследовать вещество в химической лаборатории, и мы можем судить о химическом составе светящихся объектов, например звезд и галактик, находящихся на колоссальном удалении от них.

   Эмиссионный спектр низкотемпературной плазмы лазерного факела содержит информацию о её химическом составе, а также о многих параметрах плазмы, таких, как температура, плотность и т.д. Основной целью настоящего исследования является установление зависимостей химического состава лазерного факела от степени чистоты поверхности. Эти зависимости должны стать основой для построения методологии определения качества лазерной очистки и, впоследствии, для создания автоматических систем контроля качества очистки. Операция очистки металлов и сплавов от окисных пленок перед их исследованием применяется в практике лазерной эмиссионной спектроскопии для получения «чистых» спектров, не содержащих молекулярных полос оксидов, наличие которых затрудняет диагностику материала [6]. Мишень предварительно облучают несколькими импульсами или десятками импульсов (например, в случае алюминия) до исчезновения соответствующих линий оксидов в эмиссионном спектре. В случае лазерной очистки металлических поверхностей от коррозии интенсивность линий кислорода, содержащегося в связанном состоянии в самом окисле, может являться критерием для определения степени чистоты, а также полезным сигналом в схеме системы on-line контроля самого процесса очистки, что было показано и методологически обосновано авторами данной работы [8]. Трудность выявления информативных линий кислорода связана с тем, что в процессе лазерной очистки на границе плазмы и окружающей среды могут возбуждаться ионы атмосферного кислорода, интенсивность линий которых может не уменьшаться, как в случае связанного кислорода, а наоборот, возрастать. Например, при изменении влажности в помещении меняется концентрация молекул кислорода, что может привести к появлению дополнительных линий ионов кислорода в спектре, не являющихся полезным сигналом для диагностики лазерной очистки. Таким образом, целью данной части работы являлся анализ и выявление нужных линий кислорода в эмиссионном спектре, возникающих при лазерной очистке металлических поверхностей от коррозии, а не при оптическом пробое на границе лазерного факела с воздухом.

   Переход от эмиссионного спектра к химическому составу излучающего вещества -методологически сложная цепь умозаключений, составляющих существенную часть атомной физики, которая в силу своего объёма не может быть здесь приведена. Для логического перехода от спектра к химсоставу необходимо на основе экспериментальных данных построить модель источника излучения. Данная модель даёт возможность по существующим методикам рассчитать зависимости между относительными интенсивностями спектральных линий и содержанием химических элементов, эти линии излучающих. Для построения модели источника излучения необходимо знать геометрию источника излучения, его динамику, температуру, плотность, приблизительный химический состав. Эти данные были получены при помощи фотографических и спектроскопических измерений.

   Эксперименты, подтверждающие применимость ЛИЭС

   Установка состоит из рамы, включающей узел для крепления сканирующего устройства ПЛТУ-50И, узла для позиционирования обрабатываемого объекта, устройства для смены каесет с адсорбирующей плёнкой, устройства позиционирования электростатической сетки. Целью экспериментов с использованием данной установки является изучение режимов очистки и режимов сбора продуктов очистки на адсорбирующую плёнку. Продукты очистки оседают на сетку, притягиваясь к плёнке под воздействием электрического поля, создаваемого электростатической сеткой. Варьируемыми параметрами эксперимента при этом являются: расстояние от поверхности до точки фокуса лазерного излучения, расстояния между поверхностью и плёнкой и между плёнкой и электростатической сеткой, а также параметры лазерного излучения, тип и состав адсорбирующей плёнки.

   Подана заявка на патентование изобретения. В предложенном к патентованию способе в области между прозрачной пленкой и обрабатываемой поверхностью создается постоянное электрическое поле. Осуществляется сканирование пучком лазерного излучения по загрязненной поверхности объекта через пленочный материал, который прозрачен для лазерного излучения. При этом радиоактивно зараженная пленка на обрабатываемой поверхности испаряется и образующаяся плазма, состоящая из ионизированных положительно заряженных частиц и электронов, движется от обрабатываемой поверхности. В процессе движения частицы сталкиваются друг с другом и часть частиц после столкновения приобретает импульс движения по направлению к обрабатываемой поверхности. В постоянном электрическом поле частицы приобретают дополнительный импульс движения. Для направления частиц, движущихся к обрабатываемой поверхности после столкновения, в сторону прозрачной адсорбирующей пленки необходимо, чтобы энергия Ае, сообщаемая положительно заряженной частице в электрическом поле, превышала кинетическую энергию частицы Ак, движущейся после столкновения по направлению к обрабатываемой поверхности. Энергия Ае определяется зарядом частицы ц, напряженностью электрического поля в промежутке между обрабатываемой поверхностью и прозрачной адсорбирующей пленкой Е и расстоянием между обрабатываемой поверхностью и прозрачной адсорбирующей пленкой й: Ае = q Е а.

   При этом напряженность электрического поля в промежутке между обрабатываемой поверхностью и прозрачной адсорбирующей пленкой Е при заземлении объекта обработки определяется величиной напряжения на электроде П: и Е=—ГТЇ V є) где Е - расстояние между обрабатываемой поверхностью и электродом, Ь - толщина прозрачной адсорбирующей пленки, е - диэлектрическая постоянная пленки. Для Е«Ь Е примерно равно и / Е.

   Кинетическая энергия частицы Ак = mv2 / 2, где т - масса частицы, у - скорость ее движения. Таким образом, напряжение на сетке должно быть отрицательным по знаку и по величине соответствующим. и -—. 2 d Для практически всех частиц скорость движения не превышает десятикратного значения наиболее вероятной скорости /2JHT %=4— ц Ж где к - постоянная Больцмана, Т - температура частицы, т - масса частицы. Таким образом, величина напряжения на электроде превышает тт кТ Ь Ь f d Для однократно ионизованных чаетиц при температуре Т=3300 К при расстоянии между обрабатываемой поверхностью и прозрачной адсорбирующей пленкой 6=10 мм и расстоянии между обрабатываемой поверхностью и электродом Т=15 мм величина напряжения на сетке превышает 900 В. После окончания сканирования лазерным излучением по всей поверхности обрабатываемого объекта, пленочный материал с осевшей на него радиоактивной пленкой удаляют из зоны обработки и помещают, например, в контейнер. Технологически целесообразно использовать в качестве электрода металлическую сетку. Экспериментально установлено, что при размере ячеек сетки, превышающих расстояние между сеткой и обрабатываемой поверхностью, количество собранных на пленочном материале отходов начинает снижаться за счет того, что электрическое поле между сеткой и обрабатываемой поверхностью становится существенно неоднородным и часть частиц возвращается на обрабатываемую поверхность. Для воздействия на все продукты разрушения радиоактивно зараженной пленки электрическое поле должно быть равномерно, поэтому размер ячейки сетки не должен превышать расстояние между сеткой и обрабатываемой поверхностью.

   При участии автора коллективом НИИ «Лазерные технологии» под руководством Смирнова В.Н. был проведен значительный комплекс работ по практическому применению методов лазерной очистки. Результаты некоторых из них кратко приводятея в данном разделе

   Процеес производства тепловой и электрической энергии невозможен без использования теплообменного оборудования. Поэтому любая неполадка, выход из строя теплообменников грозит полной парализацией налаженного процееса жизнеобеспечения населения, авариями в промышленности и, следовательно, миллиардными убытками. Основой конструкции теплообменников является теплопередающая стенка, которая у современных теплообменников при площади в сотни тысяч квадратных метров может достигать толщины всего 0,5 ... 0,6 мм. Столь большая и тонкая мембрана очень ненадежна. Поэтому заботиться об её работоспособности надо начинать сразу после пуска теплообменника.

   Снимок участков очищенной внутренней поверхности теплообменной трубки из сплава МНЖ 5-1 блока мощностью 1000 МВт с единичными коррозионными поражениями. Указанные факторы обуславливают потребность в надёжной, производительной и недорогой технологии очистки внутренней поверхности труб теплообмеников. Предварительные эксперименты по лазерной очистке дают возможность утверждать, что такая технология может быть разработана при помощи лазерных методов. С участием автора создан экспериментальный стенд для отработки лазерной очистки внутренней поверхности труб. Выполнены пробные очистки. Результаты положительные. На рис. 51 изображена принципиальная схема обработки внутренней поверхности трубы лазерным излучением. Способ очистки даёт производительность до 10 кв.м, в час.