Установки электронно-лучевого нагрева

В настоящее время во всем мире ни одна отрасль промышленности, связанная с получением соединений и обработкой материалов, не обходится без электронно-лучевого нагрева. Это можно объяснить характерными преимуществами метода, главными из которых являются возможность концентрации энергии от 10³ до 5*10⁸ Вт/см², т.е. во всем диапазоне термического воздействия, ведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту обрабатываемого материала, а также возможность полной автоматизации процесса.

Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия, сформированного в вакууме тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного), превращается в тепловую в зоне обработки.

При электронно-лучевой сварке благодаря высокой концентрации энергии в сварочной зоне сварочный шов представляет собой вытянутый клин с большим отношением длины зоны расплавления к ее ширине.

В общем случае глубина проплавления электронным лучом может превышать ширину шва более чем в 20 раз («кинжальное проплавление»). Глубина проплавления также зависит от скорости сварки и от температуры предварительного прогрева свариваемого металла.

Испарение в вакуумематериалов при нагреве их электронным лучом широко используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или высокотемпературный нагревательный элемент, при электронно-лучевом испарении осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого материала.

С помощью размерной обработкизаготовки электронным лучом в ней получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров или заданный контур. Размерная обработка основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки.

Модификация поверхностных слоев материалов мощным импульсным электронным пучком. При воздействии мощного импульсного электронного пучка на материал его по­верхностный слой, толщиной, равной пример­но глубине пробега электронов в данном мате­риале, быстро нагревается до температуры фа­зовых переходов (плавление, испарение, аустенитное превращение).

Эти изменения ведут к повышению мик­ротвердости, коррозионной стойкости, износо­стойкости поверхности материалов и динами­ческой прочности изделия, а также к умень­шению коэффициента трения.

Скорости нагрева и охлаждения зависят от свойств материала и параметров пучка. Ско­рость нагрева может достигать 10⁸-10¹¹ град/с. Максимальная скорость охлаждения (10⁷ - 10⁹ град/с) достигается при так называемом адиа­батическом режиме облучения, при котором энергия, вносимая пучком в материал, в тече­ние длительности импульса остается в преде­лах поверхностного слоя, то есть не переносит­ся в глубину материала теплопроводностью.

При таких параметрах пучка толщина модифицированного слоя составляет десятки (до ста) микрометров. Для некоторых материалов принципиально возможна толщина модифици­рованного слоя 0,8-1,0 мм.

Результаты показывают, что микротвер­дость повышается в зависимости от марки стали от 2 до 5 раз. Воздействие импульсным электрон­ным пучком повышает на 30-40 % микротвер­дость сталей, предварительно упрочненных тра­диционными методами.

Принципиальное отличие радиационной технологии (РТ) от традиционных методов об­работки тепловым воздействием состоит в том, что энергия излучения расходуется в основ­ном на создание в облучаемом веществе заря­женных частиц, инициирующих последующие реакции, а не на возбуждение колебаний кри­сталлической решетки вещества. Поэтому, как правило, радиационная обработка оказывает­ся менее энергоемкой. Объем продукции, еже­годно выпускаемой в мире с использованием РТ, измеряется десятками миллиардов долла­ров и постоянно увеличивается. Однако доля этой продукции в общем объеме производства соответствующих отраслей промышленности все еще мала.

Радиационные технологии широко при­меняют для обработки полимеров в целях улуч­шения их качества или придания им новых свойств. Например, при радиационной моди­фикации полиэтилена в нем образуются попе­речные межмолекулярные связи. При этом зна­чительно повышается прочность и термостой­кость облученных изделий. Провода и кабели с такой изоляцией могут эксплуатироваться при более высоких температурах и токовых нагруз­ках. Радиационно-модифицированные полиэти­леновые трубки и пленки, растянутые в на­гретом состоянии, а затем охлажденные обла­дают "эффектом памяти". При повторном на­гревании они приобретают прежние размеры. Их широко используют для соединения прово­дов и кабелей, деталей радиоэлектронной ап­паратуры, для упаковки промышленных из­делий и продуктов питания.

Радиационная обработка натуральных и синтетических каучуков вызывает образование поперечных межмолекулярных связей, превра­щающих каучук в резину, как и при традици­онной вулканизации. Но при радиационной вул­канизации не применяется сера и нет высоко­температурного нагрева. Энергопотребление для реализации процесса вулканизации умень­шается в 10 и более раз.

Радиационная полимеризация компози­ций, состоящих из полиэфирных смол и моно­меров, позволяет получать декоративные и за­щитные высококачественные покрытия на ме­таллических и деревянных поверхностях, а так­же на изделиях из пластмасс с невысокой теп­лостойкостью. При этом не используются раство­рители, загрязняющие окружающую среду и создающие взрыво- и пожароопасные ситуации. Процесс радиационного отверждения покрытий длится несколько секунд, а энергозатраты уменьшаются в несколько раз.

Радиационно-химическая обработка тек­стильных материалов придает им антимикробные свойства, повышает гигроскопичность. уменьшает усадку, улучшает несминаемость.

В последние годы перспективным направ­лением развития радиационной технологии яв­ляется создание установок для обработки мощ­ными электронными пучками жидких п газооб­разных отходов промышленных производств в целях утилизации отходов и предотвращения загрязнения окружающей среды.

В радиационном центре НПП "Корад" об­лучались полиэтиленовые изоляторы для вы­соковольтных линий электропередач и контак­тных линий электротранспорта. После облуче­ния дозой 150-200 кГр повышается их прочность и термостойкость (до 130 °С). В Москве почти все линии электротранспорта переведены на эти изоляторы. Они поставлялись и на экспорт (в Чехию, Польшу, Эстонию).

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ "Новые технологии для решения междисциплинарных исследовательских и технологических задач".Г.Кулипанов, член-корреспондент РАН В последние десятилетия ускорители заряженных частиц нашли много применений в областях, далеких от физики высоких энергий и ядерной физики, для которых они первоначально развивались и создавались. Строительство источников синхротронного излучения, лазеров на свободных электронах, ускорителей на средние (~ ГэВ) и малые (~ МэВ) энергии не только для медицинских, исследовательских и технологических центров, но также для промышленного применения, образует сейчас мировой рынок на сумму около двух миллиардов долларов в год. Более 70% всех ускорителей во всем мире применяются для радиационно-химических технологий, используемых при производстве кабельной продукции с термостойкой изоляцией, полимерных труб горячего водоснабжения, термоусаживаемых труб, манжетов и пленок, хладостойких полимеров, полимерных рулонных композитных материалов. Далее докладчик продемонстрировал схему очистки сточной воды с помощью ускорителя электронов, динамику восстановления загрязненной территории подземных вод города Воронеж в процессе эксплуатации системы очистки сточных вод, закачанных в подземную линзу в послевоенное время. Работа по очистке осуществлялась с помощью трех промышленных ускорителей электронов, изготовленных в ИЯФ СО РАН и работавших в г.Воронеж с 1985 по 2000 год. Электронные ускорители успешно используются для процесса сухой, низкотемпературной, экологически чистой стерилизации лекарств и медицинского инструмента, продуктов питания (мясо, морепродукты, овощи, фрукты, зерно). Можно привести много примеров использования ИЯФовских ускорителей для дезинсекции зерна (портовый элеватор в г.Одесса), стерилизации разового медицинского инструментария (г.Ижевск), "электронной пастеризации" мяса (США). Отсутствие в течение последних десяти лет целенаправленной государственной политики по развитию радиационных технологий, существенное ослабление отраслевой науки заставляет институты СО РАН более активно участвовать в работах по созданию новых технологий, основанных на использовании электронных ускорителей, практической реализации этих технологий, созданию российского (в первую очередь — новосибирского) рынка использования электронно-лучевых технологий.

Синхротронное излучение

Уникальные свойства синхротронного излучения (широкий спектральный диапазон, большая мощность, высокая яркость источников, естественная поляризация излучения) объясняют большой интерес к его использованию для решения фундаментальных и прикладных задач.

Центры синхротронного излучения, число которых сейчас во всем мире более 60, судя по публикациям в журналах "Science" и "Nature", являются в последние годы одним из основных поставщиков новой научной информации в биологии, физике поверхности, физике твердого тела, материаловедении. Центры синхротронного излучения обеспечивают и различные прикладные исследования, а также являются базой для разработки новых уникальных технологий.

Сибирский центр синхротронного излучения, созданный более 20 лет назад, сейчас конечно уже не входит в первую десятку самых лучших Центров синхротронного излучения в мире. Однако по-прежнему много групп не только из институтов Сибирского отделения, но и из других городов России и зарубежных стран работает в Сибирском центре. Ежегодно публикуется более 200 работ на основании исследований, проведенных в нашем Центре. Среди них много пионерских работ, сделанных впервые в мире, и мы по ряду направлений удерживаем приоритет. В сообщении академика В.Титова подробно рассказано об исследовании ударно-волновых и детонационных процессов — синхротронное излучение и современная аппаратура детектирования позволяют исследовать процессы с разрешением в миллиардную долю секунды.

Интересны результаты из другой области — исследования палеоклимата, проведенные с помощью синхротронного излучения группой Лимнологического института и ИЯФ. Изменения климата на Земле изучаются по изменению концентрации микроэлементов в донных осадках озер. Станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа "Байкал", на которой производились измерения донных осадков — одна из двенадцати экспериментальных станций Сибирского центра синхротронного излучения. В донных осадках озера Телецкое в период с 1400 по 1650 годы наблюдается синхронное изменение концентрации нескольких элементов с периодом примерно в 9.4 года, который легко находится из Фурье-анализа спектров. Такой же Фурье-анализ сделан для изменения концентрации микроэлементов в донных осадках озера Байкал, но уже в масштабе миллиона лет. Оказалось, периоды изменения концентраций элементов соответствуют изменениям климата на Земле, с периодом 19, 23, 41, 72 и 96 тысяч лет. Общим в результатах исследования донных осадков озера Телецкое и озера Байкал является то, что эти периоды легко вычисляются и давным-давно были рассчитаны. Периоды в десятки тысяч лет являются так называемыми периодами Миланковича, которые определяют изменение параметров орбиты Земли вокруг Солнца благодаря гравитационному взаимодействию планет Солнечной системы. А период в 9,45 года также находится при решении задачи изменения амплитуды приливных океанских волн при учете взаимодействия не только Луны и Земли, но и Солнца. Это очень важные экспериментальные результаты, показывающие, что заметные изменения климата на Земле объясняются простыми физическими эффектами, а не непонятными словами о влиянии деятельности человека на климат.

Синхротронное излучение во многих Центрах, в том числе и у нас, используется и для разработки технологий. Технологические возможности использования синхротронного излучения, реализуемые сейчас, довольно широки: изготовление микроэлектромеханических систем (MEMs) с помощью LIGA-технологий; белковая кристаллография для фармацевтической промышленности; структурный и химически анализ для создания новых материалов; медицинская диагностика и терапия.

Под эти технологии строятся специальные источники синхротронного излучения (СИ), в России это источник СИ "Сибирь-2" в Курчатовском центре и накопитель в Зеленограде, которые создавались и создаются Институтом ядерной физики им. Г.И.Будкера.

Для развития LIGA-технологии в этом году создана новая станция на накопителе ВЭПП-3. С помощью глубокой рентгеновской литографии и гальваники можно получать сложные механические структуры размером от сотен микрон до микрона из полимеров, металла, керамики. При этом шероховатость поверхности меньше 0.2 микрона, а аспектное отношение (толщина к зазору) достигает 10²-10³. Соединяя такие структуры с микроэлектроникой можно создавать модульные микросистемы. Безусловно, создание аналогичных микроэлектромеханических структур — это технология будущего.