Исследование механизмов охлаждения металлической мишени после воздействия мощных ионных пучков

Введение 9
1 Измерение температуры на мишени при и после воздействии мощных импульсных пучков 13
2 Конструкция и основные параметры генератора сильноточных импульсных ионных пучков ТЕМП – 4М 23
2.1 Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП-4М 26
2.1.1 Измерения больших импульсных токов поясом Роговского. 27
2.2 Тепловизионная диагностика распределения плотности энергии МИП по сечению 28
2.2.1 Калибровка тепловизионной диагностики (установление коэффициента пропускания выходного окна из СaF2) 30
2.3 Диодные системы ускорителя ТЕМП-4М 34
3 Исследование динамики охлаждения металлической мишени после воздействия импульсного ионного пучка 36
3.1 Исследование охлаждения мишени с размерами меньшими размеров поперечного сечения МИП 38
3.2 Исследование охлаждения мишени с размерами большими поперечного сечения пучка 41
3.3 Анализ полученных результатов 45
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА 53
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 55
4.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 56
4.2 SWOT-анализ 58
4.3 Планирование комплекса работ на создание проекта 63
4.4 Определение трудоемкости работ 65
4.5 Бюджет научного исследования 67
5 Социальная ответственность 75
Заключение 90
Список использованных источников 93

Весь текст будет доступен после покупки

Одной из ключевых проблем в науке и технике является разработка новых методов обработки поверхности материалов для улучшения их эксплуатационных свойств. Мощные импульсные ионные пучки (МИП) и мощные импульсные электронные пучки (МЕП) являются перспективными методами обработки поверхности и были подробно изучены в последние три десятилетия [ , , ]. Эти мощные импульсные пучки, как правило, с энергией десятки кэВ (для МЕП) и сотни кэВ (для МИП), током от 1 кА до 1 МА, длительностью импульса от десятков нс до 1000 нс, обычно генерируются диодными системами с взрывной электронной эмиссией [ , ].
Преимущества облучения МИП заключаются в более высокой плотности тока (кА/см2), короткой длительности импульса (10-1000 нс) и меньшим пробегом ионов в материале, что обеспечивает ввод большей плотности мощности в объем облученного материала. При таком воздействии поверхность материала глубиной несколько микрометров может быть расплавлена, испарена и повторно отверждена во временной шкале от десятков до сотен нс. Между тем, индуцированный тепловой удар может затронуть более глубокие области мишени до 200 мкм [ ]. В результате могут быть получены поверхностные слои с уникальными свойствами, такие как аморфные структуры, которые трудно получить с использованием традиционных методов [1].
Для проведения поверхностной обработки МИП необходимо выбрать оптимальные параметры облучения, поэтому диагностические методы играют важную роль в применении данной технологии [ ]. Наиболее важными параметрами МИП, определяющими свойства модифицированной поверхности, являются плотность энергии пучка, плотность тока, энергия частиц, однородность плотности энергии по сечению и воспроизводимость параметров в серии импульсов. Однако реакция материала на облучение МИП характеризуется, в основном, тепловыми эффектами, вызванными высокой плотностью мощности, поэтому исследование распределения энергии МИП по сечению и динамики изменения теплового поля на мишени имеют первостепенное значение при анализе материала, облученного МИП.
В проведенных исследованиях [15, 16, 21], изучение распределения теплового поля индуцированного МИП в основном проводилось методами численного моделированием, так как непосредственное наблюдение динамических процессов на поверхности является довольно сложной задачей [ ]. Однако для разработки диагностических приборов, использующих непосредственно сам пучок для формирования теплового поля на мишени, таких как калориметр [ ] и тепловизионная диагностика [ ] теплового отпечатка, формируемого МИП [ ], важно оценить время установления теплового поля на мишени.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Измерение температуры на мишени при и после воздействии мощных импульсных пучков
Существуют три основных метода измерения температуры на мишени при ее нагреве мощным ионным пучком. К ним относятся: термопарный способ измерения температуры [ ], измерение температуры с помощью термочувствительных красок [ ] и измерение температуры с помощью инфракрасных пирометров излучения [ ]. Рассмотрим достоинства и недостатки каждого метода.
К основным достоинствам использования термопары для измерения температуры на мишени при воздействии МИП относятся ее относительная малая стоимость и доступность оборудования. К недостаткам можно отнести инертность термопарного датчика (большое время измерения, т.к. термопара нагревается не мгновенно), а также локальность области измерения ввиду ограниченной разрешающей способности датчика и сложность обработки результатов измерений.
При измерении температуры с помощью термочувствительных красок существует возможность контроля температуры на деталях сложной формы. К достоинствам также относятся оперативность способа измерения и наглядность интерпретации результатов. К недостаткам относятся то, что не всегда можно нанести краску на образец, который впоследствии будет подвергаться дальнейшим исследованиям, а также низкая точность измерения температуры.
Наиболее оптимальным способом измерения температуры в наших экспериментальных условиях является метод измерения температуры с помощью инфракрасных пирометров и тепловизоров, так как данный метод обеспечивает высокую скорость измерения, возможность регистрации динамики изменения температуры в течение времени и позволяет визуализировать тепловой отпечаток, что является важным для оценки однородности теплового поля, формируемого пучком. Однако необходимо учитывать оптические свойства поверхности, т.к. от этого зависит точность измерения, а также учитывать оптическую прозрачность в ИК диапазоне выходного окна в диодной камере.
В работе [ ] исследовалась динамика изменения температуры на мишени после воздействия МИП. Эксперименты проведены на импульсном ионном ускорителе BIPPAB-450, максимальная энергия ионов которого достигает 450 кэВ, плотность ионного тока – 150 А/см2 и продолжительностью импульса (на половине высоты) 80 нс. Основное внимание авторов было уделено установлению погрешности измерения максимальной температуры на мишени, связанной с временной задержкой между началом прихода ионного пучка и регистрацией теплового изображения. На рисунке 1 приведены тепловые отпечатки пучка, снятые в различное время после прихода импульса.

а-д – изображения, снятые в различное время после импульса: а – 0 с, б – 5 с, в – 10 с, г – 15 с, д – 20 с; профиль, сформированный на задней поверхности мишени из нержавеющей стали; е – поперечное сечение температурного поля
Рисунок 1 – Временная развертка температурного поля в инфракрасном изображении
Авторы отмечают, что тепловое равновесие между задней и передней поверхностью мишени достигается через 1 мс, поэтому основная ошибка измерения максимального значения температуры связана с диффузией теплового поля в продольном направлении. Из рисунка 1 видно, что через 5 с после первого снимка происходит снижение температуры в центре пучка. Кроме того, профиль поля температуры также изменяется со временем, выравнивается симметрия поля (см. рисунок 1 а-д). Это означает, что задержка даже на 5 с при запуске камеры приводит к искаженным значениям максимальной плотности энергии МИП из-за диффузии теплового поля на мишени.
В другой работе китайских ученых [ ] исследовалось распределение и постепенное изменение теплового поля, сформированного МИП на тонкой металлической мишени. Результаты экспериментов сравнивали с результатами моделирования. Моделирование проводилось для мишени из нержавеющей стали и меди разной толщиной в среде SRIM по методу Монте-Карло. Тип ионов и энергетический спектр пучка взяты из работы [ ]. Нормированная функция мощности f(t) вычислялась на основе параметров, полученных на ускорителе BIPPAB-450 [ , ] при плотности энергии пучка 1 Дж/см2.
На рисунке 2 показаны результаты моделирования изменения температуры нержавеющей стали 304 в течение первой микросекунды после бомбардировки мишени МИП. Видно, что плотность мощности пучка увеличивается и резко уменьшается, распределение температуры по глубине мишени, равной глубине пробега ионов, резко меняется в тот же период. Для области с глубиной более 12 мкм, температура остается неизменной в течение первой микросекунды.

Рисунок 2 – Изменение температуры в течение первой микросекунды после облучения МИП и распределение по глубине x в мишени из нержавеющей стали 304
Распределение температуры по глубине в области ионного диапазона указывает на сильную корреляцию с постепенным изменением мощности. При торможении пучка в мишени, тепло идущее в более глубокую область, приводит к падению температуры поля вблизи передней поверхности мишени. Эти результаты аналогичны предыдущим исследованиям с различными видами ионов и энергией [8, ].
Рисунок 3 показывает динамку изменения температуры в течение 1 мс на поверхности мишени из нержавеющей стали на глубине 100 мкм. Поскольку тепло в мишени передается в более глубокую область, температура вблизи поверхности падает постепенно. За время 1 мс разница температур между передней и задней поверхностью мишени находится в пределах 0,1 К. Можно считать, что мишень нагревается пучком равномерно.

Рисунок 3 – Изменение температуры со временем и глубиной x в нержавеющей стали 304 в течение первой миллисекунды после облучения МИП
На рисунке 4 показаны результаты моделирования уноса тепла с поверхности мишени за счет теплового излучения с этой поверхности. Видно, что максимальные значения плотности мощности радиационных потерь j достигаются при максимальной температуре на мишени при облучении МИП.

Рисунок 4 – Плотность мощности радиационных потерь тепла с поверхности мишени из нержавеющей стали 304 после облучения МИП
Однако из-за короткой длительности импульса пучка, суммарные потери излучающей энергии довольны малы (4.23E – 6 Дж/см2). В дальнейшем, когда температура на поверхности падает, j быстро уменьшается, но радиационные потери растут (1,60E – 5 Дж/см2), поскольку период времени длиннее. В масштабе времени от 1 мс до 1 с потери излучения возрастают до 5.67E – 3 Дж/см2 и далее до 5.35E – 2 Дж/см2 при 10 с. Для мишени толщиной 100 мкм общие потери энергии за счет теплового излучения составят 5,35%, что примерно соответствует погрешности измерения тепловизионной диагностикой.
Авторами статьи [15] также было оценено перераспределение тепла в радиальном направлении за счет теплопроводности. Рисунок 5 показывает, что в течение 15 с радиальная теплопроводность может привести к значительному искажению теплового отпечатка и, следовательно, распределение температуры поля станет более однородным и его симметрия улучшится. Это вносит дополнительные погрешности при измерении температуры на мишени с использованием тепловизионной диагностики.

Весь текст будет доступен после покупки

Remnev G.E., Isakov I.F., Opekounov M.S., Matvienko V.M., Ryzhkov V.A., Struts V.K., et al. High intensity pulsed ion beam sources and their industrial applications // Surf Coat Technol. – 1999. – Р. 114 – 206.
Renk T.J., Provencio P.P., Prasad S.V., Shlapakovski A.S., Petrov A.V., Yatsui K., et al. Materials modification using intense ion beams // Proc IEEE. – 2004. – Р. 92(7) –1057-81.
Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E., Inanov Yu.F., Markov A.B. Physical foundations for surface treatment of materials with low energy, high current electron beams // Surf Coat Technol. – 2000. – Р. 125(1) – 49-56.
Pushkarev A. I., Isakova Y. I. A gigawatt power pulsed ion beam generator for industrial applications // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Р. S382 –S384.
Ozur G.E., Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Markov A.B. Production and application of low-energy, high-current electron beams // Laser Part Beams. –2003. –
Р. 21(02)-157-74.

Весь текст будет доступен после покупки