Структура и микротвердость соединений Cu-Ta, полученных сваркой взрывом

ScientificWorldJournal. 2013; 2013: 256758.

Опубликовано в Интернете 23 декабря 2013 г. doi: 10.1155/2013/256758

,
¹
,
²
,
¹
,
¹
,
²
,
^{1
, *} и
¹

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензии Ограничение ответственности

Исследованы структура и микротвердость соединений Cu-Ta, полученных сваркой взрывом. Установлено, что при сварке взрывом промежуточный слой 20⋯40  µ мкм толщиной с мелкодисперсной гетерофазной структурой, образованной между сваренными медными и танталовыми пластинами. Структуру слоя исследовали методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Выявлены микрообъемы с частицами тантала, распределенными в медной матрице, и микрообъемы частиц меди в танталовой матрице. Частицы тантала в меди имеют размер 5⋯500 нм с преобладанием частиц 5⋯50 нм. Предложен механизм формирования мелкодисперсной гетерофазной структуры при сварке взрывом. Микротвердость прослоек с гетерофазной структурой достигает 280 HV, что значительно превышает микротвердость меди (~130 HV) и тантала (~160 HV). В структуре медной пластины обнаружено много двойников деформационного происхождения. Влияние температуры нагрева в диапазоне от 100 до 900°С на микротвердость меди, тантала и сварного соединения Cu-Ta. При нагреве до 900°С микротвердость промежуточного слоя снижается с 280 до 150 HV. Снижение прочностных свойств материала шва в основном связано со структурными превращениями в меди.

Одной из важнейших задач современного материаловедения является разработка надежных соединений разнородных металлов с существенно различающимися физико-механическими свойствами [1–3]. Существует ряд эффективных способов получения композитов этого типа на основе сварки плавлением. При сварке химически активных металлов часто образуются хрупкие фазы, например, интерметаллические соединения, в плавящемся соединении. С этой проблемой сталкиваются при соединении никеля и алюминия, алюминия и титана, титана и железа и многих других материалов [4, 5]. Одним из наиболее эффективных способов предотвращения образования хрупких химических соединений является применение диффузионных барьеров на основе тугоплавких металлов, таких как Ta, Nb, V, W. В связи с большой разницей физико-химических и механических свойств между свариваемыми разнородными металлов и тугоплавких преград, в ряде случаев целесообразно изготавливать промежуточные преграды в виде вставок путем соединения тугоплавких металлов с медью [6–8].

Ниже подробно рассматривается система Cu-Ta, характеризующаяся практически нулевой взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии [9, 10] и высокой структурной стабильностью и механической прочностью соединения при повышенной температуре. Ван и др. В работе [11] отмечается отсутствие структурных превращений и изменения механических свойств напыленного композита Cu-Ta при нагреве до 900°С в течение 100 ч. Гринберг и др. В работах [12, 13] показано, что при сварке взрывом материалов, не обладающих взаимной растворимостью, в области соединения образуется гетерофазная смесь с размерами частиц дисперсной фазы, близкими к коллоидам.

Рассмотрены структура и микротвердость швов, полученных при сварке взрывом медных и танталовых пластин с последующей термической обработкой.

Для сварки взрывом использовались пластины из технически чистой меди (99,98% Cu) и тантала (99,95% Ta). Используемые материалы существенно различаются по структуре, плотности, температуре плавления и теплопроводности в (). Эти различия оказывают существенное влияние на поведение материалов при сварке взрывом.

Таблица 1

Некоторые свойства меди и тантала.

Открыто в отдельном окне

Сварка взрывом пластин из меди и танталя проводилась параллельно Институт гидродинамики. Пластина из тантала толщиной 1 мм помещалась на стальную подставку. Пластина флаера представляла собой медную пластину толщиной 2  мм. Расстояние между медной и танталовой пластинами устанавливалось равным 2 мм. ВВ — аммонит 6 ЖВ плотностью 0,9.г·см ³ , который был помещен непосредственно на медную пластину. Скорость детонации ВВ составила 3800 м·с ⁻¹ , угол столкновения пластин 17°. Перед сваркой поверхности пластин были отшлифованы наждачной бумагой SiC (зернистость 320).

Открыть в отдельном окне

Принципиальная схема сварки взрывом с параллельным расположением медных и танталовых пластин.

Термическую стойкость соединения Cu-Ta определяли путем отжига образцов при температуре от 100 до 900°С. Время пребывания в печи составляло 1 ч. Характерной особенностью тантала является его активное взаимодействие с газами, входящими в состав воздуха. По этой причине сварные соединения отжигались в вакуумной печи при 10 ^-6 Па.

Структурные исследования проводились на поперечных шлифах. Для металлографических исследований и измерения микротвердости образцы слоистого композита вырезались вдоль направления распространения ударной волны. Металлографические срезы готовили обычными методами, включающими шлифовку и полировку. Структуру меди выявляли травлением в водном растворе хлорного железа и соляной кислоты.

Металлографические исследования проводились с использованием микроскопа Carl Zeiss Axio Observer Z1m. Тонкие структурные изменения в пластически деформированных материалах изучались с помощью просвечивающего электронного микроскопа Tecnai G2 20 TWIN. Объектами исследования были фольги. Фольги были приготовлены по методике, сочетающей резку образцов электроискровой машиной, механическое утонение до толщины 100  µ мкм, шлифование лунок на станке Gatan Dimple Grinder и окончательное ионное утонение на Gatan PIPS 659.ионная мельница. Структуру материала образца в области взаимодействия исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа EVO 50 XVP.

Микротвердость образцов измеряли до и после термообработки на микротвердомере Wolpert Group 402 MVD. Нагрузка на алмазный индентор составляла 0,245  Н. Методика измерения заключалась в создании дорожки отпечатков перпендикулярно сварному шву в направлении от слоя меди к слою тантала. Отпечатки индентора были расположены на расстоянии 50  9Интервалы 0027 μ м.

3.1. Структурный анализ сварного взрывом соединения Cu-Ta

Конструкция и схема сварного взрывом соединения Cu-Ta в продольном сечении показаны на рис. Линия стыка пластин, полученных в условиях сварки, описанных в разделе 2, не имеет правильной волнообразной формы, характерной для многих металлов, свариваемых взрывом. Образованию волнистого перехода препятствуют большие различия в прочностных свойствах, плотности и температуре плавления меди и тантала. Оптическая металлография и сканирующая электронная микроскопия выявили сплошной слой 20 ⋯ 40  мкм толщиной мкм между медной и танталовой пластинами. Слой содержит материал, образованный смешением разнородных материалов при динамическом взаимодействии. При формировании волнообразных швов такая структура смеси материалов наблюдается только в вихревых зонах, образующихся вблизи гребней и впадин отдельных волн.

Открыть в отдельном окне

Общий вид (а) и принципиальная схема (б) соединения Cu-Ta, полученного сваркой взрывом.

Из-за высокой степени дисперсности полученной смеси трудно определить размер и форму отдельных элементов структуры в слое методом сканирующей электронной микроскопии. По этой причине более детальный структурный анализ областей смешения был выполнен с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Основными факторами, определяющими структурные особенности материала, являются высокие скорости и величины деформации в поверхностных слоях пластин, высокие температуры нагрева тантала и меди в зоне контакта, наличие кумулятивного слоя мелкодисперсных частиц взаимодействующие материалы.

В целом структуру промежуточного гетерофазного слоя можно определить как смесь тонкодисперсной меди и тантала. Матричным материалом в слое, характеризующемся сплошностью, является преимущественно медь. На фоне яркой медной матрицы видно множество темных округлых частиц тантала. Частицы тантала в меди имеют размеры 5 ⋯ 500 нм, с преобладанием частиц 5 ⋯ 50 нм (рисунки и ). Пример сочетания мелкодисперсной структуры с более крупными частицами тантала представлен в .

Открыть в отдельном окне

Структура промежуточного слоя с гетерофазной структурой после сварки взрывом медных и танталовых пластин (а–д) и после прогрева в течение 1 ч при 900°С (е, ж). (e) представляет собой микрофотографию, полученную с помощью сканирующего электронного микроскопа, а остальные изображения представляют собой микрофотографию, полученную с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

Кроме того, в гетерофазном слое экспериментально обнаружены микрообъемы, в которых материалом матрицы является тантал, а медь находится в виде отдельных островков. Просвечивающая электронная микрофотография структуры этого типа показана на рис. Размер частиц меди составляет ~50 ⋯ 100 нм. показывает сканирующую электронную микрофотографию структуры промежуточного слоя. Микрообъем тантала с частицами меди указан стрелкой.

Механизм образования промежуточного гетерофазного слоя можно описать следующим образом (рисунки и ). При динамическом взаимодействии пластин меди и тантала в месте контакта образуется дискретная кумулятивная струя, состоящая в основном из осколков меди. Известно [14, 15], что если сталкивающиеся металлы сильно различаются по плотности или скорости, дискретная струя не движется по биссектрисе угла столкновения, а отклоняется в сторону более плотного (в нашем случае тантала) или медленно движущегося пластина.

Открыть в отдельном окне

Направление струи при столкновении медной пластины (вверху) и алюминиевой пластины (внизу), смоделированное с помощью молекулярно-динамической модели [14].

Открыть в отдельном окне

Рентгеновская фотография медной пластины, сталкивающейся с разными скоростями (верхняя пластина со скоростью ν
_{n 2} = 1,26 км/с и нижняя пластина со скоростью ν
_{n 1} = 1,12 км/с) [15].

Следует подчеркнуть, что поверхность соединяемых пластин шероховатая. Размер большинства частиц в зазоре между соединяемыми пластинами (5 ⋯ ~50 нм) на 2 ⋯ 3 порядка меньше значений шероховатости металлических заготовок. Таким образом, часть высокодисперсных частиц, движущихся быстрее точки контакта >3800 м·с ⁻¹ , проникает в шероховатые поверхностные слои танталовой пластины.

Воздействие осколков струи на поверхностные слои танталовой пластины приводит к образованию зоны смешения и облака мелкодисперсных частиц смеси меди и тантала. Большая часть частиц тантала в зоне смешения распределена в меди хаотично. Отметим, что температуры плавления меди и тантала различаются почти в три раза (1084 °С и 2996°С). Частицы тантала при таких столкновениях остаются в твердом состоянии. В то же время наблюдаются микрообъемы меди с упорядоченным расположением частиц тантала. Кластеры тантала, показанные на рис., имеют полосчатую форму. Структурный анализ, проведенный при более высоких увеличениях, свидетельствует о том, что наблюдаемые на микрофотографиях вытянутые структуры состоят из отдельных наноразмерных частиц тантала. Можно предположить, что их образование происходит в результате натекания дискретной струи меди на шероховатую поверхность тантала, фрагменты которой растягиваются высокоскоростным потоком.

Открыть в отдельном окне

Полосчатые скопления тантала в меди.

3.2. Термическая стойкость сварного соединения Cu-Ta

Термическую стойкость соединения Cu-Ta оценивали путем нагревания образцов с последующим анализом структурных изменений и микротвердости материалов. Температура нагрева находилась в диапазоне 100 ⋯ 900°С. Выдержка при каждой температуре составляла 1 ч.

Повышение температуры нагрева сопровождалось структурными превращениями, приводящими к деградации прочности медных и танталовых пластин и расположенного между ними гетерофазного слоя. Структурный анализ выявил наиболее выраженные изменения в медной пластине. В исходном состоянии (до сварки) размер зерна составлял 22  мк м. Динамическое взаимодействие между пластинами приводит к деформационному упрочнению меди в областях, непосредственно примыкающих к сварному шву. На это указывает образование микрообъемов с повышенной плотностью дислокаций () и набором двойников деформационного происхождения. Обычно двойники шириной ~10 ⋯ 50 нм располагаются в виде отдельных стопок (). На рисунках – показаны светлопольные (б) и темнопольные изображения одной и той же области пластически деформированной меди. Двойниковая деформация характерна для металлов при высокоскоростной деформации, в том числе при сварке взрывом [16, 17].

Открыть в отдельном окне

Дислокационная структура (а) и двойники деформационного происхождения (б–г) в медной пластине на расстоянии 50  мкм м от промежуточного слоя. (б) светлопольная и (в, г) темнопольная просвечивающая электронная микрофотография того же среза.

Наиболее заметные изменения прочностных свойств пластически деформированных материалов происходят при нагреве до значений, близких к температуре рекристаллизации. После нагрева до 500°С медная пластина не имеет признаков рекристаллизации. При нагреве до 600°С рекристаллизация меди происходит неравномерно. Рекристаллизация происходит в островках, расположенных на расстоянии 2000  9Промежутки 0027 мк м вдоль поверхности стыка пластин. Следует отметить, что в медном слое деформации, значительно превышающие критическое значение, возникают на глубине в несколько десятков микрометров. В остальном объеме медной пластины величина деформации близка к критическому значению. По этой причине рекристаллизация меди сопровождается резким увеличением размера зерна. После нагрева до 700°С размер зерен в рекристаллизованных зонах составляет 440  мкм мкм. В образцах, экспонированных при 900°С в течение 1 ч размер зерна увеличился до 620  мкм мкм.

Результаты измерений микротвердости термически необработанных образцов сварных соединений и отожженных при различных температурах представлены на рисунках и . Микротвердость измеряли в направлении, перпендикулярном сварному соединению, в пределах 200  µ м с каждой стороны от плоскости стыка пластин. Наибольшие значения микротвердости зафиксированы для термически необработанных сварных соединений. После сварки взрывом микротвердость меди составила ~130 HV, тантала ~160 HV. Максимальная микротвердость (280 HV) зафиксирована в узком промежуточном слое гетерофазной структуры.

Открыть в отдельном окне

Влияние температуры нагрева на микротвердость меди (1), тантала (2) и промежуточного слоя с гетерофазной структурой (3).

Открыть в отдельном окне

Микротвердость промежуточного слоя и прилегающих к нему областей после сварки взрывом медных и танталовых пластин и последующего нагрева сварного шва при различных температурах. 1 – без термообработки, 2 – нагрев до 200°С, 3 – 300°С, 4 – 500°С, 5 – 600°С, 6 – 800°С, 7 – 900°С.

Наблюдаемый эффект упрочнения материала, вероятно, обусловлен образованием высокодисперсной смеси и деформационным упрочнением тантала. Несмотря на большую величину пластических деформаций в поверхностном слое медной пластины, деформационное упрочнение в данном случае не играет существенной роли. Быстрый нагрев локальных микрообъемов материалов приводит к плавлению меди и устраняет дислокационную структуру, образующуюся в зоне динамического взаимодействия пластин. Эффект деформационного упрочнения устраняется не только плавлением, но и при достижении температуры, приводящей к рекристаллизационным процессам. Эти процессы характерны для сварки взрывом металлических материалов [17–19].]. При сварке углеродистых и легированных сталей резкое повышение прочностных свойств в зонах сварки обусловлено механизмом упрочнения и образованием мартенситной структуры. В системе Cu-Ta при отсутствии взаимной растворимости элементов этот механизм не может привести к увеличению микротвердости материала в зоне сварки.

В образцах, нагретых до 500°С, микротвердость в зоне смешения тантала и меди существенно не изменяется. Это указывает на то, что гетерофазная структура термически устойчива в этом интервале температур. Нагрев до 600°С и выше приводит к заметному снижению микротвердости материала. После отжига при 900°С микротвердость промежуточного слоя со смешанной структурой становится равной микротвердости танталовой пластины (~150 HV). В отличие от этого слоя температурная зависимость, соответствующая танталу, не претерпевает изменений. Это связано с тем, что температура рекристаллизации тантала более чем на 300°С превышает максимальную температуру отжига сварного соединения. Повышение температуры отжига меди до 900°С приводит к почти двукратному снижению ее микротвердости (со 130 до 75 HV) за счет релаксационных процессов в динамически деформированных зонах и формирования более равновесной структуры, чем исходная [20]. ].

При сварке взрывом в зоне стыка тантала и меди пластины образуют промежуточный слой, имеющий гетерофазную структуру и состоящий из смеси фрагментов разнородных материалов. Материал матрицы преимущественно медный. Тантал в меди находится в виде изолированных частиц. Реже встречаются микрообъемы, в которых матрица представляет собой тантал с внедренными в него частицами меди. По размерам частиц дисперсной фазы, наблюдаемых в промежуточном слое, материал можно отнести к высокодисперсной системе. Размер частиц тантала находится преимущественно в нанометровом диапазоне (~5 ⋯ 50 нм), что соответствует размерному диапазону коллоидных частиц. Предложен механизм образования такой структуры, заключающийся в формировании фрагментарной, преимущественно медной, кумулятивной струи перед местом контакта пластин. Струя движется непосредственно по поверхности танталовой пластины и взаимодействует с шероховатостями последней. Зона смешения Cu-Ta термически стабильна при нагреве до 500°C. Отжиг при 900°С приводит к снижению микротвердости промежуточного слоя с гетерофазной структурой с 280 HV до 150 HV.

1. Биметалл медь-тантал получен сваркой взрывом.

2. Промежуточный слой содержит частицы тантала размером 5 ⋯ 50 нм.

3. Предложен механизм формирования слоя, основанный на формировании фрагментарной кумулятивной струи.

4. Термическая стабильность соединения Cu-Ta сохраняется до 500°C.

5. При нагреве до 900°С микротвердость промежуточного слоя снижается с 280 HV до 150 HV.

1. Финдик Ф. Современные разработки в области сварки взрывом. Материалы и конструкция . 2011;32(3):1081–1093. [Google Scholar]

2. Кахраман Н., Гюленч Б. Микроструктурные и механические свойства пластин Cu-Ti, сваренных методом сварки взрывом. Журнал технологии обработки материалов . 2005;169(1):67–71. [Академия Google]

3. Батаев И.А., Павлюкова Д.В., Журавина Т.В., Макарова Е.Б., Терентьев Д.С. Сварка взрывом слоистых композиционных материалов из разнородных сталей. Обработка Металлов: Технология, Оборудование, Инструменты . 2010;(1):6–8. [Google Scholar]

4. Батаев И.А., Батаев А.А., Мали В.И., Павлюкова Д.В. Структурно-механические свойства металлоинтерметаллидных слоистых композитов, полученных сваркой взрывом и отжигом. Материалы и конструкция . 2012; 35: 225–234. [Академия Google]

5. Акбари Мусави С.А.А., Сартанги П.Ф. Влияние послесварочной термической обработки на микроструктуру поверхности раздела сваренного взрывом композита титан-нержавеющая сталь. Материаловедение и инженерия A . 2008;494(1-2):329–336. [Google Scholar]

6. Хонг С.И., Хилл М.А. Микроструктурная стабильность микрокомпозитных проводов Cu-Nb, изготовленных методом связывания и волочения. Материаловедение и инженерия A . 2000;281(1-2):189–197. [Академия Google]

7. Лэй Р-С, Ван М-П, Го М-С, Ли Зи, Донг Кью. Эволюция микроструктуры и термическая стабильность нанокристаллических сплавов Cu-Nb при термообработке. Сделки Общества цветных металлов Китая . 2009;19(2):272–276. [Google Scholar]

8. Li H, Chen JL, Li JG, Li ZX. Высокие теплонагрузочные свойства активно охлаждаемых вольфрамово-медных макетов взрывным соединением. Журнал ядерных материалов . 2007; 363–365 (1–3): 1226–1230. [Google Scholar]

9. Дарлинг К.А., Робертс А.Дж., Мишин Ю., Матаудху С.Н., Кечкес Л.Дж. Стабилизация размера зерна нанокристаллической меди при высоких температурах путем легирования танталом. Журнал сплавов и соединений . 2013; 573:142–150. [Google Scholar]

10. Фролов Т. , Дарлинг К.А., Кечкес Л.Я., Мишин Ю. Стабилизация и упрочнение нанокристаллической меди легированием танталом. Acta Materialia . 2012;60(5):2158–2168. [Google Scholar]

11. Ван Х., Залусек М.Дж., Ригсби Дж.М. Микроструктура и механические свойства напыленных сплавов Cu 1-x Ta x . Металлургические операции и материалы А . 1997;28(4):917–925. [Google Scholar]

12. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Рыбин В.В. Проблема смешения металлов, не обладающих взаимной растворимостью, при сварке взрывом (Cu-Ta, Fe-Ag, Al-Ta) Характеристика материалов . 2013;75:51–62. [Google Scholar]

13. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Рыбин В.В. Неоднородности поверхности раздела, полученные сваркой взрывом. Физика металлов и металловедение . 2012;113(2):176–189. [Академия Google]

14. Киселев С.П., Мали В.И. Численное и экспериментальное моделирование струеобразования при высокоскоростном косом ударе металлических пластин. Горение, взрыв и ударные волны . 2012;48(2):214–225. [Google Scholar]

15. Мали В.И., Батаев И.А., Батаев А.А., Павлюкова Д.В., Приходько Е.А. Геометрические превращения листовых заготовок при сварке взрывом многослойных пакетов. Физическая Мезомеханика . 2011;14(6):117–124. [Google Scholar]

16. Балаганский И.А., Хокамото К., Маникандан П. и соавт. Формирование ствола Маха во взрывных системах, в состав которых входят высокомодульные упругие элементы. Журнал прикладной физики . 2011;110(12)123516 [Google Scholar]

17. Батаев И., Батаев А., Мали В. И., Есиков М., Батаев В. Особенности строения сварных швов и прилегающих зон, образующихся при сварке взрывом пластин из листовой стали. Форум материаловедения . 2011; 673: 95–100. [Google Scholar]

18. Батаев И.А., Батаев А.А., Мали В.И., Буров В.Г., Приходько Е.А. Формирование и структура вихревых зон, возникающих при сварке взрывом углеродистых сталей. Физика металлов и металловедение . 2012;113(3):233–240. [Google Scholar]

19. Батаев И., Батаев А., Мали В. и др. Структура и сопротивление усталостным трещинам многослойных материалов, полученных сваркой взрывом. Передовые исследования материалов . 2011; 287–290:108–111. [Google Scholar]

20. Humphreys FJ, Hatherly M. Рекристаллизация и родственные явления отжига . 2-е издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: Elsevier; 2004. [Google Scholar]

RUPAC2012 — Список ключевых слов (катод)

Бумага	Титул	Другие ключевые слова	Страница
FRXCH05	Облучательные установки и комплексы ИНРП РФЯЦ-ВНИИЭФ	электрон, излучение, нейтрон, мишень	176
	Н.В. Завьялов , В.Ф. Басманов, А.А. Девяткин, В.С. Гордеев, С.А. Горностай-Польский, А.В. Гришин, А.В. Грунин, В.Ф. Колесов, Г. А. Мысков, С.Т. Назаренко, В.Т. Пунин, В.А. Савченко, А.В. Тельнов, С. Воринцов ВНИИЭФ, Саров (Нижний Город), Россия
	В данном обзоре представлены установки, созданные и применяемые в НИИЯР РФЯЦ-ВНИИЭФ для имитации в лабораторных условиях воздействия ядерного взрыва и космических ионизирующих излучений на установки специального назначения. Имеется краткое описание самой установки и характеристик ускорителей электронов разного типа и двух облучательных комплексов ПУЛЬСАР и ЛИУ-10М-ГИР2, созданных на базе сильноточных линейных индукционных ускорителей электронов и импульсных ядерных реакторов. Рассмотрены ускорители электронов ГАММА и БЕТА-8, которые создаются в настоящее время.
ФРБОР01	Прогресс в разработке источников отрицательных ионов	ион, плазма, ионный источник, яркость	213
	В. Г. Дудников Muons, Inc, Батавия, США
	Будут рассмотрены и проанализированы современные тенденции и недавний прогресс в разработке источников отрицательных ионов. Источники поверхностной плазмы (SPS) основаны на усиленных цезием поверхностных реакциях плазмы для производства отрицательных ионов, которые являются основными источниками, доставляющими пучок отрицательных ионов для инжекции с перезарядкой в ​​ускорителях и термоядерных устройствах. После развития СПС с цезиями интенсивность пучка отрицательных ионов увеличилась до ~10 4 раз, от рекордных 3 мА до более чем 40 А. С момента первоначальной концепции SPS с цезия было сделано много модификаций и улучшений, так что сегодня они представляют собой зрелую и надежную технологию. Мировые усилия по разработке и использованию СФС с цезиацией увеличились до более чем тысячи высококвалифицированных ученых, инженеров, техников, рабочих и администраторов. Масштаб стоимости усовершенствованных СЭС увеличился с ~ k до ~ M. СЭС с цезиацией стали «источниками жизни» и «рабочими лошадками» для крупных установок, таких как SNS, LANSCE, BNL, FNAL, ISIS, KEK, JT 60 ( японский токамак) и LHD (Large Helicon Device). Крупные проекты развития включают SPS для Большого адронного коллайдера (LHC) и для Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER). Разработка и производство форсунок с цезиевым SPS превратились в индустрию с оборотом в миллиарды долларов.
	Слайды FRBOR01 [8,083 МБ]
ФРБОР03	Автоэлектронная эмиссионная матрица без стробирования в качестве источника низкоэнергетических электронов: эксперимент и моделирование	вакуум, высоковольтный, электрон, имитация	218
	К. А. Никифоров , Л.И. Антонова, Н.В. Егоров, В.В. Трофимов Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
	Исследованы автоэмиссионные массивы NbN на кремниевых пластинах без затвора. Рассмотрены вольт-амперные измерения и эмиссионные характеристики лезвийных катодов в атмосферном низковольтном режиме. Представлены математические и компьютерные модели. Плотность тока, полученная в результате эксперимента, составила до 384 Ампер на квадратный сантиметр в зоне излучения 9.кв.мм. Обсуждается низковольтный режим (20 В) для близкого (~ 1мкм) межэлектродного расстояния в диодной схеме.
МОППА022	Статус радиочастотной системы INR DTL	резонатор, DTL, линейный ускоритель, вакуум	293
	А. И. Кваша , А. Фещенко, В.Л. Серова РАН/ИЯИ, Москва, Россия
	INR Linac находится в штатной эксплуатации с 1993 года. Ускоритель включает в себя структуры DTL и DAW, работающие на частотах 198,2 МГц и 991 МГц соответственно. Первоначально в системе питания ВЧ DTL использовались два типа мощных электронных ламп, специально разработанных для линейного ускорителя ИНР (GI-54A для оконечного усилителя и GI-51A для промежуточного усилителя). Однако производство этих ламп было прекращено, что привело к необходимости модернизации системы DTL RF. Основная цель недавней модернизации — замена старых ламп на современные. Сложность замены возникает из-за необходимости минимизировать механические изменения существующего оборудования. Другая цель – повышение эксплуатационной надежности. Надежность зависит от надежности вакуумной лампы и в немалой степени — от работы ломика. Представлены результаты и опыт модернизации системы ИНР ДТЛ РЧ.
МОППА023	Исследование работы радиочастотной системы INR DTL при частоте повторения 100 Гц	DTL, резонатор, линейный ускоритель, элементы управления	296
	В.Л. Серов , А.Н. Другаков, А. Фещенко, А.И. Кваша, А.Н. Набока РАН/ИЯИ, Москва, Россия
	До сих пор линейный ускоритель INR работал с частотой повторения луча 50 Гц. Увеличение частоты следования до 100 Гц имеет важное значение, так как приводит к удвоению интенсивности пучка. Для решения задачи необходимо модернизировать несколько ускорительных систем, но наиболее критической является ВЧ-система ДТЛ (до 100 МэВ). Описаны проблемы, связанные с увеличением частоты повторения радиочастотных систем DTL. Один из них представляет собой модуляцию на частоте 50 Гц последовательностью высокочастотных импульсов на частоте 100 Гц. Хотя нестабильности ускоряющего поля из-за модуляции уменьшаются системами обратной связи, тем не менее, важно изучение эффекта и его минимизация. Дан анализ эффекта и представлены результаты экспериментальных исследований.
ТУППБ034	Охладитель с низким энергопотреблением для NICA Booster	электрон, пушка, ион, бустер	391
	А.В. Бублей , М.И. Брызгунов, В.М. Панасюк, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия
	Низкоэнергетический охладитель для проекта NICA в настоящее время разрабатывается в ИЯФ совместно с ОИЯИ. По своим характеристикам он аналогичен предыдущим низкоэнергетическим охладителям, выпускаемым в ИЯФ, т.е. оснащен регулируемым электронным пучком, электростатическим изгибом, прецизионным соленоидом и т. д. В статье описаны некоторые технические решения, примененные в конструкции охладителя.
ТУППБ043	Программный комплекс для конечно-элементного моделирования вакуумной наноэлектроники	электрон, симуляция, вакуум, пушка	409
	К.А. Никифоров , Н.В. Егоров Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
	Описан программный комплекс в среде MATLAB, предназначенный для моделирования вакуумной наноэлектроники. Представлены физико-математические модели, вычислительные методы и алгоритмы программного комплекса. Обсуждается электростатическое моделирование процессов переноса электронов в безмассовом приближении электронов; используются метод текущих функций и конечно-элементные решения Matlab PDE Toolbox. Разработанный программный комплекс позволяет моделировать диодные и триодные структуры со сложной субмикронной геометрией, вольт-амперными характеристиками, рассчитывать распределение электрического поля, оценивать взаимодействие электрических линий. Представлены результаты моделирования на примере двух различных структур триода. Представлено автономное приложение Matlab с графическим пользовательским интерфейсом для демонстрационных целей.
ТУППБ044	Математическое моделирование полевого излучателя с острым краем	вакуум, объемный заряд, элементы управления, фон	412
	Э. М. Виноградова , М.Г. Фоменко Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
	Многочисленные наноэлектронные устройства основаны на полевых эмиттерах, таких как углеродные нанотрубки. Полевые эмиттеры широко применяются в различных областях приборостроения. В настоящей работе решается задача автоэмиссионного катода как математического моделирования остроконечного автоэмиттера. Предполагаемые формы эмиссионно-диодной системы с полевым эмиттером – лунообразная (как катод) и бесконечно тонкий сферический сегмент (как анод). Влиянием объемного заряда пренебрегается. Поставлена ​​краевая задача для уравнения Лапласа в тороидальной системе координат. Для решения электростатической задачи используется метод переменного разделения. Распределение потенциала представляется в виде ряда по функциям Лежандра. Граничные условия и условия непрерывности нормальной производной приводят к системе линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов рядов. Таким образом было получено распределение потенциалов для всей области рассматриваемых оптико-электронных систем.
ТУППБ045	Полевые катоды с эффектом моделирования пространственного заряда	объемный заряд, электрон, вакуум, яркость	415
	Макарова М.А. , Виноградова Е.М. Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
	Настоящая работа посвящена вопросу о влиянии объемного заряда на автоэлектронную эмиссию. Рассчитаны распределения электростатического потенциала для диодных эмиссионных систем. Диодные системы, которые можно легко сконструировать, обычно используются для характеристики автоэмиссионных свойств новых материалов. Они имеют ряд эффективных приложений в вакуумной нано- и микроэлектронике. В данной работе исследуются плоская диодная эмиссионная система и цилиндрическая диодная эмиссионная система. Получены решения уравнения Пуассона для распределения электростатического потенциала для краевых задач. Правая часть уравнения Пуассона считается кусочно-постоянной функцией. Используются закон сохранения заряда и закон сохранения энергии. Исследованы одномерный и двумерный случаи.
ТУППБ047	Система триодного типа на основе моделирования полевого эмиттера	электрон, управление, вакуум, источник ионов	418
	Д.С.Телевный Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия Виноградова Е. М. Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
	Рассматривается математическая модель цилиндрической системы триодного типа на основе полевого эмиттера. Внутреннее пространство системы заполнено двумя разными диэлектриками. Эффект пространственного заряда не учитывается. Полевой эмиттер моделируется заряженной нитью конечной длины, расположенной на оси системы. Модулятор имеет форму круглой диафрагмы. Решается уравнение Пуассона при заданных значениях потенциалов на электродах. Метод переменного разделения используется для определения распределения электростатического потенциала. Неизвестная функция плотности заряда аппроксимируется кусочно-постоянной линейной функцией. Задача нахождения неизвестных коэффициентов в потенциальном разложении по собственной функции сводится к системе линейных алгебраических уравнений. Представлены численные расчеты форм эмиттера.
ТУППБ048	Математическое моделирование автоэмиссионного катода с несколькими наконечниками	решетка, электрон, вакуум, объемный заряд	421
	Егоров Н.В. , Виноградова Е.М. Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
	Рассмотрен многоострийный полевой катод как массив автоэмиссионных катодов для прямоугольной решетки. Автоэмиссионные катоды представляют интерес для вакуумных наноэлектронных устройств. Распределение электростатического потенциала представлено для периодической системы тонких игл со свободным числом на плоской подложке в качестве автоэмиссионного катода и плоской подложке в качестве анода. Форма наконечников может быть различной. Потенциал подложки и катода равен нулю, потенциал анода равен константе. Эффектом объемного заряда пренебрегается. Каждая подсказка представлена ​​в виде системы точечных зарядов. Точечные заряды определяются так, чтобы нулевой эквипотенциал совпадал с формой катода. Распределение потенциала найдено для всей области массивов автоэмиссионных катодов. Получено точное трехмерное решение уравнения Лапласа/Пуассона в декартовой системе координат. Это решение имеет прямое применение в трехмерных расчетах траекторий электронов в массивах полевых эмиттеров микронного и субмикронного размера.
ТУППБ050	Система питания, управления и модуляции электронной пушки для лазера на свободных электронах	управление, электронное, ЛСЭ, лазер на свободных электронах	427
	В. К. Овчар , В.Р. Козак, Э.А. Купер, В.Р. Мамкин, В.В. Репков, С.С. Середняков, С.В. Тарарышкин, Д.А. Зверева ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия
	Система электропитания, управления и модуляции на основе триодного катодо-сеточного блока предназначена для получения импульсного электронного пучка для лазера на свободных электронах ЛСЭ. Основная часть системы расположена внутри бака, заполненного элегазом и имеет потенциал -300 кВ. Питание осуществляется через изолированный трансформатор, а управление осуществляется по оптоволокну с интерфейсом CAN. ВЧ-транзистор GaN в выходном каскаде модулятора, составленный из гибридной сборки на керамической пластине BeO. Импульсное выходное напряжение модулятора можно регулировать в пределах 0-120 В на нагрузке 25 Ом. Продолжительность времени <1 нс. Частота повторения 0-90 МГц. Запуск модулятора от таймера осуществляется по оптоволокну 1ГГц. Управляющий код был написан на языке C++ под операционную систему Windows с использованием фреймворка QT.
ТУППБ052	ps-Импульсный E-gun, усовершенствованный до источника Т-волн с пиковой мощностью МВт	лазер, электрон, ЛСЭ, излучение	430
	А.В. Смирнов RadiaBeam, Санта-Моника, США
	Финансирование: Министерство энергетики Считается, что когерентный источник на основе электронной пушки обеспечивает высокую мгновенную мощность, сравнимую с мощностью, доступной всего лишь от нескольких других не-ЛСЭ и большинства ЛСЭ-источников на субмиллиметровых длинах волн. Электронный пистолет постоянного или радиочастотного излучения интегрирован с прочным, компактным, эффективным съемным излучателем внутри вакуумной оболочки. Излучатель Уэйкфилда приводится в действие низкоэнергетическим фотоинжектором, работающим в специальном режиме, сочетающем сильную перефокусировку, надежную структуру замедления волны и импульсный фотоинжектор sub-ps, использующий модуляцию луча на катоде с обычным оптическим мультиплексированием. Работа в одиночном импульсном режиме усилена эффектом сжатия поля при высокой групповой скорости. Характеристики проанализированы аналитически и численно подтверждены экспериментальными данными по перефокусировке луча. Также анализируется выход излучения.
WEPPC053	Линейный ускоритель электронов ИДК-6/9МэВ и его применение в системе таможенного досмотра	средства управления, электроника, блокировки, излучение	549
	В. П. Малышев , Б.О. Большаков, П.О. Клиновский, К.В. Котенко, А.В. Сидоров, В. Смекалкин НИИЭФА, Санкт-Петербург, Россия
	Линейный ускоритель электронов ИДК-6/9МэВ предназначен для работы в качестве источника ионизирующего излучения в системе таможенного досмотра, предназначенной для досмотра крупногабаритных грузов. Основным режимом работы ускорителя является рентгеновский режим с энергией 6 МэВ, что обеспечивает проницаемость (для стали) более 300 мм. Режим работы ускорителя можно быстро изменить за 9Мэв, что позволяет различать исследуемые объекты по критерию органика/неорганика методом «двух энергий». В ускорителе применен триодный источник электронов с катодным и сеточным модуляторами. Система коллиматоров, расположенных на выходе из ускорительного устройства, обеспечивает формирование веерообразного в вертикальной плоскости рентгеновского пучка с углом раскрытия 460, направленного в сторону детекторной линии. Ускоритель оснащен компьютеризированной системой защитных блокировок и управления, что делает возможным его работу как в режиме настройки, так и в составе всей системы таможенного досмотра.
WEPPD033	Система управления электронно-лучевой сварочной машиной	органы управления, блок питания, высоковольтный, пистолет	620
	В.В. Репков , Е.А. Купер, А.Ю. Протопопов, А.А. Жариков ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия
	В докладе рассмотрены основные проблемы, которые необходимо было решить при разработке системы управления электронно-лучевой сварочной машиной. Электроника системы находится под потенциалом ускоряющего напряжения (60 кВ), поэтому потребовалось решить проблему передачи электроэнергии и сигналов управления. Объем устройства пришлось минимизировать, так как место для размещения электроники было ограничено. Электроника должна быть устойчива к высоковольтным пробоям, так как при пробоях может возникнуть импульс напряжения 60 кВ с энергией до 20 Дж в любом катодно-электродном блоке. Мощность, необходимая для нагревателя, может достигать 250 Вт. Для решения этой задачи был разработан стабилизированный источник питания с диапазоном регулирования тока 0-125 А (2,5 В). Мощность, необходимая для работы этого блока питания, передается через специальный высокочастотный (25 кГц) трансформатор. Напряжение изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора составляет 100 кВ. Для управления током пучка (сварочным током) разработан линейный усилитель, формирующий напряжение на управляющей сетке в диапазоне 0–4 кВ. Полоса пропускания усилителя 1 кГц. Для управления током, силой тока и параметрами пушки был разработан специализированный контроллер. Связь контроллера с компьютером осуществляется с помощью оптических линий связи.
WEPPD039	Разработка новых систем управления для ОИЯИ e — Стенд для испытаний линейного ускорителя	управление, радиация, пушка, электрон	626
	М.А. Ноздрин , Н. Балалыкин, В. Минашкин, В.Ю. Щеголев, Г. Ширков, Г.В. Трубникова ОИЯИ, Дубна, Московская область, Россия
	Стенд линейного ускорителя в Объединенном институте ядерных исследований базируется на части ускорительного комплекса, переданной в собственность ОИЯИ Национальным институтом субатомной физики (НИКХЭФ, Амстердам). Анализ переданного оборудования ускорителя показал, что требуется полная реконструкция его систем управления; все остальные системы находятся в хорошем состоянии и имеют значительный ресурс.