Уникальные научные установки Института электрофизики УРО РАН

Основными научными направлениями Института электрофизики УрО РАН (ИЭФ УрО РАН) являются: физика и техника высоких плотностей энергии, получение и применение пучков заряженных частиц, источники когерентного излучения и нанотехнологии. Для проведения в первую очередь фундаментальных исследований в ИЭФ УрО РАН разрабатывается уникальное научное оборудование для изучения физических процессов и создания/модификации материалов. Отличительной особенностью такого оборудования является импульсный режим его работы, что позволяет существенно расширить его эксплуатационные характеристики и в ряде случаев использовать нестандартные подходы к проведению эксперимента.

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

В части исследования электрофизических процессов в ИЭФ УрО РАН созданы приборы, работающие в нано- и пикосекундных временных диапазонах. В зависимости от момента возникновения эмиссии убегающих электронов (УЭ) на нарастающем фронте ускоряющего напряжения энергия частиц за анодом может составлять от десятков до сотен килоэлектронвольт. Типичная длительность импульсов ускоренных частиц с током до десятков ампер лежит в диапазоне вплоть до 40 пс при фронте нарастания 20–30 пс. Такие ультракороткие потоки заряженных частиц, создаваемые источником УЭ серии РАДАН (рис. 1), являются уникальным инструментом для инициирования разрядных процессов в газовых электродных промежутках и изучения пробоев с участием лавин УЭ [1].

Рис. 1. Источник убегающих электронов РАДАН-303 с энергией УЭ ∼ 500 кэВ

Рис. 2. Внешний вид узлов наносекундного твердотельного генератора S-500.

Выходной узел генератора S-500 (а); узел SOS-диода (б); SOS-диод (в) и элементарный SOS-диод внутри сборки (г)

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В практическом плане представляют интерес исследования процессов возбуждения катодолюминесценции диэлектриков (в частности, минералов) и полупроводниковых лазерных мишеней, а короткие вспышки тормозного рентгеновского или оптического излучений являются важным инструментом для калибровочных измерений временнóго отклика сцинтилляторов и люминофоров. Для этого необходима генерация импульсов напряжения с определенными характеристиками.

Очевидным преимуществом полностью твердотельных генераторов является возможность стабильной работы с высокой частотой следования импульсов, их некритичность к нагрузкам и практически неограниченный ресурс. Наносекундный твердотельный генератор S-500 (рис. 2, а) с полупроводниковым прерывателем тока (SOS) (рис. 2, б–г) обеспечивает на нагрузках 40–100 Ом амплитуду импульса напряжения от 500 до 750 кВ с пиковой мощностью 6 ГВт при длительности импульса 7 нс и частоте следования импульсов в режиме пачки до 1 кГц [2]. В генераторе предложена и реализована новая схема накачки SOS на основе двойной формирующей линии. Такая схема обеспечивает ввод в SOS обратного тока амплитудой 14 кА за время ~12 нс, затем SOS обрывает ток за ~2 нс. Фронт выходного импульса напряжения в передающей линии дополнительно укорачивается ферритовым обострителем до ~1 нс, затем полупроводниковым обострителем до ~0.5 нс. Генератор разработан для применения в области мощной СВЧ-электроники.

В случае дополнения наносекундного импульсного генератора малогабаритной отпаянной рентгеновской трубкой с холодным катодом и устройством визуализации, использующим рентгенолю-минофоры, появляется возможность создания импульсных рентгеновских аппаратов различного типа, которые в настоящее время все шире применяются в медицинской диагностике, дефектоскопии и досмотровых системах. Преимуществом таких комплексов является значительное, в 10– 20 раз, снижение необходимой дозы облучения в сравнении с аналогичными комплексами на основе источников непрерывного рентгеновского излучения [3] при сохранении контрастности снимка (рис. 3, а).

Рис. 3 . Рентгеновский снимок грудной клетки (а) и повреждения экранированного кабеля, уложенного в стальную трубу толщиной 5 мм (б)

В ИЭФ УрО РАН разработана серия отпаянных взрывоэмиссионных рентгеновских трубок и компактных высоковольтных наносекундных импульсных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации с выходным напряжением от 65 до 350 кВ, работающих в килогерцовом диапазоне частот. Такое решение значительно повысило срок службы, скорость и стабильность работы, например, мобильных дефектоскопов, позволяющих в полевых условиях проанализировать состояние скрытой детали (рис. 3, б).

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ

В части материаловедения в ИЭФ УрО РАН разработаны и успешно применяются комплекс установок для получения нанопорошков и их эффективного уплотнения. Для получения нанопорошков металлов сплавов и их химических соединений в институте используется метод электрического взрыва проволоки (ЭВП). При протекании через проволоку импульса тока плотностью 108 А/см2 за единицы микросекунд происходит нагрев металла, а затем его взрывное диспергирование. В зависимости от условий взрыва после конденсации паров металла образуются частицы с характерным размером от десятков микрометров до нескольких нанометров. При ЭВП в атмосфере нейтрального газа отработано получение металлических нанопорошков Al, Cu, Fe, Ni, Ti, W, Mo, Al-Mg, Ni-Fe и др. с характерным размером частиц в области 50–100 нм. В кислородсодержащей среде получены порошки ряда оксидов: AlO, CuO,

NiO, ZrO, FeO, ZnO, TiO, (MgAl)O и др. с размерами частиц в области 15–100 нм. Порошки слабо агрегированы, имеют форму частиц, близкую к сферической, высокую чистоту и высокую химическую активность. Установка ЭВП (рис. 4, а) автоматизирована и обладает производительностью по порошку в диапазоне 50–400 г/ч, в зависимости от типа материала. При этом процесс является экологически чистым и позволяет производить порошки с варьированием характеристик путем изменения исходных условий [4].

Параллельно с ЭВП в Институте электрофизики УрО РАН интенсивно развивается и исследуется лазерный метод получения слабоагрегирован-ных нанопорошков сложных составов, который заключается в испарении твердой мишени излучением импульсно-периодического иттербиевого или СО 2 -лазера "ЛАЭРТ" и последующей конденсации паров в потоке буферного газа. Для этого был создан лазерный комплекс по получению нанопорошков в газах различного давления (рис. 4, б). С его помощью были получены нанопорошки простых и сложных оксидов: Al 2 O 3 , Fe x O y , Yb 2 O 3 , ScSZ, Nd:Y 2 O 3 , Nd:Lu x Y 1-x O 3 , Nd:YAG и др. В ходе эксплуатации оборудования было обнаружено, что средний размер наночастиц, полученных в воздухе атмосферного давления, не зависит от сорта материала мишени и лежит в диапазоне 11–16 нм. В то же время за счет изменения давления и сорта буферного газа средний размер наночастиц можно изменять в пределах 7–40 нм. В свою очередь производительность получения наночастиц зависит от свойств материала и составляет 20–80 г/ч при энергозатратах лазерного излучения 8– 30 кВт·ч/кг [5].

а                                  б

Рис. 4. Внешний вид установок для синтеза нанопорошков методами электрического взрыва проволоки (а) и лазерного испарения мишени (б)

б

а

Рис. 5. Внешний вид установок для одноосного (а) и радиального магнитно-импульсного прессования порошков (б)

Проводимые в ИЭФ УрО РАН исследования по магнитно-импульсному прессованию (МИП) показали эффективность метода для компактирования широкого спектра порошковых материалов, особенно в нанометровой области размеров частиц. Применение МИП в сочетании с термообработкой перспективно для формирования из нанопорошков новых типов объемных наноструктурных материалов для различных конструкционных и функциональных назначений. Прессование характеризуется мягкой импульсной волной сжатия в порошке с амплитудой до 2 ГПа при длительности 10–1000 мкс и скоростями перемещения материала 10–100 м/с. Эти условия в сочетании с адиабатическим разогревом благоприятны для эффективного преодоления сильного межчастичного взаимодействия в нанопорошках, что обеспечивает получение состояний спрессованных порошков с повышенной плотностью, способствует разрушению агломератов частиц и генерации структурных превращений (микроискажений решетки, дефектов, фазовых переходов) [6]. Для магнитноимпульсного прессования нанопорошков различных материалов в ИЭФ УрО РАН создано оборудование двух типов с использованием плоских (рис. 5, а) и радиально сходящихся волн сжатия (рис. 5, б).

ВЫВОДЫ

Показаны разработки Института электрофизики УрО РАН, представляющие интерес для дальнейшего их продвижения в технологические и производственные процессы.

Созданные приборы, использующие сильные электрические и магнитные поля, мощные электронные и ионные пучки, чрезвычайно короткие импульсные процессы, в первую очередь являются уникальными инструментами для фундаментальных научных исследований.

В то же время накопленный годами опыт научной работы, технических достижений и кооперации с другими организациями позволяет предлагать внедрение наших разработок в высокотехнологичные отрасли промышленности, сельского хозяйства и медицину.