Оптимальные концентрации атомов меди (101 5 -101 6 см- 3 ) в АЭ ЛПМ достигаются при весьма высоких температурах (1500-1600°С). Именно такие температуры в течение всего срока службы долженвыдерживать разрядный канал / (см. рис. 2.5). Материал канала дол жен при этом удовлетворять всем перечисленным в начале данной главы требованиям. Наиболее полно этим требованиям отвечают ке рамики из чистых окислов, имеющие температуру плавления 2 0 0 0 ° С и выше, в частности плотная керамика из А^Оз марки А-995. Выбор материала и конструкции разрядного канала. Керами ка из А ^ О з широко применяется в вакуумной технике, в том чис ле и при высоких температурах [177]. И тем не менее даже в на стоящее время трудно иметь полное представление о ее поведении в процессе длительного срока службы при воздействии различных факторов (температуры, среды, нагрузок и т.д.). В работе [178] пока зано, что наиболее сильное влияние на свойства керамики оказывает высокая температура: при длительном нагреве изменяется ее микро структура — происходит так называемое термическое старение. Этот процесс связан с рекристаллизацией (ростом кристаллов) керамики, сопровождающейся уменьшением ее кажущейся плотности, прочности, термостойкости, теплопроводности, ползучести и испарения. Керами ка из окиси алюминия подвергается существенному старению даже при относительно невысоких температурах, если время нагрева со ставляет тысячи часов. Термическая обработка (выдержка) корундовой керамики при 1300 °С в течение 500, 1000 и даже 2000 ч практически не приводит к заметному изменению ее структуры. Нагрев до 1700°С вызывает резкие изменения уже в первые часы работы. Установле но [178], что прочность спеченной керамики после нагрева в ваку уме при 1900°С в течение 10 ч снижается примерно в четыре раза, при этом размер кристаллов увеличивается в шесть раз. Поэтому кера мика А-995, работающая в АЭ на парах меди при температурах 1500— 1600°С, с целью сохранения ее свойств предварительно подвергается обжигу при более высоких температурах. В нашем случае температура обжига составляет (1700 ± 20) °С. Керамика А-995 включает 99,8% А^Оз. В качестве примеси име ется только термодинамически устойчивый окисел М^О (0,2%). Его присутствие в составе керамики уменьшает возможность взаимодей ствия последней как с металлами, так и с их окислами [179]. Обыч но наблюдается обратная картина: керамика с большим содержанием примесей характеризуется и большей степенью взаимодействия [178]. Старение образцов из А^Оз с добавкой М^О до 0,5% по характеру не отличается от поведения корундовой керамики без добавки [178]. Что же касается керамики из других доступных материалов (окись маг ния, окись кальция, двуокись циркония), то изменение их свойств на ступает быстрее и в менее жестких температурных условиях [178]. Так, керамика из 2 г 0 2 , стабилизированная СаО, в процессе срока службы склонна к дестабилизации уже в интервале температур 1200-1500°С. А в трубках из СаО и М^О вместо паров меди образуются пары кальция [6] или магния из-за повышенной их испаряемости. На основе анализа физико-химических свойств многих окислов показано, что предпочтительна керамика из окиси бериллия (ВеО) [6]. Температура плавления керамики из ВеО выше, чем из А^Оз (2500°С и 2 0 5 0 ° С соответственно), давление пара соединения меньше ( Ю - 5 и Ю - 3 мм рт. ст.). Окись бериллия обладает высокой теплопроводно стью и поэтому лучше выдерживает термоудары в процессе разогрева АЭ, но у нее есть серьезный недостаток — высокая токсичность, что создает существенные проблемы при серийном производстве, и к тому же цена ее значительно выше. В настоящее время в России произ водство керамических трубок из ВеО практически приостановлено. Безусловный интерес для рассматриваемого применения представляют керамики из окиси иттрия (У2О3) и цирконата иттрия (У2О3 • 22г02). В условиях высоких температур свойства керамик из этих материалов меняются в меньшей степени, чем свойства керамик из других матери алов [178]. Однако из-за дефицитности и высокой стоимости использо вать керамики из У2О3 и У2О3 • 2 2 г 0 2 не представляется возможным. Проведенный анализ свойств высокотемпературных керамик позволил отдать предпочтение керамике из А^Оз марки А-995 собственного производства (НПП «Исток»). Основу разрядного канала / (см.рис.2.5) составляют пять керами ческих трубок с внутренним диаметром 20 мм и толщиной стенки 3 мм, из которых три центральные имеют длину 195 мм, а две концевые — 70 мм. Между собой трубки соединяются 40-мм керамическими втул ками. В местах соединений они взаимно перекрываются на 10 мм. В процессе сборки разрядного канала на внешние концевые поверхно сти трубок, на участки их перекрытия с втулками, а также в местах их перекрытий с конденсорами паров меди 3 наносится герметизи рующий состав — высокотемпературный цемент из мелкодисперсного порошка. Состав порошка: 98-99% А^Оз и 2-1% Т1О2. При тренировке АЭ, когда температура канала возрастает от 20 до 1600°С, цемент спекается. Благодаря этому конструкция канала становится цельной и ей придается повышенная механическая жесткость. Возможность по падания теплоизолятора в активный объем и уход паров меди из этого объема через зазоры соединений практически устраняются. И исто щение запасов меди из генераторов 2 определяется только скоростью диффузионного ухода паров меди вдоль разрядного канала на относи тельно холодные его концы, где расположены конденсоры 3. Генераторы паров меди. Генераторы паров меди 2 (см. рис. 2.5) установлены в местах соединений трубок разрядного канала с втул ками — на внутренней поверхности втулок. Высота генераторов равна зазору между трубками канала (20 мм). Долговечность АЭ в ко нечном итоге определяется запасом рабочего вещества (меди) в этих генераторах и скоростью его ухода на холодные концы канала. Но к ге нераторам предъявляются дополнительные жесткие требования, от ко торых зависит эффективность и долговечность АЭ. Материалы гене- ратора не должны взаимодействовать между собой и с материалом разрядного канала, пары меди должны выходить только в активный объем канала и обеспечивать оптимальный уровень концентрации. Жидкая медь не должна выливаться, расплескиваться и тем самым перекрывать апертуру канала. Выбор материала подложки генератора. При конструировании узлов изделий электронной техники, работающих в условиях высоких температур, широко применяются металлы «большой пятерки» — нио бий, тантал, молибден, вольфрам, рений и их сплавы. Степень взаимодействия этих металлов с окисью алюминия А ^ О з и керамикой на ее основе существенно зависит от среды, темпера туры, длительности процесса и конкретного металла [178, 179, 181, 182]. В работе [177] было изучено взаимодействие жидких металлов с керамикой применительно к задачам металлургии. Жидкие металлы оказывают эрозионное и коррозионное воздействие на керамические материалы. По данным термодинамических расчетов [177], раствори мость окиси А ^ О з в твердом состоянии в металлах убывает в такой последовательности: ЫЬ^Мо^No^Си^А§г. Окисление малоактивных металлов (РеО, М0О2, СГ2О3, Т1О2, 2Ю2) увеличивает возможность взаимодействия. Согласно расчетам, приведенным в [177], раствори мость А ^ О з в меди весьма незначительна, однако окисленная медь Си20 или СиО может взаимодействовать сильнее. Хотя интенсивность взаимодействия невелика, при длительных наработках в условиях вы соких температур эффект может оказаться значительным. Во многих экспериментах в керамике под каплей расплавленной меди образовы вался кратер. Свойства ниобия и тантала близки. Ниобий более дешевый, зато тантал несколько превосходит его по тугоплавкости и химической стой кости [179]. Эти материалы характеризуются высокой пластичностью, из них легко делать детали выдавливанием и штамповкой. Не теряют пластичности они и при сильном нагреве в условиях высокого ваку ума и в атмосфере инертных газов. При повышенных температурах ниобию и танталу свойственна высокая поглощательная способность по отношению к газам, например Н2, О2 и N2, в результате чего эти металлы становятся хрупкими. При тренировке АЭ наблюдается интенсивное газоотделение во всем диапазоне температур от комнатной до 1600°С и эти материалы становятся хрупкими. Такой процесс менее интенсивен при тренировке изделия в атмосфере инертных газов. Вза имодействие ниобия и тантала с керамикой из А^Оз происходит уже при 1500-1600°С [178]. В зоне контакта металл-керамика протекают интенсивные окислительно-восстановительные реакции. Эти процес сы могут идти и через газовую среду с разложением и разрушени ем решетки [182]. Внешне они проявляются в потемнении керамики по всей толщине, в прилипании металла к керамике, образовании слоя продуктов взаимодействия керамики с металлом и ее разбухании, в возникновении раковин и трещин в керамике. Процесс проникает и в глубь керамики за счет диффузии продуктов окисления тантала по границам кристаллов А^Оз. Наличие таких продуктов (Та20з) меж ду кристаллами керамики А-995 было установлено химическим ана лизом. Результаты, приведенные в монографии [178], свидетельствуют о том, что при температурах 1600 °С и выше с танталом интенсивно взаимодействуют все виды окисной керамики. Из работы [178] также следует, что в контакте с молибденом и вольфрамом эта же керамика проявляет значительно большую устой чивость: взаимодействие практически отсутствует до 2000 °С. Что же касается рения, то этот материал с А^Оз взаимодействует даже в мень шей степени, чем молибден и вольфрам. Применяется рений чаще всего не в чистом виде, а в виде сплавов с молибденом и вольфрамом. Рассмотренные тугоплавкие металлы довольно хорошо смачиваются медью, в то время как их окислы, наоборот, не смачиваются. Плохо смачивается и окись алюминия [182]. Эти свойства при выборе мате риала подложки для конструкции генераторов (и также конденсоров) необходимо было учитывать. Из проведенного выше анализа следует, что из металлов «большой пятерки», применяемых в производстве изделий электронной техники, требованиям к материалу подложки генераторов наиболее полно отвечают молибден и рений. Выбор конструкции генератора. На рис.2.6 представлены раз личные конструкции генераторов паров меди. В первых образцах отпа янных саморазогревных АЭ медь в виде спирали из проволоки устанав ливалась непосредственно на внутреннюю поверхность соединитель ных керамических втулок канала (рис. 2.6, а). В рабочем состоянии расплавленная медь / собирается в виде капли (из-за плохого смачи вания керамики А-995) и частично перекрывает апертуру разрядного канала. Застывшая капля меди в холодном АЭ сцеплена с керамикой непрочно и при трясках и ударах легко отрывается и перемещается в концевые зоны. В первом промышленном АЭ ТЛГ-5 медь / распо лагалась внутри покрытой медью молибденовой втулки 2 (рис. 2.6, б). Шести генераторов, в каждом из которых масса меди составляла 2 г, при давлении неона Зде = 200 мм рт. ст. было достаточно для работы АЭ в течение более чем 2000 ч [122]. К недостаткам данной кон струкции следует отнести, во-первых, частичное перекрытие апертуры канала расплавленной медью, но в меньшей степени, чем у первой конструкции (благодаря хорошему смачиванию молибдена медью, од нако часто полного смачивания не происходило, вероятно, из-за об разования окислов). Во-вторых, как и в первой конструкции, имелась возможность выплескивания расплавленной меди из генератора при отклонении А Э от горизонтального положения. По этим причинам в последующей разработке, а именно в АЭ УЛ-101, генераторы меди были вынесены на внешнюю поверхность трубок разрядного канала (рис. 2.6, в). Медь / устанавливается в виде двух полуколец в проточки на трубках. Сверху кольцо меди закрывается танталовой втулкой 3. Выход паров меди в активный объем осуществляется через отверстия в трубках диаметром 0,5 мм. При запасе меди 10 г в каждом из двух генераторов, наработка образца УЛ-101 до полного истощения меди составила ^480 ч, хотя расчетная величина долговечности, определя емая диффузией меди вдоль канала, должна быть ^ 2 0 0 0 ч. Следо вательно, более 75% меди из генератора уходило через зазор между керамической трубкой и танталовой втулкой. Кроме того, в процес се эксплуатации рабочие каналы (отверстия) «зарастают» вследствие разрыхления кристаллической структуры керамики при температурах 1600°С и в результате взаимодействия с танталом [178]. Конструкция на рис. 2.6, г отличается от варианта а наличием ограничительной металлической втулки (цилиндра) 4 с отверстиями. Был изготовлен и испытан макет АЭ УЛ-101, в котором один из ге нераторов был с танталовой, а второй — с молибденовой втулкой толщиной 0,2 мм. Уже при тренировке (через 20 ч) медь из гене ратора с молибденовой втулкой вылилась через отверстия (диамет ром 1 мм) и растеклась по ее поверхности, частично перекрыв апер туру канала. Через отверстия в танталовой фольге медь не проли лась. При уменьшении диаметра отверстий в молибденовой фольге до 0,4 мм протекание полностью не исчезло. Очевидно, при температу ре ^ 1 6 0 0 ° С поверхность молибдена частично очищается от окислов, чем и объясняется появление смачиваемости ее медью. Как видно из табл.2.1 [182-184], диапазон устойчивости стабильного окисла тантала находится в интервале 1 0 0 0 - 1 8 9 0 ° С . Диапазон устойчивости окислов молибдена (500-795 °С) лежит значительно ниже рабочей тем пературы канала. Таким образом, практические результаты испытаний АЭ полностью соответствуют литературным данным. Рений и вольфрам в качестве подложек генераторов АЭ не ис пользовались ввиду дефицитности первого и повышенной хрупкости второго материала. Ниобий более интенсивно, чем тантал, поглощает остаточные газы и разрушается. Были опробованы генераторы металло- пористой конструкции, изготовленные из материала, представляющего собой медно-вольфрамовый псевдосплав [185]. Этот материал является тесной механической композицией меди и вольфрама, полученной прес сованием их порошков с последующим спеканием. Спекание произво дится при температуре выше точки плавления меди (1250-1350°С). Другой метод, позволяющий получить такой материал с более вы сокой плотностью, состоит в том, что на первой стадии прессуется и спекается только один вольфрам. Затем пористое тело пропитывается расплавленной медью. Изготовленный по такой технологии в НПП «Исток» материал содержит 30 вес.% меди. Генератор из этого матери ала (рис. 2.6, д) испытывался в АЭ ГЛ-201. Но примерно через 600 ч работы на одной трети разрядного канала как со стороны катода, так и со стороны анода импульсный разряд начинал шунтироваться по внутренней поверхности канала, вся вводимая в АЭ мощность выделялась на оставшемся центральном участке и канал разваливал ся. Анализ состояния внутренней поверхности канала после разборки АЭ показал, что проводящие участки покрылись чистым вольфрамом. Испытывался также генератор медно-молибденового состава. Прово дящая пленка на внутренней поверхности разрядного канала не об разовывалась. По мере истощения меди цилиндрические генераторы из псевдосплава деформировались. Через 600 ч из-за деформации ге нератора апертура канала перекрывалась на 15%. Другой недостаток такого генератора — малый запас меди (примерно в три раза меньше, чем в генераторах других конструкций).  |
На первом этапе разработки АЭ ГЛ-201 в качестве основного ма териала для изготовления оболочек генератора был выбран тантал, обладающий хорошей пластичностью и удобный для механической обработки. Конструкция генератора меди была выбрана капсульной (рис. 2.6, е) рабочее вещество — медь / в виде кольца закладывается в тороидальную оболочку 6 из тантала толщиной 0,4 мм. После сборки оболочка по торцам заваривается. Во внутренней стенке оболочки име ется 16 отверстий диаметром 0,5-0,6 мм. Отверстия такого диаметра предотвращают протекание расплавленной меди в активный объем. С целью уменьшения степени проникновения тантала в керамику меж ду внешней оболочкой генератора и керамической втулкой проклады валась молибденовая фольга толщиной 0,05 мм. Внешний диаметр ге нератора равен 25 мм, внутренний — 20 мм, высота — 20 мм. Разрабо танная конструкция генератора паров меди впервые была реализована в НИР «Кристалл», а затем в ОКР «Кристалл-1». Но впоследствии от применения этой конструкции в АЭ ГЛ-201 отказались и вернулись к варианту «б» (см. рис. 2.6), где были использованы четыре генератора с массой меди 11 г в каждом. Такое решение было принято в связи с тем, что мощность излучения АЭ ГЛ-201 с танталовыми генерато рами при сроке службы более 1000 ч достаточно резко падала. Как показал анализ состояния отработанных АЭ ГЛ-201 с танталовыми генераторами, примерно за ЮОО-ч наработку в соединительных кера мических втулках, где расположены генераторы, образуются трещины, приводящие к быстрому уходу меди в теплоизолятор. Образование трещин обусловлено диффузией тантала в глубь керамики и окисле нием его по границам кристаллов А^Оз (наличием окисла Та20з). Применялась медь высокой чистоты — марки МВ (медь вакуумной плавки) или М06 (медь бескислородная). Конденсоры паров меди. Конденсоры паров меди 3 (см. рис. 2.5) расположены на концах разрядного канала в зоне конденсации паров меди. (Конструкция конденсора представлена на рис. 2.7.) Они находятся между приэлектродными керамическими втулками длиной 40 мм и концевыми трубками разрядного канала длиной 70 мм. Зона конденсации паров меди была определена экспериментально. В разрядном канале АЭ «Кристалл» вместо конденсоров и при- электродных керамических втулок длиной 40 мм были установлены цельные керамические трубки. После ЗОО-ч наработки прибор был разобран и измерена длина зоны в этих трубках, где имелись капли сконденсированной меди, и расстояние от электродов до зоны конденсации. Это расстояние и длина зоны составляли около 30 мм. В качестве материала конденсора выбран молибден, который хорошо смачивается медью и практически не взаимодействует с керамикой. Конденсор представлял собой молибденовую трубку размерами 026 х 1 мм марки МЧВП (длина конденсора 40 мм), в которой предусмотрена система поперечных щелей для ухода паров меди в теплоизолятор и для эффективной тепловой развязки основной рабочей зоны канала от «холодных» электродных узлов.  |
|
