WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 1.4. Пробег электронов в веществе Ввиду рассеяния быстрых электронов в веществе, их траектория движения имеет хаотичный характер и сильно отличается от прямой линии. В соответствии с этим различают истинный (Rи) и экстраполированный (Rэ) пробеги электронов. Истинный пробег - это полный путь, пройденный быстрым электроном в среде до полной термализации. Экстраполированный пробег представляет собой проекцию пути электрона на направление первоначального движения.

Обычно Rи ~ (1,3 2) Rэ, (2) Теоретически можно рассчитать истинный пробег, используя формулу (1):

EdE Rи =, (3) dE dx где Е0 - начальная энергия электронов.

Эмпирическое выражение для экстраполированного пробега электронов в различных средах имеет вид:

R` (г / см2) = 0,4Е(1,3-0,1lgE), (4) э Формула (4) верна для Е = (0,01 2,5) МэВ.

R`э называется экстраполированным приведенным пробегом.

При этом R`э (г/см2) = (г/см3).Rэ (см), (5) где - плотность поглотителя.

1.5. Расчет поглощенной энергии (дозы) Поглощенная доза - это мера воздействия излучения на вещество. В системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является Грей, численно равный количеству энергии излучения в джоулях, поглотившейся в 1 кг вещества. Величина, в сто раз меньшая одного Грея, называется Рад.

Расчет поглощенной дозы при электронном облучении проводится по следующим приближенным формулам:

j E t D = при d > Rэ, (6) e R э j E d t D = при d < Rэ, (7) e R э Здесь j - плотность тока пучка электронов, t - время облучения, d - толщина поглотителя.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 1.6. Физические основы радиационного модифицирования материалов При взаимодействии быстрых электронов с твердым телом образуются первичные дефекты - свободные электроны и дырки, радикалы, возбужденные атомы (экситоны). Эти дефекты живут короткое время и исчезают (рекомбинируют) с выделением тепла и света, либо преобразуются в стабильные радиационные дефекты.

Таким образом, энергия электронов, поглощенная средой, идет на нагревание образца, а также на создание различных дефектов, изменяющих свойства материала.

Под действием облучения свойства твердых тел могут, как ухудшаться, так и улучшаться. Основная задача радиационной технологии состоит в том, чтобы используя позитивные эффекты воздействия электронных пучков, создавать высококачественные материалы.

В неорганических структурах (стекла, керамика, ионные кристаллы) под действием облучения создаются стабильные дефекты в виде смещенных атомов, вакансий, их скоплений, резко активизируются диффузионные процессы. Эти явления могут привести к значительному улучшению свойств материала, что и используется в электронно-лучевых технологиях.

Для органических соединений (полимеров) позитивным эффектом радиационного воздействия является сшивание макромолекул. Суть процесса заключается в следующем. При облучении полимеров за счет ионизации атомов химические связи разрываются и образуются радикалы. Радикалы - это атомы или их группы, имеющие неспаренные электроны. Радикалы, принадлежащие разным макромолекулам, встречаясь друг с другом, образуют прочные межмолекулярные химические связи. Таким образом, макромолекулы сшиваются, что приводит к улучшению термомеханических свойств полимеров.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - Освоить технологию получения радиоэлектретов, изготовить и испытать радиоэлектреты.

- Освоить технологию получения сшитого полиэтилена. Определить механические свойства облученного полиэтилена.

2.2. Технология получения радиоэлектретов Электретами называются твердые диэлектрики, длительное время сохраняющие наэлектризованное состояние и являющиеся источником каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ постоянного электрического поля. Электреты используются как источники постоянного электрического поля в различных измерительных и преобразующих устройствах (например, микрофоны). В зависимости от способа изготовления различают термо-, трибо- и радиоэлектреты.

Радиоэлектреты получают путем облучения диэлектриков электронными пучками. Преимущества этой категории электретов состоят в их высокой стабильности, термоустойчивости и величине генерируемого электрического поля.

Схема радиоэлектрета приведена на рис. 3.

п d Рис.3. Схема радиоэлектрета п Отрицательный заряд в объеме диэлектрика формируется при облучении образца электронами. При этом пробег электронов должен быть меньше толщины диэлектрика.

Инжектированные электроны захватываются дефектами структуры на глубине пробега и образуют стабильный объемный заряд. Наведенный облучением отрицательный заряд компенсируется на поверхности диэлектрика положительными ионами воздуха. Эффективность технологии определяется параметрами электронного пучка и свойствами исходного материала.

2.3. Технология получения сшитого полиэтилена Процесс радиационной сшивки полиэтилена наиболее эффективно осуществляется при дозах (0,1 0,5) МГр. Для получения качественных образцов облучение проводят при комнатной температуре, обеспечивая максимальную равномерность поглощения энергии электронов в образцах. С этой целью выбирают такую энергию электронов, чтобы их пробег превышал толщину образца. Кроме того, облучение следует проводить с двух сторон.

2.4. Экспериментальное оборудование 2.4.1. Источники электронных пучков Облучение образцов проводится на сильноточном импульсном ускорителе МИРА. Принцип действия аппарата описан в теоретической части разработки.

На рис. 4 показана принципиальная схема ускорителя.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Рис.4. Схема электронного генератора МИРА: 1 - источник высокого напряжения, 2 – конденсатор, 3 – разрядник,4 – катод, 5 – изолятор, 6 - электронный пучок, 7 – масло.



Параметры аппарата МИРА:

энергия электронов - 150 кэВ;

длительность импульса - 20 нс;

ток в импульсе - 50 А;

частота следования импульсов - 1 имп/с;

площадь выходного окна - 1,5 см2.

При изучении технологии получения сшитого полиэтилена используются также образцы, облученные на линейном ускорителе ЭЛУ-4.

Параметры ускорителя:

энергия электронов - 4 МэВ;

плотность среднего тока - 0,2 мкА/см2;

длительность импульсов - 5 мкс;

частота следования импульсов - 200 Гц;

плотность тока в импульсе - 3 мА/см2.

2.4.2. Прибор для испытания радиоэлектретов Измерение заряда электрета осуществляется либо с помощью электрометра, либо методом вибрирующего электрода, принцип действия которого иллюстрируется на инд В рис.5.

CБ L U d Рис.5. Принцип метода диA намического конденсатора.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Электрод А плотно прижат к образцу. Электрод В расположен на расстоянии L от поверхности электрета. На электроде В индуцируется поверхностный заряд плотностью инд. Верхний электрод вибрирует с частотой 20 Гц.

При изменении величины зазора «электрет-электрод», индуцированные на электроде В заряды меняются, что вызовет появление в цепи электрического тока. Если на пути тока включить вольтметр с входной емкостью С0, то вольтметр покажет разность потенциалов (U), пропорциональную индуцированному заряду.

инд U =. (8) СПоверхностная плотность заряда электрета определяется по формуле:

С0U L = +1, (9) п S d где S - площадь электрода, L – зазор между электродом и диэлектриком, - диэлектрическая постоянная материала.

Величина напряженности электрического поля электрета определяется из выражения:

E = 2. (10) п 2.4.3. Испытания модифицированного полиэтилена Для образцов сшитого полиэтилена измеряется прочность на разрыв с помощью разрывной машины. Результаты измерений сравниваются с аналогичными данными для необлученных образцов.

2.5. Порядок работы 1. Ознакомиться с работой источника электронов МИРА.

2. Рассчитать по формулам (4,6,7) пробег электронов и поглощенную дозу для исследуемых материалов.

3. Получить радиоэлектреты при разных дозах облучения.

4. Измерить заряд радиоэлектретов.

5. Облучить образцы полиэтилена несколькими дозами на ускорителях МИРА и ЭЛУ-4.

6. Определить прочность на разрыв и относительное удлинение облученных и необлученных образцов.

7. Результаты испытаний оформить в виде таблиц и графиков.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 2.6. Контрольные вопросы 1. Изложите физические основы электронно-лучевых технологий.

2. На какие типы технологических электронных ускорителей 3. Приведите разновидности электронно-лучевых технологий.

2.7. Литература 1. А.Чарлзби. Ядерные излучения и полимеры.- Изд-во ИЛ,1962.

2. Введение в технологию электронно-лучевых процессов./ Под ред.

Н.А.Ольшанского.- Изд-во Металлургия, 1965.- 395 с.

3. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник.- Изд-во "Машиностроение", 1985.- ….с.

4. Пикаев А.К.. Современная радиационная химия.- Изд-во Наука, 1985.-375 с.

5. Петров А.В. Исследование токов термодеполяризации в полярных полимерах. Методические указания. - Томск: ТПУ, 1985.- 19 с.

6. Ракалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов.- М.: Машиностроение, 1985.- 496 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА МАТЕРИАЛОВ.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Электромагнитные волны высокой частоты Электромагнитными волнами (ЭМ) называются распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля.

Электромагнитное поле состоит из неразрывно связанных друг с другом электрического и магнитного полей, вектора напряженности которых, перпендикулярны друг другу и к направлению распространения волны.

Таким образом, любая электромагнитная волна характеризуется тремя векторами:

1. E - вектор напряженности электрического поля;

2. H - вектор напряженности магнитного поля;

3. P - вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнтинга).

P = [E H] (1) В зависимости от частоты различают ЭМ волны: радио ( = 104 – 106 Гц), УКВ ( = 107 - 108 Гц), СВЧ ( = 1011 – 10 9 Гц), инфракрасного ( = 1014 – 10 12 Гц), видимого ( = 1015–1014 Гц), ультрафиолетового ( = 1017 – 10 15 Гц), рентгеновского ( = 1019 – 10 17 Гц) и гамма ( > 0,1 мм, > 1019 Гц) - диапазонов.

Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе. Причём они переносят не вещество, а энергию. При этом перенос энергии совершается направленно, в сторону распространения волны.

Электромагнитная волна любой частоты, попав в вещество, затухает по закону Бугера:

I = I0 (1- R) e-2kx (2) где I0 – интенсивность падающей ЭМ волны;

R – коэффициент отражения;

х - толщина слоя поглотителя;

k - коэффициент поглощения ЭМ-энергии в среде.

Чем больше коэффициент поглощения среды, тем меньше расстояние х, на протяжении которого амплитуда колебаний уменьшится в е раз, т.е. быстрее протекает затухание колебаний.

Поглощенная материалом энергия электромагнитной волны в итоге передается атомам вещества и расходуется на нагревание образца.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ В технологиях высокочастотного нагрева используются электромагнитные волны в диапазоне 150 кГц 500 МГц. Иначе эти воздействия называются токами высокой частоты (ТВЧ).





1.2. Индукционный нагрев металлов Метод индукционного нагрева основан на открытом Фарадеем явлении электромагнитной индукции, которое состоит в том, что при помещении проводника в магнитное поле, по нему протекает ток, и возникает Э.Д.С.:

E = 4,44 f n Ф 10-8 [В], (3) где Е— электродвижущая сила, В;

f—частота электрического тока, Гц;

n—число витков проводника (индуктора);

Ф — магнитный поток, [Вб].

В проводящем контуре (проводнике) существование Э.Д.С. индукции приводит к появлению индукционного тока (вихревые токи Фуко), направление которого всегда таково, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Индукционный ток наводит ЭДС в той же цепи, где он протекает, поэтому данное явление называется самоиндукцией. Эти токи, проходя по проводнику, нагревают его. Причиной поверхностного эффекта являются вихревые токи, возникающие в результате действия переменного магнитного поля на заряженные частицы. Сила, действующая на электрический заряд, движущийся в магнитном поле называется силой Лоренца. Она направлена всегда перпендикулярно к скорости движения заряженной частицы, т.е. является центростремительной силой. В результате этого заряженная частица движется по окружности.

Если на движущийся электрический заряд кроме магнитного поля действует и электрическое поле, то результирующая сила, приложенная к заряду, равна векторной сумме силы, действующей на заряд со стороны электрического поля и силы Лоренца. Таким образом, заряженная частица в объёме проводника совершает движение по спирали. Количество теплоты, выделяемое в единицу времени вихревыми токами, пропорционально квадрату частоты магнитного поля. Таким образом, коэффициент поглощения электромагнитного поля (k) в металлах определяется генерацией вихревых токов и выражается следующей формулой:

f µ k =, (4) где f - частота поля;

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ µ - абсолютная магнитная проницаемость;

- удельное сопротивление металла.

Важной для практики величиной является глубина проникновения тока в металл (), которая определяется по выражению:

= = 503 [м], (5) к µ f где µ - относительная магнитная проницаемость.

Оценки показывают, что глубина проникновения токов высокой частоты в металлы составляет, в среднем, микрометры.

При помещении металла в переменное электромагнитное поле в нём возникает поверхностный эффект (скин - эффект): протекание переменного тока сопровождается неравномерным распределением плотности тока по сечению проводника и, следовательно, неравномерным выделением мощности. Причиной поверхностного эффекта являются вихревые токи, возникающие в результате действия переменного магнитного поля.

Для индукционного нагрева используют высокочастотные генераторы, снабженные индукторами, которые имеют форму одновитковой или многовитковой катушки.

Индукционный нагрев металлов в настоящее время широко применяется в различных областях для самых разнообразных целей:

• в машиностроении (нагрев, обработка металлов давлением, рекристализационный отжиг, закалка, термообработка, сушка изоляции электрических машин и окрашенных поверхностей);

• в химическом производстве (получение смол, борьба с затвердеванием или замерзанием, нагрев пресс-форм и экструдеров при прессовании и переработки пластмасс, нагрев валков и натяжных роликов во избежание образования трещин на поверхности).

1.3. Диэлектрический нагрев материалов Нагрев непроводниковых (диэлектрических и полупроводниковых) материалов обусловлен диэлектрическими потерями.

Диэлектрическими потерями называется часть энергии внешнего электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в единицу времени и вызывает нагрев диэлектрика.

Если нагрев непроводниковых материалов осуществляется в переменном электрическом поле частотой 106 108 Гц, то этот вид нагрева называют ВЧ нагревом. При этих частотах нагрев осуществляется за каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ счёт диэлектрических потерь, обусловленных сквозной электропроводностью и релаксационными (медленными) видами поляризации.

Диэлектрические потери за счёт электропроводности возникают в результате выделения тепла Джоуля при прохождении через диэлектрик сквозного тока.

Кроме этого, в диэлектрике при помещении его в электрическое поле появляются релаксационные диэлектрические потери. Причиной их возникновения являются медленные виды поляризации. К ним относятся дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации. В присутствии электрического поля полярные молекулы ориентируются, а ионы смещаются в направлении сил поля.

При этом энергия электрического поля превращается в кинетическую энергию частицы. В результате увеличивается амплитуда и частота колебаний поляризующихся частиц, избыточная кинетическая энергия передаётся окружающим атомам среды, что эквивалентно нагреву материала. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то при каждом изменении поля внутри материала будет генерироваться некоторое количество тепла. Чем чаще изменяется направление поля, т.

е. чем выше его частота, тем больше тепла выделится в диэлектрике за единицу времени.

Мощность диэлектрических потерь рассчитывается по формуле:

Р = U2.. C. tg, (6) где U - напряжение на конденсаторе емкостью С, tg - тангенс угла диэлектрических потерь, - круговая частота.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.