Оборудование для ионной имплантации. Принцип работы любой установки для ионной имплантации состоит в ионизации в ионном источнике газообразных, жидких или твердых веществ и ускорении ионов в электростатическом поле. После разделения ионного пучка по массе сепарированный пучок ионов направляется на мишень-образец, находящийся в вакуумной камере. Для обеспечения однородности распределения заряда на поверхности проводят сканирование. Дозу имплантации определяют интегратором тока. Установки для ионной имплантации различаются способами ускорения, напряжением, способами фокусировки, источниками питания.
Установка для ионной имплантации включает: ионный источник У; системы ускорения и фокусировки ионов, разделения пучка ионов по массе, сканирования пучка 6; приемную камеру 2 и вакуумную систему. Имеется несколько типов ионных источников, основанных на различных принципах ионизации: электронным ударом, фотоионизация, химическая ионизация.
Источники с ионизацией атомов на разогретой поверхности твердых тел находят применение в исследовательских установках. Основное преимущество источников этого типа — малый разброс ионов по энергиям, основной недостаток — сравнительно малые токи. Такие источники используются при контролируемом нанесении пленок щелочных и щелочно-зе-мельных металлов, для получения пучков малого диаметра, в установках для получения узловых закономерностей при взаимодействии ионов с твердым телом, при анализе материалов.
Источник ионизации электронным ударом типа Нира применяется в масс-спектромет-рических устройствах. Сила выходного тока не превышает нескольких микроампер вследствие низкой ионизации (10~5). Разброс по энергиям составляет 2…3 эВ. В источниках типа плазмотрона также используется ионизация атомов электронным ударом. Они обеспечивают значительные ионные токи при малом разбросе ионов по энергиям, не превышающем 10 эВ. Основной недостаток — необходимость использования блоков электрического питания, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.
В промышленных установках ИЛУ-4 и ,гВезувий-4″ применены источники с дуговым разрядом в парах рабочих веществ. Кроме того, для стабильного поддержания дугового разряда используется также ионизация электронным ударом. Рабочим веществом может быть газ (например, аргон), водород, гелий или пар (например, фосфор). Главным преимуществом дуговых источников является получение ионных пучков с большой силой тока. К недостаткам относятся сложный состав получаемого ионного тока, необходимость специальной стабилизации разряда, разброс ионов по энергиям, неравномерность плотности тока по сечению пучка.
В газоразрядных источниках с горячим катодом типа Пеннинга ионизация молекул и атомов осуществляется электронным ударом. Источники такого типа характеризуются значительным (менее 100 эВ) разбросом ионов по энергиям. В составе пучка находятся ионы материалов электродов, подвергнутых ионной бомбардировке и распылению. Такие источники используются в установках для обработки материалов ионными пучками, нанесения покрытий.
В высокочастотных разрядных ионных источниках электроны получают необходимую энергию для ионизации атомов, ускоряясь в электрическом высокочастотном поле. Разброс ионов по энергиям в таких источниках составлял 50… 100 эВ, а в новых конструкциях он снижен до 1…2 эВ. Основными недостатка- ми высокочастотных разрядных источников являются необходимость тщательного экранирования с целью исключения влияния высокочастотных наводок на измерительную аппаратуру, трудность получения ионов металлов, неспособность работать при повышенных температурах, необходимость контроля параметров и управления ими, недостаточно длительный цикл непрерывной работы (50… 100 ч). Однако высокочастотные источники характеризуются простотой конструкции и надежностью работы, на изготовление не требуется больших затрат, удобны в эксплуатации, отличаются экономичностью.
Для получения тяжелых ионов можно использовать источники с дуговым разрядом в парах материалов электродов. В установках с такими источниками используются ионные пучки и ускоренная плазма. Плазменные ускорители применяют, например, для высокоскоростного нанесения пленок, откачки газов. Они экономичны, высокопроизводительны, универсальны. В некоторых случаях находят применение лазерные ионные источники, в которых разброс ионов по энергиям составляет 0,2…0,5 эВ, искровые ионные источники, позволяющие «получать многозарядные ионы, но отличающиеся невысокой стабильностью ионного тока; источники с тлеющим разрядом, в которых обеспечивается высокая плотность тока, но затруднено измерение энергии ионов и невелика глубина их проникновения.
Высокие энергии сообщаются ионам с помощью систем ускорения двух типов: в одиночном зазоре между двумя электродами и в многозазорных ускорительных секциях. Одиночные зазоры надежно работают при ускоряющих напряжениях 40 кВ, но при напряжении свыше 100 кВ в подобной системе ускорения появляются пробои. Более надежны многозазорные ускорительные секции, обеспечивающие постепенный рост энергии ионов в каждом зазоре на 15…20 кэВ. Для фокусировки ионов применяют электростатические линзы (одиночные, иммерсионные, диафрагмы с отверстием).
Оборудование для плазменно-дуговой пайки. Этот метод пока не получил распространения. Перспективно его применение для микроплазменной пайки, которая использует стандартное оборудование, например МПУ-4Ж. С использованием микроплазменного нагрева успешно паяются тонкостенные конструкции (в основном тела вращения) из углеродистой и коррозионно-стойкой стали, титана и др. Пайка осуществляется плазменной дугой обратной полярности при напряжении 15… 17 В и силе тока 10… 12 А.
Большие возможности у микроплазменного нагрева при ремонтной пайке. Этот процесс может осуществляться с присадкой припоя или без него, если припой имеется вокруг дефектного места. Так, при пайке пластинчато-ребристых теплообменников часто появляются дефекты в местах соединения угловых элементов с матрицей, а также разделительных пластин с проставками. Обычно эти дефекты устраняются газопламенной пайкой с использованием припоя ПСр. При этом изделие часто бракуется. Применение этого метода позволяет устранить многие наружные дефекты теплообменника без распайки соседних мест и без изменения внешнего вида изделия. Процесс чаще всего проводится без дополнительной присадки припоя.
Оборудование для пайки световым лучом. Нагрев концентрированным световым лучом в настоящее время широко используется для низко- и высокотемпературной пайки благодаря бесконтактному подводу теплоты, возможности проводить процесс пайки в требуемой атмосфере независимо от электрических и магнитных свойств материалов, легкости управления теплопоступлением и контролем, возможности механизации и автоматизации.
Установка для пайки световым лучом состоит из модуля лучистого нагрева, источника питания, координатного стола, систем управления и контроля, системы охлаждения.
Модуль лучистого нагрева представляет собой эллипсоидный отражатель 2, в одном фокусе которого располагается источник излучения 1. В качестве источника излучения используют дуговые ксеноновые лампы с воздушным охлаждением типа ДКСШ мощностью 0Д…1 кВт и комбинированным (воздушным и водяным) охлаждением типа ДКСР мощностью до 10 кВт.
Дуговая ксеноновая лампа выполнена в виде шарового баллона из кварца, в котором расположены два вольфрамовых электрода.-Лампа заполнена ксеноном под давлением 0,4… 1 МПа. При работе лампы давление в ней возрастает до 1…3 МПа, что приводит к сжатию дуги и формированию высококонцентрированного источника излучения. Спектр излучения лежит в интервале длин волн 0,2…2,4 мкм. Большая часть энергии (50…60%), подведенной к лампе, преобразуется разрядом в излучение, спектр которого состоит из 10% излучения ультрафиолетовой области, 35% — видимой области и 55% — инфракрасной. Такой спектр более эффективен для нагрева металла, чем излучение ламп накаливания, так как коротковолновая часть спектра лучше поглощается.
Многообразие физических методов нераз-рушающего контроля качества сварных соединений, широкий ассортимент сварных изделий и специфичность требований технических условий на них, объем производства и квалификация персонала предопределяют необходимость в широком выборе средств контроля с целью получения наибольшей технико-экономической эффективности от их применения.
В соответствии с классификацией методов неразрушающего контроля (НК) можно выделить оборудование для радиационного, ультразвукового, магнитного, вихретокового, капиллярного контроля, контроля герметичности. Широко применяются ультразвуковые, магнитные, вихретоковые и радиоволновые толщиномеры.
Радиационный контроль. При радиационном контроле сварных соединений в качестве источников проникающего излучения используют рентгеновские аппараты, гамма-дефекто-скопь!, ускорители заряженных частиц и другие устройства. Стационарные, передвижные и переносные рентгеновские аппараты подразделяются на кабельные и моноблочные. В кабельных аппаратах генератор высокого напряжения и рентгеновская трубка выполнены как отдельные блоки, соединенные между собой высоковольтным кабелем, а в моноблочных они находятся в одном корпусе
В зависимости от анодного напряжения рентгеновские аппараты могут быть непрерывного действия и импульсные. В импульсных аппаратах под воздействием импульса высокого напряжения образуется мощный импульс излучения. Эти аппараты, благодаря малым размерам, обладают повышенной технологической маневренностью, что позволяет использовать их в условиях монтажа.
Техническая характеристика рентгеновских аппаратов непрерывного действия приведена в табл. , а импульсных — в табл. также приведены сведения о специализированных аппаратах “Рейс-100И” и “Сире на-3″. Аппарат “Сирена-З” способен перемещаться со скоростью 20 м/мин внутри трубы на расстояние до 36 м. На рис. 3.1 показан рентгеновский аппарат РАП.
Для дефектоскопии сварных соединений в условиях монтажа чаще всего используются гамма-дефектоскопы, состоящие из следующих основных блоков: радиационной головки с источником излучения, коллими-рующей насадки, ампулопровода, механизма управления (ручного или электромеханического). Дефектоскопы с электромеханическим приводом имеют дистанционный пульт управления. В зависимости от вида и назначения дефектоскопы комплектуются также штативами, транспортными или самоходными те- лежками. Техническая характеристика гамма-дефектоскопов приведена в табл.
В качестве высокоэнергетических источников тормозного рентгеновского излучения, обеспечивающих радиографический контроль сварных соединений, литья и проката толщиной до 500 мм по стали, используют ускорители, сообщающие электронам кинетическую энергию в диапазоне 1…100 МэВ. Отечественной промышленностью выпускаются три типа ускорителей — линейные, бетатроны и микротроны. Техническая характеристика некоторых из них представлена в табл.
Радиография основана на регистрации ионизирующих излучений с помощью серебросодержащих детекторов на прозрачной и непрозрачной основах (рентгеновских пленок, бумаг). В последние годы находит применение электрорадиография, которая основана на использовании полупроводниковых детекторов (пластин или цилиндров), сенсибилизируемых и обрабатываемых после экспонирования в специальной компактной аппаратуре. При этом изображение получают на обычной писчей бумаге. Получили распространение электрорадиографические аппараты типа ЭРЕНГ.
Для непрерывного контроля сварных швов применяют интроскопы, состоящие из рентгеновского аппарата, электронно-оптического преобразователя и видеоконтрольного устройства. В процессе контроля изделие равномерно перемещают между рентгеновской трубкой и приемником излучения (электронно-оптическим преобразователем). Такой контроль обеспечивает чувствительность 3…4% при просвечивании стали толщиной до 30 мм, с устройствами накопления 1,0… 1,5%.
Техническая характеристика некоторых радиационных интроскопов приведена в табл. 3.5. Новые возможности в определении распределения плотности, структуры пространственного армирования открываются с использованием различных радиационных томографов. В табл. 3.6 приведены технические данные радиационных томографов объединения “Спектр”. Томографический снимок — это изображение среза изделия в интересующей плоскости.
Оборудование для технической диагностики на основе акустической эмиссии (АЭ) включает: одно- и многоканальные приборы; преобразователи; вспомогательные устройства. Эти средства позволяют определять техническое состояние объекта и прогнозировать его остаточный ресурс как непрерывно, так и периодически. Как правило, результаты анализа и документирование обеспечиваются в реальном масштабе времени. Это оборудование применяется при изготовлении и эксплуатации нефте- и газопроводов, энергетических установок, транспортных средств, крупных сосудов высокого давления и пр.
Оборудование для технической диагностики на основе акустической эмиссии классифицируется в зависимости от назначения, канальи ости, габаритных размеров, условий эксплуатации. Оно позволяет определять наличие течей, развивающихся дефектов. Определение дефектных мест, оценка их по степени опасности, прогнозирование разрушающей нагрузки производятся по специальным алгоритмам. Обычно число каналов системы (8, 16, 32, 48…256 и т. д., наращиваемые до необходимого числа) зависит от сложности задачи.
Различают переносные и лабораторные установки, а также установки специального назначения для эксплуатации в воде и других средах. Суммарная электрическая мощность (0,5…40 кВт) зависит от размеров и канально-сти АЭ-блоков и используемых ЭВМ. Широко распространен одноканальный индикатор течей 5110 фирмы РАС (США) и двухканаль-ный 5120.
Четырехканальный АЭ-прибор “Defectofon NEZ-220″ (Венгрия) управляется с помощью микропроцессора Z-80. Режимы работы и измерений производятся по значениям выходных сигналов логарифмических усилителей. Обработанные результаты измерений микропроцессор передает на выходные блоки: управляет цифровым индикатором, находящимся на передней панели, световыми диодами, звуковой сигнализацией, записью данных в память, а также пересылает данные на внешнюю ЭВМ. В случае сбоя в работе можно проверить управляющую программу в 7-80 путем замены ее специальной поверочной программой. Прибор комплектуется четырьмя АЭ-датчиками производства ИЭС им. Е. О. Пато-на. В связи с относительно высокой стоимостью разработки и изготовления АЭ многоканальных систем одним из основных требований к ним является универсальность. Поэтому основное аппаратурное и программное ядро системы должно быть инвариантно относительно решаемых задач, а наиболее совершенные ее модификации должны обеспечивать диагностику и прогнозирование несущей способности конструкции с автоматическим принятием решения в реальном масштабе времени.
Одним из основных технических требований к универсальной многоканальной системе является требование применимости состава оборудования. Это означает, что форматы сообщений, аппаратура сопряжения устройств и логика управления ими, а также конструктивные характеристики системы должны быть такими, чтобы присоединение нового устройства к данной системе не вызывало никаких изменений кроме изменений в программном обеспечении. Таким образом, можно расширять и модернизировать систему по мере выявления новых требований или разработки новых более совершенных устройств, тем самым предотвращая ее нормальное старение.
Одним из примеров подобного решения является многоканальная система АФ, построенная по модульному принципу. Модуль состоит из восьми групп (по четыре канала каждая). При необходимости контроля крупных объектов к одной ЭВМ подключается требуемое число модулей, ограничение связано только с емкостью оперативной памяти ЭВМ. В зависимости от размеров контролируемого изделия система АФ-33 может содержать 4 — 384 каналов.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработана АЭ-система ИИСТД-1 для измерения и оценки параметров акустической эмиссии, возникающей при деформировании материала и предшествующей их разрушению. Система обеспечивает: вычисление местоположения источников АЭ; определение диагностических, энергетических и статистических характеристик процессов АЭ из разных источников; оперативное отображение и документирование информации. Информация поступает по 48 каналам. При нагружении испытываемой конструкции возникающие в зоне контроля вспышки АЭ преобразуются в электрические сигналы, усиливаются, селектируются и поступают в устройства измерения относительных задержек прихода волны. Одновременно измеряется амплитуда и энергия приходящего сигнала. Полученная информация формируется в сообщение, передаваемое в ЦВМ через устройство связи системы. Рассчитывается место вспышки АЭ, уточняется влияние амплитуды и энергии вспышки, локализуется зона эмиссии. В каждой из локализованных зон эмиссии фиксируются интенсивность последней и количество вспышек АЭ.
В процессе испытаний информация о состоянии объекта может индицироваться на видеоконтрольном устройстве и распечатываться в виде таблиц и графиков. Математическое обеспечение системы включает программы: диспетчера, рабочие и ввода информации. В системе предусмотрен аппаратурный и программно-тестовый контроль проверки ее работоспособности. Тенденции развития
— Развитие неразрушающих методов контроля тесно связано с научно-техническим прогрессом сварки и материаловедения. Пока нельзя обеспечить гарантированное качество ответственных сооружений и сварных конструкций без использования средств неразру-шающего контроля. Совершенствование средств неразрушающего контроля происходит в соответствии с достижениями в области электроники, приборостроения, вычислительной техники. Новые возможности в дефектоскопии открываются с разработкой различных компьютеризированных систем. С помощью ЭВМ обрабатываются большие объемы информации и обеспечивается высокая достоверность результатов исследований, визуализируются дефектные зоны.
— Для многих технологий свойственны дефекты с малым раскрытием (оксидные пленки, слипания, структурные пятна), выявление которых внутри соединения требуют сложных методик, характеризующихся повышенной чувствительностью, большим числом измерений и особыми алгоритмами обработки информации. При этом производится запись информации на уровне структурных шумов материала и выбор браковочных порогов, адаптированных к структуре, что можно выполнить только с использованием вычислительной техники.
— Распространение в промышленности изделий из композитных материалов, керамики и пластмасс потребует разработки низкочастотных и особовысокочастотных ультразвуковых дефектоскопов, акустических микроскопов, распространения микрофокусных аппаратов и на их основе рентгеновских микроскопов. Новые возможности открываются с созданием специальных волоконно-оптических преобразователей.
— В области наплавки и защитных покрытий возможно создание систем, измеряющих толщину слоя, его адгезию, пористость, твердость, шероховатость, химический состав, наличие внутренних дефектов и статистическое представление результатов исследований.
— Дальнейшее развитие получат комплексные системы неразрушающего контроля в технической диагностике ответственных сварных объектов, с повторяющимися отдельными видами неразрушающих испытаний. Приближаются по значимости ультразвуковые и радиационные виды неразрушающего контроля.
