Acoustic signals in copper target induced by irradiation with a low-energy high-current electron beam.pdf Введение Растущие требования современных технологий формирования новых материалов и покрытий требуют постоянного развития научных методов, средств контроля характеристик и свойств материалов во время их модификации. Воздействие на вещество интенсивными импульсными электронными пучками является универсальным способом модификации материала [1]. При импульсном воздействии электронным пучком в материале или формируемом покрытии возникают термоупругие напряжения, которые становятся источником акустических волн. Акустические волны, распространяющиеся из области взаимодействия, несут в себе информацию как об энергетических свойствах и пространственном распределении потока частиц, так и о термодинамических процессах при облучении. Этот акустический эффект имеет большой потенциал для исследования свойств формируемых материалов и процессов, но пока не слишком часто используется в исследованиях, связанных с модификацией поверхности. В работе [2] описан процесс возникновения упругих волн во время переходного нагрева при воздействии импульсного электронного пучка. При воздействии импульсного электронного пучка на твердое тело в нем формируются акустические волны, амплитуда которых пропорциональна плотности мощности излучения. В [3] описываются акустические сигналы при воздействии на медный проводник мощными ионными пучками. Авторы показывают, что данная акустическая диагностика позволяет измерять плотность энергии пучка в диапазоне 0.1-2 Дж/см2. При плотности энергии более 2 Дж/см2 происходит стабилизация амплитуды сигнала из-за плавления поверхностного слоя мишени. В работе [4] представлены результаты исследования тепловых и ударно-волновых процессов при поглощении ионного пучка в стальной мишени. Авторы [5] для измерения распределения энергии импульсного электронного пучка в поперечном сечении предлагают использовать радиационно-акустическую диагностику. Радиационно-акустическая диагностика основана на регистрации возникающих в мишени акустических волн при диссипации энергии импульсного электронного пучка. Это так называемый радиационно-акустический эффект [6]. В [7, 8] авторы указывают на то, что при облучении пластин предварительно азотированной стали 08Cr17Ti с осажденной пленкой Nb70Hf22Ti8 происходит процесс с высокой виброакустической активностью в диапазоне 11-22 кГц. Целью данной работы является развитие акустического метода мониторинга процессов, индуцированных в медной мишени импульсным нагревом микросекундной длительности. Для достижения поставленной цели были проведены экспериментальные исследования спектрального состава акустических сигналов при воздействии на образцы из меди НСЭП с различной величиной зарядного напряжения. Методика исследования В работе для облучения используется электронно-пучковая машина «РИТМ-СП» (ООО «Микросплав», г. Томск, Россия), действующая на основе разработанного в Институте сильноточной электроники СО РАН источника низкоэнергетических сильноточных электронных пучков (НСЭП) [1]. Отличительной особенностью этой машины является широкоапертурный пучок, который обеспечивает равномерность физических свойств по всей площади облученной поверхности. Электронно-пучковая машина «РИТМ-СП» объединяет на одной вакуумной камере магнетронную распылительную систему и источник низкоэнергетических (10-30 кэВ) сильноточных (до 25 кА) электронных пучков с длительностью импульса 2-4 мкс и диаметром пучка 60-80 мм. Рабочий газ вакуумной камеры - аргон, давление рабочего газа ~ 0.05 Па. В этой машине процессы напыления пленки и ее жидкофазного перемешивания с подложкой протекают в едином вакуумном цикле [1]. Для радиационно-акустической диагностики воздействия импульсного электронного пучка на твердое тело предложена схема регистрации акустических сигналов (рис. 1). Рис. 1. Схема регистрации акустических волн, формируемых НСЭП: 1 - интенсивный электронный пучок; 2 - мишень; 3 - медный проводник; 4 - пьезодатчик; 5 - дифференциальный усилитель сигнала; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - персональный компьютер Мишень 2 располагается перпендикулярно интенсивному электронному пучку 1. Мишень жестко соединена с медным проводником 3 прямоугольного сечения 1×5 мм и длиной 3 м. На другом конце проводник жестко закреплен с пьезоэлектрическим преобразователем 4. Электрические аналоговые сигналы от пьезоэлектрического преобразователя после предварительного усиления 5 поступают на аналого-цифровой преобразователь Е14-440 6 и далее уже в цифровом виде поступают в базу данных на персональном компьютере 7. Если принять, что скорость звука в меди при комнатной температуре равна 3680 м/с [3], то задержка акустической волны при распространении в проводнике длинной 3 м будет составлять 0.815 мс. Это позволяет регистрировать акустические сигналы после электромагнитных помех, возникающих при формировании НСЭП [3]. Ранее в работах [3, 5] было показано, что период начальной фазы регистрируемых акустических колебаний составляет порядка 25 мкс, а в работах [7, 8] авторы указывают на то, что при облучении пластин предварительно азотированной стали 08Cr17Ti с осажденной пленкой Nb70Hf22Ti8 происходит процесс с высокой виброакустической активностью в диапазоне 11- 22 кГц. Для регистрации и надежного выделения подобных видов акустических сигналов частота преобразования АЦП была выбрана 400 кГц. Акустические сигналы при воздействии импульсными электронными пучками на медный проводник Для регистрации акустических сигналов на медный проводник воздействовали НСЭП с длительностью импульса 3 мкс. Зарядное напряжение U варьировалось от 1 до 22 кВ. Типичная форма акустических сигналов при воздействии на медный проводник НСЭП при зарядном напряжении 19 кВ представлена на рис. 2. Было обнаружено, что вначале, сразу после запуска электронно-пучковой машины, регистрируется сигнал, связанный не с акустической эмиссией в проводнике, а с электромагнитными помехами. Этот сигнал был использован в качестве маркера для временной привязки акустического сигнала с пьезодатчика, котрый появлялся через 0.87 мс после прохождения электромагнитных помех. Отклонение задержки регистрации акустического сигнала от расчетных значений связано с протеканием технологических процессов формирования электронного пучка в течение 50-60 мкс после подачи на источник зарядного напряжения. Рис. 2. Акустический сигнал при воздействии на проводник интенсивным импульсным электронным пучком На рис. 3 представлены формы акустических сигналов для трех последовательных отдельных импульсов при одном и том же зарядным напряжении. Обращает на себя внимание достаточно хорошее качественное и количественное соответствие временной формы акустических сигналов, что говорит о повторяемости и воспроизводимости результатов. Анализ временной формы акустических сигналов при воздействии интенсивным импульсным электронным пучком одинаковой мощности показал достаточно хорошее совпадение не только амплитудных, но и фазово-частотных характеристик акустических сигналов. Рис. 3. Сравнение трех акустических сигналов при воздействии на проводник интенсивным импульсным электронным пучком с зарядным напряжением 22 кВ Спектральный анализ акустических сигналов показал, что в спектре сигналов присутствуют характерные спектральные составляющие. Частотная структура акустического сигнала длительностью 10 мс от начала его формирования представлена на рис. 4. Из всего спектра можно выделить спектральные составляющие с частотами 6, 11, 22, 80, 100, 116 и 120 кГц. Следует отметить, что амплитудный спектр, представленный на рис. 4, б, является результатом преобразования акустического сигнала (рис. 4, а) на всем указанном временном интервале. Доминирование тех или иных частот колебаний в акустическом сигнале зависит от стадий развития акустического процесса во времени. Общая тенденция изменения спектрального состава во времени заключается в перераспределении общей энергии колебаний из области высоких в область более низких частот. Амплитуды спектральных составляющих также зависят от зарядного напряжения. Рис. 4. Временная развертка (а) и амплитудный спектр (б) акустического сигнала длительностью 10 мс Динамика изменения спектрального состава акустического сигнала при воздействии на медный проводник НСЭП представлена на рис. 5. В первые 50 мкс после начала воздействия НСЭП в медном проводнике возбуждается акустический сигнал с частотой 80 кГц. Данный тип сигнала описан в [3-6], где авторы работ связывают его с тепловыми и ударно-волновыми процессами при поглощении энергии пучка в мишени. При этом амплитуда акустического сигнала прямо пропор- Рис. 5. Изменения амплитуд гармонических составляющих в зависимости от величины зарядного напряжения электронного пучка на временных интервалах 0-50 мкс (а), 50-175 мкс (б), 175-425 мкс (в), 425-1425 мкс (г) от начала акустической эмиссии циональна плотности энергии пучка [6], что имеет место и в нашем случае (рис. 5, а). Однако кривая (рис. 5, а) имеет несколько перегибов и на ней можно выделить четыре участка. На первом при зарядном напряжении до 5 кВ амплитуда сигнала близка к нулю, что свидетельствует о том, что генерация пучка отсутствует. Второй участок можно выделить в интервале величин зарядного напряжения 5-10 кВ, в этой области пучок нестабилен и является струйным. Изменение наклона кривой в области 10 кВ связано с тем, что после 10 кВ НСЭП начинает генерироваться стабильно, при этом мы имеем не струи, а широкоапертурный пучок. Наконец, изменение наклона кривой в области зарядного напряжения 20 кВ можно объяснить тем, что при U равном 19 кВ и выше имеет место процесс плавления поверхностного слоя мишени меди, а при зарядном напряжении менее 19 кВ плавление отсутствует [3]. В следующие 50-175 мкс в спектре акустической волны появляется составляющая с частотой 120 кГц, амплитуда которой пропорционально возрастает с увеличением зарядного напряжения (рис. 5, б). В то же время при зарядном напряжении более 10 кВ наблюдается стабилизация амплитуды гармоники с частотой 80 кГц, что согласуется с литературными данными [3]. Через 175 мкс в спектре акустического сигнала доминируют гармонические составляющие с частотами 80, 100 и 116 кГц. Зависимость амплитуды 80 кГц гармоники от величины зарядного напряжения сохраняется (рис. 5, в), а для гармоник с частотами 100 и 116 кГц наблюдается близкий к линейному рост амплитуды с увеличением U до 19 кВ, а затем амплитуда данных гармоник начинает уменьшаться. Наконец, через 1425 мкс в спектре акустического сигнала начинают проявляться низкочастотные составляющие, среди которых можно выделить основные гармоники с частотами 11 и 22 кГц. При этом наблюдается линейный рост их амплитуд в зависимости от увеличения зарядного напряжения (рис. 5, г). При больших временах амплитуды высокочастотных и низкочастотных составляющих сравниваются по своей величине. В работах [7, 8] описывается появление виброакустических сигналов в диапазоне 11-22 кГц через 10 мс после облучения интенсивным импульсным электронным пучком пластин предварительно азотированной стали 08Cr17Ti с осажденной пленкой Nb70Hf22Ti8. Виброакустическую активность в данном диапазоне частот авторы связывают с появлением мартенситного компонента в приповерхностном слое образца, вызванным образованием нитрида на основе ниобия. Следовательно, с некоторой долей вероятности появление и доминирование гармонических составляющих в диапазоне 11-22 кГц в спектре акустического после облучения интенсивным импульсным электронным пучком медной пластины также можно связать с процессами, имеющими место в поверхностном слое материала мишени. Данное предположение можно подкрепить фактом появления гармоники с частотой 11 кГц через 425 мкс при облучении мишени пучком с зарядным напряжением 20 кВ и более, при котором происходит поверхностное плавление медной пластины, и дальнейшим линейным ростом амплитуды сигнала с увеличением U (рис. 5, г). Заключение Экспериментально получены характерные формы акустических сигналов при облучении НСЭП медной пластины. Получено, что при импульсном воздействии при заданном зарядном напряжении пучка для каждого импульса в серии сохраняется качественная амплитудная и фазово-частотная структура акустических сигналов. Обнаружено, что при воздействии импульсным электронным пучком в образце из меди возбуждается акустический сигнал с основными частотами 6, 11, 22-24, 80, 100-120 кГц, амплитуды которых зависят от величины зарядного напряжения электронного пучка. Начальная фаза акустического сигнала соответствует частоте 80 кГц, что согласуется с литературными данными [3-5]. Данную фазу акустического сигнала с большой долей достоверности можно связать с тепловыми и ударно-волновыми процессами при поглощении энергии пучка в мишени. Именно по изменению гармоники 80 кГц в зависимости от зарядного напряжения можно проследить начало генерации НСЭП, его нестабильную и стабильную фазы, а также начало плавления мишени. Группы частот 28-63 кГц для медного образца, возможно, связаны с упругими напряжениями в образцах. Данное предположение подкрепляется теоретическими расчетами в [9]. Физическая природа частотных групп 98-120 кГц для медного образца остается неясной.

Скачать электронную версию публикации