Система сбора порошка и конструкция кристаллизатора

Модернизированная система сбора порошка (рис 2.5) выполнена на основе полого цилиндра из меди (нержавеющей стали), с внутренним диаметром 300 мм, который установлен перпендикулярно к оси пучка, на расстоянии 70 мм от центра мишени и может извлекаться из камеры испарения для очистки от осажденного порошка после каждого проведенного эксперимента. Цилиндр (кристаллизатор) охлаждается изнутри жидким азотом с расходом около 5 кг/час. Жидкий азот заливается в кристаллизатор через воронку в верхнее отверстие кристаллизатора. В установке использовались два сменных кристаллизатора из разных материалов (медь и нержавеющая сталь) для уменьшения уровня загрязнения осаждаемых НП материалом кристаллизатора за счет обратной диффузии.

Рис. 2.5. Фотография кристаллизатора из меди. Справа и внизу-очищенная с помощью медной фольги поверхность кристаллизатора, слева-неочищенная от порошка поверхность, на дне кристаллизатора – полоска из НП ZnO

Опыт эксплуатации установки «Нанобим-2» показал, что электронная пушка формирует недостаточную амплитуду тока, а требуемая энергия набиралась за счет увеличения длительности импульса, что повышало потери энергии за счет теплопроводности. Поэтому была создана новая конструкция электронной пушки с плазменным эмиттером (рис. 2.6), которая генерирует импульсный электронный пучок с частотой повторения и длительностью импульсов тока 1–500 Гц и 100 мкс соответственно. В ней используется тлеющий раз- ряд, инициируемый в цилиндрическом полом катоде 1 с внутренним диаметром 15 мм и высотой 20 мм, с внешней стороны которого устанавливается кольцевой магнит 2, создающий поле напряженностью 0,1 мТ на оси. Через канал в поджигающем электроде 3 газ напускается в катод 1, в котором напротив выходного отверстия (d=3 мм) установлен анод 4.

Рис. 2.6 Газоразрядная система электронного источника: 1-полый катод, 2-магнит, 3-поджигающий электрод, 4-анод, 5-ускоряющий электрод.

В разработанной модели диаметр выходной апертуры меньше внутреннего диаметра полого катода, что позволяет сократить площадь потерь электронов. Между анодом и ускоряющим электродом 5 прикладывается высокое напряжение (до 50 кВ), обеспечивающее извлечение электронов из плазмы через эмиссионное отверстие (d=1,2 мм) и формирование пучка с током до 1 А.

Сканирование пучка на мишени осуществляется непрерывно по принципу развертки телевизионной камеры, при этом площадь сканирования может изменяться от 0,8 до 4 см2.

Мишень (таблетка диаметром 40–60 мм и высотой до 20 мм) устанавливается в подставку, свобод- но вращающуюся (с фиксацией) в двух плоскостях. При юстировке и фокусировке пучка электронов мишень устанавливается горизонтально. Для испарения она поворачивается под углом 45° к пучку в направлении кристаллизатора — для увеличения эффективности сбора порошка. Конструкция под- ставки позволяет вращать мишень со скоростью 8,7 об/мин (для более равномерного ее испарения) а также удалять ее от среза отклоняющей катушки на расстояние от 80 до 170 мм.

Кроме того, при удалении мишени от диска существенно снижается доля собираемого порошка по геометрическим причинам. Поэтому модернизированная конструкция этой системы выполнена на основе полого медного цилиндра с внутренним диаметром 300 мм, который установлен перпендикулярно к оси пучка на расстоянии 7 мм от края мишени. Он охлаждается изнутри жидким азотом с расходом ~ 5 кг/ч. С цилиндра порошок снимается вручную скребком. Для упрощения технологии сбора его поверхность закрыта листом из нержавеющей стали (толщиной 0,8 мм) с полированной поверхностью.

В экспериментах использовалось ускоряющее напряжение 37–40 кВ. После транспортировки и фокусировки ток пучка на мишени был не менее 0,46 А при диаметре пучка ~ 1,0 мм, что обеспечивало плотность мощности (интенсивность) излучения ~3 · 106Вт/см2.

Давление в испарительной камере варьировалось от 3,8 до 50 Па. Влияние этого изменения на величину потерь энергии пучка составляло не- сколько процентов и не учитывалось. В опыта использовались воздух, кислород и аргон [8].