стенд для испытания теплонапряженных объектов

Формула изобретения

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ, содержащий вакуумную камеру с размещенной в ней электронной пушкой с катодным узлом, тепловизор и систему электропитания и охлаждения пушки, отличающийся тем, что, с целью расширения класса испытываемых объектов в широком диапазоне изменения параметров, он снабжен установленными в камере фокусирующей системой, выполненной из однополюсного магнита в виде пакета цилиндрических дисков и параболического наконечника с возможностью перемещения вдоль центральной оси стенда, зондовым устройством изменения пространственного распределения плотности электронного потока, и голографической установкой, установленной на общем с камерой основании со стороны камеры, противоположной размещению системы электропитания и охлаждения пушки и оптически связанной с камерой через патрубки, выполненные в стенке камеры так, что оси патрубков образуют угол 45^o с центральной осью стенда, а пушка выполнена с двумя щелевыми диафрагмами с коническими срезами, установленными параллельно соответственно каждой из пластин эммитера катодного узла, находящегося под отрицательным потенциалом, так, что одна из них обращена срезом в сторону эммитера и находится под положительным потенциалом, а другая выполнена со срезами с двух сторон относительно нормали к ее поверхности и находится под нулевым потенциалом на расстоянии от катода большем, чем расстояние между диафрагмами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экспериментальным стендам, используемым для моделирования процессов гидродинамики, теплообмена и термодеформаций, которые имеют место в теплонапряженных объектах, работающих в условиях воздействия тепловых потоков высокой плотности, например, лазерные отражатели, аноды рентгеновских излучателей и т.п.

Известны установки для исследования процессов теплообмена при высоких тепловых нагрузках (Ивашкевич А.А. и др. Установка с электронным обогревом для исследования теплообмена при кипении металлов в условиях свободной конвенции. - В сб. Жидкие металлы. М.: Атомиздат, 1967; Поварнин П.И., Кулаков И. Г. Нагрев электронной бомбардировкой для изучения кризиса кипения. - "Инженерно-физический журнал", 1958, N 3).

Известно устройство для испытания лазерных отражателей, выбранное в качестве прототипа, содержащее вакуумную камеру, электронную пушку с катодным узлом, выполненным в виде секционированного шарового слоя, образованного пластинами эмиттера, по сторонам каждой из которой расположены фокусирующие электроды, держатель лазерного отражателя и размещенные вне вакуумной камеры интерферометр, системы электропитания электронной пушки, охлаждения держателя и регистрации термодеформации, термограмм.

Недостатками этого устройства являются:

невозможность пространственного регулирования потока электронов, падающих на исследуемый объект;

отсутствие средств измерения плотности потока электронов;

трудности моделирования процессов взаимодействия лазерного излучения с исследуемым объектом при использовании высоковольтного электронно-лучевого нагружения и соответствующим проникновением электронов в отражающий слой;

невозможность работы пушки в импульсном или импульсно-периодическом режиме.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей стенда для испытания теплонапряженных объектов.

Для этого в предлагаемом стенде использована фокусирующая система в виде однополюсной магнитной линзы, выполненной или из постоянных магнитов, или в виде электромагнита и установленной за испытуемым объектом на одной оси с пушкой и указанным объектом. Изменение магнитного потока в зоне фокусировки осуществляется путем перемещения линзы вдоль упомянутой оси или путем изменения тока, протекающего через катушку, если использован электромагнит.

Точное значение пространственного распределения плотности потока электронов необходимо для определения плотности теплового потока, падающего на поверхность испытуемого объекта. В предлагаемом стенде это достигается путем использования зонда для измерения пространственного распределения плотности электронного пучка. Зонд устанавливается перед испытуемым объектом и представляет собой приемник электронов, выполненный в виде тонкостенной пластины, посаженной на вал электропривода. Вращающийся приемник пересекает поток электронов и через токосъемник наведенные величины потенциалов регистрируются осциллографом.

На стенде предусмотрена голографическая установка, которая позволяет реализовать многоголограммный метод измерения трехмерных деформаций диффузорно-отражающих поверхностей сложной формы, что расширяет возможности использования данного стенда при испытании теплонапряженных объектов различного назначения.

Для измерения термодеформаций методом классической интерферометрии установлен на вакуумной камере центральный патрубок, а при голографическом методе измерения дополнительно используются боковые патрубки, оси которых имеют угол 45^о по отношению к нормали испытуемого объекта, и в плоскости, параллельной плоскости испытуемого объекта, угол между ними составляет 120^о. Такая установка патрубков и окон, через которые проходят измерительные лучи, позволяет с высокой разрешающей способностью определять направление векторов смещения и их величину при деформации нагружаемых объектов сложной формы.

Использование на предлагаемом стенде электронной пушки, в которой параллельно каждой из пластин эмиттера установлены две щелевые диафрагмы с коническими срезами и различными уровнями потенциалов, когда расстояние между катодом и первой диафрагмой определяется на основе моделирования в соответствии с критерием подобия пучков, позволяет выполнить ее трехэлектродной с продольной компрессией пространственного заряда, что дает возможность достичь высокого коэффициента токопрохождения и снизить уровень напряжения между катодом и анодом;

уменьшить ограничение тока пространственным зарядом и обеспечить большое повышение плотности тока формируемого пучка;

задерживать положительные ионы, возникающие в объеме пучка за счет ионизации остаточных газов, и предотвращать ионную бомбардировку катода, что увеличивает срок его службы и обеспечивает устойчивую работу пушки при испытании нагружаемых объектов.

Это позволяет осуществлять моделирование процессов термодеформации, например лазерных отражателей при использовании данной пушки, так как при этом глубина проникновения электронов в отражающий слой практически не отличается от той, которая имеет место при нагружении их лазерным лучом.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно схема стенда для испытания теплонапряженных объектов и электронно-лучевой пушки, включенной в стенд.

Стенд содержит вакуумную камеру 1, вакуумную систему 2, голографическую установку 3, испытуемый объект 4, тепловизор 5, систему 6 охлаждения, систему 7 регистрации термодеформации термограмм и теплофизических параметров, фокусирующую линзу 8, зондовое устройство 9, центральный патрубок 10, боковые патрубки 11, герморазъем 12, систему 13 электропитания пушки и управления, электронно-лучевую пушку 14, состоящую из пластин змиттера 15, образующих катод 16, прикатодного электрода 17 и верхнего изолятора 18, формирующих катодный узел 19, первой щелевой диафрагмы с коническим срезом 20, нижнего изолятора 21, находящегося между первой и второй диафрагмами, второй щелевой диафрагмы с коническими срезами 22, крепящихся в обойме 23.

Стенд работает следующим образом. Испытуемый объект 4 помещают в вакуумную камеру 1, в которой создается вакуум с помощью вакуумной системы 2, необходимый для работы электронно-лучевой пушки 14. От системы электропитания и управления 13 к катоду 16, собранному из пластин эмиттера 15, подается отрицательный потенциал, а к первой диафрагме 21 - положительный потенциал. Электронный поток, испускаемый катодом 16, с помощью прикатодного электрода 17 направляют в щель первой диафрагмы 20, отделенной от катодного узла 19 верхним изолятором 18.

Под действием положительного потенциала первой диафрагмы 20 электронный поток ускоряется, а на участке, определяемом высотой нижнего изолятора 21, от первой до второй диафрагмы 22, посаженной в обойму 23 и находящихся под нулевым потенциалом, замедляется и испытывает компрессию. Электронный поток от пушки 14 направляется на объект испытаний 4, который охлаждается с помощью соответствующей системы 6. При этом фокусировка потока электронов производится с помощью фокусирующей линзы 8 и измеряется он зондовым устройством 9, а измерение и регистрация теплофизических параметров, термодеформаций и термограмм осуществляются соответственно системой регистрации 7, голографической установкой 3 и тепловизором 5. Съем указанной информации осуществляется через центральный 10 и боковые патрубки 11, а также герморазъем 12.

Таким образом, предлагаемый стенд позволяет осуществлять испытания большого класса теплонапряженных объектов в широком диапазоне изменения параметров с высокой разрешающей способностью и производить их регистрацию в реальном времени.