способ измерения максимальной температуры объекта при нагревании его облучением электронным пучком

Формула изобретения

Способ измерения максимальной температуры объекта при нагревании его облучением электронным пучком, заключающийся во введении измерительного спая термопары в контакт с контролируемым объектом и регистрации со свободных концов термопары термоЭДС, по величине которой судят о температуре объекта, отличающийся тем, что измерительный спай термопары вводят в контакт с контролируемым объектом на расстоянии 1 = (0,25 - 0,30)R от облучаемой поверхности, где R - пробег электронов в материале объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры контактным способом радиационно- разогреваемых объектов.

Известны способы измерения температуры, основанные на расплавлении веществ с известной температурой плавления (а.с. СССР N 1200144, 1985 г., G 01 K 13/08) и на измерении цвета термоиндикаторного состава (а.с. СССР N 1326910, 1986 г. , G 01 K 13/08 G 01 K 13/08). Недостатками этих способов являются сложность и низкая точность определения температуры объектов.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ (И.А. Талле, Термоактивационная спектроскопия люминисцирующих твердых тел. Известия Академии Наук СССР, серия физическая, 1981 г., т. 45, N 2, с. 246), в котором температура объекта определяется по результатам измерения термоЭДС термопары, измерительный спай которой контактирует с поверхностью контролируемого объекта.

Известный способ обладает следующими недостатками. Способ не дает возможности измерить максимальную температуру объекта при радиационно-термическом разогреве объекта, например электроннолучевом разогреве. Способ позволяет измерить температуру на поверхности объекта. В случае термического нагрева, когда нагревание объекта осуществляется посредством передачи тепла от нагреваемой поверхности в объем объекта, максимальная температура объекта наблюдается на поверхности. При радиационно-термическом разогреве происходит объемный разогрев объекта. При этом область максимального разогрева располагается в объеме объекта и ее положение определяется местоположением области максимального поглощения энергии излучения электронного пучка материалом объекта. При использовании сверхмощных высокоэнергетических пучков заряженных частиц выравнивание температуры по объему объекта не происходит. Например, перепад температур по объему облучаемого объекта на ускорителе ЭЛУ-4 достигает 100^oC при нагревании объекта до 400-500^oC, а при нагревании объекта до температуры 1200^oC этот перепад составляет уже 200-300^oC. В этих случаях уже крайне необходимы знания о максимальной температуре объекта, чтобы не выйти за граничные значения (плавление, рекристаллизация, испарение, разложение, спекание и т.д.).

Задачей изобретения является измерение максимальной температуры объекта при нагревании его облучением электронным пучком.

Решение данной задачи предлагается осуществлять способом измерения температуры, заключающемся в том, что измерительный спай термопары вводят в контакт с контролируемым объектом на расстоянии 1=(0.25 - 0.30) R от облучаемой поверхности, где R - пробег электронов в материале объекта, регистрируют со свободных концов термопары термоЭДС, по величине которой судят о температуре объекта.

Новым является введение операции удаления места контакта измерительного спая с контролируемым объектом на расстояние 1=(0.25 - 0.30) R от облучаемой поверхности.

Ранее (3. Шиллер и др. Электронно-лучевая технология, М., Энергоиздат, 1980, с. 16-18) вопрос измерения температуры облучаемых объектов рассматривался при условии использования низкоэнергетических пучков заряженных частиц. Хотя вопрос о неравномерности распределения поглощенной мощности излучения обсуждался, вопрос о распределении температуры по объему облучаемого объекта не рассматривался. Из-за низких энергий частиц в пучке энерговыделение происходит в приповерхностной области облучаемого объекта, а из-за ограниченной интенсивности пучков разогрев этой области крайне незначителен. Поэтому сами авторы и указывали: "Для большинства термических процессов электроннолучевой технологии такая неравномерность поглощенной энергии не играет роли, т.к. вызываемые в пределах глубины проникновения разность температур быстро выравнивается под действием теплопроводности". С развитием ускорительной техники стало возможным за счет использования высокоэнергетических пучков заряженных частиц производить разогрев объектов до температуры порядка 2000^oC за 1-2 мин. Очевидно, что требуется, в отличие от развитого в работе Шиллера и др. подхода к вопросу измерения температуры объекта во время облучения учитывать фактор объемного разогрева объекта во время его облучения.

При прохождении ускоренных электронов через вещество большая часть энергии излучения пучка преобразуется в тепловую энергию, что приводит к повышению температуры облучаемого объекта. Скорость разогрева и температура объекта определяется мощностью пучка ускоренных электронов. При этом разогрев обладает одной особенностью, заключающейся в неравномерности прогрева объема объекта - распределение температуры по толщине объекта описывается кривой с максимумом. Максимум температуры соответствует месту максимального поглощения энергии излучения пучка электронов. Местоположение этого максимума температуры, в свою очередь, определяется энергией электронов в пучке: чем выше энергия электронов в пучке (чем больше пробег электронов в объекте), тем глубже от облучаемой поверхности объекта находится максимум тепловыделения. Нами установлено соотношение между положением максимума температуры мишени и энергией электронов в пучке (пробегом электронов в объекте) 1=(0.25 - 0.30) R, где 1 - расстояние от облучаемой поверхности объекта до положения максимума температуры мишени, а R - пробег электронов в материале объекта.

Введение операции удаления места контакта измерительного спая с контролируемым объектом на расстояние 1=(0.25 - 0.30) R от облучаемой поверхности позволяет повысить в 15-20 раз точность определения максимальной температуры объекта во время нагревания его излучением электронного пучка.

На чертеже представлены экспериментально измеренные кривые распределения температуры Т по толщине кристалла бромистого калия l.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Используют монокристалл бромистого калия в форме пластины толщиной 12 мм и площадью, 20х20 мм². Для регистрации температуры по толщине кристалла по его длине высверливают отверстия диаметром 0.25 мм. Глубина высверливания - 10 мм. Кроме того, в центре торцевых поверхностей кристалла высверливают отверстия диаметром 0.25 мм и глубиной 0.3 мм. В высверленные отверстия на всю глубину вставляют измерительные спаи термопар хромель-алюмель. Диаметры элементов термопар -0.1 мм, диаметр измерительного спая - 0.25 мм. Расстояние между центрами измерительных спаев термопар устанавливают в пределах (0.75 - 0.9) мм. Свободные концы термопар подсоединяют к выходу 12-точечного потенциометра КСП-4 с измерительной шкалой, отградуированной для термопар группы ХА.

Кристалл помещают на подложку из шамотного кирпича на расстоянии 10 см от выходного окна импульсного ускорителя электронов ЭЛУ-4 перпендикулярно направлению распространения потока ускоренных электронов. Параметры пучка электронов: энергия электронов в пучке - 4 МэВ; плотность тока пучка -(1 - 5) мАсм²; длительность импульса облучения - 5 мкс; частота следования импульсов облучения - 220 Гц.

Включают ускоритель и нагревают кристалл облучением со скоростью 150^o/мин до 120; 165; 235; 370^oC. При достижении заданной температуры (о чем судят по значению термоЭДС термопары на облучаемой поверхности) температуру кристалла стабилизируют изменением плотности тока пучка электронов и производят измерение термопар с помощью потенциометра КСП-4.

Результаты измерения температуры Т по толщине кристалла l приведены на чертеже. Распределение температуры по толщине кристалла описывается кривыми с максимумами. Максимальное значение температуры приходится во всех случаях на толщину кристалла (2 - 2.5) мм. Причем, чем выше температура облучаемой поверхности, тем больше разница в значениях температур на поверхностях кристалла и на глубине 1=(2.0 - 2.5) мм. При наивысшей температуре на поверхности кристалла при расположении измерительного спая на глубине 1=(2.0 - 2.5) мм точность измерения максимальной температуры кристалла возрастает в 15-20 раз.

Измерение пробега электронов в облучаемом кристалле бромистого калия производят на микрофотометре МФ-4 по изменению плотности окраски по толщине кристалла. Пробег электронов R с энергией 4 МэВ в бромистом калии составляет 8.2 мм. С учетом такого значения пробега электронов максимум температуры в кристалле приходится на глубину 1= (0.25 - 0.30) R. Т.е. для регистрации максимальной температуры объекта, разогреваемого облучением электронным пучком, измерительный спай термопары следует располагать на глубине 1=(0.25 - 0.30) R от облучаемой поверхности объекта.