способ и устройство контроля и исследования поверхности внутри ядерных и термоядерных установок

Формула изобретения

1. Способ контроля и исследования поверхности внутри экспериментальных каналов ядерных и термоядерных установок с помощью зондового сканирующего микроскопа, заключающийся в том, что исследование поверхности проводят как в процессе ее облучения, так и после него, при этом исследование поверхности осуществляют при различных режимах работы зондового сканирующего микроскопа путем выбора зонда и соответствующего ему режима, анализируют изображения полученных таким образом различных характеристик поверхности и по результатам анализа делают заключение о степени и динамике воздействия излучения на исследуемую поверхность.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют распределение сил трения по исследуемой поверхности путем сканирования обычным кантилевером вдоль его ширины.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют намагниченность исследуемой поверхности путем взаимодействия намагниченного зонда с поверхностью.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют распределение электростатического заряда по исследуемой поверхности путем взаимодействия электрического заряда на кантилевере с поверхностью.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют распределение температурного поля исследуемой поверхности и карту теплопроводности путем взаимодействия термопары на кантилевере с поверхностью.

6. Устройство контроля и исследования поверхности внутри экспериментальных каналов ядерных и термоядерных установок, содержащее зондовый сканирующий микроскоп, включающий в себя компьютер с платой управления и измерительную головку зондового сканирующего микроскопа, причем измерительная головка состоит из корпуса, устройства грубой подводки, блока электроники и блока сканирования со сканером, держателем зонда и зондом, при этом корпус имеет упоры, измерительная головка снабжена устройством фиксации, а устройство грубой подводки снабжено ограничительным упором для предохранения сканера от возможного врезания в исследуемую поверхность, при этом блок электроники снабжен защитным экраном для экранирования электромагнитного и другого излучения.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что содержит видеокамеру с осветителями для визуального наблюдения за исследуемой поверхностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к области контроля за состоянием внутренних поверхностей ядерных и термоядерных установок, других установок и конструкций с внутренними полостями, подразумевающих наличие ионизирующего излучения (ускорителей заряженных частиц и т.п.), а также к области исследования и анализа материалов, подвергнутых (подвергающихся) воздействию радиации.

Известен способ исследования образцов [1], вырезанных с внутренней поверхности корпусов реакторов. Способ заключается в том, что с внутренней поверхности стенок корпуса реактора вырезают небольшие образцы - темплеты. Затем темплеты изымают из реактора и исследуют их механические свойства. На основании результатов таких исследований оценивают степень радиационного охрупчивания материала корпуса реактора. Такой способ позволяет детально исследовать как поверхность, так и структуру образцов, однако - только вне реактора. Это не позволяет получить информацию о динамике изменения (деградации) поверхности во время работы реактора. К тому же, этот способ требует частичного разрушения корпуса реактора.

Известен способ исследования поверхности образцов, облученных в канале ядерного реактора [2]. Способ заключается в следующем. Образцы из различных материалов облучаются в канале ядерной установки. Затем поверхность образцов исследуют с помощью зондового сканирующего микроскопа. Полученные изображения топографии анализируются на предмет степени воздействия радиации на изучаемый материал. Результаты анализа позволяют судить о деградации поверхности того или иного материала после облучения. Недостатком этого способа является то, что облученные образцы должны длительное время "вылеживаться" для того, чтобы достичь неопасного для исследователя уровня радиации. Кроме того, такой способ не позволяет проводить исследование поверхности внутри ядерных и термоядерных установок и судить о динамике изменений на поверхности образцов во время воздействия излучения, так как все исследования ведутся уже после облучения, вне установки.

Известно устройство для исследования поверхности [3], содержащее компьютер с платой управления, измерительную головку зондового сканирующего микроскопа, состоящую из корпуса, блока сканирования с зондом и держателем зонда, устройства грубой подводки, блока электроники. Описанное устройство ограничено лишь одной методикой исследования поверхности - режимом сканирующей туннельной микроскопии, а также имеет сравнительно сложную конструкцию сканера - в виде треноги. Конструкция устройства не позволяет внедрять его внутрь различных установок и, следовательно, проводить исследование поверхности внутри ядерных и термоядерных установок.

Задача изобретения заключается в расширении возможностей и повышении оперативности контроля состояния внутренних поверхностей ядерных и термоядерных установок. А также в расширении спектра методик изучения радиационной стойкости различных материалов, в частности - в процессе их облучения в экспериментальных каналах установок.

На фиг. 1 схематично изображен вид устройства с компьютером и измерительной головкой, установленной в экспериментальном канале.

На фиг. 2 схематично изображен общий вид измерительной головки для случая проведения исследований стенок экспериментального канала.

На фиг. 3 схематично изображена измерительная головка, вид сверху.

На фиг. 4 схематично изображена измерительная головка для случая исследования образцов в экспериментальном канале.

На фиг. 5 схематично изображена измерительная головка для случая исследования образцов в горячей камере.

На фиг. 6 схематично изображена измерительная головка для случая исследования поверхности внутренних полостей установок.

Устройство для контроля и исследования поверхности внутри ядерных, термоядерных и иных установок представляет собой зондовый сканирующий микроскоп, содержащий компьютер с платой управления, измерительную головку зондового сканирующего микроскопа, включающую в себя цилиндрический корпус (1) с упорами (2), блок сканирования, сопряженный с устройством грубой подводки, блок электроники (3), информационный канал (4), видеокамеру (5), осветители (6) и механизм фиксации.

Блок сканирования включает в себя сканер (7) с держателем зонда (8) и зонд (9).

Сканер представляет собой полый пьезокерамический цилиндр, способный при подаче на него соответствующих электрических импульсов прецизионно, с точностью порядка Ангстрема, перемещать зонд по 3-м координатам. Диапазон перемещения - порядка единиц микрометров.

Устройство грубой подводки включает в себя основание (10) с ограничительным упором (11), редуктор (12) и шаговый двигатель (13). Основание кинематически сопряжено с шаговым двигателем посредством редуктора. Редуктор преобразует вращательное движение шагового двигателя в поступательное движение основания, которое перемещает закрепленный на нем блок сканирования. Ограничительный упор служит для предохранения сканера от возможного врезания в исследуемую поверхность. Такая ситуация может возникнуть вследствие того, что при подводке сканера с зондом по направлению к исследуемой поверхности по какой-либо причине не регистрируется сигнал взаимодействия зонда с поверхностью. В этом случае управляющая система, ошибочно полагая, что до поверхности еще далеко, не будет отдавать сигнал на прекращение движения. В результате - неминуемое столкновение сканера с исследуемой поверхностью.

При работе измерительной головки в экспериментальном канале установки ее дополнительно снабжают механизмом фиксации, состоящем из троса (14), распорки (15) и пружины (16).

Информационный канал, проложенный внутри, например, штока или манипулятора, состоит из кабелей питания и управления измерительной головкой. Информационный канал и блок электроники снабжены защитными экранами для экранирования воздействия электромагнитных наводок и других типов излучения внутри установки.

Видеокамера служит для визуального наблюдения за областью исследования. Обладая углом поля зрения около 180^o, она позволяет проводить предварительный осмотр области исследования для выбора оптимального участка. Подсветка осуществляется с помощью осветителей.

Посредством компьютера и платы управления осуществляется общее управление работой измерительной головки.

Устройство может функционировать в различных режимах, в частности - в режиме сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а как вариант - в режиме сканирующей туннельной спектроскопии (СТС); в режиме атомно-силового микроскопа (АСМ); в режиме латерально-силовой микроскопии (ЛСМ); в режиме магнитно-силовой микроскопии (МСМ); в режиме микроскопии электростатических сил (ЭСМ); в режиме температурно-силовой микроскопии (ТСМ).

При реализации СТМ (СТС)-режима в держатель зонда предварительно помещается заостренная игла, а при реализации остальных режимов - соответствующий кантилевер. Для АСМ и ЛСМ режимов применяется любой кантилевер; для МСМ-режима применяется кантилевер, имеющий намагниченное острие; для ЭСМ-режима применяется кантилевер с проводящей консолью; для ТСМ-режима применяется кантилевер со сформированной на его острие термопарой.

Способ контроля и исследования поверхности внутри ядерных, термоядерных и иных установок реализуется следующим образом. До загрузки измерительной головки внутрь установки выбирается режим, в котором она будет работать. Выбор режима обусловлен тем, какую информацию о поверхности необходимо получить. СТМ-режим позволяет получить изображение топографии исследуемой поверхности с высоким разрешением (вплоть до атомарного), а также снять вольтамперную характеристику (ВАХ) туннельного промежутка (СТС-режим), этот режим ограничен наличием поверхностной проводимости; АСМ-режим также позволяет получить изображение топографии исследуемой поверхности, но этот режим уже не зависит от проводимости поверхности; ЛСМ-режим дает изображение карты сил трения по поверхности; МСМ-режим позволяет картографировать намагниченность поверхности; ЭСМ-режим позволяет получить изображение распределения электростатического заряда по поверхности; ТСМ-режим позволяет получить изображение температурного поля поверхности и карту теплопроводности.

После загрузки измерительной головки внутрь установки головка посредством манипулятора или иного транспортного устройства транспортируется до предполагаемого места исследования и фиксируется. Жесткая фиксация необходима для исключения вибраций зонда относительно исследуемой поверхности во время процесса сканирования. Такие вибрации могут значительно снизить качество получаемых результатов.

При работе в экспериментальном канале измерительная головка снабжается устройством фиксации. Фиксация осуществляется при помощи распорки, которая во время транспортировки измерительной головки прижата к ее корпусу посредством троса для обеспечения беспрепятственного продвижения вдоль канала. По окончании транспортировки трос ослабляет фиксирующую пружину, которая прижимает распорку к стенке канала. Таким образом, измерительная головка, ориентированная окном (17) зонда к исследуемой поверхности, оказывается плотно прижатой к одной из стенок канала посредством трех упоров (2).

В случае исследования внутренней поверхности экспериментального канала (18) или иной трубоподобной конструкции дальнейшая работа головки происходит следующим образом (фиг. 2). Посредством устройства грубой подводки осуществляется подвод зонда (иглы - в случае использования СТМ (СТС)-режима и соответствующего кантилевера - в случае использования других режимов) к исследуемой поверхности до регистрации сигнала взаимодействия зонда с поверхностью. В случае использования СТМ (СТС)-режима - это регистрация заданного значения величины туннельного тока между острием иглы и исследуемой поверхностью. В случае использования других режимов - это регистрация заданного значения сигнала, характеризующего взаимодействие между острием кантилевера и исследуемой поверхностью. Составляющими этого сигнала является межмолекулярное взаимодействие плюс взаимодействие, присущее каждому из режимов. Для МСМ-режима - это взаимодействие намагниченного зонда с поверхностью. Для ЭСМ-режима взаимодействие электрического заряда на кантилевере с поверхностью. В ТСМ-режиме - взаимодействие термопары и поверхности. В режимах АСМ и ЛСМ - это только межмолекулярное взаимодействие.

Далее оператор выбирает параметры сканирования, необходимые для проведения заданных исследований: разрешение, размер поля, частота снятия кадров (сканов). Параметры сканирования выбираются исходя из поставленных задач. Однако существует общее требование к режимам сканирования в высоких радиационных полях, заключающееся в применении высокоскоростного сканирования с частотой снятия кадров (сканов) 1-10 кадров в секунду. Это делается потому, что время жизни электроники измерительной головки в таких условиях невелико, и в зависимости от интенсивности излучения может измеряться вплоть до минут. Поэтому идея таких исследований - за минимальный срок получить максимальный объем информации для последующего анализа. Для проведения исследований предусматривается наличие нескольких однотипных измерительных головок. И в случае выхода головки из строя под воздействием радиации ее заменяют на новую.

Далее процесс сканирования и передачи информации в компьютер ведется аналогично сканированию в обычных условиях зондовыми сканирующими микроскопами [4]. Зонд посредством сканера совершает растровые движения вдоль кадра. По тому, как меняется величина взаимодействия между зондом и поверхностью, управляющая система отслеживает, например, изменения рельефа и, по мере надобности, дает необходимые поправки в положение зонда относительно поверхности, перемещая его посредством сканера, восстанавливая таким образом величину взаимодействия зонда с поверхностью до заданного уровня.

При работе СТМ-режима по перемещениям зонда (вертикальным и горизонтальным) восстанавливается топография проводящей поверхности. Для АСМ-режима восстанавливается топография поверхности любого твердого тела. Для СТС-режима при зафиксированном расстоянии иглы от поверхности производится развертка приложенного к поверхности напряжения (например, от -2В до +2В), полученная вольтамперная характеристика для каждой точки скана дает изображение электронной структуры поверхности. При ЛСМ-режиме сканер сканирует не вдоль длины кантилевера, а вдоль его ширины. То есть кантилевер, огибая рельеф поверхности, изгибается не в продольном направлении, а в поперечном. Таким образом воспроизводится изображение карты сил трения по поверхности. В МСМ-режиме при сканировании поверхности намагниченным кантилевером снимается изображение намагниченности поверхности. В ЭСМ-режиме на консоль кантилевера подается электрическое напряжение, и при сканировании снимается изображение распределения электрического заряда по поверхности. В ТСМ-режиме при сканировании снимается сигнал с термопары, который дает распределение температуры на поверхности и карту теплопроводности.

Полученные данные передаются посредством блока электроники и информационного канала в компьютер, визуализируются в виде кадров изображения, накапливаются, обрабатываются средствами программного обеспечения и анализируются. По результатам анализа делаются выводы о степени воздействия излучения на исследуемую поверхность приводящего к ее изменению и деградации, в частности о динамике таких изменений во время облучения. Для установок, не связанных с радиацией, делается вывод о деградации поверхности в ходе эксплуатации таких установок.

Выбор области исследования внутри различных установок ограничивается лишь возможностью манипулятора (22) (либо иного транспортного устройства) доставить измерительную головку в ту или иную полость и зафиксировать ее в месте исследования. Имеет значение и состояние среды: измерительная головка способна функционировать при температуре не более 200^oC в вакууме, воздушной среде, в среде инертных газов. В общем случае, при исследовании полостей внутри ядерных, термоядерных и иных установок (фиг. 6), фиксирование головки относительно исследуемой поверхности осуществляется способом, присущим данному манипулятору или транспортному устройству (например [5], [6]).

Для исследования динамики процесса изменения (деградации) поверхности различных материалов под воздействием излучения (фиг. 4) перед загрузкой измерительной головки в исследовательский (экспериментальный) канал ядерной или термоядерной установки, окно зонда закрывается заглушкой (19), на которой с внутренней стороны крепится исследуемый образец (20). Далее процедура загрузки измерительной головки, ее фиксация, подвод зонда к образцу и процесс сканирования осуществляется аналогично описанному.

Исследование поверхности облученных образцов, имеющих значительный уровень радиации (например, вырезанных из стенок реактора), производят в горячей камере (фиг. 5). Измерительную головку помещают в горячую камеру перед просмотровым окном. Предварительно окно зонда закрывают заглушкой (21), которая служит столиком для исследования образцов, доступ зонда к которым производится через отверстие в заглушке. Саму измерительную головку устанавливают на фиксирующее основание (23) окном вверх. Посредством манипуляторов производится установка облученного образца на заглушку исследуемой поверхностью вниз, напротив зонда. Дальнейшие действия, как-то подвод зонда к поверхности образца и непосредственно ее сканирование, производятся аналогично описанному выше.

Изобретение позволяет проводить комплексный анализ состояния поверхности внутренних полостей ядерных, термоядерных и иных установок, подразумевающих наличие ионизирующего излучения (ускорителей заряженных частиц и т.п.), получать информацию о динамике деградации таких поверхностей под воздействием радиации, в том числе и в труднодоступных местах. При этом получаемая информация является чрезвычайно детальной, поскольку устройство в пределе характеризуется атомарным разрешением. Возможности представленного изобретения позволяют использовать его в качестве элемента системы оперативной диагностики ядерного и термоядерного оборудования, поскольку позволяют оперативно контролировать любые изменения в структуре поверхности, образование на ней каверн, вспученностей, зародышей трещин, характер распыления и т.п. Основываясь на этой информации, персонал установки может при необходимости своевременно вмешиваться в процесс ее работы.

Несомненным преимуществом предлагаемого изобретения является и возможность его использования для исследования широкого круга конструкционных материалов: металлов и сплавов, сталей, полупроводников и изоляторов, сверхпроводников, диэлектриков, углеродных материалов и т.п. Весьма плодотворным представляется использование изобретения для исследования влияния различного рода облучения на размещаемые в каналах ядерных и термоядерных установок образцы из различных материалов. При этом реализуется возможность контролировать поверхность образцов как в процессе облучения, так и после него, а также в процессе послерадиационного отжига, причем делать это как непосредственно внутри установок, так и вне их - в горячих камерах специальных лабораторий. Одним из преимуществ использования предлагаемого устройства является тот факт, что проводимые с его помощью исследования в областях с высоким уровнем радиации ведутся дистанционно. Учитывая то, что наиболее дорогостоящие составные части предлагаемого устройства (компьютер, источники питания и т. п. ) находятся вне зоны облучения, а в периодической замене нуждается только измерительная головка, устройство в целом представляется весьма экономичным, особенно если учесть, какие уникальные возможности дает его использование. Наконец подчеркнем, что реализуемые с помощью предлагаемого устройства методики внутриреакторного исследования и контроля являются неразрушающими, что также является положительным обстоятельством.

Литература

1. Platonov P.A. et al. The properties of WWER-440 type reactor pressure vessels cut from operated units. Nuclear Engineering and Design, 195 (2000) 137-142.

2. М. А. Козодаев, О.Н. Макеев, В.Ф. Хохряков, Л.А. Осадчук, Б.Г. Леваков, А.Г. Залужный, В.П. Бабаев, А.Л. Суворов. Анализы с помощью сканирующего туннельного микроскопа поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления. ПЖТФ, 2000, том 26, выпуск 10, с. 1-8.

3. Блэкфорд, Дан, Джерико. Растровый туннельный микроскоп с высокой стабильностью на основе биморфных пьезоэлементов. Приборы для научных исследований, N 8, 1987, с. 3-13.

4. X. Кумар Уикрамасингх. Растровые микроскопы с зондами-остриями. В мире науки, N 12, 1989, с. 62-71.

5. Патент РФ N 2040052, класс G 21 C 17/01.

6. Патент РФ N 1499567, класс G 21 C 17/00.