Высокотемпературная камера к рентгеновскому дифрактометру

Высокотемпературная камера к рентгеновскому дифрактометру предназначена для исследования структуры материалов при высоких температурах и контролируемой атмосфере. Высокотемпературная камера содержит охлаждаемый корпус с бериллиевым окном для прохождения рентгеновских лучей и двумя патрубками для подключения газопроводов, герметично соединенный с водоохлаждаемым основанием, которое с помощью посадочной плиты устанавливается на гониометр, температурный контур, включающий высокотемпературную печь, установленную на водоохлаждаемое основание, снабженную сменным нагревателем и теплозащитными экранами, из которых у двух дальних окна для прохождения рентгеновских лучей закрыты бериллиевой фольгой, термопарой, концы которой выведены на регулятор температуры, и держателем образца, установленным в регулируемом подшипнике водоохлаждаемого основания с возможностью вращательно-колебательного движения с помощью электропривода, при этом камера дополнительно снабжена системой поддержания парциального давления кислорода, включающей электрохимический кислородный насос из стабилизированного диоксида циркония, кислородный датчик из стабилизированного диоксида циркония, управляющий контроллер, газопроводы подвода и отвода газовой атмосферы и циркуляционный насос для обеспечения постоянного газового потока, которые совместно с охлаждаемым корпусом, герметично установленным на водоохлаждаемое основание и двумя патрубками для подключения газопроводов образуют замкнутый контур газовой атмосферы, а управляющий контроллер обеспечивает контроль и регулирование парциального давления кислорода в газовой атмосфере.

Полезная модель относится к научному приборостроению и может быть использована при создании аппаратуры для исследования структуры материалов при высоких температурах и контролируемой атмосфере.

Высокотемпературная дифрактометрия позволяет исследовать фазовые превращения и деформации материалов при изменении температуры в разных средах, изучать симметрию и структуру фаз, существующих только при повышенных температурах, приближенно моделировать природные процессы.

Возможности постановки подобных экспериментов значительно возросли с развитием высокотемпературной рентгенографии - метода непосредственного наблюдения фазового состояния материала при изменении температуры.

Известна температурная рентгеновская камера - приставка к рентгеновскому дифрактометру (Температурные приставки к рентгеновскому дифрактометру, работающие по принципу обдувки образца, Е.Э.Ридер; И.В.Исаков; В.Н.Дударев. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Сборник. Л. «Машиностроение», 1974, вып.14. с.127-131), предназначенная для исследования образцов материалов в интервале температур от - 170°С до + 200°С.

Известная камера состоит из:

- Толстостенного корпуса из асбоцемента, имеющего бериллиевое окно для пропускания рентгеновских лучей, кольцевой коллектор для

подключения газопровода для создания атмосферных условий и отверстие в верхней части для отвода газа, создающего атмосферные условия;

- платформы с посадочной плитой для установки камеры на рентгеновский гониометр;

- температурного контура, включающего трубчатую печь, смонтированную в подводящем газопроводе, с возможностью изменения мощности вручную с помощью автотрансформатора, и систему регулируемой подачи паров азота, состоящую из сосуда Дюара и регулируемого испарителя;

- держателя образца, имеющего канал для подачи газа на образец и закрепленного в основание камеры, которое совершает колебательные движения под воздействием кулачка, насаженного на вал электропривода.

Функционирование камеры:

Камера устанавливается на рентгеновский гониометр с помощью посадочной плиты платформы.

Температура и атмосферные условия образца исследуемого материала обеспечиваются его обдувом газом - парами азота, температура которых регулируется нагревом трубчатой печи и скоростью испарения азота в системе регулируемой подачи паров азота. Газ выходит из камеры через верхнее отверстие в корпусе.

Для предотвращения нагрева гониометрического устройства камера охлаждается снаружи вентилятором.

Недостатками этой камеры является то, что:

- исследование ограничено диапазоном температур, до которых можно нагреть газ в газовом потоке, создающем атмосферные условия. Это не позволяет проводить исследования фазовых превращений материалов и исследование структур существующих при температурах выше 200°С;

- в качестве газа могут быть использованы только пары азота;

- парциальное давление кислорода в камере не контролируется.

Известна высокотемпературная камера - приставка к рентгеновскому дифрактометру (Высокотемпературная камера - приставка к рентгеновскому дифрактометру для изучения реакций типа «твердое-газ», В.Е.Рудниченко. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Сборник. Л. «Машиностроение», 1969, вып.4. с.32-37), предназначенная для исследования изменения во времени фазового состава твердого вещества в ходе реакций при заданных температуре и расходе реакционного газа.

Известная камера состоит из:

- охлаждаемого корпуса, имеющего бериллиевое окно для пропускания рентгеновских лучей, устанавливаемого на водоохлаждаемое основание на резиновую прокладку;

- основания, которое закрепляется на гониометре с возможностью совершать колебания вокруг оси гониометра;

- газового контура, включающего реакционный сосуд в виде кварцевой трубы, имеющий секторные вырезы для рентгеновских лучей, плоский шлиф для герметизации соединения с держателем образца, два патрубка для газового потока (один для подвода газа, второй для отвода газа) и штуцер для подачи инертного газа. Подающий патрубок в виде трубки проходит сверху внутри верхней половины реакционного сосуда, затем выходит наружу кварцевой трубы спиралью, обвивая реакционный сосуд в зоне расположения нагревателя температурного контура, и снова заходит внутрь реакционного сосуда в виде сопла направленного на образец. Отводящий патрубок находится в верхней точке реакционного сосуда - «отверстие в крышке». Предусмотрена возможность вывода газообразных продуктов без потери к какому-либо газоанализатору;

- температурного контура, включающего нагреватель в виде керамической трубы с секторными вырезами для рентгеновских лучей закрытыми бериллиевой фольгой, с канавками на внутренней поверхности,

с уложенной спиралью из нихрома, окружающие никелевые отражательные экраны в форме стаканов с секторными вырезами для рентгеновских лучей и отверстиями для реакционного сосуда и термопару, смонтированную в держателе образца;

- держателя образца в виде разрезанной пополам кварцевой трубки с приваренным к ней кварцевым колечком, при этом плоскость разреза сошлифована для точной - строго фиксированной установки сменного держателя в основание. Держатель образца сменный.

Функционирование камеры. Образец помещается в сменный держатель, который устанавливается в

основание камеры. Камера монтируется.

Камера заполняется через газовый контур инертным газом. В температурный контур подается необходимая мощность, нагрев образца контролируется по показаниям от термопары.

После достижения заданной температуры и выдержки образца производится очищение камеры от инертного газа. Открывается выход в атмосферу, дается выдержка, и камера заполняется необходимым реакционным газом.

Производятся рентгенодифракционные измерения.

Отходящий газовый поток направляется на внешний газоанализатор и в камеру подается инертный газ. Газовые продукты реакции, остатки реакционного газа вместе с инертным газом поступают на анализ.

Недостатками этой камеры являются:

- эклектичность результатов, связанная с изменением в ходе эксперимента суммарного коэффициента поглощения образца, что оправдано при промышленно-ориентированных исследованиях не требующих точности и воспроизводимости, которые необходимы для научных исследований;

- опосредованный контроль состава газовой атмосферы;

- ограниченность температурного диапазона исследований температурой плавления кварца, как материала, из которого изготовлен реакционный блок.

Известна высокотемпературная рентгеновская камера типа УВД-2000 (Техническое описание и инструкция по эксплуатации. НПО «Буревестник», Ленинград, 1979 год), предназначенная для проведения рентгенографических исследований на дифрактометрах типа ДРОН-3, ДРОН-УМ-1, на плоских образцах методом «на отражение» в диапазоне температур от комнатной до 2000°С в вакууме не хуже 2×10^-5 мм рт.ст. и до 1200°С на воздухе и в атмосфере инертного газа в интервале углов, обеспечиваемых дифрактометром (прототип).

Известная камера - прототип состоит из:

- охлаждаемого корпуса - 5, имеющего бериллиевое окно - 6 для прохождения рентгеновских лучей, устанавливаемого на водоохлаждаемое основание - 3 на прокладку - 2 и фиксируемого болтами - 4, и патрубок для подключения вакуумпровода или газопровода-10, для создания атмосферных условий исследования;

- водоохлаждаемого основания-3 с посадочной плитой для установки камеры на рентгеновский гониометр;

- температурного контура, включающего высокотемпературную печь -11, снабженную сменным нагревателем - 12 с теплозащитными экранами - 13, из которых у двух дальних окна для прохождения рентгеновских лучей закрыты бериллиевой фольгой - 7, и термопарой - 9, концы которой выведены на высокоточный регулятор температуры - 23;

- держателя образца - 1, который закреплен в регулируемом подшипнике и может совершать вращательно-колебательные движения вокруг своей оси посредством рычага с помощью электропривода - 14.

Материал, из которого изготовлены нагреватель - 12 и теплозащитные экраны - 13, определяется планируемой атмосферой эксперимента.

Функционирование камеры.

Камера устанавливается на рентгеновский гониометр с помощью посадочной плиты водоохлаждаемого основания - 3.

Температура образца исследуемого материала - 8 обеспечивается нагревом высокотемпературной печи - 11, контролируется термопарой - 9 и поддерживается высокоточным регулятором температуры - 23.

Атмосферные условия внутри камеры задаются внешними системами.

Описание процесса.

Шаг 1. Из исследуемого порошка приготавливается образец - 8 и определяется программа его исследования.

Шаг 2. Производится комплектация высокотемпературной печи - 11 сменным нагревателем - 12 и теплозащитными экранами 13 в соответствии с задачами исследования.

Шаг 3. Образец исследуемого материала - 8 помещается в камеру в процессе ее сборки на держатель образца - 1, который закреплен в регулируемом подшипнике.

Шаг 4. Охлаждаемый корпус - 5, устанавливается на водоохлаждаемое основание - 3 на прокладку - 2, фиксируется болтами - 4, и к патрубку - 10 подключается внешняя система, создающая необходимое разряжение или давление.

Шаг 5. Производится разогрев высокотемпературной печи - 11 с контролем температуры образца исследуемого материала - 8 термопарой - 9 и высокоточным регулятором температуры. График разогрева задается планом исследования.

Шаг 6. По факту достижения нужной температуры и необходимой выдержки производятся требуемые рентгенодифракционные измерения.

Шаг 7. Производится запланированный ряд температурных воздействий на образец исследуемого материала - 8, с последующим выполнением рентгенодифракционных измерений.

Шаг 8. Высокотемпературную печь - 11 охлаждают, атмосферу в блоке создания условий исследования выводят до состояния «окружающий воздух», разбирают камеру и извлекают образец исследуемого материала - 8.

Недостатком этой камеры является то, что, она предназначена для исследования структуры либо на воздухе, либо в вакууме или атмосфере инертного газа с необходимостью замены нагревателя. При этом состав газовой атмосферы и ее изменение в процессе эксперимента невозможно проконтролировать без дополнительного анализа.

Использование форвакуумного масляного насоса может приводить к загрязнению системы углеродсодержащими органическими добавками.

Смена нагревателя приводит к изменению условий эксперимента.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность исследования структуры вещества при атмосферном давлении в атмосфере с изменяемым парциальным давлением кислорода при высоких температурах, с высокой точностью поддержания условий эксперимента.

Указанный технический результат достигается тем, что высокотемпературная камера к рентгеновскому дифрактометру, содержащая охлаждаемый корпус с бериллиевым окном для прохождения рентгеновских лучей и двумя патрубками для подключения газопроводов, герметично соединенный с охлаждаемым основанием, которое с помощью посадочной плиты устанавливается на гониометр, температурный контур,

включающий высокотемпературную печь, установленную на водоохлаждаемое основание, снабженную сменным нагревателем и теплозащитными экранами, из которых у двух дальних окна для прохождения рентгеновских лучей закрыты бериллиевой фольгой, термопарой, концы которой выведены на регулятор температуры, и держателем образца, установленным в регулируемом подшипнике водоохлаждаемого основания с возможностью вращательно-колебательного движения с помощью электропривода, согласно изобретения, снабжена системой поддержания парциального давления кислорода, включающей электрохимический кислородный насос из стабилизированного диоксида циркония и кислородный датчик из стабилизированного диоксида циркония, установленные в трубчатую печь, управляющий контроллер, газопроводы подвода и отвода газовой атмосферы и циркуляционный насос для обеспечения постоянного газового потока, которые совместно с охлаждаемым корпусом, герметично установленным на водоохлаждаемое основание, и двумя патрубками для подключения газопроводов образуют замкнутый контур газовой атмосферы. Управляющий контроллер обеспечивает контроль и регулирование парциального давления кислорода в газовой атмосфере.

Электрохимический кислородный насос и электрохимический кислородный датчик конструктивно совмещены на одном керамическом изделии, состоящем из двух частей из стабилизированного диоксида циркония, которые электрически изолированы друг от друга с целью исключения нежелательной поляризации датчика. Электроды насоса и датчика, нанесенные на внутренней поверхности керамического изделия контактируют с газовой атмосферой внутри изолированного контура, электроды, нанесенные на внешней поверхности - с воздухом. Газовая система организована таким образом, что при помощи циркуляционного насоса и газоподводов газовая смесь подается на электрохимический кислородный насос, затем поступает на электрохимический кислородный

датчик, отбирается вблизи от последнего, поступает в циркуляционный насос, затем подается на исследуемый образец.

Предлагаемая камера для рентгенодифракционных исследований структуры и фазового состава материала при высоких температурах на плоских образцах методом «на отражение» в диапазоне температур от комнатной до 1300°С в воздушной атмосфере при контролируемом парциальном давлении кислорода в диапазоне от 1 до 1·10 ^-18 атм.

На рисунке представлена схема камеры для рентгенодифракционных исследований структуры и фазового состава материала при высоких температурах в атмосфере при контролируемом парциальном давлении кислорода.

Предлагаемая камера состоит из:

- замкнутого контура газовой атмосферы, содержащего охлаждаемый корпус - 5 с бериллиевым окном - 6 для прохождения рентгеновских лучей, патрубки - 10 и 15, и систему поддержания парциального давления кислорода, включающую трубчатую печь - 20, электрохимический кислородный насос из стабилизированного диоксида циркония - 22, кислородный датчик из стабилизированного диоксида циркония - 21, управляющий контроллер - 18, а также газопроводы - 16, 17 и циркуляционный насос - 19;

- температурного контура, включающего высокотемпературную печь - 11, с нагревателем - 12 и теплозащитными экранами- 13, из которых у двух дальних окна для прохождения рентгеновских лучей закрыты бериллиевой фольгой - 7, термопарой - 9 и температурным регулятором 23;

- водоохлаждаемого основания - 3 с посадочной плитой для установки камеры на рентгеновский гониометр.

Охлаждаемый корпус - 5 контура газовой атмосферы исследования устанавливается на водоохлаждаемое основание - 3 на прокладку - 2 и фиксируется болтами - 4.

Образец исследуемого материала - 8 помещается на держатель образца - 1, который закреплен в регулируемом подшипнике и может совершать вращательно-колебательные движения вокруг своей оси посредством рычага с помощью электропривода - 14.

Функционирование камеры.

Камера с образцом исследуемого материала - 8 устанавливается на рентгеновский гониометр с помощью посадочной плиты водоохлаждаемого основания - 3.

Температурный режим образца исследуемого материала - 8 обеспечивается температурным контуром. Разогрев образца исследуемого материала - 8 осуществляется с помощью высокотемпературной печи - 11, температура контролируется термопарой - 9 и поддерживается высокоточным регулятором температуры - 23. Охлаждение образца исследуемого материала - 8 обеспечивается за счет естественного отвода тепла в окружающую среду.

Атмосферные условия внутри камеры создаются и поддерживаются контуром газовой атмосферы. Парциальное давление кислорода в газовом контуре изменяется с помощью электрохимического кислородного насоса из стабилизированного диоксида циркония - 22, контролируется кислородным датчиком из стабилизированного диоксида циркония - 21 и автоматически поддерживается управляющим контроллером - 18.

Одинаковое значение парциального давления в зоне образца исследуемого материала - 8 и кислородного датчика из стабилизированного диоксида циркония - 21 обеспечивается активной циркуляцией газовой атмосферы внутри замкнутого контура с помощью циркуляционного насоса - 19.

Работоспособность электрохимического кислородного насоса из стабилизированного диоксида циркония - 22 и кислородного датчика из стабилизированного диоксида циркония - 21 обеспечивается

поддержанием температуры около 800°С в трубчатой печи - 20 с помощью управляющего контроллера - 18. Описание процесса.

Шаг 1. Из исследуемого порошка приготавливается образец исследуемого материала - 8 и формулируется программа его исследования.

Шаг 2. Образец исследуемого материала - 8 помещается в камеру - в процессе ее сборки на держатель образца - 1, который закреплен в регулируемом подшипнике.

Шаг 3. Сборка изолированного контура газовой атмосферы исследования: на водоохлаждаемое основание - 3 на прокладку - 2 с помощью болтов - 4 устанавливается охлаждаемый корпус - 5 с патрубками - 10 и 15, к которым с помощью газопроводов- 16 и 17 подключен циркуляционный насос - 19 и электрохимический кислородный насос из стабилизированного диоксида циркония - 22 с кислородным датчиком из стабилизированного диоксида циркония - 21.

Шаг 4. Собранная камера с образцом исследуемого материала - 8 устанавливается на рентгеновский гониометр с помощью посадочной плиты водоохлаждаемого основания - 3. Производится необходимая юстировка в соответствии с требованиями рентгенографической установки.

Шаг 5. Вывод на режим электрохимического кислородного насоса из стабилизированного диоксида циркония - 22 и кислородного датчика из стабилизированного диоксида циркония - 21. Включается система поддержания парциального давления кислорода: управляющий контроллер - 18 и трубчатая печь - 20. Осуществляется нагрев электрохимического кислородного насоса из стабилизированного диоксида циркония - 22 и кислородного датчика из стабилизированного диоксида циркония -21, при этом температура

в трубчатой печи - 20 контролируется по показаниям управляющего контроллера - 18.

Шаг 6. Задание необходимого значения парциального давления кислорода в замкнутом контуре газовой атмосферы. По факту достижения в трубчатой печи - 20 температуры равной 800°С, которая определяется необходимой скоростью откачки, управляющему контроллеру - 18 задается необходимое значение парциального давления кислорода. Достигнутое значение парциального давления кислорода в замкнутом контуре газовой атмосферы контролируется по показаниям управляющего контроллера - 18.

Шаг 7. Нагрев и стабилизация температуры образца. Осуществляется нагрев образца исследуемого материала - 8 до температуры, значение которой определяется программой исследования и контролируется термопарой - 9 по показаниям высокоточного регулятора температуры - 23.

Шаг 8. Установление равновесия между образцом и газовой атмосферой. По достижению необходимой температуры образца и требуемого парциального давления кислорода в замкнутом контуре газовой атмосферы для установления равновесия между образцом и газовой атмосферой осуществляется выдержка образца и всех систем камеры до стабилизации значений напряжения и тока на электрохимическом кислородном насосе из стабилизированного диоксида циркония - 22, которые контролируются по показаниям управляющего контроллера - 18.

Шаг 9. По факту стабилизации температуры образца - 8 и парциального давления кислорода в газовой атмосфере и необходимой для установления равновесия между образцом и газовой атмосферой выдержки производятся рентгенодифракционные измерения.

Далее «шаги 7-9» несколько раз повторяются в соответствии с программой исследования.

Шаг 10. Окончание сформулированной программы исследования. Охлаждаются высокотемпературные печи - 11 и 20, тем самым останавливается система поддержания парциального давления кислорода, камера снимается с гониометра и разбирается, извлекается образец исследуемого материала - 8.

Высокотемпературная камера к рентгеновскому дифрактометру, содержащая охлаждаемый корпус с бериллиевым окном для прохождения рентгеновских лучей и двумя патрубками для подключения газопроводов, герметично соединенный с водоохлаждаемым основанием, которое с помощью посадочной плиты устанавливается на гониометр, температурный контур, включающий высокотемпературную печь, установленную на водоохлаждаемое основание, снабженную сменным нагревателем и теплозащитными экранами, из которых у двух дальних окна для прохождения рентгеновских лучей закрыты бериллиевой фольгой, термопарой, концы которой выведены на регулятор температуры, и держателем образца, установленным в регулируемом подшипнике водоохлаждаемого основания с возможностью вращательно-колебательного движения с помощью электропривода, отличающаяся тем, что снабжена системой поддержания парциального давления кислорода, включающей электрохимический кислородный насос из стабилизированного диоксида циркония, кислородный датчик из стабилизированного диоксида циркония, управляющий контроллер, газопроводы подвода и отвода газовой атмосферы и циркуляционный насос для обеспечения постоянного газового потока, которые совместно с охлаждаемым корпусом, герметично установленным на водоохлаждаемое основание и двумя патрубками для подключения газопроводов образуют замкнутый контур газовой атмосферы, а управляющий контроллер обеспечивает контроль и регулирование парциального давления кислорода в газовой атмосфере.