CC BY
20
УДК 621.983.777
Исследование возможности изготовления рентгеновских линз выдавливанием
А. Ю. Гойхман, И. И. Лятун, С. К. Савельев, Д. С. Филин, М. Ю. Силаев, Д. А. Рубцов, Е. Ю. Ремшев
Представлены результаты работы по изготовлению линз CRL способом выдавливания. К рентгеновским рефракционным линзам предъявляются высокие требования по качеству формы и поверхности, исследовались возможные способы обеспечения неразрушающего контроля штампуемых изделий.
Ключевые слова: выдавливание, контроль качества, рентгенография, электронная микроскопия, рентгеновская томография.
Введение
Рентгеновские рефракционные линзы (далее CRL — Compound Refraction Lenses) были разработаны примерно 20 лет назад [1] и в настоящий момент становятся одним из основных элементов профилирования рентгеновских пучков. Изготовление таких элементов — сложный процесс, но до настоящего момента носит полукустарный характер. До сих пор не определены требования к качеству этих элементов, а приемка готовой продукции осуществляется, как правило, тестированием и подгонкой оптических элементов на тех установках, для которых они заказываются, на основе результирующего качества профилируемого пучка. В данной работе анализируются возможности упорядочивания как собственно процессов изготовления CRL, так и контроля геометрической формы этих изделий.
Постановка задачи
СИЬ является полным аналогом традиционной оптической линзы, хотя следует учитывать то, что показатель преломления в рентгеновском диапазоне имеет значения меньше 1. Таким образом, для получения фокусирующей схемы необходимо использовать вогнутые линзы. Линзы могут быть изготовлены из различных материалов, но по ряду причин наибольшее применение нашли СИЬ, выпол-
ненные из особо чистого бериллия и алюминия (рис. 1). Оптический элемент представляет собой мениск, сформированный двумя соосными углублениями в торцах цилиндрической заготовки. Качество формы поверхности этих углублений, их взаимного располо-
Рис. 1. Общая схема CRL и конструктивное исполнение
а)
Пуансон I/
б) а, МПа
Заготовка
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
1
/1
2
„
( >
Противопуансон
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Рис. 2. Схема штамповки (а) и механические свойства бериллия (1) при температуре Т = 400 °С и алюминия (2) (б)
жения, качество самих поверхностей, а также качество материала между этими оптическими поверхностями определяют характеристики линзы как оптического элемента.
Для обеспечения эффективной эксплуатации СИЬ запрессовывается в корпус из ко-вара. Оптические поверхности линзы изготавливаются параболической формы с параметром параболы Я = 0,05 + 1 мм, что при типичной толщине линзы 1 мм определяет диаметры, входного и выходного зрачка на таком же уровне. По имеющимся представлениям требования к оптическим поверхностям СИЬ можно сформулировать следующим образом: несоосность оптических поверхностей — до 5 мкм; угловое отклонение осей поверхностей — до 1'; толщина перемычки < — до 20 мкм; среднеквадратическое отклонение формы одной оптической поверхности — не более 0,7 мкм. Анализ возможных способов изготовления СИЬ показывает, что наиболее предпочтительно выдавливание [2]. Выдавливание как процесс обработки металлов давлением является перспективным в современных экономических условиях. Перспективно использовать этот вид холодной деформации для получения деталей радиоэлектронной отрасли и других прецизионных изделий. Выдавливание обеспечивает высокую точность изготавливаемых деталей с высоким показателем шероховатости поверхности. Недостатком процесса являются высокие удельные нагрузки на инструмент.
Операция осуществляется в закрытом штампе (рис. 2). Анализ силового режима позволяет выделить в процессе две стадии: внедрение инструмента в заготовку и заполнение
рабочей полости. Окончание заполнения рабочей полости сопровождается резким ростом технологической силы. Первая стадия занимает большую часть процесса и сопровождается равномерным небольшим ростом силы.
При внедрении инструмента часть материала вытесняется вверх, создавая наплыв перед инструментом (табл. 1). В момент касания материалом торцевой части начинается вторая стадия. Линейная интенсивность роста силы меняется на экспоненциальную. Происходит интенсивное деформирование материала в центральной зоне. Это приводит к значительному изменению механических и физических свойств материала в центральной зоне. Материал на боковой поверхности либо не деформируется, либо испытывает незначительные деформации. При размерах изделия 1-2 мм и больших деформациях центральной зоны необходимо учитывать пластические деформации.
Получение качественных прецизионных изделий методами пластического формоизменения требует изучения динамической системы деформируемого материала, прогнозирования устойчивости и неустойчивости пластической деформации, а также влияния этих процессов на эксплуатационные свойства. Получение стальных деталей параболической формы с требуемой высокой чистотой поверхности не простая задача, описание которой выходит за рамки данной публикации, основанной главным образом на метрологических аспектах рассматриваемой технологии. Контроль качества пуансонов также сложная процедура, но весьма успешно может быть проведена различными средствами. При ана-
Таблица 1
Изменение формы заготовки и распределение интенсивности напряжений и деформаций по сечению заготовки в процессе
Перемещение, мм
Изменение формы
Интенсивность напряжений МПа
Интенсивность деформаций е
0,15
0,45
0,79
0,95
лизе средств контроля формы СИЬ мы рассматривали только неразрушающие методы. В отличие от пуансонов контроль формы собственно СИЬ принципиально более сложен. В частности, к таким объектам не применимы оптические методы реконструкции профиля, так как параболическая поверхность СИЬ с высокой чистотой обработки формирует яр-
кое изображение источника освещения и несколько паразитных бликов, которые создают помеху, исключающую возможность извлечения из изображения информации об истинном профиле. На приборах некоторых производителей сложными приемами фильтрации удается восстановить профиль, тем не менее на текущий момент оптические мето-
0
ды контроля СИЬ не могут рассматриваться как приоритетные для данного вида изделия. Кроме оптической профилометрии для контроля формы СИЬ нами исследованы методы репликации, рентгенографии, механической профилометрии, электронной микроскопии, рентгеновской томографии. Применяли просвечивающую рентгенографию с микрофокусным источником либо с источником, дающим параллельный пучок. Пример рентгенограммы СИЬ, снятой в расходящемся пучке, представлен на рис. 3. Такие рентгенограммы позволяют оценить большую часть геометрических размеров, подлежащих контролю: форму обоих параболических углублений линзы, толщину перемычки (< , см. рис. 1), смещение осей параболоидов. Применение рентгеновских источников с параллельным пучком дает дополнительные преимущества благодаря исключению геометрических искажений при формировании проекции объекта. При этом методы на основе рентгеновских изображений, возможно, применимы к самим оптическим элементам СИЬ, не запрессованным в корпус, изготавливаемый из сплавов на основе железа. Наличие такого сильно поглощающего корпуса, имеющего значительную (порядка 5 мм) толщину, резко снижает контраст получающегося изображения и возможности использования этой группы методов.
Использование стилусной профилометрии для производственного контроля СИЬ натал-
-2Ш—,-
-1200 -
Рис. 3. Результаты измерений СИЬ (а-рентгенограммы алюминиевой СИЬ с апертурой 1335 мкм, полученной на микрофокусном источнике)
кивается на значительные трудности, связанные с тем, что исследуемые объекты имеют значительную глубину и крутизну стенок. Одним из приборов, решающих эту задачу, является стилусный профилометр Dektak XT компании Bruker. Этот прибор в комплектации со стилусами (с углом при вершине 25°) может измерять сечения всей номенклатуры линз, используемых в отрасли, и строить измеряемые поверхности в 3D с хорошей производительностью. На рис. 2 представлены результаты сопоставления профиля CRL с параметром параболы 1 мм, полученные рентгенографией с микрофокусным источником и на профилометре Dektak XT. На рис. 2 представлен откорректированный на систематическую ошибку профиль, полученный измерением на аналитическом двухлучевом (электронно-ионный) растровом электронном микроскопе CrossBeam 540 фирмы Carl Zeiss. Используемая электронная колонна GEMINI II позволяет получать изображение поверхности образца с разрешением до 0,9 нм (при 15 кэВ). Линейный профиль линзы был получен с использованием внутрилинзового (In-lens) детектора вторичных электронов.
Заключение
Прецизионные детали CRL, наряду с высокой точностью размеров и требованиями к шероховатости, должны обладать заданным комплексом физико-химических свойств после деформации (текстура, микроструктура и др.), воспроизводимое обеспечение которых затруднено без надежного контроля за указанными параметрами. Представлены результаты различных методов такого контроля, выявлены проблемы и ограничения, возникающие при применении этих методов контроля геометрии CRL. В частности, установлено, что для решения задачи контроля формы CRL можно применять рентгенографию с микрофокусным источником (как вариант — томографию) в сочетании со стилусной профилометрией или электронной микроскопией. Использование электронной микроскопии одновременно с контролем формы обеспечивает контроль чистоты поверхности контролируемого изделия. Разработано множество моделей пластического формоизменения, но установить взаимосвязь между структурой (текстурой) и свойствами материалов удалось не во всех исследованиях. При разработке новых изделий
с применением пластической деформации процесс анализируют на макро-, мезо- и микроуровнях. Изменения, происходящие в пластически деформированном теле, оказывают влияние на изменение свойств материала, технологических и эксплуатационных характеристик.
Авторы выражают глубокую благодарность коллегам, содействовавшим в выполнении измерений на различном оборудовании, — сотрудникам компании ООО «Брукер» Д. Фокину, компании ОПТЭК И. Большаковой, К. Атласову, лаборатории кристаллогенеза СПбГУ Л. Крючковой и др.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (грант № 14.Y26.31.0002, грант № 02.G25.31.0086).
Литература
1. A compound refractive lens for focusing high energy X-rays / A. Snigirev, V. Kohn, I. Snigireva, B. Lengel-er // Nature. 1996. Vol. 384. P. 49-51.
2. Гуменюк Ю. И. Трансформация основных видов процесса осесимметричного выдавливания // Металлообработка. 2001. № 5. С. 45-47.
EXPOFORUM
26 мая 2015 г.
на №
№ ЭФ - И - 15 - 742
Уважаемые коллеги!
С 7 по 9 октября 2015 года в Санкт-Петербурге в новом международном конгрессно-выставочном центре «ЭКСПОФОРУМ» пройдут VII Петербургский Международный Инновационный форум, организуемый Правительством Санкт-Петербурга и XIX Международный форум «Российский промышленник». В это же время в МКВЦ «ЭКСПОФОРУМ» будет проходить V Петербургский Международный Газовый форум.
Совместное проведение этих мероприятий предоставляет уникальную возможность делового общения и обсуждения важных вопросов инновационного развития экономики России в сочетании с демонстрацией передовых достижений науки, техники и технологий, решения задач по импортозамещению в реальных секторах экономики.
В 2014 году в выставочной экспозиции форума «Российский промышленник» на площади более 10 000 кв.м. приняли участие 400 компаний из 6 стран. В 80-ти конгрессно-деловых мероприятиях участвовали 3800 специалистов из 48 регионов Российской Федерации. В центре делового общения состоялось более 380 встреч «Поставщик-потребитель».
Форум «Российский промышленник» проходит ежегодно с 1997 года и входит в число приоритетных мероприятий , поддерживаемых: Министерством по промышленности и торговле РФ, Российским Союзом промышленников и предпринимателей, РО «Союз машиностроителей России», Торгово-Промышленной Палатой РФ, Правительством Санкт-Петербурга, Союзом Промышленников и предпринимателей СПб, Российской Ассоциацией «Станкоинструмент».
В этом году Форум будет представлен специализированными выставками: «Кластеры. Регионы России», «Станкостроение. Металлообработка», Лазерное оборудование и технологии», «Инструмент. Техоснастка», «Робототехника», «Инновации», «Промышленная светотехника», в которых будут представлены: кластеры Санкт-Петербурга, национальная экспозиция промышленных предприятий Республики Беларусь, региональные стенды (Псковской, Челябинской областей), и другие ведущие российские и иностранные компании.
Приглашаем АО «КЕНТЕК» принять участие в выставочной экспозиции Форума, продемонстрировать промышленный, инновационный и инвестиционный потенциал предприятия, а также воспользоваться возможностью найти новых партнеров и заказчиков.
Директор Форума «Российский промышленник»
Исп. Гуров А.С. 240-40-40, доб. 275
О.М. Ткаченко
