Файл: Бессонов А.Ф. Установки для высокотемпературных комплексных исследований.pdf

образца, находящегося на платиновой проволоке, достигается пропусканием через нее тока.

Напряжение на платиновую проволоку подается через стаби­ лизатор напряжения автотрансформатором. Стабилизатор напря­ жения обеспечивает постоянство тока и тем самым — постоян­ ную температуру образца. В тех случаях, когда нет необходимости точно определять температуру образца, удобно измерять ее по ве­ личине тока, проходящего через проволоку. Для этого нужно построить градуировочную кривую зависимости температуры от величины тока.

Среди других специальных камер отметим описанную в работе [19] высокотемпературную рентгеновскую камеру для топогра-

V

11 10

Рис. 25. Схематическое изображе­ ние газовой установки для преци­ зионной камеры.:

1 — баллон кислорода; 2 — запорные вентили; 3 в 4 — про­ межуточные манометры; 5 — конечный манометр; 6 — го­ ловка гониометра; 7 — горелка; 8 — градуировочный вен­ тиль; 9 — предохранительный регулятор; 10 -—редуцирую­ щий вентиль; 11 — баллон горючего газа

фии в проходящем рентгеновском пучке. Камера может длитель­ ное время работать при 900° С. Путем исследования серии топограмм прослежено изменение напряжений в тонкой пленке окиси кремния, осажденной на монокристаллическом кремниевом диске, в процессе нагрева и охлаждения. Даже при высокой темпера­ туре получаются четкие топограммы значительной площади.

Горячая часть установки состоит из охлаждаемой высокотем­ пературной камеры (рис. 26), эту камеру во время работы можно либо вакуумировать, либо наполнять инертным газом. Нагрев производится с помощью танталового нагревателя сопротивления, расположенного внутри цилиндрического экрана с двойными стен­ ками из нержавеющей стали. Образец, имеющий форму диска, поддерживается в центре камеры тремя радиальными кварцевыми стержнями, углы между которыми составляют 120°. Из этих стерж­ ней два фиксированы, а один— подвижный. Для загрузки ка­ меры подвижный стержень поднимают (с помощью магнита) и затем опускают до упора на образец, чтобы обеспечить ему соот­ ветствующую поддержку во время работы камеры. В качестве тепловых экранов по обеим сторонам горячей части камеры исполь­

73

зуются два графитовых диска толщиной 0,38 мм, поверхности ко­ торых покрыты слоем напыленного золота. Полированные бериллиевые окна герметично уплотнены. Горячая часть установлена на двух призматических направляющих, которые позволяют про­ изводить юстировку с помощью винта. Вакуумный насос с охлаж­ даемой жидким азотом ловушкой позволяет поддерживать в ка­ мере при высокой температуре необходимый вакуум.

Для точного определения параметра образца нужно исполь­ зовать большие углы отражений. При измерениях под большими углами преимущество рентгеновского ме­ тода заключается в том, что можно исполь­ зовать маленькие образцы и получать результаты измерений расширения одно­ временно в различных направлениях для каждой фазы кристаллического мате­

риала.

Основные принципы конструирования «идеальной» высокотемпературной фото­ регистрирующей камеры изложены в ра­ боте [222]. Наиболее важными из них' являются широкий диапазон температур, постоянство и однородность температуры образца, возможность измерения темпера­ туры с высокой точностью, воспроизводи­

мость измерения, сохранение присущей широко распростра­ ненному в рентгенографии методу Дебая—Шерера точности и достаточного охлаждения всех работающих в трудных темпе­ ратурных условиях частей камеры, особенно пленки. К дру­ гим важным качествам относятся возможность выбора атмосферы и откачки до высокого вакуума, минимальное паразитное рассея­ ние рентгеновского излучения от частей камеры, конструкция кассеты, допускающая замену пленки без охлаждения горячей

части камеры.

В работе [18] описывается разборная вакуумная лауэвекая камера, сравнительно простая в изготовлении и в работе. Камера работает при температуре до 500° С и при давлении порядка 10“5 мм рт. ст. Пленку помещают вне вакуумной системы, что позволяет менять ее, не нарушая вакуума и не снижая темпера­ туры образца. Нагревательная обмотка также находится вне ва­

74

куума, а это сильно упрощает конструкцию. Схема камеры пред­ ставлена на рис. 27. Камера применялась для «задней» лауэвской съемки при расстоянии от пленки до образца, равном 30 мм.

Универсальная камера Дебая — Шерера сконструирована для работы в диапазоне температур от — 100 до +1050° С. Темпера­ туру можно регулировать с точностью до 1° С, причем температур­ ные градиенты практически отсутствуют. Образцы подвешивают вертикально и вращают специальным механизмом. Камеру можно откачивать или наполнять газами. Кассета с пленкой перекры­ вает диапазон углов 20 от 0,79 до 2,37 рад (45— 135°). В целом конструкция камеры не особенно сложна. Детали печи заменяемы, причем все соединения между разъемными частями камеры осу­ ществляются извне.

щая расположение держа­ теля:

1 — основание камеры; 2 — рентгеновская трубка; 3 — кассета с пленкой; 4 — кол­ лиматор; 5— нагревательная обмотка, присоединяемая к источнику питания через

терморегулятор

Имеются еще и другие виды высокотемпературных рентгенов­ ских фоторегистрирующих камер [159]. В одной из них, как и в описанной работе [45], используется принцип контактного на­ гревания образца (порошок наносится на поверхность металли­ ческой нити). Для работы камеры используются приборы и агре­ гаты, выпускаемые отечественной промышленностью. Конструк­ тивные особенности камеры позволяют увеличить верхний предел рабочей температуры до 1500° С и выше. В последнем случае бла­ годаря герметичности камеры в ней создается среда, необходимая для работы молибденового, вольфрамового или рениевого нагре­ вателей, которыми заменяется предусмотренный для работы в оки­ слительной среде платинородиевый нагреватель.

Итак, уточним основные требования, которым должны удовле­ творять высокотемпературные фоторегистрирующие рентгенов­ ские камеры. Важнейшими трудностями, возникающими при про­ ектировании и конструировании этих камер, являются следую­ щие: создание достаточной изотермической зоны, регулирование и измерение температуры. Эти условия осложняются тем, что печи должны иметь отверстия для прохода рентгеновских лучей. При­ менение фотографических методов рентгеновского фазового ана­ лиза ( и особенно количественного) при исследовании, например, строительных материалов затрудняется из-за ряда факторов: многофазности этих материалов, низкой симметрии кристалличес­ кой решетки отдельных компонентов, плохой кристаллизации, сравнительно малой рассеивающей способности атомов, входящих

75

в их состав. Все перечисленные факторы приводят к длительным экспозициям, появлению сильного фона, препятствующего выяв­ лению слабых линий и снижающего чувствительность метода. Поэтому сравнительно малые по размерам образцы необходимо нагревать до высоких температур иногда при длительности экспе­ римента 5—8 ч и в тоже время рентгеновская пленка должна на­ ходиться при комнатной температуре, тогда как расстояние от образца до рентгеновской пленки составляет всего несколько

десятков миллиметров.

При повышенных температурах значительно увеличивается интенсивность фона и поэтому уменьшается точность измерений.

5.ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРИСТАВКИ

КДИФРАКТОМЕТРАМ

Впоследнее время все шире внедряются методы регистрации рентгеновского излучения с помощью счетчиков благодаря разра­ ботке и осуществлению серийного выпуска наиболее совершен­ ной рентгеновской аппаратуры — дифрактометров с автоматичес­

кой регистрацией картины рентгеновского рассеяния.

- Рис. 28. Высокотемпературная приставка к дифрактометру

УРС-50И:

ватель; 7 — теплоизоляционный по­

келевая (или бериллиевая) фольга; 11 — щель для входа и выхода рентгеновских лучей; 12 ~ отвер­ стие для юстировки образца

Применение дифрактометров повышает чувствительность, а во многих случаях и точность, а также сокращает длительность рентгеноструктурного анализа, что очень важно для практики.

Автором с сотрудниками сконструированы и опробованы в ра­ боте весьма простые высокотемпературные рентгеновские при­ ставки к дифрактометру УРС-50И. Все эти приставки также с ус­ пехом могут быть применены к аппарату УРС-25И и к аппаратам всех типов, предназначенных для рентгеноструктурных исследо­ ваний с установленным гониометром ГУР-5 (ГУР-3, ГУР-4), с которого предварительно снимают держатель образцов и вместо него ставят приставку. Высокотемпературная приставка к дифрак­ тометру УРС-50И (для съемок в области больших углов) приведена на рис. 28.

76

Нагревание образца можно производить до 1550° С. Приставка представляет собой горизонтальную трубчатую печь, располо­ женную в металлическом водоохлаждаемом корпусе. Основной частью печи является корундовый блок с нагревателем из плати­ нородиевого сплава (70% Pt +30% Rh). Диаметр проволоки 0,5 мм, потребляемая мощность при максимальной температуре

500 Вт.

Из порошка исследуемого материала прессуют образец в виде таблетки диаметром —10 мм, толщиной —3 мм. Для помещения спая платинородиевой термопары в образце просверливают отвер­ стие. Расстояние от поверхности образца, участвующего в отра­ жении рентгеновских лучей, до спая термопары составляет 0,5 мм. Угол раскрытия приставки 1,22 рад (75°). Перемещение отражаю­ щей плоскости образца осуществляют в двух взаимно перпенди­ кулярных направлениях с помощью двойных салазок, прикреп­ ленных к столу дифрактометра УРС-50И.

Регулирование температуры в приставке осуществляется по заданной программе с определенной ее скоростью подъема (или снижения) и временем выдержки образца при необходимой вы­ бранной температуре.

Ниже приводятся данные рентгеновского определения коэф­ фициентов температурного расширения ряда образцов окисной керамики, полученные при работе на этой приставке. Исследо­ ваны следующие образцы; спеченная при 1550° С в течение 2 ч двуокись церия и керамические материалы из двойных окислов, полученные прокаливанием при 1600° С. Вычисленные для опре­ деленных температурных интервалов средние значения коэффи­ циентов температурного расширения приведены в табл. 6.

Весьма удобной для работы является следующая приставка со стержневыми нагревателями (рис. 29).

Т а б л и ц а 6

77

Конструктивно приставка выполнена в виде стального прямо­ угольного кожуха размерами 140x90x90 мм, заполненного высо­ котемпературными футеровочными материалами, который уста­ новлен на салазки, крепящиеся на гониометре.

В качестве нагревательного элемента использованы шесть стер­ жней из дисилицида молибдена, закрепленных в двух полуобоймах, являющихся задней стенкой приставки. Применение стерж­ невых нагревателей, в отличие от спиральных, позволило сделать приставку менее теплоинерционной, поскольку для них не тре­ буется использование блока-держателя по всей длине (как для спирального в предыдущей камере, который и создавал инерцион-

Рис. 29. Приставка со стержневыми нагревателями

кдифрактометру УРС-50И:

/— стрелочный индикатор; 2 — обоймы для крепления стержней; 3 — стальной прямоугольный кожух; 4 — футе­

ность). Для исследования некоторых задач кинетики реакции это особенно удобно. Однако в случае необходимости нагреваемый объем легко можно сделать и инерционным, введя в пространство вокруг образца между стержнями массивный тугоплавкий кера­ мический цилиндр с прорезями для входа и выхода рентгенов­

ских лучей.

Для предотвращения нагрева кожуха на его поверхности имеется медная трубка, по которой циркулирует проточная вода. Во избежание нагрева салазок и гониометра, в салазках преду­ смотрена камера, в которой также циркулирует проточная вода.

С помощью салазок можно производить грубую юстировку образца. Для более тонкой юстировки служит микрометрическое устройство, удобное для контроля величины юстировочных по­ правок, возникающих в результате изменения линейных разме­ ров образца при изменениях температуры. Величины поправок регистрируются стрелочным индикатором, шток которого через образец упирается в шток микрометрического устройства. Стрелоч­ ный индикатор одновременно может быть использован как дила­

тометрический датчик.

Конструктивным достоинством камеры является свободный доступ к образцу.

78