Том 26 № 3 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 3 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 208 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований) Александр Бурдилов 1, а, *, Глеб Довженко 1, 2, b, Иван Батаев 1, c, Анатолий Батаев 1, d 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 ЦКП «СКИФ», Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Никольский пр., 1, Кольцово, 630559, Россия a https://orcid.org/0009-0003-1992-9290, burdillov12@gmail.com; b https://orcid.org/0000-0003-0615-0643, dovjenko.g@gmail.com; c https://orcid.org/0000-0003-2871-0269, i.bataev@corp.nstu.ru; d https://orcid.org/0000-0002-6227-5398, bataev@adm.nstu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 208–233 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-208-233 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 52-624 История статьи: Поступила: 24 мая 2024 Рецензирование: 10 июня 2024 Принята к печати: 28 июня 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Синхротронное излучение Дифракция рентгеновского излучения Монохроматоры Благодарности Выражается благодарность Трофимову Роману Владимировичу за то, что он предоставил рисунок под номером 29 в данной работе. АННОТАЦИЯ Статья содержит анализ исследований, связанных с монохроматизацией рентгеновского излучения (РИ) на станциях источников синхротронного излучения (СИ). Представлен обзор монохроматоров, основанных на явлении дифракции рентгеновского излучения на кристаллах, отражены особенности их технической реализации. Даны представления о монохроматорах, в состав которых входят многослойные структуры. Отражены технические проблемы, возникающие при конструировании приборов, и представлены возможные решения. Введение. Описаны возможности использования рентгеновского излучения при проведении научных исследований. Отмечена высокая эффективность источников синхротронного излучения, дана их характеристика. Элементарные сведения о дифракции рентгеновского излучения. Описаны свойства рентгеновского излучения и возможности его использования при исследовании различных материалов. Степень монохроматичности. Важной характеристикой СИ является степень монохроматичности. В зависимости от ширины полосы длин волн выделяют «белый», «розовый» и монохроматический пучки. Для получения «розовых» пучков применяют монохроматоры на основе многослойных структур. Монохроматическое излучение формируется с использованием монокристаллов. При проведении экспериментов с «белыми» пучками монохроматор не используется. Описаны факторы, нарушающие идеальное выполнение условия Вульфа – Брэгга и влияющие на степень монохроматичности (действие тепла, вибрации). Отмечается, что значения отражательной способности при разных углах скольжения пучка имеют различную ширину. Монохроматоры на основе многослойных структур. Периодические структуры, сочетающие тонкие слои из двух разнородных материалов, позволяют получать «розовые» пучки. Полоса пропускания длин волн в таких приборах на один-два порядка больше, чем у монохроматоров, где в качестве оптических элементов используются кристаллы. Конфигурации и геометрия оптических элементов. Различают два вида дифракции РИ на кристалле – дифракцию Брэгга и дифракцию Лауэ. Дифракцию Брэгга относят к отражательной геометрии, дифракция Лауэ основана на прохождении лучей сквозь кристалл. В разделе приведены примеры монохроматоров с различной конфигурацией кристаллов и рентгеновских зеркал. Расположение оптических элементов в монохроматоре играет важную роль в геометрии хода лучей. Проектируя монохроматоры, необходимо учитывать методы фиксации и ориентацию осей вращения оптических элементов. Приведены примеры монохроматоров с различной конфигурацией кристаллов и рентгеновских зеркал. Фокусирующие монохроматоры. Изгибая оптический элемент монохроматора, возможно обеспечить сагиттальный и меридиональный типы деформации. За счет искривленной поверхности кристалла пучок не только монохроматизируется, но и подвергается фокусировке. Современные фокусирующие монохроматоры оснащаются элементами адаптивности, позволяющими изменять радиус кривизны оптического элемента. Приведены примеры практической реализации подобных монохроматоров. Тепловая нагрузка СИ на оптические элементы. СИ характеризуется высокой яркостью и широким спектром излучаемых длин волн. В процессе эксплуатации оптические элементы станций СИ поглощают большое количество тепловой мощности. Проблемы теплоотвода оказывают принципиальное влияние на качество монохроматизации синхротронного излучения. Дополнительно о монохроматорах. Представлены примеры особых конструктивных решений монохроматоров. Заключение. Конструирование монохроматоров актуально для строящегося в Новосибирске источника синхротронного излучения 4+ СКИФ. Для цитирования: Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований) / А.А. Бурдилов, Г.Д. Довженко, И.А. Батаев, А.А. Батаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 208–233. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-208-233. ______ *Адрес для переписки Бурдилов Александр Александрович, студент, лаборант Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: +7 952 794-44-06, e-mail: burdillov12@gmail.com Введение Синхротронное излучение нашло широкое применение в различных отраслях науки, в том числе в материаловедении, физике, химии, кристаллографии, медицине, биологии, минералогии и др. При формировании представления о структуре изучаемого объекта возникает необходимость «заглянуть внутрь» материала, что позволяют сделать методы исследований, основанные на использовании источников синхротронного излучения (СИ). В некотором смысле экспериментальную установку на источнике СИ можно представить как своеобразный «мощный микроскоп». Спектральный диапазон энер-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 209 MATERIAL SCIENCE гий синхротронного излучения весьма широк: от 10 эВ (и менее) до 100 кэВ (и более). При этом разные методы исследований, реализуемых на источниках СИ, требуют использования фотонов различных энергий (или длин волн). Соответственно исследователю необходимо выделить из широкого спектра излучения ту его часть, которая наиболее важна для используемой методики. В большинстве задач из широкого спектра СИ следует особо выделить диапазон рентгеновского излучения (РИ), длины волн которого сопоставимы с размерами атомов, что позволяет исследователям анализировать атомно-кристаллическую структуру твердых тел, а также изучать ближний порядок в жидкостях и аморфных объектах. Излучение, соответствующее рентгеновскому диапазону электромагнитных волн, характеризуется значениями энергии от 1 до 100 кэВ. Из вставных устройств накопительного кольца, в котором циркулирует поток элементарных частиц (как правило, электронов или позитронов), выходит «белый» пучок (т. е. излучение с широким диапазоном длин волн). Однако для проведения большинства экспериментов необходимо иметь пучок с более «узким» диапазоном параметров, необходимых для решения поставленных исследователем задач. В большинстве случаев на станциях синхротронного излучения используют монохроматическое излучение, формирование которого обеспечивается специальными устройствами, именуемыми монохроматорами. Расположенные на станции СИ монохроматоры совместно со щелями, фильтрами и системами фокусировки формируют излучение с требуемыми характеристиками. С технической точки зрения монохроматоры являются одними из наиболее сложных и высокотехнологичных устройств станций СИ. Производство монохроматоров относится к критическим технологиям, обеспечивающим эффективное использование СИ для исследования структуры материалов. Как правило, основным узлом монохроматора является пара кристаллов, позволяющих выделить из всего спектра СИ дифрагированный пучок, соответствующий узкой полосе длин волн, и направить его на образец. Входящий пучок, который включает в себя весь спектр генерируемого вставным устройством излучения, пройдя через монохроматор, преобразуется в монохроматическое либо в «розовое» излучение. Между собой эти типы излучения отличаются степенью монохроматичности, под которой понимается отношение Δλ/λ, где λ и Δλ – соответственно пиковое значение длины волны и спектральная ширина излучения, прошедшего монохроматор. Синхротронное излучение, соответствующее отношению Δλ/λ = 10–4…10–3, называют монохроматическим [1]. Для решения некоторых задач используют также «розовое» излучение, степень монохроматичности которого составляет Δλ/λ = 10–2…10–1 [2]. При проведении экспериментов с «белым» пучком монохроматор не нужен. Так, например, метод Лауэ предполагает воздействие на неподвижный монокристалл именно «белого» (непрерывного) излучения. Присутствие в рентгеновском спектре широкого диапазона длин волн дает возможность выполнения условия Вульфа – Брэгга, т. е. проявления эффекта дифракции рентгеновского излучения. Если же речь идет о проведении экспериментов методами, связанными с применением «розового» и монохроматического излучения, то используют монохроматоры различных типов, особенности которых обсуждаются в данной статье. Принцип работы монохроматоров основан на явлении дифракции рентгеновского излучения. Особенности дифракции на кристаллах в 1913 году описали У.Л. Брэгг и Г.В. Вульф. Исходя из условия, именуемого в настоящее время законом Вульфа – Брэгга, попавшее на кристалл «белое» излучение можно разложить на пучки, характеризующиеся узкой полосой длин волн. В зависимости от используемой методики и задач, стоящих перед исследователем, для проведения экспериментов могут требоваться разные диапазоны длин волн. Согласно закону Вульфа – Брэгга для выделения заданной длины волны (и соответственно энергии фотонов) требуется задать определенный угол падения излучения на кристалл, который регулируется гониометром – одним из наиболее важных механизмов монохроматора. Кроме гониометра, позволяющего настраивать монохроматор на разный уровень энергии, в состав прибора входят такие элементы, как вакуумные насосы, система охлаждения и датчики, обеспечивающие работу всех приборов. При разработке и последующей эксплуатации монохроматора важно иметь количественные представления об интенсивности и яркости
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 210 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ пучка, напрямую зависящих от позиционирования кристаллов, технических погрешностей и отклонений, характерных для прибора. Кроме того, важно понимать свойства источника излучения (в контексте данной статьи под источником понимаются поворотные магниты либо вставные устройства, расположенные на накопительном кольце синхротрона). Принципиальная схема специализированного источника СИ представлена на рис. 1 [3]. В его состав входят следующие элементы: электронная пушка 1, работа которой основана на эффекте термоэлектронной эмиссии; линейный ускоритель электронов (линак) 2; бустер 3; поворотные магниты 4; радиочастотные резонаторы 5; вставные устройства (ондуляторы, вигглеры) 6; экспериментальная станция 7; фронтэнд 8; оптический хатч 9 (отсек с оптическими устройствами); экспериментальный хатч 10. Рис. 1. Принципиальная схема источника СИ. Взято из работы [3] Fig. 1. A conceptual sketch of the SRS. Taken from [3] Электронная пушка 1 эмитирует электроны и выводит их в линейный ускоритель 2, где частицы ускоряются по резонансному принципу, проходя через промежутки высокочастотного электрического поля. Вышедший из линейного ускорителя пучок направляется в бустер 3, в котором электроны ускоряются до релятивистских скоростей. Далее пучок переходит в накопительное кольцо, основными элементами которого являются поворотные магниты 4, формирующие замкнутую траекторию движения электронов, радиочастотные резонаторы 5, восполняющие энергию пучка, которая тратится при испускании фотонов СИ, и вставные устройства 6. Поворотные магниты и вставные устройства служат для генерации синхротронного излучения, которое направляется в станцию СИ 7 и, пройдя через оптический хатч 9, попадает в экспериментальный хатч станции 10 с находящимся в нем объектом анализа. Синхротронное излучение представляет собой магнитотормозное электромагнитное излучение, испускаемое релятивистскими заряженными частицами (движущимися со скоростью излучения, близкой к скорости света), которые постоянное магнитное поле заставляет двигаться по круговым орбитам. Устройствами, генерирующими синхротронное излучение, могут быть поворотные магниты – вигглеры либо ондуляторы. Магнитное поле этих устройств за счет действия силы Лоренца приводит (1) к изменению траектории электронов и (2) к формированию за счет этого синхротронного излучения. Направленное по касательной к накопительному кольцу синхротронное излучение входит в канал вывода пучка, перемещаясь по которому подводится к исследуемым образцам, расположенным в экспериментальном хатче 10. В оптическую схему станции входит множество устройств, выполняющих различные функции. К ним относятся оптические элементы, изменяющие геометрические параметры пучка (щели, коллимирующие и фокусирующие линзы, рентгеновские зеркала и др.), фильтры, а также окна, разделяющие вакуумные объемы. В оптической схеме должны присутствовать элементы мониторинга пучка, которые могут быть разделены на две группы. К первой относятся детекторы, определяющие положение пучка, ко второй – детекторы, фиксирующие интенсивность и спектральный состав излучения. Область применения синхротронного излучения велика, и по этой причине методики проведения экспериментов могут существенно различаться. Необходимость решения задач разного рода обусловливает разработку станций синхротронного излучения, отличающихся по набору входящих в них элементов. Монохроматоры являются одними из ключевых элементов станций СИ и представляют собой спектральные оптикомеханические приборы, позволяющие выделить узкие полосы излучения из широкого диапазона длин волн.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 211 MATERIAL SCIENCE В используемые на источниках СИ монохроматоры входят узлы, одинаковые по назначению. Однако конструктивно монохроматоры друг от друга отличаются. Технические особенности монохроматоров обусловлены не только решаемыми на станции СИ задачами, но также величиной входящего теплового потока, системой охлаждения кристаллов и точностью их регулировки. Элементарные сведения о дифракции рентгеновского излучения В 1985 году Вильгельм Конрад Рентген, проводя эксперименты с трубкой Крукса, обнаружил неизвестное ранее излучение, которое он назвал Х-лучами. На рис. 2 представлена шкала длин волн и частот электромагнитного излучения, на которой выделен соответствующий рентгеновскому излучению условный диапазон, определенный в разное время на основании работ К. Рентгена, М. Лауэ, Ч. Баркла, Д. Томпсона и Г. Мозли. Рентгеновскую область часто делят на диапазоны жесткого (0,1 < λ < 10 Å), мягкого (10 < λ < 300 Å) и ультрамягкого (300 < λ < 1000 Å) излучения [34]. Данное разделение условно, однако оно важно с точки зрения физики процесса монохроматора, поскольку для этих диапазонов характерны различные показатели преломления, коэффициенты поглощения и особенности поляризации волн. От видимого света рентгеновское излучение отличается своей способностью проникать вглубь вещества. Свойствами рентгеновского излучения являются прямолинейность распространения со скоростью света, преломление на границах раздела сред, отражение и рассеяние на препятствиях, интерференция и дифракция, поляризация при рассеянии или прохождении через вещество, поглощение веществами, способность вызывать фотоэффект [3, 4]. Ранее отмечалось, что принцип действия монохроматоров основан на дифракции рентгеновского излучения. Первые эксперименты, связанные с этим физическим явлением, были выполнены в 1912 году Максом фон Лауэ и его молодыми сотрудниками П. Книппингом и В. Фридрихом. Простое условие, позволяющее определить угол, соответствующий дифракционному максимуму, было получено английским физиком У.Л. Брэггом [3] и независимо от него российским ученым Г.В. Вульфом: 2 sin hkl d n θ = λ. (1) Рис. 2. Шкала электромагнитного излучения. Серым цветом отмечена область синхротронного излучения Fig. 2. The scale of electromagnetic radiation. The area of synchrotron radiation is marked in gray Рис. 3. Схема дифракции рентгеновского излучения на атомных плоскостях кристалла и иллюстрация угловой расходимости пучка Fig. 3. Schematic of X-ray diff raction on the atomic planes of the crystal and illustration of the angular divergence of the beam
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1