Спосіб очищення або звільнення від забруднень поверхні металевого об’єкта з використанням ударної дії ультрафіолетового лазерного променя та пристрій для його здійснення

1 Спосіб очищення або звільнення від забруднень поверхні металевого об'єісга з використанням ударної дії ультрафіолетового лазерного променя, при якому згадану поверхню піддають дії ультрафіолетового лазерного променя, який відрізняється тим, що в залежності від матеріалу об'єкта енергію лазерного променя вибирають достатньою для утворення процеса травлення, і здійснюють поверхневе видалення матеріалу, з якого складається сам об'єкт 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що у випадку утворення оксидного шару на поверхні металевого об'єкта очищення включає утворення плазми, яка викликає поверхневе знімання матеріалу, з якого складається сам об'єкт 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що при очищенні або звільненні від забруднень об'єкта з МІДІ енергія лазерного променя становить 2 Дж/см2 4 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що ударна дія лазерного променя на об'єкті відбувається в атмосфері газу, інертного до матеріалу об'єкта 5 Спосіб за п 4, який відрізняється тим, що атмосфера газу, інертного до матеріалу об'єкта, складається з аргону 6 Спосіб за п 4 або 5, який відрізняється тим, що ударна дія лазерного променя відбувається, на об'єкті в умовах відновлення, або що домішки газу складаються з водню або вуглеводневих сполук 7 Спосіб за п 6, який відрізняється тим, що умови відновлення одержують через наявність принаймні однієї домішки в атмосфері інертного газу 8 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що вищезазначеною домішкою є сполука фтору, яка під дією лазерного променя, забезпечує леткість металевих атомів і більш велику ерозію металу 9 Спосіб за in 6 або 8, який відрізняється тим, що при очищенні або звільненні від забруднень об'єкта з нержавіючої сталі енергія лазерного променя становить від 2 до 3 Дж/см2 10 Пристрій для очищення або звільнення від забруднень поверхні з використанням ударної дії ультрафіолетового лазерного променя, який містить лазер, який емітує вищезазначений ультрафіолетовий промінь, пристрій для передачі лазерного променя до вищезазначеної поверхні, який відрізняється тим, що вищезазначена поверхня є внутрішньою поверхнею резервуара, вищезазначений пристрій для передачі лазерного променя до вищезазначеної внутрішньої поверхні містить дзеркала, що дозволяють спрямовувати лазерний промінь на ділянку внутрішньої поверхні резервуара, причому дзеркала впорядковані так, щоб під дією керуючого органа сканувалася вся поверхня, яка підлягає очищенню або звільненню від забруднень, причому вищезазначений пристрій містить також засоби екстракції матеріалів, які є результатом чищення вищезазначеної внутрішньої поверхні 11 Пристрій за п 10, який відрізняється тим, що пристрій для передачі лазерного променя до вищезазначеної внутрішньої поверхні містить два дзеркала і дві СПІВВІСНІ трубки, які проходять в резервуар і спроможні обертатися одна на другій, надаючи рух ВІДПОВІДНИМ дзеркалам 12 Пристрій за п 10 або 11, який відрізняється тим, що містить засоби для доставляння інертного газу до внутрішньої поверхні резервуара, що підпадає під ударну дію лазерного променя 13 Пристрій за одним з пунктів 10-12, який відрізняється тим, що він містить засоби доставляння відновлюючої домішки до внутрішньої поверхні резервуара, яка підпадає під ударну дію лазерного променя 14 Пристрій за одним з пунктів 10-13, який відрізняється тим, що містить засоби передачі зображення поверхні, що очищується або звільнюється від забруднень, до камери спостереження 15 Пристрій за одним з пунктів 10-14, який О о о со З 44300 4 відрізняється тим, що містить засоби, що дозво16 Пристрій за одним з пунктів 10-15, який відрізняють передавати світло плазми до засобів спекняється тим, що містить звуковий датчик для сигтрометричного аналізу налізацм щодо утворення плазми Винахід стосується способу очищення або звільнення від забруднень поверхні того чи іншого об'єкта з використанням ударної дії ультрафіолетового лазерного променя, а також пристрою, який дозволяє втілити цей спосіб на практиці В патенті GB-A-2169496 описаний спосіб і пристрій для звільнення від забруднень електричних контактів В цьому способі відбивальну поверхню металу піддають дії імпульсного когерентного випромінювання, яке створюється лазером ультрафіолетового діапазону, інтенсивність якого достатня для випаровування забруднень з цієї поверхні Пристрій містить імпульсний лазер, засоби для фокусування випромінювання лазера на поверхню металу, а також спектроскопічні засоби для виявлення неметалевих елементів у випареному з поверхні металу матеріалі Але це є спосіб для видалення тільки забруднюючих осадів на поверхні металу і не призводить до видалення забруднень, Що містяться в поверхневому шарі самого матеріалу В основу винаходу, що пропонується, поставлено задачу усунення недоліків попередніх технічних рішень шляхом удосконалення способу та пристрою для видалення забруднень як з поверхні так і з матеріалу об'єкта очищення Авторами були проведені численні дослідження, які несподівано привели до відкриття способу звільнення від забруднень (або очищення) пластмасових або металевих об'єктів на відстані від їхньої поверхні Цей спосіб легко піддається автоматизіцм У ВІДПОВІДНОСТІ з умовами обробки може вживатися сприятливий газ для забезпечення кінцевого стану поверхні, що оброблюється (полірування без повторного окислення) Таким чином, об'єктом виноходу є спосіб очищення або звільнення від забруднень поверхні металевих об'єктів з використанням ударної дії ультрафіолетового лазерного променя, при якому згадану поверхність піддають дії ультрафіолетового лазерного проміня, який відрізняється тим, що в залежності від матеріалу об'єкта енергію лазерного променя вибирають достатньою для утворення процеса травлення, і здійснюють поверхневе видалення матеріалу, з якого складається сам об'єкт Якщо на поверхні металевого об'єкта утворюється оксидний шар, то ультрафіолетовий лазерний промінь викликає утворення плазми, яка викликає поверхневе видалення матеріалу самого об'єкта Залежно від обставин (матеріал, форма об'єкта, вимоги до матеріалу об'єкта) може бути корисним, щоб ударна дія лазерного променя на об'єкт чинилась в атмосфері газу, інертного до матеріалу об'єкта, наприклад в атмосфері аргону Може бути також корисним, щоб ударна дія лазерного променя на об'єкт проходила в умовах відновлення Умови відновлення можна створити шляхом використання принаймні однієї відповідної добавки в атмосферу інертного газу Об'єктом винаходу є також пристрій для очищення або звільнення від забруднень поверхні з використанням ударної дії ультрафіолетового лазерного променя, який містить лазер, який емітує вищезазначений ультрафіолетовий промінь, пристрій для передачі лазерного променя до вищезазначеної поверхні, який відрізняється тим, що вищезазначена поверхня є внутрішньою поверхнею резервуара, вищезазначений пристрій для передачі лазерного променя до вищезазначеної внутрішньої поверхні містить дзеркала, що дозволяють спрямовувати лазерний промінь на участок внутрішньої поверхні резервуара, причому дзеркала впорядковані так, щоб під дією керуючого органу сканувалася вся поверхня, яка підлягає очищенню або звільненню від забруднень, причому вищезазначений пристрій містить також засоби екстракції матеріалів, які є результатом чищення вищезазначеної внутрішньої поверхні Суть винаходу та його переваги буде розглянуто більш детально нижче з роз'ясненням на доданих рисунках, які приведено у якості прикладу і не носять обмежуючого характеру Серед них - Фіг 1 принципова схема експериментального пристрою, що дозволяє втілити на практиці концепцію винаходу, - Фіг 2 илюстрація емісійного спектра плазми, що створюється лазерним променем на оксидній поверхні МІДІ, - Фіг 3 пристрій до звільнення від забруднень резервуара, що застосовує принцип винаходу, - Фіг 4 докладний вид пристрою, показаного на рис З Винахід використовує ультрафіолетовий лазерний промінь, тобто промінь з довжиною хвилі в діапазоні від 10 до 400нм В експериментальному пристрою, показаному на фіг 1, використовується ХеСІ-лазер 1, який емітує лазерний промінь з довжиною хвилі 308нм і тривалістю імпульсу 28 не Вибрана модель лазера - LambdaPhysik 400мДж, 250Гц - є однією з потужніх, що існують на ринку Пристрій на фіг 1 дозволяє на просту «передачу зображення» як режим передачі лазерного променя Лазерний промінь 2 спочатку відбивається дзеркалом 3, далі проходить фокусуючу лінзу 4, відбивається дзеркалом 5 і потім дзеркалом 6, проходить крізь другу фокусуючу лінзу 7 з довжиною фокуса 0,5м і досягає мішені 8, розміщеної в захисній камері 9 Камера спостереження 10 дозволяє спостерігати ударну дію лазерного променя 2 на мішені 8 В цьому пристрою енергія лазерного променя, вимірена на мішені, становить ЗООмДж за імпульс Обертанням дзеркал 5 і 6 можна спрямовувати 44300 лазерний промінь 2 на будь-який бік мішені Нижче буде розглянуто процес обробки трьох різних матеріалів згідно з винаходом Послугуючись цими прикладами, фахівець, який бажає застосувати винахід до інших матеріалів, повинен лише відтворити описані експерименти на власних технічних засобах без будь-яких додаткових винахідницких дій Ці експерименти дозволять йому визначити потрібну для кожного матеріалу величину енергії, яку повинно забезпечити на поверхні мішені лазерним променем, а також те, які умови є найбільш сприятливі для втілення винаходу на практиці Прикладі Перший приклад, який тут наводиться, пов'язаний з обробкою пластикового покриття, а саме епоксидної фарби Енергія одного ультрафіолетового фотона є достатньою для прямого взбудження електронних рівнів, близьких до краю дисоціації органічних зв'язків або нижчих від нього Це є фотохімічний процес зі слабими тепловими ефектами При густині енергії 0,5Дж/см2 покриття не стравлюється Ця величина фактично відповідає порогові травлення Травлення є ефективним, починаючи з 0,7Дж/см , і досягає максимальної ефективності при 1,8Дж/см При частоті повторення лазерних спалахів 250Гц травлення поверхні на глибину ЗОмкм проходить зі швидкістю 0,5м2/год Спостережння свідчать також, що варіація кута падіння лазерного променя аж до 45° змінює ефективність травлення дуже мало Для пластикового матеріалу максимальна величина енергії, яка достачається лазерним променем, повинна бути меншою за ту, вище якої пластиковий матеріал починає плавитися або згорати Приклад2 У другому прикладі мішенню є мідний блок з поверхнею, окисленою природнім шляхом Лазерний промінь з достатньою енергією (2Дж/см2) видаляє оксидний шар МІДІ З утворенням плазми, оскільки цей оксидний шар дуже сильно поглинає ультрафіолетове випромінювання Аналіз світлового випромінювання плазми дозволяє визначити елементний склад матеріалу, на якому вана утворюється Крива 11 графика на фіг 2 зображує емісійний спектр, який відповідає двом першим спалахам лазера Три піки цієї кривої на 510,55нм, 515,32нм і 521,28нм добре узгоджуються з емісією атомів МІДІ з протравленої частини Починаючи з третього спалаху лазера, емісійний спектр (крива 12 на графіку фіг 2) свідчить про те, що емісії МІДІ більш нема, а коефіцієнт поглинання металу є низьким Для нового утворення плазми дія лазера повинна була б бути значно сильнішою Таким чином, запропонований спосіб є дуже ефективним і селективним, оскільки маса оксидної МІДІ стравлюється протягом двох імпульсів до самої підкладки Було помічено, що утворення плазми супроводжується акустичним сигналом Таким чином, акустичний сигнал можна добре чути при взаємодії лазерного променя із оксидною поверхнею під час перших двох спалахів Третій спалах лазера супроводжується дуже слабим акустичним сигналом ПрикладЗ У третьому прикладі мішенню є блок нержавіючої сталі FeCrNi зі складом 72% заліза, 18% хрому і 10% нікелю (за масою) На поверхні цієї сталі шляхом старіння утворюється оксидний шар завтовшки кілка десятків мікронів Було знайдено, що для очищення від забруднень потрібно спочатку видалити оксидний шар, який утворюється в процесі старіння Потік 2ДЖ/СМ2 легко видаляє оксидний шар, створюючи плазму з сильним свічинням довжиною приблизно 8 мм Водночас роздається звуковий удар, зумовлений різким розширенням плазми Для повного усунення оксидного шару достатньо кількох спалахів лазера, що свідчить про велику ефективність даного способу Наступні спалахи при енергії до ЗДж/см2 на протравленій і блискучій металевій підкладці не приводять ні до утворення плазми, ні до супроводжуючого и акустичного сигналу У той же час очищення від забруднень в рамках переведення ядерних установок до нижчого розряду потребує підвищених коефіцієнтів очищення, які можуть бути одержані тільки шляхом усунення матеріалу самої металевої підкладки При цьому потрібно уникати поверхневого оплавлення металу і повторного окислення обробленої поверхні, що і в тому і в другому випадках приводить до захоплювання забруднень матеріалом, що оброблюється Ця обставина викликає необхідність точного визначення добрих умов обробки спеціально для нержавіючих сталей Дійсно, ЯКЩО продовжувати опромінювання лазером поверхні сталевого блоку, очищеного від оксидного шару, в атмосфері повітря, то можна буде констатувати, що короткочасне опромінювання викликає почорніння поверхні, що оброблюється, а більш тривале опромінювання не тільки посилює почорніння, але також викликає появу цеглевидної оксидної структури внаслідок різних коефіцієнтів теплового стиснення метала і оксида Цей новий оксидний шар не є бажаним, оскільки він поглинає фотони лазера і створює екран після травлення Він Є дуже спроможним захоплювати забруднюючі частки і знижувати коефіцієнт очищення Окрім того, він погіршує стан поверхні З метою уникнення цих феноменів автори провели численні досліди на певній КІЛЬКОСТІ зразків цієї сталі Було проведено також аналіз поверхні цих зразків методом фотоелектронної спектроскопи і іонного бомбардування Цей метод викликає травлення зразка зі швидкістю нм/хв (в цих дослідах - 2нм/хв), що дозволяє ідентифікувати фізико-хімічні форми за глибиною зразків, що оброблюються Таким чином, було досліджено велику КІЛЬКІСТЬ зразків спочатку в необробленому стані (тобто з початковим оксидним шаром), а потім зразків, оброблених у різних умовах Необроблений зразок має наступний склад До глибини 0,13мкм залізо і хром знаходяться ледве не повністю у формі оксидів, а нікель - у металевій формі Нижче 0,13мкм склад залишається постійним при наявності оксида заліза На глибині 0,48мкм ВІДНОСНІ концентрації Fe, Сг і Мі склада 44300 ють ВІДПОВІДНО 70,9%, 21,9% і 7,2% (мас) Беручи до уваги точність вимірювань, яку забезпечує використане обладнання, ці величини добре узгоджуються із сертифікованим складом зразка 72%, 18% і 10% (мас) Як буде показано нижче, зразок, оброблений в атмосфері повітря, має наступний склад До глибини 1,1мкм він містить практично тільки кисень і металооксиди, за виключенням невеликої КІЛЬКОСТІ нікелю На глибині 1,3мкм добавляється ще приблизно 50% оксиду зализа відносно металевого заліза Таким чином, місце має перетворення оксиду у присутності кисню Зразок, оброблений в атмосфері аргону, виказує на глибині 0,4мкм практично вірний склад 70% заліза, 20% хрому і 10% нікелю (мас) Між поверхнею зразка і цим глибинним рівнем кисень свою присутність зберігає, хоча і з меншим вмістом, ніж при опромінюванні у повітрі Зразок, оброблений в атмосфері аргону і в присутності спирту, демонструє дуже чисту поверхню тому, що за кілька хвилин аналізу одержується вірний елементний склад, а вміст кисню є дуже малим Таким чином, досить зручно проводити травлення запропонованим способом в присутності інертного газу Найбільш практичним показує себе аргон Використання азоту слід уникати тому, що він може давати азотування У той же час повністю позбавитися кисню в НИНІШНІХ умовах очищення доволі важко У цьому випадку краще створити умови відновлення за допомогою домішок Наприклад, в струмені чистого аргону можна частину його замістити малими кількостями водню (менш ніж 4% за об'ємом) або вуглеводневими сполуками, такими як етанол, цукри з малою молекулярною вагою, поліспирти В останньому з цих випадків ризик повторного навуглецювання поверхні зменшується завдяки наявності монооксиду вуглеця, створеного in situ, наприклад СНЗ - СН 2 - ОН -н. CO + СН4 + Н2 Опромінювання лазером в атмосфері з цими добавками дозволяє одержувати добре поліровані поверхні Дуже розріджені аерозолі, захоплені на маленьких високоефективних фільтрах, мають колір від світло-коричневого до чорного Цікаві результати були також одержані при вживанні фторидних домішок, наприклад шестифтористої сірки, або фреонів, які не становлять небезбеки для оператора Якщо кисень замістити більш міцним окислювачем, таким як фтор, то у плазмі можуть утворюватися леткі металеві сполуки Дійсно експеримент свідчить, що кінетика травлення при наявності SF6 є більш швидкою Ці сприятливі умови повинні ефективно проявити себе у відношенні до великої КІЛЬКОСТІ потенціальних забруднень, наприклад актинідів Пристрій для очищення Пристрій для очищення показаний на фіг З Позицією 13 тут позначені герметичний очищувальний резервуар типу ванни, чаши парогенератора з його трубчатою пластиною, та ш Пристрій містить в собі ХеСІ-лазер 1 типу Exciplex LambdaPhysik потужністю 400мДж і з довжиною хвилі 250Гц Лазер 1 емітує лазерний промінь 2 на вертикальне плече 14 переносу лазерно 8 го променя, яке дозволяє наводити цей лазерний промінь на внутрішню поверхню очищувального резервуара Пристрій містить також блок 15 керування рухом лазерного променя і візок 16 керування газом Вертикальне плече 14 детально показане на фіг 4 Це плече, яке повинно працювати в дуже забрудненій зоні, має бути тривким, що накладає на нього вимоги щодо простоти й МІЦНОСТІ У зв'язку з цим, для сканування усього внутрішнього простору резервуара (4тт стерадіанів) було вибрано тільки дві ВІСІ обертання Лазерний промінь 2, який надходить по горизонталі на висоті апарата, спрямовується далі по вертикалі напівпрозорим дзеркалом 17 усередині плеча 14 переносу на два відбиваючих дзеркала 18 і 19 Дзеркала 18 і 19 можуть приводитися в обертання двома СПІВВІСНИМИ трубками 20 і 21 Внутрішня трубка 20 має вертикальний відтинок, верхній кінець якого, ЗОВНІШНІЙ до резервуара 13, має край у кштальті зубчатого колеса 22, яке СПІВДІЄ із зубчатим колесом 23, що приводиться в рух двигуном 24, утворюючи таким чином зубчату передачу Нижній кінець вертикального відтинку цієї трубки, розміщений усередині резервуара 13, несе дзеркало 18, нахилене під кутом 45° до вертикалі і продовжується горизонтально маленьким відтинком 25 Відтинок 25 несе маленьку трубку 26 у кштальті 90° коліна, спроможного вільно обертатися навколо відтинка 25 Трубка 26 несе дзеркало 19, нахилене під кутом 45° до вертикалі і розміщене напроти дзеркала 18 Верхній кінець зовнішньої трубки 21 має край у кштальті зубчатого колеса 27, яке для створення зубчатої передачі взаємодіє зі зубчатим колесом 28, яке приводиться в рух двигуном 29 Нижній кінець трубки 21 також має край у кштальті зубчатого колеса ЗО, яке взаємодіє зі зубчатим колесом 31 трубки 26 Таким чином, двигуни 24 й 29 розміщені зовні резервуара 13 Плече 14 переносу утримується на завчасно просвердленому ковпаку резервуара 13 за допомогою пристрою 32 Пристрій 32 має тороїдальне кільце 33, яке забезпечує герметичність у з'єднанні з ковпаком резервуара 13 Він має також сальник 34 для забезпечення вільного обертання зовнішньої трубки 21 Сальники 35, розміщені між трубками 20 і 21, забезпечують вільне обертання цих трубок відносно друг друга Лазерний промінь 2, емітований лазером 1, відбивається напівпрозорим дзеркалом 17 усередині плеча 14 переносу в напрямку дзеркала 18, яке його відбиває на дзеркало 19, від якого він також відбивається і далі спрямовується до фокусуючої лінзи 36 Оскільки емісія плазми супроводжується звуком, зручно у якості приладу, який би засвідчував розвинення процесу усунення оксидних шарів, використовувати звуковий датчик, наприклад мікрофон, розміщений на ковпаку резервуара Завдяки тому, що дзеркало 17 є напівпрозорим, камера спостереження (відеокамера) 37 розміщена над плечем 14 переносу уздовж тієї ж оптичної траєкторії ударної дії лазерного променя на внутрішній поверхні резеруара Світло плазми, утворене поблизу поверхні, що оброблюється, 44300 також спрямовується тією ж оптичною траєкторією для його спектрометричного аналізу Таким чином стає відомим те, які іони були відділені від поверхні і знаходяться в плазмі Командний блок 15 (див фігЗ) перегруповує командні модулі крокових двигунів, ланцюги живлення і комутацію Обмін даними між командними модулями і мікропроцесором, що керує ходом усього процесу, може здійснюватись крізь послідовний інтерфейс RS 232 С Діалог між модулями здійснюється за встановленим цифровим комунікаційним протоколом, який не наражається на електромагнітне збурення Сканування променем лазера поверхні, що оброблюється, може бути виведене на трьохмірне зображення через керуючу обчислювальну систему пристрою Візок 16 керування газом містить газові балони, наприклад з аргоном і вищеописаними домішками Цей газ подається у зону ударної дії лазера крізь струморегулюючий пристрій Візок має також два об'ємометричних насоси Один з них послуговує до забезпечення циркуляції оточуючого газу після тонкої фільтрації електрофільтром і високоефективним фільтром Ця циркуляція водночас використовується для очищувальної продувки на ЛІНЗІ 36 Другий насос підримує вакуум в резервуарі 13 таким же чином, як втехниці вакуумування у галузі ядерного знечищання Вищеописаний пристрій дозволяє втілити на практиці запропонований спосіб при автоматичному його виконанні з забезпеченням контролю оточуючого газу, а саме його Фільтрації 10 510 514 518 ФІГ.2 Ф!Г.З Ф1Г.1 522 A (ntti) 11 44300 12 37 ФІГ.4 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул. Сім'ї Хохлових, 15, м. Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90