RU2112078C1

RU2112078C1 - Device for removal of oxide film from material surface

Info

Publication number: RU2112078C1
Application number: RU97107148A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Слипченко; Сергей Анатольевич Михайленко; Михаил Ильич Крымский
Original assignee: Николай Николаевич Слипченко; Сергей Анатольевич Михайленко; Михаил Ильич Крымский
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: laser engineering; applicable in restoring of cleanness of material surface by removal of corrosion, oil spots, etc, and also in radioactive decontamination of materials due to evaporation of surface oxide film concentrating the main bulk of nuclides. SUBSTANCE: the needed technical result is achieved due to the fact that additionally introduced into device is spectral transducer for determination in plasma jet of relative content of metal oxide found on treated surface. Transducer output is electrically connected with mechanism of material motion and high-voltage input of electrooptical Q-spoiler. Optical device for radiation focussing is made in form of successively arranged coaxially with laser a concave spherical mirror with central hole whose diameter exceeds the aperture of laser radiation, and reflecting cone with its vertex facing hole of concave mirror. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной технологии и может быть использовано при восстановлении чистоты поверхности материалов за счет удаления коррозии, масляных пленок и пр., а также при дезактивации радиационно- загрязненных материалов за счет испарения поверхностной оксидной пленки, концентрирующей основную массу нуклидов. The invention relates to the field of laser technology and can be used to restore the cleanliness of the surface of materials by removing corrosion, oil films, etc., as well as in the decontamination of radiation-contaminated materials due to the evaporation of a surface oxide film concentrating the bulk of the nuclides.

Известно устройство очистки поверхности металла [1]. A device for cleaning the surface of a metal [1].

Однако это устройство не позволяет снимать оксидные пленки с металлических поверхностей. Именно в таких пленках накапливаются радионуклиды в отложениях на внутренних поверхностях оборудования АЭС. Известное устройство очистки обеспечивает режим плавления, а не испарения, что не приводит к устранению радиоактивных оксидных пленок и не обеспечивает тем самым снижение уровня радиационной активности. However, this device does not allow to remove oxide films from metal surfaces. It is in such films that radionuclides accumulate in deposits on the internal surfaces of nuclear power plant equipment. The known cleaning device provides a mode of melting, rather than evaporation, which does not eliminate radioactive oxide films and thus does not reduce the level of radiation activity.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство очистки поверхности материала от оксидной пленки, содержащее частотно-импульсный лазер с электрооптическим модулятором добротности, оптическое устройство фокусировки излучения на оптическую поверхность и механизм перемещения материала относительно излучения лазера[2]. The closest in technical essence (prototype) is a device for cleaning the surface of a material from an oxide film, containing a pulse-frequency laser with an electro-optical Q-switch, an optical device for focusing radiation on an optical surface, and a mechanism for moving the material relative to laser radiation [2].

Однако это устройство не имеет достаточно высокую (для технологических целей) эффективность и производительность очистки. However, this device does not have a sufficiently high (for technological purposes) efficiency and cleaning performance.

Технический результат достигается за счет того, что в устройство очистки поверхности материала дополнительно введен спектральный датчик определения относительного содержания окиси металла в плазменном факеле на обрабатываемой поверхности, причем выход датчика электрически связан с механизмом перемещения материала и высоковольтным входом электрооптического модулятора добротности, а оптическое устройство фокусировки излучения выполнено в виде последовательно расположенных соосно с лазерным излучением вогнутого сферического зеркала с центральным отверстием, диаметр которого больше апертуры излучения лазера, и отражающего конуса с вершиной, обращенной к отверстию вогнутого зеркала. The technical result is achieved due to the fact that a spectral sensor for determining the relative content of metal oxide in the plasma torch on the treated surface is additionally introduced into the material surface cleaning device, the sensor output being electrically connected to the material moving mechanism and the high-voltage input of the electro-optical Q-factor, and the optical radiation focusing device made in the form of a concave spherical grain arranged in series coaxially with the laser radiation ala with a central hole, the diameter of which is greater than the aperture of the laser radiation, and reflective cone with vertex facing towards the opening of the concave mirror.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где цифрами обозначены: 1 - частотно-импульсный лазер, 2 - электрооптический модулятор добротности, 3 - спектральный датчик определения относительного содержания, 4 - очищаемая поверхность, 5 - механизм перемещения поверхности материала относительно излучения лазера, 6 - зеркала, составляющие резонатора лазера, 7 - вогнутое сферическое зеркало с центральным отверстием, 8 - отражающий конус, 9 - система управления. The invention is illustrated in the drawing, where the numbers denote: 1 - pulse-frequency laser, 2 - electro-optical Q-switch, 3 - spectral sensor for determining the relative content, 4 - cleaned surface, 5 - mechanism for moving the surface of the material relative to the laser radiation, 6 - mirrors, components laser resonator, 7 - concave spherical mirror with a central hole, 8 - reflective cone, 9 - control system.

Устройство работает следующим образом. Система управления 9 устройством подает сигнал на запуск лазера 1 и электрооптический модулятор 2. Лазерное излучение поступает на конический отражатель 8, при отражении от которого формируется пучок в виде кольца постоянной толщины и увеличивающегося радиуса. Это излучение перехватывается вогнутым сферическим зеркалом 7 и фокусируется на поверхность очищаемого материала 4 в виде тонкого кольца, диаметр которого зависит от расстояния между конусом 8 и вогнутым зеркалом 7. The device operates as follows. The control system 9 of the device sends a signal to start the laser 1 and electro-optical modulator 2. Laser radiation enters the conical reflector 8, upon reflection from which a beam is formed in the form of a ring of constant thickness and increasing radius. This radiation is intercepted by a concave spherical mirror 7 and focuses on the surface of the material being cleaned 4 in the form of a thin ring, the diameter of which depends on the distance between the cone 8 and the concave mirror 7.

Излучение поглощается в тонком поверхностном слое оксидной пленки, испаряя ее материал. Вылетающие пары навстречу излучению создают импульс давления на поверхность материала. Просто испарить весь слой оксидной пленки очень долго и не выгодно энергетически. Наиболее эффективным режимом очистки является "откольный" режим, когда пленка удаляется с поверхности не в виде отдельных атомов и молекул (режим "испарения"), а в виде кусочков пленки размером в десятки микрон. В этом случае не надо затрачивать энергию на отрыв атомов и молекул друг от друга. Для осуществления "откольного" режима надо создать очень короткий (≈ 10 с) и мощный импульс давления на поверхности материала. Наиболее эффективно это можно осуществить используя "кумулятивный" механизм воздействия. Он состоит в том, что на поверхность фокусируют излучение в виде кольца, образуя такой же формы импульс давления на материал, после чего на внутреннем крае кольца образуется ударная волна, сходящаяся в центр кольца, где создается очень высокое давление, происходит разрыв связей между материалом пленки и основного материала и кусочки пленки "отскакивают" от поверхности материала. "Откольный" режим нельзя достичь, фокусируя излучение в виде сплошного пятна, потому что не достигается достаточной величины импульс давления, т.к. при увеличенной интенсивности падающего излучения режим "выровненного" давления, который является наиболее эффективным по преобразованию энергии излучения в импульс давления на преграде, переходит в "детонационный" сразу, т. е. образуется в парах материала плотный (детонационный) слой паров и воздуха, который распространяется навстречу излучению и полностью экранирует излучение. Импульс давления при этом резко уменьшается и "откольный" режим при этом достигается. В нашем случае в самом кольце, куда поступает излучение, "откольный" режим тоже не достигается, а осуществляется режим "выровненного" давления, самый эффективный по преобразованию энергии излучения в импульс давления. Однако в центре кольца при схождении ударной волны импульс давления усиливается в сотни раз и достигается "откольный" режим самый эффективный по очистке. The radiation is absorbed in a thin surface layer of the oxide film, evaporating its material. The ejected vapors towards the radiation create a pressure impulse on the surface of the material. Just evaporating the entire layer of oxide film for a very long time and is not beneficial energetically. The most effective cleaning mode is the “spallation” mode, when the film is removed from the surface not in the form of separate atoms and molecules (“evaporation” mode), but in the form of pieces of a film of tens of microns in size. In this case, it is not necessary to expend energy on the separation of atoms and molecules from each other. To implement the “spallation” regime, a very short (≈ 10 s) and powerful pressure pulse on the surface of the material must be created. This can be done most effectively using the “cumulative” mechanism of action. It consists in the fact that radiation in the form of a ring is focused on the surface, forming a pressure pulse of the same shape on the material, after which a shock wave forms at the inner edge of the ring, converging to the center of the ring, where a very high pressure is created, bond breaking between the film material and the base material and the film pieces bounce off the surface of the material. The “off-peak" mode cannot be achieved by focusing the radiation in the form of a continuous spot, because a pressure pulse is not achieved sufficiently, because with increased incident radiation intensity, the “equalized” pressure mode, which is the most effective for converting radiation energy into a pressure pulse at the obstacle, goes into the “detonation” mode immediately, that is, a dense (detonation) layer of vapor and air is formed in the material vapor, which spreads towards the radiation and completely shields the radiation. In this case, the pressure pulse sharply decreases and the "spallation" mode is achieved. In our case, in the ring itself, where the radiation enters, the "spall" mode is also not achieved, but the "aligned" pressure mode is implemented, which is the most effective in converting the radiation energy into a pressure pulse. However, in the center of the ring, when the shock wave converges, the pressure impulse is amplified hundreds of times and the “spallation” regime is achieved which is the most effective in cleaning.

Далее поверхность очищаемого материала перемещается относительно излучения лазера, осуществляя очистку всей поверхности. Спектральный датчик определения относительного содержания окиси металла в плазменном факеле следит за чистотой поверхности, чтобы толщина оксидной пленки не превышала допустимых значений (≈ десятой доли микрона). Этот датчик представляет собой стилометр с двумя фотоэлементами. В нем используется метод внутреннего стандарта, заключающийся в измерении отношения интенсивностей линии окиси металла и линии сравнения чистого металла, излучаемыми одним и тем же источником света (факелом). Это автоматически исключает зависимость результатов измерений от колебаний яркости факела и измерений других факторов, общих для всех спектральный линий. В случае превышения над допустимым значением скорость перемещения уменьшается, а также (если недостаточная величина снимаемой пленки за один импульс) сигнал с системы управления поступает на электрооптический модулятор 2 и длительность импульса генерации лазера уменьшается, увеличивая при этом мощность падающего на очищаемую поверхность излучения. Next, the surface of the material being cleaned moves relative to the laser radiation, cleaning the entire surface. The spectral sensor for determining the relative content of metal oxide in the plasma plume monitors the surface cleanliness so that the thickness of the oxide film does not exceed acceptable values (≈ a tenth of a micron). This sensor is a stylometer with two photocells. It uses the internal standard method, which consists in measuring the ratio of the intensities of the line of the metal oxide and the line of comparison of pure metal emitted by the same light source (torch). This automatically eliminates the dependence of the measurement results on fluctuations in the brightness of the torch and measurements of other factors common to all spectral lines. In case of exceeding the permissible value, the movement speed decreases, and also (if the film size is insufficient for one pulse), the signal from the control system enters the electro-optical modulator 2 and the duration of the laser generation pulse decreases, while increasing the power of the radiation incident on the surface being cleaned.

Claims

A device for cleaning the surface of a material from an oxide film containing a pulse-frequency laser, an optical device for focusing radiation on a surface to be cleaned, characterized in that it is equipped with a mechanism for moving the material relative to the optical axis of the laser, a control system, a spectral sensor for determining the relative content of metal oxide in the plasma torch on the surface to be treated, and an electro-optical Q-factor is introduced into the cavity of the pulse-frequency laser, the output of the sensor being black Without the control system, it is electrically connected to the material moving mechanism and the high-voltage input of the Q-switch, and the optical radiation focusing device is made in the form of a concave spherical mirror with a central hole larger in diameter than the laser beam aperture and a reflecting cone with the vertex facing the hole of the concave mirror.