Тонкие фольги

Бериллиевые окна и фольги

Фольги из бериллия используют в приборах и для ядерно-физических экспериментов. Промышленные фольги производят способом горячей прокатки в защитных оболочках. Традиционная технология прокатки бериллиевых фольг имеет недостатки, которые с уменьшением толщины фольг ухудшают их свойства. Это приводят к резкому увеличению стоимости тонких фольг, толщиной менее 50 mkm.
       В лаборатории ИПТ ИЯФ разработан способ получения тонких бериллиевых фольг ионно-плазменным способом. При этом на носитель из металла осаждают слой бериллия необходимой толщины (15 мкм и более), после чего отделяют сформированную фольгу. В зависимости от формы носителя фольга имеет вид ленты или круга с заданным диаметром.
       Бериллиевые фольги пригодны для использования в качестве защитных окон детекторов, пропускающих рентгеновское излучение с низкой энергией. Для удобного закрепления круглые окна снабжены кольцевым пояском из меди. Магнетронный способ позволяет без дополнительной обработки получить готовые вакуумплотные рентгеновские окна диаметром до 1 дюйма с зеркальной поверхностью и высокими механическими характеристиками (рис. 2).

Рис.2 Бериллиевые окна, диаметром 30 mm.

Рис.3 Микроструктура бериллиевой фольги. (Рис. выполнил д-р R. Dickerson, LANL, USA).

       Высокое качество бериллиевых окон обеспечено рядом факторов, среди которых основным является низкое содержание примесей в материале мишени. Концентрация бериллия в мишенях после поэтапной дистилляции заготовок составила 99,992 вес. %. Для сохранения этой чистоты бериллия в осаждаемой фольге использована глубокая очистка образующего плазму аргона от химически активных примесей в устройстве магнетронного типа, распыляющего геттер.
       Магнетронные фольги имеют повышенный модуль упругости, чему способствует ее мелкозернистая структура. Размеры зерен в фольге не превышают 0,3 mkm (рис.3).
       Направление роста кристаллитов бериллия на неподвижной подложке практически совпадает с нормалью к поверхности. Это видно на рис. 4, где показана структура фольги в поперечном сечении. Для увеличения прочности бериллиевых окон изменена текстура фольги посредством непрерывного перемещения подложки при осаждении фольги. В фольге, сформированной на движущейся подложке, кристаллиты имеют наклон к нормали (рис. 5).
       Разработана и изготовлена промышленная вакуумная магнетронная установка для получения окон из бериллиевой фольги. Скорость осаждения окон 10 mkm/h. Толщина окон легко контролируется длительностью процесса формирования. Без замены мишени на установке выполняют 8 циклов осаждения круглых бериллиевых окон толщиной 20 mkm, диаметром от 5 до 40 mm.

Рис.4 Ориентация кристаллитов поперек сечения бериллиевой фольги, осажден-ной на неподвижный носитель

Рис.5 Наклонная ориентация кристаллитов в бериллиевой фольге, осажденной на движущийся носитель (a = 16 )

Фольги из сплавов бериллия

Бериллиевые сплавы представляют практический интерес, связанный с их особыми физическими и механическими свойствами. Однако, высокая хрупкость бериллиевых материалов затрудняет использование метода пластической обработки заготовок для получения из них тонких фольг и других изделий. Кроме того, с некоторыми металлами, например с алюминием, бериллий не образует твердых растворов или соединений. Материалы из таких несмешивающихся компонентов недостаточно однородные, что понижает их ценность.
       В лаборатории ИПТ ИЯФ разработана технология и оборудование для производства магнетронным способом тонких фольг и объемных фольговых элементов из бериллиевых материалов. Фольги, сформированные магнетронным способом, имеют ряд преимуществ по сравнению с фольгами, полученными пластической обработкой сплавов.

Бериллий-алюминиевые фольги и объемные элементы

Фольга из смеси бериллия и алюминия пригодна для использования в рентгеновских окнах, пропускающих излучение с низкой энергией. По сравнению с традиционными бериллиевыми окнами бериллий-алюминиевая фольга имеет меньшую стоимость. Ее применение целесообразно, несмотря на незначительное понижение рентгеновской прозрачности, которое связано, в основном, с переизлучением первичных квантов на основной линии алюминия (1,5 keV).
       По магнетронной технологии ленту формируют из атомной смеси бериллия и алюминия при одновременном распылении мишеней из бериллия и алюминия. Металлы осаждают на перемещающийся носитель цилиндрической формы до получения слоя необходимой толщины. По окончании процесса осаждения металлов фольгу отделяют от носителя (рис. 6).
       Фольга имеет высокие механические качества, повышенный модуль упругости и мелкозернистую микроструктуру с размером кристаллитов 0,1-0,3 mkm. Концентрацию бериллия в фольге задают постоянную или переменную по толщине фольги, получая, соответственно, однородную или многослойную ленту. Толщина и состав фольги легко контролируются.

Рис.6 Бериллий-алюминиевая фольга

Рис.7 Установка для осаждения берил-лие-вых материалов

       Геометрическая форма носителя определяет форму получаемой магнетронным осаждением фольги. При этом возможно получение объемных элементов, например, в виде конуса из бериллий-алюминия. Наиболее важным в новой технологии является то, что получаемые магнетронным способом бериллий-алюминиевые конусы имеют мелкозернистую изотропную и однородную структуру без соединительного шва. При необходимости можно изготовить многослойный объемный элемент с переменной по толщине стенки концентрацией бериллия.
       Разработан и изготовлен образец магнетронной установки для получения тонкой фольги из бериллий-алюминия в виде ленты длиной 65 cm, шириной 6 cm (рис. 7). Скорость осаждения металлов на носитель 0,15 mkm/min.

Фольги и упругие элементы из бериллиевой бронзы

Тонкая фольга из бериллиевой бронзы (сплав меди и бериллия) используется, в частности, для изготовления электропроводных упругих элементов. Пластическая обработка исходного сплава при уменьшении толщины фольги становится затруднительной, а материал приобретает свойство анизотропии.
       Разработанный в лаборатории ИПТ ИЯФ магнетронный способ дает возможность получить фольгу из бериллиевой бронзы при распылении мишеней из меди и бериллия и осаждении металлов на перемещающийся носитель. По окончании процесса формирования фольги ее отделяют от носителя.
       Фольга представляет собой однородную и изотропную ленту. Возможно также получение лент с многослойной структурой или лент с переменной по толщине материала концентрацией бериллия. Изменением структуры фольги ей придают необходимые физические свойства.
       Тонкая фольга из бериллиевой бронзы имеет мелкозернистую микроструктуру с размерами зерен 0,1-0,3 mkm. Это придает фольге высокие механические качества с повышенным модулем упругости. Толщина и свойства фольги легко контролируются в процессе изготовления.
       Используя при осаждении фольги носители различной геометрической формы, можно изготовить объемные упругие элементы из бериллиевой бронзы. Получаемые при этом пружины могут иметь плоскую, конусную, полусферическую и другую форму. Как и фольга, пружины имеют мелкозернистую структуру с высокой упругостью и могут быть однородными или с переменным по сечению составом. При необходимости можно провести дополнительную термическую обработку изделий, которая сформирует определенный фазовый состав и свойства бериллиевой бронзы.
Разработан и изготовлен образец магнетронной установки для получения тонкой фольги из бериллиевой бронзы в виде ленты длиной 65 cm, шириной 6 cm (рис. 7). Скорость осаждения ленты фольги на носитель 0,15 mkm/min.

Заведующий лабораторией Тулеушев Юрий Жианшахович