Регулирование мозаичного рассеяния материала из высокоориентированного пиролитического графита

 

Использование: для получения монохроматоров рентгеновских лучей с заданными характеристиками. Технический результат изобретения заключается в получении высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) с узким интервалом мозаичного рассеяния. Сущность изобретения: способ включает операции выбора образцов ВОПГ из материала, имеющего мозаичное рассеяние, которое лежит ниже желаемой области мозаичного рассеяния, и холодной обработки выбранных образцов для нанесения оттиска поверхностной текстуры, достаточной для сдвига мозаичного рассеяния образцов в желаемую область мозаичного рассеяния. Текстурированную поверхность предпочтительно оттискивают путем прессования образцов между металлическими матрицами, по меньшей мере одна из которых имеет накатку. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу сдвига мозаичного рассеяния высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) в заданный узкий интервал.

Графитовые монохроматоры представляют собой высокоориентированные формы пиролитического графита высокой чистоты, которые дифрагируют рентгеновские лучи и нейтроны с образованием монохроматического пучка рентгеновских лучей и/или нейтронов для использования в спектрометрах при измерении характеристик кристаллических материалов.

Графитовые монохроматоры классифицируют в соответствии с характеристиками их мозаичного рассеяния. Мозаичное рассеяние является мерой полной ширины пика на половине максимальной интенсивности отражения рентгеновского луча от образца материала из ВОПГ при наклоне образца в предпочтительной ориентации, в результате чего формируется предпочтительно ориентированная рентгеновская диффракционная кривая, известная как "колебательная кривая". Колебательная кривая является графиком интенсивности отраженных рентгеновских лучей как функции углового расстояния от базовой плоскости при использовании закона Брэгга для определения углового отклонения. Колебательную кривую определяют для каждого образца ВОПГ так, чтобы можно было классифицировать мозаичное рассеяние путем отнесения его к различным стандартным интервалам мозаичного рассеяния.

Когда потребителю необходимо приобрести монохроматор из ВОПГ, он может выбрать стандартный сорт, соответствующий какому-либо из имеющихся интервалов мозаичного рассеяния. Один из коммерческих сортов материала из ВОПГ имеет широкий интервал мозаичного рассеяния, составляющий 3,5±1,5^o. Однако потребителю может потребоваться определенный сорт материала из ВОПГ, имеющий более узкий интервал мозаичного рассеяния, например ±0,25^o.

Выполнение такого требования отрицательно скажется на выходе материала из ВОПГ, получаемого по традиционной технологии. В случае вышеприведенного примера только около 30% материала из ВОПГ, полученного обычным способом, будет удовлетворять условию более узкого интервала мозаичного рассеяния ±0,25^o.

Способ, предложенный в настоящем изобретении, позволяет повысить выход до 100% материала из ВОПГ, имеющего мозаичное рассеяние, соответствующее любому требуемому заданному узкому интервалу, исходя из материала из ВОПГ, имеющего мозаичное рассеяние, лежащее в области, которая находится ниже желаемой конечной характеристики мозаичного рассеяния.

Способ согласно настоящему изобретению включает операции выбора образцов ВОПГ из материала, имеющего мозаичное рассеяние, которое лежит ниже желаемой области мозаичного рассеяния, и холодной обработки выбранных образцов с формированием оттиска поверхностной текстуры, достаточной для сдвига мозаичного рассеяния образцов в желаемую область мозаичного рассеяния. Текстурированную поверхность предпочтительно оттискивают путем прессования образцов между металлическими матрицами, по меньшей мере одна из которых имеет накатку.

Преимущества настоящего изобретения станут очевидны из последующего подробного описания настоящего изобретения, которое сопровождается чертежами.

Фиг. 1 - схематический вид устройства для получения колебательной кривой для образцов ВОПГ с тем, чтобы установить их мозаичное рассеяние.

Фиг.2 - диаграмма расположения металлических матриц для холодной обработки образцов ВОПГ согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 - другой пример реализации, аналогичный расположению на фиг.2, для холодной обработки образцов ВОПГ согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 - график, иллюстрирующий принцип настоящего изобретения, используемый для регулирования мозаичного рассеяния в пределах любого желаемого интервала, расположенного выше уровня мозаичного рассеяния до регулирования.

Графит имеет слоистую структуру, в плоскости слоев которой находятся гексагональные массивы или сети из атомов углерода. Эти слои гексагонально расположенных атомов углерода по существу являются плоскими, при этом они ориентированы таким образом, что по существу являются параллельными и эквидистантными по отношению друг к другу. По существу плоские параллельные слои атомов углерода, называемые базовыми плоскостями, связаны или соединены друг с другом в группы, образующие кристаллиты. Обыкновенный или электролитический графит имеет случайный порядок кристаллитов. Высокоориентированный графит имеет высокую степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В соответствии с этим графит можно охарактеризовать как ламинированные структуры атомов углерода, имеющие две основные оси вращения, ось "с", которая обычно определяется как ось или направление, перпендикулярное углеродным слоям, и ось "а" или направление, параллельное углеродным слоям и перпендикулярное оси "с". Графитовые материалы, характеризующиеся высокой степенью ориентации, включают природный графит и синтетический или пиролитический графит. Пиролитический графит получают пиролизом углеродсодержащего газа на подходящей подложке при повышенной температуре. Коротко говоря, процесс пиролитического осаждения можно осуществить в нагревательной печи при температуре выше 1500^oС и до 2500^oС и при соответствующем давлении. В печь подают углеродсодержащий газ, например метан, природный газ, ацетилен и т.п., и подвергают термическому разложению на поверхности подложки подходящего состава, например графита, имеющего любую требуемую форму. Подложку можно удалить или отделить от пиролитического графита. Далее пиролитический графит можно подвергнуть термическому отжигу при высокой температуре с образованием высокоориентированного графита, называемого обычно ВОПГ или ТПГ. "Высокоориентированный пиролитический графит" (ВОПГ) в тексте настоящего изобретения обозначает пиролитический графит, который подвергли отжигу при высокой температуре, по существу равной 3000^oС или выше. Образцы ВОПГ обычно получают в форме пластинок или в виде однократно или двукратно сложенных форм. Структуру и предпочтительную ориентацию образцов пластинок из ВОПГ определяют путем рентгеновской диффракции.

На фиг.1 показана установка для получения колебательной кривой. Источник рентгеновского излучения 101 с малым углом дивергенции источника, обычно 1^o или меньше, направляет монохроматический пучок рентгеновских лучей 103 на образец 105. Детектор 107 помещают в положение 2Θ для обнаружения пучка 5 рентгеновских лучей 109, отраженных от образца. Отраженный пучок 109 имеет пики интенсивностей при углах образца (φ), соответствующих Брэгговскому отражению (002) от базовых плоскостей кристаллической решетки образца. Угол 2Θ, под которым отражается пучок рентгеновских лучей, рассчитывают с использованием закона Брэгга (λ = 2dsinΘ), где λ - длина волны монохроматического рентгеновского луча, d - межплоскостное расстояние в кристалле, Θ - брэгговский угол. В настоящем изобретении рентгеновское излучение получали с использованием источника рентгеновского излучения CuKα (с длиной волны Образец 105 вращали вокруг оси А-А в луче 103. По мере вращения образца 105 регистрировали интенсивность рентгеновского луча, включая пик интенсивности, соответствующий Брэгговскому отражению от базовой плоскости 002, в результате чего получали колебательную кривую зависимости интенсивности отраженного рентгеновского луча от угла (Θ) вращения образца. Колебательная кривая является графиком интенсивности рентгеновского излучения как функции углового расстояния от плоскости отражения, которая в случае пиролитического графита является плоскостью осаждения. Поэтому пик при 0^o указывает на базовую плоскость (002), параллельную плоскости осаждения, определяемой подложкой. Параметр ПШПМ пика на колебательной кривой представляет собой полную ширину пика на половине его максимальной интенсивности. Показатель ПШПМ характеризует степень предпочтительной ориентации плоскости 002, при этом высокоориентированные кристаллические структуры имеют малое значение ПШПМ (узкий пик), а слабоориентированные кристаллические структуры - большое значение ПШПМ (широкий пик). Мозаичное рассеяние является мерой ПШПМ интенсивности отражения рентгеновского луча от образца ВОПГ и изменяется от образца к образцу и при изменении условий в печи.

Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ), имеющий интервал мозаичного рассеяния 3,5±1,5^o, широко используют в качестве фильтра для нейтронов высокой энергии в нейтронной спектрометрии. В соответствии с настоящим изобретением интервал мозаичного рассеяния традиционно получаемого ВОПГ, который находится ниже желаемого интервала, может быть повышен таким образом, чтобы он попадал в требуемую область, путем холодной обработки образцов при комнатной температуре.

Один из вариантов реализации настоящего изобретения, показанный на фиг. 2, включает цилиндр С и две металлические матрицы соответственно 13 и 14 с накаткой. Образец 10 из ВОПГ с более низким, чем требуемое, мозаичным рассеянием помещают между матрицами 13 и 14 внутри цилиндра 12 и подвергают давлению до 34,5 МПа с использованием гидравлического пресса. После выдержки в течение 5-30 с при этом давлении давление спускают и извлекают образец ВОПГ. Для достижения наилучших результатов имеющие накатку поверхности 15 и 16 матриц 13 и 14 подгоняют одна к другой в цилиндре 12 так, что выступы поверхности одной матрицы совпадают с углублениями в другой матрице, т.е. поверхности с накаткой образуют встречно-штыревую структуру, при этом желобки, выполненные в поверхностях, предпочтительно пересекаются крест-накрест. Размеры имеющих накатку поверхностей 15 и 16 с желобками, показанных с увеличением 10-20х на фиг.2 и 3, составляют от 0,127 до 0,254 мм в глубину и от 0,381 до 0,762 мм в ширину. Можно использовать матрицы из латуни и нержавеющей стали, хотя предпочтительно использовать стальные матрицы вследствие их более высокой стойкости к износу.

На фиг. 3 представлен вариант реализации изобретения на фиг.2. В данном случае образец ВОПГ прессовали между матрицей 20, имеющей накатку, и пластиной 21 из деформируемого материала (например, бумаги толщиной 0,254-0,508 мм), установленной на гладкой плоской матрице 22. Этот способ также приводит к формированию оттиска, имеющего поверхностную текстуру, и к достижению требуемой текстуры по всей толщине ВОПГ, что повышает мозаичное рассеяние. В этой системе матрица 20, имеющая накатку, не требует подгонки по цилиндру 12, поскольку не требуется специальной ориентации по отношению к плоской матрице 22.

Мозаичное рассеяние ВОПГ измеряют после прессования между матрицами с накаткой 13 и 14. Если мозаичное рассеяние слишком высоко, образец ВОПГ помещают между гладкими плоскими матрицами (не показаны) и снова прессуют обычно при более низком давлении, чем при прессовании между матрицами с накаткой, предпочтительно при давлении от 3,45 до 34,5 МПа. В некоторых случаях требуется многократное прессование между матрицами с накаткой и гладкими матрицами для получения мозаичного распределения, находящегося в плотном (очень узком) интервале.

На фиг.4 приведены 55 примеров, иллюстрирующих изобретение. Каждый образец ВОПГ имел размеры 34,5x27,1x1,5 мм. Мозаичное рассеяние нейтронов такими полученными традиционно образцами составляет 1,52-2,34^o. Предположим, что требуется получить мозаичное рассеяние, составляющее 2,50-3,00^o. Такое рассеяние было получено для 25 образцов путем однократного или многократного прессования с использованием матриц с накаткой. Мозаичное рассеяние других 30 образцов, как показано, находится в интервале 3,03-4,13^o после прессования между матрицами с накаткой. Область мозаичного рассеяния этих 30 образцов затем была уменьшена до 2,50-3,00^o путем однократного или многократного прессования между гладкими плоскими матрицами. Поскольку мозаичное рассеяние можно легко увеличить путем прессования между матрицами с накаткой и уменьшить путем прессования между гладкими матрицами, очевидно, что путем многократного прессования можно достичь еще значительно меньшего отклонения мозаичного рассеяния, например ±0,05^o.

Следующие примеры с фиг.4 рассмотрены более подробно для объяснения и иллюстрации изобретения. Для каждого образца были выполнены следующие условия: образец имел размеры 34,5x27,1x1,5 мм; использовали матрицы из латуни и стали диаметром 50,8 мм. Мозаичное рассеяние нейтронов при отражении от плоскости (002) ВОПГ измеряли на SPINS с нейтронным ориентиром 5 при 4,15 при N.I.S.T., Gaitherburg, Maryland.

Пример 1 (Образец 1) Образец ВОПГ с исходным мозаичным рассеянием нейтронов 2,04^o подвергли прессованию между матрицами из нержавеющей стали с желобками глубиной 0,127 мм и шириной 0,381 мм, расположенными крест-накрест, при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. После прессования мозаичное рассеяние составило 2,97^o.

Пример 2 (Образец 2) Образец ВОПГ с исходным мозаичным рассеянием нейтронов 2,24^o подвергли прессованию между матрицами из латуни с желобками глубиной 0,254 мм и шириной 0,762 мм, расположенными крест-накрест, при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. После прессования мозаичное рассеяние нейтронов составило 3,52^o, что оказалось выше желаемого интервала 2,50-3,00^o. Образец ВОПГ затем снова отпрессовали между гладкими матрицами при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. В результате этой операции мозаичное рассеяние составило 2,64^o.

Пример 3 (Образец 3) Образец ВОПГ с исходным мозаичным рассеянием нейтронов 2,03^o подвергли прессованию между матрицами из латуни с желобками глубиной 0,254 мм и шириной 0,762 мм, расположенными крест-накрест, при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. Прессованный образец исследовали и снова отпрессовали при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. После двух операций прессования мозаичное рассеяние составило 2,52^o.

Пример 4 (Образец 18) Образец ВОПГ с исходным мозаичным рассеянием нейтронов 2,21^o подвергли прессованию между матрицей из латуни с желобками глубиной 0,254 мм и шириной 0,762 мм, расположенными крест-накрест, и гладкой матрицей из латуни, на которой была установлена бумажная прокладка толщиной 0,381 мм. Давление 34,5 МПа выдерживали в течение 15 с. Прессованный образец исследовали и снова отпрессовали в тех же условиях. После двух операций прессования мозаичное рассеяние нейтронов составило 3,19^o. В результате третьей операции прессования с использованием плоских латунных матриц при давлении 17,24 МПа в течение 15 с мозаичное рассеяние нейтронов понизилось до 2,57^o.

Пример 5 (Образец 35) Образец ВОПГ с исходным мозаичным рассеянием нейтронов 2,12^o подвергли прессованию между двумя матрицами из латуни с желобками глубиной 0,254 мм и шириной 0,762 мм, расположенными крест-накрест, при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. После этой операции прессования мозаичное рассеяние нейтронов образцом ВОПГ составило 3,57^o. Образец ВОПГ затем снова отпрессовали между гладкими латунными матрицами при давлении 19,3 МПа в течение 15 с. В результате этой операции мозаичное рассеяние составило 3,14^o. Затем образец ВОПГ дважды прессовали с использованием плоских латунных матриц при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. Окончательное значение мозаичного рассеяния составило 2,85^o.

Пример 6 (Образец 49) Образец ВОПГ с исходным мозаичным рассеянием нейтронов 2,31^o подвергли прессованию между матрицами из нержавеющей стали с накаткой с желобками глубиной 0,127 мм и шириной 0,381 мм, расположенными крест-накрест, при давлении 34,5 МПа в течение 15 с. После операции прессования мозаичное рассеяние нейтронов составило 3,11^o. Затем образец ВОПГ подвергли прессованию с использованием плоских матриц из нержавеющей стали при давлении 20,7 МПа в течение 15 с. Окончательное мозаичное рассеяние нейтронов ВОПГ составило 2,60^o.

Формула изобретения

1. Способ сдвига мозаичного рассеяния высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) в заданную область мозаичного рассеяния, включающий операции выбора образцов ВОПГ, имеющих мозаичное рассеяние, которое лежит ниже заданной области мозаичного рассеяния, и холодную обработку выбранных образцов с формированием оттиска, имеющего поверхностную текстуру, достаточную для сдвига мозаичного рассеяния образцов, подвергшихся холодной обработке, в заданную область мозаичного рассеяния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что холодную обработку осуществляют путем прессования образцов между матрицами, по меньшей мере одна из которых имеет накатку.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на гладкой поверхности другой матрицы установлена пластина из деформируемого материала.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что деформируемым материалом является бумага.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что каждая матрица имеет накатку.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что для формирования текстурированной поверхности используют две металлические матрицы, при этом поверхности с накаткой одной матрицы располагают относительно поверхности с накаткой другой матрицы таким образом, что они образуют встречно-штыревую структуру.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что металлические матрицы выполнены из нержавеющей стали, при этом поверхность с накаткой каждой матрицы образует канавки с поперечным сечением глубиной в интервале от 0,127 до 0,254 мм и шириной от 0,371 до 0,762 мм.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что образцы ВОПГ подвергают прессованию при первом относительно высоком давлении, равном или превышающем второе давление.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что мозаичное рассеяние указанных образцов подвергают повторному регулированию в сторону снижения по отношению к мозаичному рассеиванию, полученному при первой операции прессования, путем дальнейшего прессования образцов при втором давлении, равном или меньшем первого давления.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дальнейшее прессование образцов осуществляют между матрицами, имеющими плоские гладкие поверхности.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что на второй операции прессования используют матрицы, выполненные из латуни.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4