Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем

Представлены исследования зависимости поверхностного сопротивления бериллия при температурах: от комнатной до температуры жидкого азота, от степени деформации и отжига. Проведен анализ влияния структуры, плотности дислокаций и отжига на величину поверхностного сопротивления при температуре 77,2 К. П...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Кошкарев, Г.C., Кутовой, В.А., Николаенко, А.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Элементы ускорителей
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108656
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем / Г.C. Кошкарев, В.А. Кутовой, А.А. Николаенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 89-91. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108656
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1086562025-02-09T20:34:13Z Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем Beryllium – structural material for high-frequency cryogenic resonance systems Берилій – конструкційний матеріал для кріогенних резонансних ВЧ-систем Кошкарев, Г.C. Кутовой, В.А. Николаенко, А.А. Элементы ускорителей Представлены исследования зависимости поверхностного сопротивления бериллия при температурах: от комнатной до температуры жидкого азота, от степени деформации и отжига. Проведен анализ влияния структуры, плотности дислокаций и отжига на величину поверхностного сопротивления при температуре 77,2 К. Показано, что минимальное значение поверхностного сопротивления достигается при азотной температуре после отжига. Подтверждается возможность использования бериллия как конструкционного материала для создания высокодобротных криогенных резонансных систем. This paper presents an investigation of the surface resistance of berillium at the temperatures ranging from the room temperature up to the liquid nitrogen temperature, depending on the degrees of deformation and annealing. An analysis of the effect of structure, dislocation density, and annealing on the value of surface resistance at the temperature of 77.2 K has been conducted. It has been demonstrated that the minimum surface resistance value is reached at the nitrogen temperature after annealing. The possibility of using beryllium as a structural material for creation of high-quality cryogenic resonance systems has been confirmed. Представлені дослідження поверхневого опору берилію від кімнатної температури до температури рідкого азоту в залежності від ступеня деформації та відпалу. Проведено аналіз впливу структури, щільності дислокацій і відпалу на величину поверхневого опору при температурі 77,2 К. Показано, що мінімальне значення поверхневого опору досягається при азотній температурі після відпалу. Підтверджується можливість використання берилію, як конструкційного матеріалу для створення високодобротних кріогенних резонансних систем. 2012 Article Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем / Г.C. Кошкарев, В.А. Кутовой, А.А. Николаенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 89-91. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108656 535.417.2 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Элементы ускорителей Элементы ускорителей
spellingShingle	Элементы ускорителей Элементы ускорителей Кошкарев, Г.C. Кутовой, В.А. Николаенко, А.А. Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем Вопросы атомной науки и техники
description	Представлены исследования зависимости поверхностного сопротивления бериллия при температурах: от комнатной до температуры жидкого азота, от степени деформации и отжига. Проведен анализ влияния структуры, плотности дислокаций и отжига на величину поверхностного сопротивления при температуре 77,2 К. Показано, что минимальное значение поверхностного сопротивления достигается при азотной температуре после отжига. Подтверждается возможность использования бериллия как конструкционного материала для создания высокодобротных криогенных резонансных систем.
format	Article
author	Кошкарев, Г.C. Кутовой, В.А. Николаенко, А.А.
author_facet	Кошкарев, Г.C. Кутовой, В.А. Николаенко, А.А.
author_sort	Кошкарев, Г.C.
title	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем
title_short	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем
title_full	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем
title_fullStr	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем
title_full_unstemmed	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем
title_sort	бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных вч-систем
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Элементы ускорителей
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108656
citation_txt	Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем / Г.C. Кошкарев, В.А. Кутовой, А.А. Николаенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 89-91. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT koškarevgc berilliikonstrukcionnyimaterialdlâkriogennyhrezonansnyhvčsistem AT kutovoiva berilliikonstrukcionnyimaterialdlâkriogennyhrezonansnyhvčsistem AT nikolaenkoaa berilliikonstrukcionnyimaterialdlâkriogennyhrezonansnyhvčsistem AT koškarevgc berylliumstructuralmaterialforhighfrequencycryogenicresonancesystems AT kutovoiva berylliumstructuralmaterialforhighfrequencycryogenicresonancesystems AT nikolaenkoaa berylliumstructuralmaterialforhighfrequencycryogenicresonancesystems AT koškarevgc berilíikonstrukcíiniimateríaldlâkríogennihrezonansnihvčsistem AT kutovoiva berilíikonstrukcíiniimateríaldlâkríogennihrezonansnihvčsistem AT nikolaenkoaa berilíikonstrukcíiniimateríaldlâkríogennihrezonansnihvčsistem
first_indexed	2025-11-30T12:43:53Z
last_indexed	2025-11-30T12:43:53Z
_version_	1850219308431441920
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 89 УДК 535.417.2 БЕРИЛЛИЙ – КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ВЧ-СИСТЕМ Г.C. Кошкарев, В.А. Кутовой, А.А. Николаенко Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Е-mail: kutovoy@kipt.kharkov.ua Представлены исследования зависимости поверхностного сопротивления бериллия при температурах: от комнатной до температуры жидкого азота, от степени деформации и отжига. Проведен анализ влияния структуры, плотности дислокаций и отжига на величину поверхностного сопротивления при температуре 77,2 К. Показано, что минимальное значение поверхностного сопротивления достигается при азотной тем- пературе после отжига. Подтверждается возможность использования бериллия как конструкционного мате- риала для создания высокодобротных криогенных резонансных систем. В настоящее время в улучшении параметров ре- зонансных высокочастотных систем, работающих при комнатной температуре, практически достигнут предел. Прежде всего, это относится к таким суще- ственным характеристикам как КПД, абсолютные значения энергетических потерь, которые всегда возникают в резонансных системах. В связи с этим ведутся разработки высокодобротных резонансных ВЧ-систем, у которых необходимо уменьшить поте- ри высокочастотной мощности в стенках резонанс- ной системы в 10 и более раз, что приводит к увели- чению КПД устройства и уменьшению потерь высо- кочастотной энергии. Это можно осуществить путем создания криогенных резонансных систем. При разработке и создании криогенных резо- нансных систем существенное место занимает про- блема достижения высокой добротности без приме- нения сверхпроводимости с использованием не- сверхпроводящих металлов. Используя в качестве конструкционного материала несверхпроводящие материалы, можно значительно понизить финансо- вые затраты на изготовление криогенной резонанс- ной высокочастотной системы. В связи с этим воз- никает интерес к исследованиям поверхностного сопротивления несверхпроводящих металлов при криогенных температурах с целью выяснения: во сколько раз уменьшатся потери высокочастотной мощности в стенках резонансной высокочастотной системы по сравнению с резонансной высокочас- тотной системой, работающей при комнатной тем- пературе. При разработке резонансных высокочастотных систем особое место занимают вопросы, связанные с потерями высокочастотной мощности в стенках резонансной системы. Известно, что диссипативные характеристики являются определяющими для та- ких величин, как шунтовое сопротивление и доб- ротность резонансной системы. Если полная по- верхность металла S, для которой справедливы гра- ничные условия Леонтовича, то высокочастотная мощность, которая диссипируется в его стенках, определяется из уравнения: P = dSHR s 2 2 1 ∫ , (1) где P − мощность потерь, Вт; R − поверхностное сопротивление, Ом; H − вектор напряженности маг- нитного поля, А/м; S − площадь поверхности, м2. Из уравнения (1) следует, что ответственным за потери высокочастотной мощности является по- верхностное сопротивление R, а состояние токопро- водящего слоя является решающим фактором при получении минимальных потерь высокочастотной мощности в стенках криогенной высокочастотной системы. Для обеспечения максимальной добротно- сти и минимальных потерь высокочастотной мощ- ности в резонансных высокочастотных системах при криогенных температурах необходимо, чтобы кон- струкционный металл был как можно чище, имел минимальное число дислокаций и был подвержен вакуумному отжигу, который позволит получить оптимальный размер зерна с минимумом напряже- ния внутри его. Поэтому, для создания высокодобротных резо- нансных высокочастотных систем, которые работа- ют при криогенных температурах, необходимы дан- ные о взаимосвязи поверхностного сопротивления с чистотой материала и состоянием токопроводящего слоя. Поверхностное сопротивление является одной из наиболее важных физических величин, характе- ризующих взаимодействие электромагнитных полей с металлическими поверхностями, и зависит не только от физических и химических свойств исход- ного металла, но и технологии его обработки [1]. С понижением температуры образца уменьшается влия- ние электрон-фононных столкновений и домини- рующим становится рассеяние электронов проводи- мости на примесях и вакансиях, а в случае поверхно- стных токов − на дефектах поверхности: шероховато- стях, раковинах, включениях. Таким образом, любые технологические операции, которые уменьшают де- фекты в поверхностном слое, понижают поверхно- стное сопротивление. Так для уменьшения поверхностного сопротив- ления необходимо выбрать такие режимы механико- термической обработки, чтобы в токопроводящем слое материала формировалась структура, которая имеет низкую плотность дислокаций. Именно это, по нашему мнению, приводит к понижению поверх- ностного сопротивления при криогенных темпера- турах и снижению потерь высокочастотной мощно- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 90 сти в стенках резонансной системы. Поэтому для создания высокодобротных резонансных высоко- частотных систем, которые работают при криоген- ных температурах, необходимы данные о взаимо- связи поверхностного сопротивления с технологией обработки токопроводящего слоя, структурой и чис- тотой материала. Для исследований использовали бериллий чистотой 99,98 %, который подвергали механико-термической обработке для измельчения зерна и получения изотропного металла с размером зерна 20…30 мкм. Бериллий, по сравнению с други- ми металлами, имеет самую высокую дебаевскую температуру и обладает большим сечением рассея- ния электронов проводимости на дислокациях [2]. Проводимость чистого бериллия на постоянном токе при комнатной и криогенной температурах хо- рошо изучена [3-6]. Из результатов исследования установлено, что на электросопротивление бериллия влияют точечные дефекты, дислокации и примеси. Точечные дефекты в бериллии исчезают при темпе- ратурах ниже комнатных, а плотность дислокаций меняется при отжиге, начиная с температур 673…873 К [7]. Изучение зависимости поверхност- ного сопротивления чистого бериллия от темпера- туры охлаждения отсутствует. В работе [8] были проведены высокочастотные исследования бериллия технической чистоты на частоте 5 ГГц в диапазоне температур 293…4,2 К. Результаты исследования подтверждают, что бериллий и сплавы на его основе являются перспективными для изготовления крио- генных резонансных высокочастотных систем. Определение поверхностного сопротивления Ве чистотой 99,98 % проводили методом, описанным в работе [9], путем измерения добротности цилиндри- ческого резонатора при разной температуре охлаж- дения. В цилиндрическом резонаторе высота кото- рого равнялась его диаметру, возбуждалась волна Н111-типа с частотой электромагнитного поля 5 ГГц. Для изготовления резонатора использовали ли- тую заготовку исследуемого материала, подверг- шуюся 90 % деформации. Плотность дислокаций исходного материала внутри субзерен составляет 1,2⋅1012см-2 при размере субзерна (3...5)⋅10-3нм (Рис.1). Рис.1 Из слитка вытачивали резонатор на токарном станке. После чего рабочую поверхность резонатора полировали до 10 класса и отжигали при температу- ре 893 К в течение 50 часов в вакуумной камере при давлении 2,6⋅10-2 Па. При отжиге происходит увели- чение размера субзерен до 8⋅10-3 нм с заметным уменьшением плотности дислокаций до (1…2)⋅10-9 см-2, при этом разориентация между субзернами составля- ет 4…5° (Рис.2). Рис.2 Изменяя температуру корпуса цилиндрического резонатора в диапазоне температур 293…77,2 К, измеряли добротность резонатора. Поверхностное сопротивление материала, из которого был изготов- лен резонатор, определяли из выражения: R = Q G , (2) где G – геометрический фактор резонатора; Q – соб- ственная добротность резонатора. Результаты измерения приведены на Рис.3 Рис.3 Из результатов проведенных исследований сле- дует, что поверхностное сопротивление материала после деформации и отжига на частоте 5,0 ГГц по- низилось при температуре жидкого азота в 8,4 раза по сравнению с поверхностным сопротивлением этого же материала при комнатной температуре, а неотожженного – в три раза. Определим, во сколько раз уменьшатся потери высокочастотной мощности в криогенной резонанс- ной системе, изготовленной из отожженного берил- лия чистотой 99,98 % на частоте 150 МГц. Для этого используем выражение, приведенное в работе [10]: 2η = 6 2f fη ⋅ , (3) где η − отношение поверхностных сопротивлений исследуемого материала при комнатной и азотной температурах на частоте f = 5 ГГц; 2η − отношение поверхностных сопротивлений исследуемого мате- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 91 риала при комнатной и азотной температурах на частоте f2 = 150 МГц. Из результата расчета следует, что на частоте 150 МГц потери высокочастотной мощности при температуре жидкого азота в резонансной криоген- ной системе, изготовленной из отожженного берил- лия чистотой 99,98 %, можно уменьшить в 15 раз. Поверхностное сопротивление неотоженного бе- риллия чистотой 99,98 % при комнатной температу- ре отличается от сопротивления бериллия такой же чистоты после отжига в 1,1 раза, при азотной темпе- ратуре − в три раза. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. В.А. Кутовой, Л.А. Корниенко, В.И. Маханьков и др. Исследование поверхностного сопротивле- ния меди при криогенных температурах в зави- симости от обработки токопроводящей поверх- ности // Вопросы атомной науки и техники. Се- рия «Общая и ядерная физика». 1987, в.2(8), с.30-33. 2. R.A. Brown. Electrical resistivity of dislocation in metals // J. Phys. F. 1977, v.7(7), р.1283-1295. 3. И.И. Папиров, П.И. Стоев, И.А. Тараненко. Электросопротивление гидроэкструдированного и отожженного бериллия // Физика металлов и металловедение. 1972, т.34, в.5, с.1022-1026. 4. И.И. Папиров, П.И. Стоев, И.А. Тараненко. Кине- тика изменения электросопротивления деформи- рованного бериллия при отжиге // Физика метал- лов и металловедение. 1983, т.35, в.6, с.1241-1247. 5. И.И. Папиров, Г.И. Волокита, А.С. Капчерин, П.И. Стоев. Возврат механических свойств, элек- тросопротивления и микродеформации дефор- мированного бериллия // Известия вузов. «Цвет- ная металлургия». 1974, №9, с.100-105. 6. Г.С. Кошкарев, Г.Е. Плетенецкий, А.И. Пикалов, Г.Ф. Тихинский. Свойства проволоки из высоко- чистого бериллия // МиТОМ. 1980, №6, с.57-59. 7. С.С. Авотин, П.И. Стоев, В.И. Терешин. Измене- ние электросопротивления бериллия при облуче- нии ОКГ // ЖЭТФ. 1972, т.62, с.288. 8. В.А. Кутовой, А.А. Николаеко, П.И. Стоев. Резо- нансная высокочастотная система из Al-Be спла- ва при криогенных температурах // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно- физические исследования» (54). 2010, №3, с.9-12. 9. В.А. Кутовой, А.А. Николаенко, П.И. Стоев, Д.В. Виноградов. Изучение зависимости поверх- ностного импеданса меди от чистоты материала, деформации, температуры отжига при комнат- ной и азотной температурах // XVII Междуна- родная конференция по физике радиационных яв- лений и радиационному материаловедению, 4-9 сентября 2006. Алушта, Крым, с.202. 10. В.А. Кутовой, А.М. Егоров. Концепция создания криогенных ускоряющих структур ускорителя из меди // ЖТФ. 2008, т.53, в.3, с.371-375. Статья поступила в редакцию 15.10.2011 г. BERYLLIUM – STRUCTURAL MATERIAL FOR HIGH-FREQUENCY CRYOGENIC RESONANCE SYSTEMS G.S. Koshkarev, V.A. Kutovoy, A.A. Nikolayenko This paper presents an investigation of the surface resistance of berillium at the temperatures ranging from the room temperature up to the liquid nitrogen temperature, depending on the degrees of deformation and annealing. An analysis of the effect of structure, dislocation density, and annealing on the value of surface resistance at the tem- perature of 77.2 K has been conducted. It has been demonstrated that the minimum surface resistance value is reached at the nitrogen temperature after annealing. The possibility of using beryllium as a structural material for creation of high-quality cryogenic resonance systems has been confirmed. БЕРИЛІЙ – КОНСТРУКЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ ДЛЯ КРІОГЕННИХ РЕЗОНАНСНИХ ВЧ-СИСТЕМ Г.С. Кошкарьов, В.О. Кутовий, А.О. Ніколаєнко Представлені дослідження поверхневого опору берилію від кімнатної температури до температури рід- кого азоту в залежності від ступеня деформації та відпалу. Проведено аналіз впливу структури, щільності дислокацій і відпалу на величину поверхневого опору при температурі 77,2 К. Показано, що мінімальне зна- чення поверхневого опору досягається при азотній температурі після відпалу. Підтверджується можливість використання берилію, як конструкційного матеріалу для створення високодобротних кріогенних резонанс- них систем.

Бериллий – конструкционный материал для криогенных резонансных ВЧ-систем

Institution

Ähnliche Einträge