книги из ГПНТБ / Стабильность свойств ферритов. (Анализ физических свойств при внешних воздействиях, прогнозирование. Элементы проектирования)

аппаратура, позволяющая контролировать относительное изменение магнитной проницаемости в процессе облуче­ ния с погрешностью ±2% на расстоянии до 20 метров.

Объектом исследования служили ферритовые Mn-Zn и Ni-Zn магнитопроводы различных составов. Известно, что в процессе гамма-нейтронного облучения образцы подвергаются радиационному нагреву. Так как все фер­ ритовые магнитопроводы, как и другие элементы радио­ электронных систем обладают температурным коэффи­ циентом магнитной проницаемости, то в процессе подго­ товки II проведения эксперимента необходимо было разделить изменения магнитной проницаемости, вызваные наличием температурного коэффициента магнитной про­ ницаемости, и изменения за счет радиационных дефек­ тов. Для этого были проведены подготовительные экс­ перименты по определению относительного изменения проницаемости и температурного коэффициента магнит­ ной проницаемости при кратковременном воздействии раз­ личных повышенных температур. Время выдержки при каждой температуре выбиралось достаточным для того, чтобы образец прогрелся до установленной температу­ ры, а также для того, чтобы измерить параметры фер­ рита. В дальнейшем, при испытаниях в канале реактора контролировалась как температура среды в канале, так и температура образца. Результаты подготовительных испытаний для Mn-Zn феррита приведены в табл. 15.

Испытания проводились в горизонтальном канале атомного реактора. Энергия и поток облучения горизон­ тального канала для двух режимов характеризова­ лись следующими данными Еп> 1,6-ІО-21 Дж /„ —2,4х

ХЮ11 нейтр./(с-см2), £п>4,8 • 10~21 Д ж /п=1,04Х

87

жались в горизонтальный канал реактора, шланги пита­ ния и измерительные провода выводились наружу. Под­ ключение изделий к измерительному прибору осущест­ влялось дистанционно с помощью шагового искателя. Испытания проводились не менее, чем на 10 образцах каждого состава феррита. Интегральная доза по бы­

Анализ результатов исследования влияния гамманейтронного облучения на свойства ферритовых магнитопроводов подтвердил их высокую радиационную стой­ кость. Остаточные изменения после воздействия гамманейтронного потока интенсивностью /„ = 10й нейтр./см2 с до интегральных доз Ф= 1- 1017 нейтр/см2 составляют всего 2. . . 4% от величины начальной магнитной про­ ницаемости, и постепенно начальная магнитная прони­ цаемость возвращается к первоначальному значению. Изменения магнитной проницаемости с учетом ранее вычисленного температурного коэффициента магнитной проницаемости вызваны только изменением температуры самого образца под действием гамма-нейтронного по­ тока.

Наличие остаточных изменений, которые исчезают с течением времени, говорит о действии т е м п е р а т у р ­ но г о г и с т е р е з и с а , характерного для всех ферро­ магнитных материалов. Величина температурного гисте­ резиса зависит от свойств материала, скорости нараста­ ния температуры, скорости охлаждения образца и дру­ гих факторов. Согласно методике исследований непре­ рывно контролировалась как температура образца, так и температура среды, в которой находился образец. Так, при испытании Mn-Zn феррита температура среды в ка­ нале была +40°С, а температура образца + 9 0 °С. Та­ ким образом перепад температур между средой и образцом составлял примерно 50°С.

Необходимо отметить, что температура образца -уста­ навливается в течение некоторого времени, т. е. в усло­ виях ионизирующего излучения в ферритах имеют место «переходные процессы», постоянная времени которых, видимо, зависит от марки феррита, его размеров, интен­ сивности потока облучения, условий теплообмена в ра-

88

диоэлектронной аппаратуре по отношению к конкретно­ му элементу.

Таким образом, дрейф электромагнитных параметров ферритов, входящих в состав радиоэлектронных систем, при изменении плотности и энергетического спектра по­ тока облучения влияет на работоспособность этих си­ стем, на время их готовности. Это относится в первую очередь к тем системам, которые работают в условиях, где постоянно меняется плотность потока и энергетиче­ ский спектр ионизирующего излучения. В этом случае, очевидно, происходит как изменение электромагнитных параметров, обусловленное наличием соответствующих температурных коэффициентов, так и повышение скоро­ сти диффузионных процессов, приводящих к изменению (старению) электромагнитных параметров ферритовых магнитопроводов. Знание этих явлений, их учет при про­ ектировании высоконадежных радиоэлектронных систем и элементов позволит научно обоснованно определить надежность и долговечность различных систем на фер­ ритах. Рассчитать температуру разогрева ферритового магнитопровода и время установления теплового режи­ ма, т. е. рассчитать время установления режима тепло­ вого равновесия, можно с помощью формул, приведен­ ных в гл. 4.

Температура разогрева определяется с помощью вы­ ражения:

tv - t s = (qvfmCu)( 1 - e ~ m),

где qv — удельное тепловыделение при данных интен­ сивности и энергетическом спектре гамма-нейтронного облучения, т. е. физическая константа материала, опре­

критерий неравномерности температурного поля системы; а и 5 — соответственно теплоотдача и площадь полной поверхности феррита).

Приведенная формула позволяет вычислить разность температур ферритового образца и среды.

Время установления теплового равновесия системы при данной плотности потока ионизирующего излучения

89

с учетом условий теплообмена определяется по фор­ муле

Таким образом, радиационный разогрев ферритового манитопровода увеличивает временную нестабильность и, кроме того, в течение короткого времени меняет элек­ тромагнитные параметры пропорционально их темпера­ турным коэффициентам. В этом случае относительное изменение магнитной проницаемости определяется с по­ мощью следующего аналитического выражения:

эффициент магнитной проницаемости.

Аналитическое выражение, характеризующее относи­ тельное изменение магнитной проницаемости в течение короткого времени (порядка нескольких минут), имеет вид:

90

причем теплоотдача по различным граням изделия раз­ лична, то критерий неравномерности температурного поля

может существенно изменить численные результаты. В таких случаях необходимо вычислять температурные поля в сечении исследуемых изделий при стационарном тепловом режиме. В связи с этим в гл. 4 рассмотрен наи­ более общий случай оценки температурного поля в сече­ нии ферритового параллелепипеда бесконечной длины с внутренним тепловыделением и различными коэффициен­ тами теплоотдачи по его граням. Зная критерий нерав­ номерности температурного поля ферритового изделия произвольной конфигурации и размеров, можно для рас­ чета теплового режима его работы и времени установ­ ления теплового равновесия системы пользоваться фор­ мулами (4.40); (4.41).

В реальных условиях эксплуатации, помимо темпе­ ратуры, на ферритовый магнитопровод воздействует электромагнитное поле. Характер изменения магнитной проницаемости Mn-Zn феррита марки 2000НМ1 от сов­ местного воздействия температуры и электромагнитных полей различной напряженности приведен на рис. 2.18. Из рисунка видно, что временная нестабильность ферри­ та уменьшается с увеличением напряженности поля при одной и той же температуре и существует оптимальное значение напряженности поля, при котором временная нестабильность минимальна. Эту зависимость можно использовать для значительного повышения надежности и долговечности элементов радиоэлектронной аппарату­ ры на основе ферритовых магнитопроводов. Относи­ тельное изменение магнитной проницаемости при совме­ стном воздействии температуры и электромагнитного поля определяется следующим выражением:

П^ а е сн + I

где ан — коэффициент амплитудной нестабильности маг­ нитной проницаемости, определяемый в слабых полях в области линейного участка зависимости проницаемо­ сти от напряженности поля; Я — напряженность элек­ тромагнитного поля; аесн — множитель, характеризую­ щий изменение временной нестабильности при данной температуре и напряженности электромагнитного поля.

91

Гл а в а 3

ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ФЕРРИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Механические нагрузки — один из основных внешних; факторов, действующих на ферритовые детали. Резуль­ тат их воздействия зависит от величины вызываемых, ими в деталях м е х а н и ч е с к и х н а п р я ж е н и й о [кПа/см2] и их характера (растяжение, сжатие, изгиб, скорость изменения нагрузки и т. д.). Если величины напряжений превысят предел прочности ферритового материала, то произойдет разрушение детали. Кроме того, механические напряжения могут вызывать недо­ пустимое изменение основных электромагнитных пара­ метров ферритов, причем не только во время действия нагрузки, но и после ее снятия. Таким образом, механи­ ческие нагрузки могут вызывать отказы ферритовых де­ талей, в связи с чем возникает вопрос об их допустимых величинах. При этом все механические нагрузки можно разделить на: рабочие нагрузки, действующие на фер­ ритовые детали, находящиеся в рабочем состоянии, на­ пример, во время замеров их электромагнитных пара­ метров или когда изделие, в состав которого они вхо­ дят, включено в работу; нерабочие нагрузки, действую­ щие на ферритовые детали, находящиеся в нерабочем состоянии. Как рабочие, так и нерабочие нагрузки не должны вызывать разрушение ферритовой детали. Раз­ ница между этими нагрузками при определении их до­ пустимых величин заключается в том, что рабочие на­ грузки не должны вызывать недопустимого изменения электромагнитных параметров во время своего действия, а нерабочие нагрузки во время своего действия могут вызывать любые изменения параметров, важно только, чтобы после их действия значения параметров остались в допустимых пределах.

К числу нерабочих нагрузок относятся различные

технологические механические нагрузки, которые возни­ кают как при изготовлении ферритовых деталей, так и

93

при изготовлении элементов аппаратуры на их основе, например, при закреплении в какие-либо приспособле­ ния для обработки, в намоточный станок; во время на­ мотки за счет натяжения проволоки и т. п. При выборе допустимых величин этих нагрузок, как правило, за­ ботятся только о сохранении прочности, не думая о воз­ можности необратимого изменения параметров, что в це­ лом ряде случаев может привести к порче изделий.

К числу рабочих нагрузок в первую очередь отно­ сятся конструкционные механические нагрузки, которые возникают при соединении ферритовых деталей с други­ ми элементами аппаратуры и при закреплении этих эле­ ментов в аппаратуре, например, при соединении двух Ш-образных сердечников, при заливке и опрессовке ферритовых элементов различными компаундами и т. п. На рис. 3.1 представлены типичные примеры конструк­ тивных нагрузок для наиболее распространенной ферри­ товой детали — тороидального сердечника. Сердечник может прижиматься усилием, перпендикулярным плоско­ сти кольца (а), радиальным усилием (б), приклеивать­ ся (б) и заливаться компаундами с положительной (г)

Рис. 3.1.

и отрицательной (д) усадками. В последних двух слу­ чаях на различные плоскости сердечника действует ме­ ханическое давление — Р (кПа). При выборе величин конструкционных нагрузок следует учитывать, что в про­ цессе эксплуатации эти нагрузки могут ослабнуть, что вызовет обратное изменение параметров, которое может оказаться нежелательным.

Кроме технологических и конструкционных нагрузок, наибольший интерес представляет действие на феррито­ вые детали эксплуатационных механических нагрузок.

Нагрузки эти могут быть как рабочими, так и нерабо­ чими. Существует несколько причин их возникновения:

94

1. Всесторонние механические напряжения, возни­ кающие при повышенном или пониженном давлении сре­ ды (в частном случае при повышенном или пониженном атмосферном давлении), не могут разрушить феррит, однако в некоторых случаях вызывают изменение его электромагнитных параметров.

2 . Магнитострикционная деформация, как известно, всегда сопровождает намагничивание сердечника. Если возможность этой деформации будет каким-либо обра­ зом ограничена (рис. 3.1,г, д), то в сердечнике, называе­ мом в этом случае упругозажатым, возникнут магнито­ упругие механические напряжения, которые всегда бу­ дут препятствовать процессам намагничивания сердеч­ ника, а в отдельных случаях могут даже привести к его разрушению.

3. Термоупругие механические нагрузки (напряже­ ния) возникают, как правило, при нагревании (охлаж­ дении) ферритовых сердечников или элементов, в соста­ ве которых они находятся. Причина их возникновения может заключаться как в неравномерности разогрева отдельных участков сердечника или частей элемента аппаратуры, так и в различии коэффициентов теплового линейного расширения сердечника и соприкасающихся с ним частей. Например, при разогреве сердечника, за­ жатого компаундами из-за разницы в коэффициентах теплового расширения сердечника и компаунда (как это показано на рис. 3.1,г, д) могут возникать сильные меха­ нические давления, действующие па различные плоско­ сти сердечника.

4. Динамические механические нагрузки (напряже­ ния), возникающие при воздействии на элементы и узлы аппаратуры, в составе которых находятся ферритовые изделия, эксплуатационных механических факторов: ви­ браций, ударов, линейных перегрузок и т. д.

В отличие от с т а т и ч е с к и х механических на­ грузок, к которым относятся в основном все пецечисленные выше виды, динамические нагрузки характерны тем, что вызывают в сердечниках и н е р ц и о н н ы е механи­ ческие напряжения и упругие колебания. Следует, ко­ нечно, отметить, что деление нагрузок на статические и динамические до некоторой степени условно, так как целый ряд статических нагрузок быстро изменяется во времени, что также вызывает прохождение через сер­ дечник упругих волн, а воздействие динамических на­

95

грузок сопровождается зачастую нагрузками статиче­ ского характера. Однако специфичность результатов воздействия динамических нагрузок и определенность условий их возникновения вследствие воздействия ви­ браций, ударов и линейных перегрузок, относящихся к основным эксплуатационным факторам, заставляет вы­ делить эти нагрузки в особую группу.

Это объясняется тем, что постановка вопроса о воз­ действии на ферриты динамических механических на­ грузок долгое время вызывала споры. Стремясь обес­ печить надежность работы элементов, частью которых являются ферриты, в подобных условиях казалось бы наиболее логичным предъявлять к ферритам те же тре­ бования по устойчивости и прочности при воздействии механических факторов, что и к самим элементам. Однако это не совсем верно. Ферриты никогда не испы­ тывают действие вибраций, ударов и линейных пере­ грузок сами по себе, а только в составе элементов аппа­ ратуры, деталями которых они являются. Действие ука­ занных факторов передается ферритам через точки соприкосновения их с другими деталями. Ферритовые сер­ дечники не имеют фиксированных точек и определенных способов крепления. В элементах различной конструк­ ции одни и те же сердечники закрепляются по-разному, вследствие чего воздействие на них одних и тех же ме­ ханических факторов (вибраций, ударов, линейных пере­ грузок) не будет идентичным для всех случаев приме­ нения.

В каждом конкретном случае от способа закрепле­ ния будут зависеть характер и величина инерционных механических напряжений, возникающих в сердечниках во время воздействия механических факторов, а следо­ вательно, и результат воздействия. Так, если на сердеч­ ники, изображенные на рис. 3.1, будет действовать ускорение g в направлении, указанном стрелкой, то в случае (а) сердечник будет сжиматься, а случае (б) — растягиваться. Во всех этих случаях будет различной и частота собственных механических колебаний сердечни­ ка. Таким образом, очевидно, что устойчивость к воз­ действию механических факторов с определенными па­ раметрами (частотой, перегрузкой в единицах g, дли­ тельностью импульса) не является свойством сердечника. Вибрация, удар, линейная перегрузка действуют на элемент с ферритовым сердечником. В самом же ферри­

96