Устройство для обработки и перемещения образцов в вакуумной камере

Союз СоветсиикСфцналистнчесинкРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 979999-(51)М. Кл. С 01 М 35/06 Раудерюаешвй кемитет СССР ив далем имбретеиий и еткрьпийИнститут ядерной Физики АН Казахской -ССР(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБРАЗЦОВ В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ 1Изобретение относится к автоматическому анализу химических и физических свойств вещества и может быть использовано, например, для исследований поверхности, образованной в реэульгате разрыва материалов. В настоящее время известны установки, позволяющие проводить анализ поверхности разрушения, образовав 10 щейся в результате ударных испыта- . ний 11.Разрушение материала при ударных испытаниях происходит в оцень короткий промежуток времени, а при работе материала в реальных условиях он часто подвергается нагрузкамза длительные промежутки времени. Таким образом, возникает необходимость создания установок, позволяющих исследовать элементный состав поверх" ностей разрушения, возникших в результате растяжения и разрыва материала. 2Наиболее близким по технической сущности.к изобретению является устройство для обработки и перемещения образцов в вакуумной камере, в которой поверхность разрыва исследуется методом оже-спектроскопии, состоя" щее из карусельного держателя и приспособления для разрыва образцов с захватом, имеющим вырез по форме образца. Вращением карусельного держателя свободный конец одного из образцов, закрепленных на нем, заводят в приспособление для разрыва, после чего производится растяжение и разрыв образца. Далее для проведения оже-анализа поверхности разрушения используется тот из обломков, который остается на карусельном держате-ле. Карусельный держатель поворачивают в позицию, в которой обломок располагается поверхностью разрушения к оже-спектрометру в точке, обеспечивающей его нормальную работу. Процесс повторяется до тех пор, пока3 979999 не будут разорваны и исследовань 1 все образцы, закрепленные на карусельном держателе Г 2 3Конструктивной особенностью известного устройства является совме 5 щение в карусельном держателе следующих функций: Функции носителя образца до разрыва, функции одного из захватов при испытании, функции манипулятора при переносе обломка после разрыва и установке его в нужную позицию при оже-анализе, Вследствие этого оно обладает следующими недостатками.Поскольку при вращении карусельного держателя конец образца, который должен войти в устройство разрыва, движется по дуге окружности, а затем, после разрыва,по дуге окруж-ности меньшего радиуса движется место разрыва образца, то устройство разрыва и анализатор поверхности должны располагаться близко друг от друга. Увеличение расстояния между ними возможно лишь за счет увеличения диаметра карусельного держателя, Поскольку карусельный держатель выполняет, в частности, Функцию захвата при испытании и по соображениям прочности должен быть массивным, то эта возможность отсутствует из-за значительного возрастания веса карусельного держателя. Вследствие этого, при растяжении образца с его одновременным высокотемпературным нагревомчто часто требуется по условиям испытаний ) происходит теплопередача от образца на анализатор поверхности, нарушающая нормальный режим его работы, так как в результате даже не 40 больших термических деформаций ухудшается разрешающая способность,например, оже-спектрометра. Кроме этого, при малом расстоянии между устройством разрыва и анализатором поверхности механические колебания и45 толчки, неизбежные при работе устройства разрыва, увеличивают уровень шумов на выходе системы регистрации и записи, например, оже-спектров, вынуждая исследователя уменьшать чувствительность измерительной аппаратуры. Наконец, закрепление плоских образцов в карусельном держателе известного устройства производится вручную с помощью штифтов, запрессованных в отверстия имеющиеся на головках. Это делает невозможным исследование с помощью этого устрой 4ства образцов, непосредственный контакт с которыми опасен для исследователя, например образцов, облученных в ядерном реакторе потоком нейтронов.Цель изобретения - расширениеэкспериментальных возможностей устройства,Эта цель достигается тем, что визвестное устройство для обработкии перемещения образцов в вакуумнойкамере, содержащее карусельный держатель и приспособление для разрываобразцов с захватом, имеющим вырезпо форме образца, введен манипулятор,перемещающийся в трех взаимно перпендикулярных направлениях, имеющийв верхней части паз с поперечным сечением, повторяющим поперечное сечение выреза захвата, а также имеющийсквозной канал выше уровня дна паза,в который вставлен сбрасывающии стержень, кроме того, карусельный держатель снабжен радиально подвижнымиштангами с вертикальными пазами нанаружных концах и радиальнс неподвижными толкателями, в устройстворазрыва введен второй захват, а также введены направляющие детали длякаждого захвата с каналами, концентричными оси карусельного держателяи поперечными сечениями, повторяющими поперечные сечения вырезовзахватов, причем расстояние от центра каналов до оси карусельного держателя равно длине толкателей.На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства, позволяющаяонаглядно представить размещение ивзаимодействие всех основных узлов;на фиг. 2 показано более детальноустройство карусельного держателя;на фиг. 3 - схематически дистанцион"ное шлюзовое устройство, котороепозволяет автоматически передаватьобразец в камеру без существенногонарушения вакуума в ней.Цилиндрический образецвставляется в вертикальный паз 2, прорезанный в утолщенном наружном концеподвижной штанги 3. Нирина паза обеспечивает перемещение рабочей частиобразца по скользящей посадке, недопуская перекоса образца, 8 той части паза, которая обращена к оси карусельного держателя 1, имеется неглубокая коническая выемка, диаметркоторой равен диаметру предголовкиобразца, При размещении образца на9799 5карусельном держателе его верхняя предголовка располагается в конической выемке, что увеличивает устойчивость образца при вращении карусельного держателя от ввода враще ния 5. На вал ввода вращения посажен поводок 6 со штифтом 7. Подвижный кулачок 8 вращается независимо от вращения карусельного держателя 4, что обеспечивается подшип в никами и взаимодействием поводка б с Мальтийским крестом 9, в виде которого изготовлена нижняя часть карусельного держателя. На карусельном держателе имеется вращающаяся 1 втулка 10, неподвижный кулачок 11, насаженный на верхнюю часть опорной . стойки 12,толкатель 13, выполненный в виде тонкого стержня с вертикальным штифтом на конце. Приспособление для разрыва образцов имеет два захвата 11 и 15, около которых расположены направляющие детали 16 и 17. Манипулятор 18 имеет в верхней части йаз 19, поперечное сечение д и размеры которого повторяют форму и размеры поперечного сечения канала направляющей детали 17, а нижняя его часть связана непосредственно с сильФонным вводом перемещений. Выше уров-З ня дна паза 19 имеется сквозной канал 20, в который вставлен сбрасывающий стержень 21, конец которого прикреплен к детали 22, скользящей по цилиндрической направляющей детали 23, ориентированной вдоль35 направления перемещения манипулятора.В устройстве карусельного держателя 1 ( Фиг,2 ) расположены тонкие радиально подвижные штанги 3, имеющие на наружном утолщенном конце вертикальные пазы 2 для размещения образца 1, а также расположены толкатели 13, движение, которых происодт по окружности постоянного Радиуса. Карусельный держатель имеет радиально расположенный канал 2 ч, в котором по скользящей посадке может перемещаться штанга 3. Пружина 25 создает усилие, направленное к оси0 карусельного держателя, приложенное к штанге 3. Втулка 10 вращается на штифте 26, запрессованном в отвер,стие в штанге 3. Неподвижный кулачок 11 посажен на опорную стойку 12 карусельного держателя и своей боковой поверхностью взаимодействует с втул" кой 10, задавая величйну радиального расположения подвижной штанги 3. Под 99 6вижный кулачок 8 посажен в верхнийвырез детали 27, нижняя часть которойвыполнена в виде зубчатого колеса 23,постоянно находящегося в сцеплениис зубчатым колесом 29, сидящим на валу ввода вращения 5. На вал вводавращения посажен также поводок 6 соштифтом 7 Мальтийского креста 9.Подшипники 30 обеспечивают свободноевращение детали 27, когда карусельный держатель находится в состояниипокоя. Подшипники 31 обеспечиваютвращение карусельного держателя настойке 12.В дистанционном шлюзовом устоойст-,ве для передачи образца в камеру безсущественного нарушения вакуума в ней(Фиг.3) вакуумный вентиль 32 изолирует камеру установки от шлюзовойкамеры (не показана ). Проходное отверстие вентиля служит для ввода вкамеру установки. штока 33 шлюзовогоустройства, имеющего на конце держатель 3, выполненный в виде двойной вилочки, которая ориентированаоткрытой стороной по ходу вращениякарусельного держателя (показанострелкой). На держателе находитсяобразец 1, расположенный вертикально. Карусельный держатель 1 находитсяв такой позиции, когда вертикальныйпаз 2 подвижной штанги 3 расположенна прямой линии, проходящей черезось карусельного держателя и образец.Взаимное расположение штока и карусельного держателя таково, что нужное направление подвижной штанги обеспечивается в состоянии, когда Маль"тийский крест карусельного держателязаторможен боковой поверхностью поводка 6 (фиг.2 ) и карусельный держатель не вращается. На Фиг.3 в верхней части показан для наглядностивид сбоку, на котором хорошо виднокаким образом размещен образец надержателе шлюзового устройства,Установка работает следующим образом.Образец 1 вставлен рабочей частьюв паэ 2 подвижной штанги 3. Вращение карусельного держателяосуществляется по часовой стрелке отввода вращения 5. При этом поворачиваются против часовой стрелки поводок 6, имеющий штифт 7 и ведущеезубчатое колесо 29, находящееся всцеплении с большим зубчатым колесом 28, находящимся на карусели. Зуб.чатые колеса хорошо видны на Фиг.2, 979999того, чтобы образец при вращении держателя без помех мог войти в вырезы захватов 14 и 15, радиус кулачка 11 вблизи этой позиции таков, цто ось45 образца движется по среднему радиусу вырезов, пересекающему ось захватов. В момент остановки карусельного держателя ось образца совпадает с осью захватов. Конфигурация кулачка 11 такова, цто резкое уменьшение его ра 50 диуса начинается на расстоянии, равном радиусу втулки 10 от позиции остановки штанги 3 в приспособлении для разрыва. Тем не менее, движение подвижной штанги 3 по дуге с радиусом, равным среднему радиусу вырезов в захватах, продолжается и на этом участке благодаря тому, что втулка поэтому на фиг. 1 они не показаны. Большое зубчатое колесо 28 жестко связано с узким подвижным кулачком 8, который при непрерывном вращении ввода 5 также вращается непрерывно. При этом, благодаря подшипникам 30 и 31 вращение зубчатого колеса 28 и кулачка 8 может происходить независимо от вращения карусельного держателя, которое происходит только тогда, когда штифт 7 поводка 8 находится в вырезе Мальтийского креста 9, Остальное время поводок своей боковой поверхностью взаимодействует с Мальтийским крестом, препятствуя его вращению. Таким образом, после каждого поворота на 60 карусельный держатель останавливается, прекращаявращение до тех пор, пока штифт поводка снова не войдет в вырез Мальтийского креста, Взаимное разрещение узлов конструкции таково, цто ось захватов 14 и 15 приспособления для разрыва образцов пересекается сосью подвижной штанги 3, когда карусельный держатель прекращает свое вращение. Подвижные штанги 3 постоянно испытывают усилие со стороны пружин 25 фиг.2), находящихся в канале, направленное к оси карусельного держателя. Но смещению штанги обычно препятствует взаимодействие между втулкой 10 и боковой поверхностью кулачка 11, который при вращении карусельного держателя обкатывается втулками 10. Таким образом, радиус дуги, по которой движется образец 1, размещенный в пазе подвижной штанги 3, в каждый момент определяется радиусом кулачка 11 в точке, где его касается втулка 10. Для 1 о15гозо 35 ао 10 упирается в кулачок 8, которыйпрепятствует смещению штанги к осидо тех пор, пока ось образца не совпадет с осью захватов. Именно в этотмомент штифт 7 поводка 6 выйдет извыреза Иальтийского креста 9 и карусельный держатель 4 прекратит своевращение. В следующий момент кулачок8 освободит втулку 1 О и подвижнаяштанга 3 сместится к оси на расстояние, задаваемое изменением радиусакулачка 11, Так как образец своимиголовками находится в вырезах захватов и не может смещаться радиально вместе со штангой, он выскальзывает из паза 2, оставаясь при этом вприспособлении для разрыва, Далеевключается механизм движения нижнегозахвата 14, который движется вниз,натягивая образец, После этого производится механицеское испытание сразрывом образца, которое может сопровождаться нагревом образца донужной температуры. С этой цельюверхний захват 15 делается электрически изолированным от корпуса приспособления для разрыва и соединяется шиной с вакуумным электрицескимвводом. После разрыва верхний обломокостается висеть в вырезе верхнегозахвата 15, а нижний падает плоскостью головки на дно выреза нижнегозахвата 14, устанавливаясь в вертикальном положении поверхностью разрушения вверх (фиг.1), Поскольку масса головки образца намного большеоставшейся после разрыва части, исключается падение обломка на но вырезабоковой поверхностью. Ввод 5 вращается до тех пор, пока толкатель 13 невойдет в вырезы захватов, выталкиваяобломки в каналы направляющих деталей 16 и 17, по которым они транспортируются дальше с помощью того же толкателя. Верхний обломок в промежуточной позиции выпадает из своего канала, попадая в. сборный лоток не показан ). Транспортировка нижнего обломкапроизводится в результате егоскольжения на плоскости головки подну канала направляющей детали 17под действием толкателя, Она заканчивается после того, как обломок попадает в паз 19 манипулятора 18, длячего последний заранее выставляетсяв такое положение, при котором пазперекрывает канал направляющей детали 17, а дно канала и дно паза совпадают по уровню. Длина нижчей направ9799 ляющей 17 задает в основном расстояние от приспособления для разрывадо места, где проводится анализ образца. После заведения обломка в паз19 манипулятора 18 с помощью перемещений, задаваемых координатным столиком манипулятора, расположеннымвне камеры, и передаваемых внутрь спомощью сильфона, производится смещение обломка в позицию для аналиэа. После проведения анализа манипулятор освобождается от обломка спомощью сбрасываталя, который устроен следующим образом. Выше уровнядна паза 19 манипулятора сделан сквоз.15ной канал 20, направление которогосовпадает с одной из осей смещенияманипулятора в горизонтальной плоскости, Имеется сбрасываищий стержень21, который одним своим концом всегда находится в канале 20, а другойего конец прикреплен к детали 22, которая может свободно скользить поцилиндрицеской направляющей 23, которая оасположена в направлении другой гооизонтальной оси манипулятора.При движении манипулятора навстречустержню 21 он выходит из канала 20 впаз 19 и выталкивает обломок в сборный лоток, укрепленный на несущей 5 Остойке манипулятора. Стержень 21 немешает движению манипулятора вдольнаправляющей 23, так как он свободно скользит вместе с деталью 22. Врезультате, после исследования поверхности разрыва паз манипулятораосвобождается от обломка, цто создает возможность многократного использования манипулятора. Поскольку икарусельный держатель также освобождается от образцов, которые были нанем расположены, то возникает воэ"можность многократного использованиявсего комплекса устройства. Один извариантов реализации этой возможности показан на Фиг.3, где представлено схематическое устройство системы передачи образца в камеру с по-.мощью дистанционного шлюзового устройства.50Работа установки с шлюзовым устройством происходит следующим образом,Камера установки изолирэвана от шлюзовой камеры вентилем 32, Назначение шлюзовой камеры состоит в том, цто55 она в открытом состоянии обеспечивает свободный доступ к штоку 33, накотором расположен дернатель 3 ч, ив то же время может быть достаточно 99 10быстро откачана до нужной степени вакуума, так, что открывание вентиля32 не приведет к существенному нарушению вакуума в камере установки,С этой целью шлюзовая камера выполняется обычно намного меньше поразмерам чем камера установки. Пос"ле открывания вентиля 32 шток 33 собразцом вводится в открывшееся отверстие. Рабочая часть образца 1 вводится в паз 2 подвижной штанги 3.Для того, цтобы имело место точноесовмещение штока 33 и подвижной штанги 3, карусельный держатель 4 заранее выставляется в нужное положениес помощью ввода вращения. При поступательном движении штока 33 рабочаяцасть образца вводится в паэ на всюего глубину, после чего вращениемкарусельного держателя образец 1 снимается с держателя штока 3 ч, оставаясь в пазе 2 штанги карусельногодержателя 1. После этого шток 33 выводят из камеры, закрывают вентиль32. Дальнейшая работа с образцомпроизводится так, как было описановыше,В том случае, когда требуетсяисследовать радиоактивные образцы,все операции проводятся аналогично.Если размещение активных образцовпроизводится пои открытой камере установки, то работа дистанционногоустройства аналогична описанной выше для шлюзового устройства, с.тойразницей, что отсутствует шлюзоваякамера.Благодаря размещению образца накарусельном держателе в вертикальных пазах подвижных штанг без дополнительных механических креплений стало . возможным использовать для передачи образцов на карусельный держатель дистанционное устройство. Эторасширяет экспериментальные возможности установки, позволяя применить ее к исследованиям радиоактивных образцов, например образцов, об"лученных в ядерном реакторе, поскольку при загрузке таких образцовв установку исследователь должен находиться от них,как правило, на рас"стоянии 1-1,5 м.Возможность дистанционной передачиобразцов на карусельный держательпозволяет производить замену образцов без вскрытия камеры установкис помощью дистанционного шлюзовогоустройства, что резко повышает эхбек999 12 11 979 тивность работы установки, так как отпадает необходимость длительного обезгаживания и откачки камеры после каждого вскоытия. Формула изобретения Устройство для обработки и перемещения образцов в вакуумной камере, 0 содержащее карусельный держатель и приспособление для разрыва образцов с захватом, имеющим вырез по Форме образца, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения экспериментальных возможностей, устройство снабжено манипулятором, перемещающимся в трех взаимно перпендикулярных направлениях, имеющим в верхней части паз с поперечным сечени-. 20 ем,повторяющий поперечное сечение выреза захвата, а также илеющифл сквозной канал выше уровня дна паза, в который вставлен сбрасывающий стержень, карусельный держатель снабжен 25 радиально подвижными штангами с вертикальными пазами на наружных концах и радиально неподвижными толкателями, в устройство разрыва введенвторой захват, а также введены направляющие детали для каждого захвата с каналами, концентричными осикарусельного держателя, и поперечными сечениями, повторяющими поперечные сечения вырезов захватов, причемрасстояние от центра каналов до осикарусельного держателя равно длинетолкателей.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе.1. СоасР. В 1 чегеСцйЬчап М., КгаЬе Р. В. ВечегыЬ 1111 уо 1 1 еврег ещЬг 1 йС 1 ещепй. Яйцд 1 ез ЬусощЬпей ХР 5 апс АЕ 5. - Асйа вега.1977, ч.25, р.161"1971.2. ИоочЬеас Р.О. МесЬап 1 са 1 ТезС 1 пд 1 и Ьйп Егасйцге деч 1 зе ГогАпдег Е 1 есйгоп 5 рес 1 гозсору. -3.5 с 1 епс.,пзйгцв.1976,й 4 р. 54-59 (прототий 3 .Тираж 887 Пвенного комитета ССС ретений и открытийЖ, Раушская наб.,писн аказ Патент" иал П 9350/34ВНИИПИ Государпо делам из113035, Москва ь Г. КовалевМигунова Корректор М, немчик город, ул. Проектная,