СПОСОБ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА НА ОБРАЗЦЫ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO REPRODUCE THERMOMECHANICAL IMPACT OF X-RAY RADIATION OF NUCLEAR EXPLOSION AT SAMPLES OF MATERIALS

Изобретение относится к технике испытаний конструкционных и защитных материалов, многослойных пакетов (структур) с помощью создания кратковременных интенсивных импульсов давления высокоинтенсивным импульсным электронным пучком и может быть использовано для испытаний образцов многослойных материалов на прочность к действию рентгеновского излучения (РИ) ядерного взрыва (ЯВ).
Наибольшую опасность для образцов материалов представляет тепловое и механическое (термомеханическое) действие РИ ЯВ, которое вызывает нагрев, испарение преграды и создает при этом механический импульс давления [1, 2].
Известен способ воспроизведения механического импульса давления РИ, основанный на нанесении и подрыве тонкого слоя бризантного взрывчатого вещества (ВВ) по поверхности испытываемого образца [3]. Недостатками способа являются: трудность реализации по созданию импульса давления малой амплитуды, определяемой критической для детонации толщиной ВВ, и невозможность создания импульса давления малой длительности, соответствующей воздействию РИ.
Также известен способ имитации термомеханического действия РИ ЯВ на образцы материалов по патенту №2366947 от 11.07.2008 г. с помощью контактного закрепления взрываемой фольги на испытываемом образце и разряда импульса электрического тока на фольгу, приводящего к взрыву фольги и нагружению образца механическим импульсом давления взрывной ударной волной. При этом предварительно рассчитывают толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества и удаляют его с поверхности испытываемого образца любым из известных способов, затем проводят неравномерный нагрев по толщине образца контактной электронагревательной пластиной, после чего взрывают фольгу импульсом тока, что позволяет приблизить воспроизводимые условия к натурным. Недостатком данного способа является то, что он не позволяет воспроизвести импульсный объемный нагрев образцов, тем самым смоделировать подобие физических процессов в натуре и модели при формировании термомеханической нагрузки.
2
2
Наиболее близким по технической сущности является способ воспроизведения действия РИ, в котором основным условием имитации термомеханического действия является воспроизведение в облучаемых образцах материалов такого же профиля и темпа энерговыделения с помощью импульсного электронного пучка [4]. Недостаток данного способа воспроизведения состоит в том, что полное воспроизведение энерговыделения в большинстве случаев затруднено, а для многослойных (контактирующих) структур материалов невозможно. Это обусловлено разной зависимостью коэффициента поглощения излучения от атомного номера материала для электронов и РИ, так как чем больше атомный номер материала, тем сильнее он поглощает РИ, а при воздействии электронов с веществом зависимость от материала достаточно слабая [4]. Кроме того, применение данного способа в ряде случаев невозможно, так как воспроизведение профиля функции энерговыделения осуществляется подбором фильтров, которые разрушаются потоком электронов ~10 кал/см, а формировать испарительный импульс давления в материале можно только с использованием интенсивного потока электронов более 10 кал/см.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что не требуется дополнительно изменять толщину нагружаемого образца путем удаления сублимированного слоя вещества, а также слоя, равного толщине лицевых отколов при натурном процессе. Эти слои в способе испаряются (откалываются) в результате взаимодействия потока электронов с поверхностью испытываемого материала (пакета материалов), а замер сообщаемого преграде механического импульса (интеграла импульса давления во времени) проводят с помощью импульсомера.
Технический результат в предлагаемом способе достигается воспроизведением создаваемой нагрузки по критерию равенства создаваемого импульса давления, что позволяет воспроизвести действительную картину термомеханического действия РИ ЯВ. При этом в способе воспроизводится одновременно нагрев облучаемого образца, унос массы мишени и ее механическое нагружение
Способ воспроизведения действия РИ с использованием электронных пучков по условию равенства создаваемого импульса давления отличается от прототипа тем, что в предлагаемом способе масса испарившегося материала преграды, величина и длительность импульса давления будут соответствовать воспроизводимому воздействию. В предлагаемом способе, реализующем объемный нагрев, возможно создание широкого диапазона импульсов давления изменением параметров электронного пучка, при этом величина импульса контролируется импульсомером.
Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1, где показаны: 1 - импульсный ускоритель электронов, 2 - поток электронов, 3 - мишень импульсомера, 4 - образец материала, 5 - измерительный преобразователь импульсомера, 6 - регистратор.
Способ реализуется следующим образом.
Испытываемый образец материала (структуры) устанавливают на мишень импульсомера, облучают образец высокоинтенсивным импульсным пучком электронов с требуемыми параметрами для создания термомеханических эффектов за счет поглощения в материале энергии и замеряют импульс давления, воспроизводимый в этом варианте. Импульс давления замеряется импульсомером.
Реализация данного способа проводилась с использованием установки «Кальмар» РНЦ «Курчатовский институт». Используемая моделирующая установка представляет собой ускоритель электронов и реализует способ воспроизведения по критерию равенства создаваемого импульса давления (фото образца материала после нагружения представлено на фиг.2).
Предлагаемый способ воспроизведения термомеханического действия РИ ЯВ позволяет оценить прочность образцов конструкционных материалов в условиях, максимально приближенных к требуемым, а именно:
- связать воспроизводимый импульс давления с параметрами излучения (спектром, плотностью энергии и длительностью излучения) и свойствами материала (плотностью и энергией сублимации);
- воспроизвести импульсный объемный нагрев в испытываемом материале;
- создать испарительный импульс давления, равный формирующемуся при действии РИ;
- создать ударно-волновые процессы от механического импульса давления, распространяющиеся по испытываемой преграде.
Источники информации
1. Грибанов В.М., Острик А.В., Слободчиков С.С. Тепловое и механическое действие рентгеновского излучения на материалы и преграды // Монография. Физика ядерного взрыва. Т.2. Действие взрыва. - М.: Наука. Физматлит, 1997. С.131-195.
2. Физика ядерного взрыва, Т.2. Действие взрыва. - М.: Наука. Физматлит, 2010. С.344-448.
3. Физика взрыва / Под ред. Орленко Л.П., Т.2. - М.: Физматлит, 2002. С.536-541.
4. Степовик А.П. Термомеханические эффекты в компонентах радиоэлектронной аппаратуры при воздействии импульсов рентгеновского и электронного излучений. Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010 г., стр.245.