СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОНОГРАФИИ
METHOD OF MATERIAL ANALYSIS AT SHOCK WAVE LOADING BY MEANS OF PROTONOSCOPY

Изобретение относится к области исследования материалов радиографическими методами, в частности к способам исследования материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии, который может быть использован для исследования уравнений состояния материалов, например, во взрывных экспериментах. С помощью предложенного способа в исследуемом образце можно измерить скорость распространения ударной волны, массовую скорость и плотность материала за фронтом ударной волны (прямой и отраженной).
Известен способ исследования материалов при ударно-волновом нагружении, включающий взрывчатое вещество (ВВ), ударник, исследуемый материал, рентгеновскую установку и систему регистрации [Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Монография под общей редакцией д.ф.м.н. М.В.Жерноклетова. Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003, стр.49]. Ударник разгоняют с помощью ВВ, затем его сталкивают с исследуемым материалом. С помощью многокадровой импульсной рентгеновской установки проводят регистрацию изображения исследуемого материала и ударной волны в нем. Существующий рентгенографический комплекс на базе трех бетатронов позволяет получать до 9 кадров. Недостаток этого способа в относительно низкой точности. Это связано с тем, что существующая рентгеновская установка, работающая на базе БИМ234.3000 [Павловский А.И., Кулешов Г.Д., Склизков Г.В. и др. Сильноточные безжелезные бетатроны // Докл. АНСССР. 1965. Т 160, №1. С 68-70], при многокадровом режиме работы имеет относительно большую длительность импульсов. Первый импульс имеет длительность 200÷250 нс, второй 120÷160 нс, третий 100÷110 нс. Для того чтобы сохранить систему регистрации при воздействии на нее осколков, необходимо размещать ее на 2-3 м от исследуемого образца. Кроме этого, сам источник имеет конечные размеры. Наличие данных факторов приводит к существенному размытию изображения исследуемого образца и формы ударной волны и, как следствие, к ухудшению точности измерения параметров материала. Необходимо усовершенствовать способ с целью получения в одном эксперименте не менее 15 кадров с изображением исследуемого материала в протонах. После обработки полученной информации методами одноракурсной томографии будет получена скорость распространения ударной волны, массовая скорость за фронтом ударной волны, плотность материала за фронтом ударной волны.
Известен другой способ, позволяющий исследовать аналогичные характеристики материалов [Physical Review B 77, 220101 (R) (2008) Proton radiography and accurate density measurements: A window into shock wave processes. P.A.Rigg, C.L.Schwartz, R.S.Hixson, G.E.Hogan, K.K.Kwiatkowski, F.G.Mariam, M.Marr-Lyon, F.E.Merrill, C.L.Morris, P.Rightly, A.Saunders, and D.Tupa. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico 87545, USA_Received 4 February 2008; published 5 June 2008], включающий разгон ударника, с помощью которого формируют в исследуемом образце ударную волну, просвечивание исследуемого образца пучком протонов, ускоряемых в синхрофазотроне, регистрацию протонных изображений, в том числе формы ударной волны, при подлете ударника к образцу и за время прохождения по нему ударной волны с помощью многокадровой системы, определение скорости распространения ударной волны с последующим восстановлением трехмерной геометрии образца с помощью методов малоракурсной томографии и проверки уравнения состояния. Для осуществления данного способа используют ускоритель протонного пучка с энергией 800МэВ, газовую пушку и многокадровую систему регистрации протонных изображений. Использование малоракурсной томографии для обработки протонных изображений позволяет определять плотность вещества за фронтом ударной волны с точностью не менее 0.5%.
Недостаток способа состоит в его низкой точности при регистрации процессов в оптически толстых средах при исследовании таких материалов, как плутоний, уран, вольфрам, свинец. Уменьшение диаметра образцов приводит к существенному искажению фронта ударной волны из-за боковой разгрузки. Недостаток обусловлен относительно низкой энергией протонов. Другой недостаток заключается в том, что невозможно определить скорость материала за фронтом ударной волны и это приводит к ухудшению точности сравнения расчета и эксперимента.
Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении его функциональности путем обеспечения возможности исследования более широкого класса материалов и их толщин и расширения диапазона скоростей ударных волн, в пределах которого проводятся измерения параметров уравнений состояния материалов.
Данный технический результат достижим за счет того, что в способе исследования материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонографии, включающем разгон ударника, с помощью которого формируют в исследуемом образце ударную волну, просвечивание исследуемого образца пучком протонов, ускоряемых в синхрофазотроне, регистрацию протонных изображений, в том числе формы ударной волны при подлете ударника к образцу и за время прохождения по нему ударной волны с помощью многокадровой системы, определение скорости распространения ударной волны с последующим восстановлением трехмерной геометрии образца с помощью методов малоракурсной томографии и проверки уравнения состояния, дополнительно регистрируют массовую скорость и плотность материала за фронтом ударной волны, при этом ускорение протонов осуществляют до энергии не менее 20 ГэВ, а ударник разгоняют с помощью порохового заряда либо заряда взрывчатого вещества (ВВ), причем варьирование скорости ударника производят за счет изменения количества используемого заряда.
В заявляемом способе физической основой для обеспечения получения данных для исследуемого материала с высокой точностью служит существенно более высокая энергия используемых протонов, не менее 20 ГэВ. В этом случае относительное уменьшение энергии протона из-за многократного кулоновского рассеяния, ядерного взаимодействия и потерь на ионизацию меньше. Это приводит к уменьшению хроматической аберрации протонов при использовании магнитной оптики. Использование различных навесок пороха и ВВ позволяет варьировать в широких пределах скорость ударника. Это позволяет проводить тестирование уравнения состояния в широком диапазоне. Использование специальных взрывозащитных камер позволяет проводить исследования в непосредственной близости от синхрофазотрона.
Измерение скорости движения материала за фронтом ударной волны позволяет получить полный набор газодинамических параметров, необходимых для расчетов газодинамики. Скорость ударной волны, плотность за фронтом ударной волны, скорость за фронтом ударной волны и уравнение состояния позволяют однозначно определить все параметры вещества.
Предлагаемый подход, основанный на просвечивании исследуемого материала протонами большей энергией (не менее 20 ГэВ вместо 800 МэВ), приводит к увеличению максимальной оптической толщины без ухудшения качества просвечиваемого материала. Использование пороха, ВВ, газовой взрывчатой смеси делает узел для метания ударника одноразовым и достаточно компактным для того, чтобы разместить его во взрывозащитной камере (ВЗК).
На чертеже схематично изображена система для получения параметров уравнения состояния исследуемого образца, где 1 - труба, 2 - заряд ВВ, 3 - воздушный зазор, 4 - ударник, 5 - защитный экран, 6 - база полета ударника, 7 - исследуемый образец, 8 - отбойник, 9 - взрывозащитная камера, 10 - источник протонов, 11 - система регистрации.
В качестве примера конкретной реализации, позволяющего осуществить предлагаемый способ, может служить устройство, которое выполнено на основе действующего синхрофазотрона У-70, построенного в г.Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с.32-42], и включает камеру ВЗК, систему регистрации и динамические макеты, содержащие ВВ (исследуемые опытные образцы). Система регистрации состоит из сцинтиллятора, зеркала и цифровых камер. Полученная информация в электронном виде отправляется на компьютер. Разгонное устройство представляет собой заряд ВВ и метаемую пластинку (ударник), размещенную в трубе.
Способ может быть реализован при исследованиях, связанных с определением свойств материалов при ударно-волновом нагружении.
Способ осуществляется следующим образом. С помощью ВВ 2 в трубе 1 разгоняют ударник 4, который бьет по исследуемому образцу 7. Подбирая количество ВВ и базу полета, добиваются необходимой скорости ударника и профиля его плотности. После того как ударник 4 подлетит к образцу 7 и ударит его, по образцу и отбойнику 8 пойдет ударная волна. Стадию подлета, положение фронта ударной волны и движение границы определяют с помощью протонной радиографии. Протоны для просвечивания от источника 10 подаются сгустками через строго определенные интервалы времени, что позволяет сделать несколько кадров системой регистрации 11 за время движения ударной волны по образцу. Изображения ударника и исследуемых образцов восстанавливаются с помощью методов малоракурсной томографии. Эта процедура имеет существенное значение, поскольку из-за боковых разгрузок происходит уширение фронта ударной волны, что приводит к снижению точности определения плотности и скорости материала за фронтом ударной волны. Используя многокадровость, определяют скорость движения ударной волны и массовую скорость за ее фронтом. После восстановления трехмерной геометрии образца получают плотность материала за фронтом ударной волны.