СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR SIMULATION OF THERMOMECHANICAL IMPACT OF X-RAY RADIATION

Изобретение относится к области исследования материалов, конструкций и приборов, а именно к способам моделирования воздействия рентгеновского излучения (РИ) и может быть использовано для исследований и испытаний материалов, конструкций, электрорадиоизделий (ЭРИ) и приборов на указанное воздействие.
В настоящее время из-за прекращения натурных испытаний проведение работ с мощным импульсным РИ невозможно. Способы прямого экспериментального моделирования РИ существенно ограничены по необходимой плотности энергии и площади потока энергии.
При исследованиях и испытаниях материалов, конструкций или ЭРИ на подтверждение требований по стойкости к термомеханическому воздействию РИ может использоваться индукционный нагрев (п. США №5993058 G01N 3/18, опубл. 1995 г. ) или пучки электронов импульсных ускорителей (п. РФ №2503958, МПК G01N 33/00, опубл. 2014 г. ) или взрыв фольги на образце (п. РФ №2366947, опубл. 2008 г.).
При этом имитация термомеханического воздействия РИ с помощью электронного излучения (ЭИ) импульсных ускорителей более достоверная, так как скорость ввода энергии и профили поглощенной энергии в образце при воздействии электронного потока ближе всего к скорости ввода и профилю поглощенной энергии РИ.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва (ЯВ) на образцы материалов (п. РФ №2503958, МПК G01N 33/00, опубл. 2014 г. ), в котором испытываемый образец материала устанавливают на мишень импульсомера, облучают высокоинтенсивным импульсным потоком электронов и замеряют импульс давления. Используемая моделирующая установка представляет собой ускоритель электронов и реализует способ воспроизведения по критерию равенства создаваемого импульса давления.
Указанный 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.
Однако:
При данном способе моделирования не реализуется существенная составляющая процесса облучения, а именно - профиль поглощенной энергии в образце. От профиля поглощения энергии зависит степень адекватности моделирования термомеханических эффектов в образце.
Для РИ зависимость поглощенной энергии от толщины носит строго убывающий характер по закону, близкому к экспоненциальному. При поглощении электронов ускорителей сначала наблюдается рост поглощенной энергии, а затем резкое убывание. Такая разница в профилях поглощенной энергии не позволяет моделировать, в первую очередь, термомеханические эффекты, возникающие при воздействии РИ.
Задача, на решение которой направлено изобретение - воспроизведение воздействия рентгеновского излучения с максимально приближенным профилем поглощенной энергии.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - максимально достоверное моделирование термомеханических эффектов в исследуемом образце.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе моделирования термомеханического воздействия рентгеновского излучения исследуемый образец облучают высокоинтенсивным импульсным потоком электронов, при этом сначала рассчитывают профили поглощенной энергии в материале образца при воздействии требуемого рентгеновского излучения и используемого электронного, выбирают материал и рассчитывают толщину экрана, который устанавливают перед образцом, размещенным на установке электронного излучения, со стороны излучения, между экраном и образцом размещают демпфирующий элемент и облучают образец.
Всей совокупностью перечисленных признаков обеспечивается максимально достоверное моделирование термомеханических эффектов в исследуемом образце. Этого добились за счет следующего: в установленном перед образцом экране поглощается та часть ЭИ, которая отвечает за первоначальный рост поглощенной энергии в образце; через экран и демпфирующий элемент проходит, а затем поглощается в образце, та часть ЭИ, которая отвечает за убывающий характер поглощенной энергии, близкой по форме к поглощенной энергии при воздействии РИ. Демпфирующий элемент исключает взаимодействие экрана и образца в процессе облучения.
Все это позволяет достичь приближения профилей поглощенной энергии ЭИ в образце к профилю поглощенной энергии РИ при относительно схожих скоростях ввода этой энергии.
На фиг. 1 представлена схема реализации предложенного способа.
На фиг. 2 представлены профили поглощения РИ и ЭИ.
На фиг. 3 представлен пример расчета.
Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1, где показаны: 1- импульсный ускоритель электронов, 2 - поток ЭИ, 3 - экран, 4 - демпфирующий элемент, 5 - исследуемый образец.
Согласно предлагаемому способу рассчитывают профили поглощенной энергии в материале исследуемого образца при воздействии требуемого РИ и используемого ЭИ. Как правило, они существенно отличаются в своих начальных частях (фиг. 2).
На фиг. 2:
ср
- кривая а - профиль поглощения РИ со средней энергией фотонов в спектре Е=50 кэВ (Плохой В.В. Моделирование переноса быстрых заряженных частиц в задачах радиационной физики. Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ, 2018 г., стр. 83);
ср
- кривая b - профиль поглощения ЭИ со средней энергией электронов Е ~2 МэВ в слое никеля (Степовик А.П. Термомеханические эффекты в компонентах радиоэлектронной аппаратуры при воздействии импульсов рентгеновского и электронного излучений. Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010 г., стр. 131).
Далее выбирают материал и рассчитывают требуемую толщину экрана таким образом, чтобы профиль поглощенной энергии ЭИ, частью поглотившегося в экране, приблизился к профилю поглощенной энергии при воздействии РИ. Для упрощения задачи материал экрана следует выбирать из того же материала, что и образец.
Исследуемый образец 5 размещают на установке ЭИ 1, перед образцом устанавливают экран 3 со стороны излучения. Между экраном и образцом размещают демпфирующий элемент 4. Образец облучают высокоинтенсивным импульсным потоком 2 электронов.
Для обоснования возможности реализации предложенного способа были проведены расчеты поглощения РИ и ЭИ в слое никеля толщиной 0,15 см, после прохождения ЭИ через экран, состоящий из никеля толщиной 0,03 см, а также демпфер, состоящий из 10 мм полиэтилена.
Согласно расчету, профиль поглощения энергии в образце при воздействии ЭИ установки будет скорректирован прохождением через экран. При этом профиль поглощения энергии ЭИ (кривая b, фиг. 3) в образце после прохождения экрана существенно приблизится к профилю поглощения при воздействии РИ (кривая а, фиг. 3).
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании способа по заявляемому изобретению следующей совокупности условий:
- процесс, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования при экспериментальных исследованиях ЭРИ и материалов на моделирующих установках, обладающих высокоинтенсивным импульсным пучком электронов;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».