УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ОТДАЧИ

Область техники
Устройство относится к измерительной технике регистрации быстропротекающих процессов в динамических исследованиях, технике ускорителей и может быть использовано в области исследования взаимодействия сильноточного пучка электронов с материалами (металлами и их сплавами).
Уровень техники
Исследования взаимодействия сильноточного пучка электронов с различными материалами являются актуальными как с точки зрения фундаментальных проблем, так и для решения прикладных задач. Однако для правильной интерпретации результатов и возможности сравнения расчетов с экспериментами необходимо знать долю энергии пучка, прошедшую на изменение внутреннего состояния вещества мишени (возбуждение ударных волн, нагрев и т.д.) и параметров разлетающейся плазмы (нагрев, возбуждение, ионизацию и т.д.), а также кинетическую энергию вещества, испаренного с облучаемой поверхности мишени. Проще всего это сделать, измерив механический импульс, переданный узлу мишени как целому, и определив массу испаренного вещества. Таким образом, механический импульс отдачи является важной характеристикой, позволяющей судить об эффективности воздействия сильноточного пучка электронов на вещество.
Известно устройство для облучения образцов материалов электронами (патент на изобретение RU 2639767), в котором для удержания облучаемого образца материала имеется держатель образцов, охлаждаемый водой, которая поступает и отводится по трубкам водоохлаждения. Конструкция самого держателя подробно не раскрывается.
Известен держатель для облучения образцов заряженными частицами (патент на полезную модель РФ 186334) предназначенный для создания конкретной формы локального облучения материала в процессе его облучения ускоренными заряженными частицами. Держатель состоит из ложемента с расположенными в нем отверстиями и двухсторонней площадкой для образцов и прижимной пластины с расположенными в ней отверстиями и проточками, выполненными в виде плоскопараллельных пластин цилиндрической формы. В прижимной пластине выполнены четыре отверстия, размеры и конфигурация которых соответствует заданной форме локального облучения, а также три резьбовых отверстия для соединения ее с ложементом и три отверстия для присоединения к источнику излучения.
Данный держатель является вспомогательной частью оборудования ускорителей, разработан индивидуально под имеющийся в наличии ускоритель и конкретную научную задачу.
Известен способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы материалов (патент на изобретение РФ 2503958), при реализации которого показана схема установки для испытаний образцов многослойных материалов на прочность к действию рентгеновского излучения ядерного взрыва. 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.
Однако детальные конструкции составных элементов установки подробно не раскрываются.
Сравнительный анализ методов определения импульса отдачи при лазерной абляции твердотельных мишеней приведен в статье (Е.Ю. Локтионов, Ю.С. Протасов, Ю.Ю. Протасов «Верификация методов определения импульса отдачи», Успехи прикладной физики, 2013, том 1, №4, стр. 439-449), в которой для регистрации импульса отдачи предложено использовать пьезоэлектрические датчики силы.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической проблемой, решаемой полезной моделью является создание компактного, автономного, универсального устройства, позволяющего определять механический импульс отдачи, возникающий при коротком времени воздействия какой-либо силы на исследуемый образец.
Техническим результатом полезной модели является определение амплитуды колебаний, возникающей в процессе воздействия сильноточного электронного пучка на исследуемый образец.
Для достижения технического результата предложено устройство для измерения механического импульса отдачи, состоящее из металлического корпуса внутри которого с двух сторон обечайками и уплотнительной гайкой зажат металлический диск, к которому присоединены пьезодатчик и оправка с исследуемым образцом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показано устройство для определения механического импульса отдачи, а на фиг. 2 принципиальная схема эксперимента, где:
1 - металлический диск;
2 - обечайки;
3 - уплотняющая гайка;
4 - металлический корпус;
5 - исследуемый образец;
6 - оправа;
7 - пьезодатчик.
8 - камера ускорителя;
9 - дистиллированная вода;
10 - изолятор;
11 - катод;
12 - анодный узел.
На фиг. 3 представлено фото металлического диска с присоединенными к нему пьезодатчиком и оправкой с исследуемым материалом.
На фиг. 4 представлена характерная осциллограмма испытаний.
Осуществление полезной модели
Устройство для измерения механического импульса отдачи показанное на фиг. 1 содержит металлический диск 1, зажимаемый по периферии с двух сторон обечайками 2 и уплотняемый гайкой 3, вкручивающейся в металлический корпус 4, который, в свою очередь, вкручивается в выходное отверстие вакуумной камеры, образуя диодный узел камеры ускорителя 8. Исследуемый образец 5 в виде диска диаметром 38 мм помещается в оправку 6. При коротком времени воздействия какой-либо силы (электронного пучка) на образец металлический диск начинает колебаться и амплитуда колебаний регистрируется с помощью пьезодатчика 7, подключенного к осциллографу (на фиг. 2 не показан). Схема эксперимента приведена на фиг. 2.
Период колебаний металлического диска 1 описывается формулой 1:
где:
Т - период колебаний металлического диска, с
D - диаметр диска, м;
d - толщина диска, м;
3
ρ - плотность материала диска кг/м,
Е - модуль Юнга материала диска, Па.
Для правильной работы такого датчика необходимо выполнить условие (2) для периода колебаний Т:
где:
0
τ - длительность импульса отдачи, с.
Диск будет обладать большим периодом колебаний при меньшей толщине (из формулы (1), диаметр постоянен), условие (2) выполняется.
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.
Толщина диска из нержавеющей стали варьируется от 1,15 до 1,50 мм, диаметр составляет 90 мм. Внешний вид диска 1 с закрепленными на нем пьезодатчиком 7 типа MSP6915-ND серии SENSOR MINISENSE 100 VERTICAL.7 и электрическим разъемом (на фиг. 1 не показан) представлен на фиг. 3.
Сигнал с пьезодатчика 7 регистрируется осциллографом «Тектроникс TDS 2024» (на фиг. 2 не показан), характерная осциллограмма испытаний с которого показана на фиг. 4.
Таким образом, данное устройство позволяет измерять импульс отдачи.
Преимуществами устройства являются: простота конструкции, возможность присоединения к различным ускорителям (при подборе необходимого диаметра выходного отверстия) как в условиях вакуума, так и в условиях атмосферы, использование промышленного пьезодатчика 7 с подавлением высокочастотных шумов, что особенно актуально для ускорительной техники.