СПОСОБ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА НА ОБРАЗЦЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК G01N33/00 

Изобретение относится к технике нагрева конструкционных материалов (КМ) с помощью КВЧ-энергии и создания кратковременных интенсивных импульсов давления электровзрывом фольги и может быть использовано для испытаний образцов многослойных материалов на прочность к действию ударных нагрузок ядерного взрыва (ЯВ), в частности рентгеновского излучения (РИ).

Наибольшую опасность для образцов КМ представляет тепловое и механическое (термомеханическое) действие РИ ЯВ, которое вызывает нагрев преграды неравномерно по толщине слоев и создает механический импульс давления [1]. В области максимального энерговыделения начинаются фазовые переходы вещества из конденсированного состояния в газообразное. Образующая смесь жидкость-пар беспрепятственно разлетается навстречу РИ, создавая при этом испарительный импульс давления. В результате образуется ударная волна, распространяющаяся вглубь прогретого материала. Взаимодействие волны разряжения, распространяющейся от свободной поверхности, с полем давления является причиной возникновение растягивающих напряжений, которые приводят к откольным разрушениям [2]. Возникновение лицевых отколов приводит к образованию откольного механического импульса давления, который способен воздействовать на рассматриваемую конструкцию в целом и вызывать различные нарушения ее работоспособности. Формирующийся полный механический импульс давления для облученного материала при действии РИ ЯВ определяется как сумма испарительного и откольного импульсов.

В этой связи становятся актуальными вопросы как адекватного воспроизведения теплового состояния преграды перед импульсным нагруженном, так и сам способ нагружения механическим импульсом давления.

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: неодновременность приложения нагрузки, создаваемой скользящей детонацией тонкого слоя ВВ, 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 генерирования механического импульса электрическим взрывом проводника, заключающийся в том, что заряжают электроразрядную установку, состоящую из конденсаторной батареи емкостью С₀ с собственной индуктивностью L₀ и узла нагрузки, включающего взрываемый проводник (фольгу), и затем разряжают емкость С₀ на узел нагрузки [4, 5]. Недостатком данного способа применительно к действию рентгеновского излучения ЯВ является то, что он не учитывает неравномерный нагрев по толщине преграды от воздействия РИ и возможное уменьшение ее толщины за счет испарения и лицевых отколов. В данном способе отсутствует связь между моделируемым импульсом давления, параметрами излучения (спектральным составом и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (откольной прочностью σ_отк и энергией сублимации Q_S).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ имитации термомеханического действия РИ ЯВ на образцы КМ по патенту №2366947 от 11.07.2008 г., выбранный в качестве прототипа. 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 определяют толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества нагружаемого образца и удаляют с поверхности любым из известных способов, а затем проводят неравномерный нагрев по толщине образца контактной электронагревательной пластиной, что позволяет приблизить воспроизводимые условия к натурным. Однако, конструктивной особенностью испытываемых образцов является их многослойность, при которой каждый из слоев обладает конкретным набором физико-механических характеристик. Недостатком данного способа является то, что он не позволяет воспроизвести неравномерный нагрев по толщине многослойных (неоднородных) образцов, тем самым не воспроизводится подобие физических процессов в натуре и модели при распространении ударной волны в преграде от действия РИ ЯВ и электрического взрыва фольги.

Технический результат изобретения заключается в том, что дополнительно уменьшают толщину образца путем удаления сублимированного слоя вещества, а также слоя, равного толщине лицевых отколов нагружаемого образца при натурном процессе. Толщину удаляемых слоев определяют в результате предварительного расчета взаимодействия РИ с материалом образца, и далее проводят неравномерный нагрев оставшихся слоев материала (воспроизводится температурный профиль за границей сублимации и откола материала) объемным КВЧ-нагревом и поверхностным электроконтактным нагревом.

Технической задачей, решаемой в предлагаемом способе, является неравномерный (послойный) нагрев образца перед электрическим взрывом фольги, что позволяет воспроизвести действительную картину термомеханического действия РИ ЯВ.

В изобретении использован принцип суперпозиции для суммирования температурного поля в материале от электронагрева и КВЧ-нагрева.

Наиболее приемлемым генератором для нагрева является КВЧ-излучатель, при этом происходит объемный прогрев слоев в многослойном образце, приводящий к снижению механической прочности материалов в образце. Нагрев лицевой стороны испытываемого образца проводят с помощью поверхностного контактного нагрева пластиной с током, изменяющегося по заданному закону, максимально приближающего профиль температуры, рассчитанный с использованием экспериментально подобранного коэффициента теплоотдачи пластины к профилю, характерному натурному процессу.

В предлагаемом способе реализуется послойный импульсный нагрев микроволнами высокой интенсивности, при этом энергия передается бесконтактно. Схема, реализующая способ, включает облучаемый образец, фольгу и КВЧ-генератор. Использование взрываемой алюминиевой фольги в качестве отражающего экрана позволяет увеличить температуру нагрева образца за счет обратного прохождения КВЧ-излучения через образец.

В способе, реализующем объемный и поверхностный нагрев, возможно создание широкого диапазона градиентов температур по толщине многослойного материала изменением схемы нагрева: 1 схема - одновременный электроконтактный и КВЧ-нагрев; 2 схема - предварительный КВЧ-нагрев, а затем электронагрев; 3 схема - электронагрев, а затем КВЧ-нагрев.

При достижении в образце заданного распределения температуры (контролируется по показаниям тепловизора или пирометра) через взрываемую фольгу пропускают импульс электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению объекта импульсом давления от взрывной ударной волны.

Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1, где показаны: 1 - электроразрядная установка емкостью С1, индуктивностью L1, сопротивлением R1 и коммутирующий разрядник K1; 2 - блок нагружения, включающий плоскую металлическую фольгу; 3 - элетронагреватель, включающий нагреваемую пластину, источник питания Е, ключ K2, амперметр А, и реостат R2, 4 - КВЧ-генератор.

Способ реализуется следующим образом.

Вначале снимают с образца унесенные слои, устанавливают и закрепляют взрываемую фольгу в блоке нагружения 2, осуществляют заряд накопительной емкости C1 электроразрядной установки 1, одновременно (или раздельно) объемно нагревают с тыльной стороны образец КВЧ-излучением от рупорной антенны КВЧ-установки (при этом алюминиевая фольга используется для отражения излучения и повторного прохождения излучения через материал) и с лицевой стороны образца (пропускают по пластине ток с заданным законом изменения плотности, регулируя его величину реостатом R2), затем проводят разряд электроразрядной установки 1 на взрываемую фольгу.

Реализация разработанного способа проводилась с использованием установок «ФБУ 12 ЦНИИ Минобороны России»: источника КВЧ-излучения с характеристиками: несущая частота 34 ГГц (длина волны 8,8 мм), максимальная импульсная мощность 3 КВт, длительность импульса (10-50)·10^-6 с и электоразрядной установки «Зенит-К» с характеристиками:

емкость установки C=288 мкф, индуктивность разрядного контура L=5 мкГн, сопротивление разрядного контура R=23 мОм, а также нагревателя «Контакт» с характеристиками: материал пластины - нихром, площадь нагрева 5×5 см², максимальный пропускаемый ток - 10 А. Использование излучения КВЧ-диапазона с короткой длиной волны излучения позволяло равномерно (без мертвых зон) нагревать слои испытываемых материалов. На фиг, 2 показан требуемый профиль температуры по глубине преграды, устанавливающийся при действии спектра РИ ЯВ (пунктирная линия) и его воспроизведение предлагаемым способом объемного и поверхностного нагрева (сплошная линия), где 1 - нагрев от КВЧ-генератора, 2 - нагрев от контактного электронагревателя, 3 -результирующее значение температуры в испытываемом образце. По результатам расчетов и экспериментов по данному способу установлено, что за счет изменения физико-механических свойств материала при повышенных температурах импульс давления, безопасный для холодного образца, вызывает его разрушение при температурах, характерных для воздействия РИ в натурных процессах.

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 (длиной волны λ, и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (плотностью ρ и энергией сублимации Q_S);

- уменьшить толщину испытываемого образца за счет сублимации и лицевых отколов материала в натурном процессе;

- воспроизвести объемный неравномерный нагрев, приближающий распределение температуры (градиент температуры) в испытываемом материале к требуемому, причем температура во внутреннем слое образца может быть выше, чем в слое на лицевой поверхности испытываемой преграды;

В предлагаемом способе повышается эффективность полного использования КВЧ-энергии за счет поглощения как падающей, так и отраженной волн, т.е. обеспечивается двусторонний нагрев слоев в образце тем самым эффективность использования КВЧ-установок. Способ позволяет получить результирующее действие на испытываемом образце от пространственного КВЧ-нагрева и поверхностного электронагрева. Данный способ обеспечивает равномерное объемное распределение температурного поля в тонких слоях диэлектрических образцов, исключает «мертвые зоны» при КВЧ-нагреве материалов, устраняет так называемый «полосатый» эффект и позволяет оценить влияние ожидаемого теплового действия на прочностные характеристики элементов конструкции по результатам испытаний образцов материалов.

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. Герасимов А.И., Золотев В.А., Кульгавчук В.В. Электровзрывной имитатор ударного нагружения при воздействии на вещество интенсивного импульсного излучения // Вопросы атомной науки и техники. / Серия физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып.3-4. 2005. С.97-101.

5. Павловский А.И., Кашинцов В.И., Глушак Б.Л., Новиков С.А. Генерирование механического импульса электрическим взрывом проводника. // Физика горения и взрыва. 1983. Т.19. №3. С.124-126.

Использование: для испытаний образцов многослойных материалов на прочность к действию ударных нагрузок ядерного взрыва, в частности рентгеновского излучения. Сущность: заключается в том, что выполняют предварительное определение толщины сублимированного слоя материала и его удаление, закрепление взрываемой фольги на испытываемый образец, а также неравномерный контактный нагрев материала электронагревателем, разряд через электропроводящую фольгу импульса электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны, при этом дополнительно определяют и проводят удаление слоя материала, равного толщине лицевых отколов, а также производят объемный нагрев материала образца КВЧ-излучением и поверхностный - электронагревателем. Технический результат: обеспечение возможности воспроизведения действительной картины термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов. 2 ил.

Способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов, включающий предварительное определение толщины сублимированного слоя материала и его удаление, закрепление взрываемой фольги на испытываемый образец, а также неравномерный контактный нагрев материала электронагревателем, разряд через электропроводящую фольгу импульса электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны, отличающийся тем, что дополнительно определяют и проводят удаление слоя материала, равного толщине лицевых отколов, а также производят объемный нагрев материала образца КВЧ-излучением и поверхностный - электронагревателем.