СПОСОБ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА НА ОБРАЗЦЫ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N33/00 

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.

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/см², а формировать испарительный импульс давления в материале можно только с использованием интенсивного потока электронов более 10 кал/см².

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.

Использование: для испытаний образцов многослойных материалов на прочность к действию рентгеновского излучения (РИ) ядерного взрыва (ЯВ). Сущность: испытываемый образец материала устанавливают на мишень импульсомера, облучают образец потоком электронов по критерию равенства импульса давления, сообщаемого преграде из конструкционного материала действием потока электронов и рентгеновского излучения, и замеряют импульс давления. Технический результат: обеспечение возможности оценки прочности образцов конструкционных материалов в условиях, максимально приближенных к требуемым. 2 ил.

Способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы материалов, включающий облучение материала высокоинтенсивным импульсным пучком электронов, отличающийся тем, что испытываемый образец материала устанавливают на мишень импульсомера, облучают образец потоком электронов по критерию равенства импульса давления, сообщаемого преграде из конструкционного материала действием потока электронов и рентгеновского излучения, и замеряют импульс давления.