СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G01N33/00 

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:

- кривая а - профиль поглощения РИ со средней энергией фотонов в спектре Е_ср=50 кэВ (Плохой В.В. Моделирование переноса быстрых заряженных частиц в задачах радиационной физики. Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ, 2018 г., стр. 83);

- кривая b - профиль поглощения ЭИ со средней энергией электронов Е_ср ~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».

Использование: для моделирования термомеханического воздействия рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый образец облучают высокоинтенсивным импульсным потоком электронов, при этом рассчитывают профили поглощенной энергии в материале образца при воздействии требуемого рентгеновского излучения и используемого электронного, рассчитывают толщину и выбирают материал экрана, который устанавливают перед образцом, размещенным на установке электронного излучения, со стороны излучения, между экраном и образцом размещают демпфирующий элемент и облучают образец. Технический результат: обеспечение возможности максимально достоверного моделирования термомеханических эффектов в исследуемом образце. 3 ил.

Способ моделирования термомеханического воздействия рентгеновского излучения, по которому исследуемый образец облучают высокоинтенсивным импульсным потоком электронов, отличающийся тем, что рассчитывают профили поглощенной энергии в материале образца при воздействии требуемого рентгеновского излучения и используемого электронного, рассчитывают толщину и выбирают материал экрана, который устанавливают перед образцом, размещенным на установке электронного излучения, со стороны излучения, между экраном и образцом размещают демпфирующий элемент и облучают образец.