способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 С ₀ 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 _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 , и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (плотностью 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.