Способ моделирования термомеханического воздействия рентгеновского излучения

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.

 

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».

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.