Введение к работе
Диссертация является продолжением работ по исследованию свойств твердых тел npji мощных радиационных воздействиях, выполненных а лабораториях нелинейно» физики Института сильноточной электроники ('О РЛІІ и Томского политехнического университета, и посвящена исследованию нэгпбних волн, возбуждаемых в твердых телах плотными импульсными электронными пучками, их применению для измерения термомеханцче-ских параметров материалов н выяснению роли этой акустической моды в явлении хрупкого разрушения твердых диэлектриков электронными пучками.
Актуальность проблемы. Создание мощных импульсных источников радиации — сильноточных ускорителей и лазеров ;— привело к существенному прогрессу техники исследования механических свойств твердых тел. Появилась возможность генерировать бесконтактным способом динамические механические поля с амплитудой И)5 -~ К)" На и длительностью 1()~12-і- 10~7с и выделять в чистом виде их элементарные составляющие, в частности, продольные,'сдвиговые, изгиб>1ые„по»срхностные волны Выло "установлено, что возникающие акустические поля, во-первых, оказывают сильное влияние на многие быстропротекающие процессы в твердых телах при мощном радиационном воздействии, во-вторых, являются удобными для применения в неразрушаюших испытаниях материалов «носителями информации» как о механически», так и о теллофнзнческнх параметрах твердых тел, а также об их структуре. Отсюда интерес к исследованию, в котором, как правило, приходится'взлясиять механизмы грех основных процессов: генерации акустических волн, их эволюции и взаимодействия с электронными возбуждениями и структурными дефектами.
В силу ряда причин акустическое излучение твердых тел под действием импульсных лазерных пучков в настоящее время изучено гораздо более подробно, чем пол действием мощных пучков заряженных частиц (в частности, электронных). Практически, объектом экспериментальных и теоретических исследований а этой области до сих пор были продольные волны и, отчасти, сдвиговые, а об остальных модах, в том числе, и об изгиб-H1.1X, имелась лишь косвенная информация, полученная в экспериментах по хрупкому разрушению твердых тел электронными пучками [1 б].
Предпринятое в работе исследование изгнбиых поли частично восполняет этот пробел и позволяет получить более полную информацию и структуре н свойствах акустических полей, генерируемых в твердых телах плотными импульсными электронными пучками.
Цоль работы — теоретическое исследование изгнбных волн, возбуждаемых в твердых телах плотными импульсными электронными пучками.
Конкретные задачи работы
-
Теоретически исследовать свойства изгнбных волн, возбуждаемых в пластинах и стержнях плотными импульсными электронными пучками.
-
Найти условия, оптимальные для экспериментального наблюдения изгнбных волн, возбуждаемых плотным наносекуидным электронным пучком, и исследовать возможность их применения для измерения механических и теплофизических констант твердых тел.
.1. Исследовать вклад термоупругих нагибных волн в эффект хрупкого разрушения диэлектриков импульсными электронными пучками.
Научная новизна работы
1. Ннервые выполнен теоретический расчет изгнбных волн, возбуждае
мых в твердых телах плотными импульсными электронными пучка
ми, изучены их свойства и найдены условия эксперимента, в которых
методом лазерной интерферометрии можно одновременно наблюда-
- ють два вида волн акустической разгрузки твердых тел, облученных плотным импульсным пучком электронов: объемные продольные и изгнбные.
2. Показано, что в микросекундном интервале длительностей воздей
ствия плотных электронных пучков основной вклад в разрушение
твердых диэлектриков вносит взаимодействие трещин с изгибными
волнами, возникающими непосредственно из-за неоднородного бы
строго нагрева образца. Ранее считалось, что разрушение твердых
'диэлектриков под действием электронного пучка с длительностью десятки-сотни микросекунд обусловлено взаимодействием трещин с собственными акустическими модами, возбуждающимися в результате эволюции первичных продольных воли.
3. Разработан новый эффективный бесконтактный метод измерения
констант упругости и параметров Грюпайзена твердых тел, имею
щий ряд преимуществ по.сравнению с существующими.
I
Практическая значимость работы
1. Полученные в работе результаты дополняют имеющиеся данные о
формировании и эволюции термомеханических полей в твердых те
лах, облучаемых плотными импульсными электронными пучками.
Это позволит с большей точностью прогнозировать поведение твер
дых тел в условиях мощных радиационных воздействий, например,
изменение структуры и свойств конструкционных материалов при
импульсной электронно-лучевой обработке,
2. Разработан метод^измерения констант упругости и параметров Грю-
найзена твердых материалов, основанный на лазерной интерферо
метрии продольных и изгибных волн, возбуждаемых плотным на-
носекундным пучком электронов. Тестирование показало примени
мость метода для измерения параметров широкого круга материалов,
включая «трудные» для механических и тешюфнзнческих испытаний композиты, а также материалы с малыми (много меньшими единицы) значениями параметров Грюнайзена.
Защищаемые положения
-
Результаты первого теоретического расчета изгибных волн, возбуждаемых в твердых телах мощными импульсными пучками электронов, который выявил следующие свойства изгибных волн, подтвержденные экспериментально: амплитуда пропорциональна первому моменту продольного распределения дозы и специфически сильно зависит от геометрических размеров облученной области и всего образца; амплитуды смещений в изгибных волнах превышают амплитуды смещений в продольных акустических импульсах в десятки и сотни раз; направление прогиба определяется положением центра продольного распределения дозы относительно срединной поверхности образна; изгибные волны квазипериодичны.
-
Теоретически найденные условия эксперимента, наиболее благоприятные для наблюдения изгибных волн в чистом виде.
3. Новый метод измерения констант упругости и параметроп Грюнайзена твердых тел, основанный на совместном использовании результатов теоретического расчета и лазерной, интерферометрии смешений в 'продольных и изгибных волнах, генерируемых мощным электронным пучком наносекундной длительности.
'1. Определяющий вклад и хрупкое разрушение твердых диэлектриком плотными импульсными электронными пучками длительностью 10~5 ... 10"3с вносит взаимодействие изгнбных волн с трещинами.
Апробация работы*. Основные результаты работы доложены и обсуждены па IX Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Пермь — Москва, Россия, 1992 г.); сессии научного Совета РАН по проблеме «Радиационная физика твердого тела» (Екатеринбург — Заречный, Россия, 1993 г.); VIII и IX Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалом (Томск, Россия, 1993, 1996 г.г.); X Международной конференции по мощным пучкам частиц (Сан Диего, Калифорния, США, 199'1); II Международной конференции по физике объемного заряда в твердых диэлектриках (Литнб — Жуан-ле-Пан, Франция, 19і)Г)г.);Х Международной конференции IEEE по мощной импульсной технике (Лльбукерк, Пью Мексико, США, 1995 г.); конкурсе молодых ученых ИСЭ СО РАН 1996 года; научных семинарах ИСЭ СО РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела «Основные результаты и выводы» и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 121 страница. Из них основной текст с 20 рисунками и 3 таблицами занимает 107 стр., синеок литературы из 96 наименовании — 11 стр., оглавление — 2 стр., титульный лист — 1 стр.
