Введение к работе
Диссертация является продолжением работ по исследованию свойств твердых тел при мощных радиационных воздействиях, выполненных в лабораториях нелинейной физики Института сильноточной электроники СО РАН и Томского политехнического университета, и посвящена экспериментальному исследованию изгибных волн, генерируемых в тонких пластинах и стержнях плотным электронным пучком наносекундиой длительности. Разработанная автором лазерно-интерферометрическая методика позволила экспериментально обнаружить генерацию изгибных волн и определить нх свойства.
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 105 -f- 10пПа и длительностью Ю-12 -г Ю"7 с, выделять и изучать в чистом виде их элементарные составляющие: продольные, сдвиговые, изгибные, поверхностные волны. Важность таких исследований состоит в том, что возникающие акустические поля, во-первых, оказывают сильное влияние на многие быстропротека-ющие процессы в твердых телах при мощном радиационном воздействии, во-вторых, являются удобными для применения в неразрушающих испытаниях материалов «носителями информации» как о механических, так и о теплофизических параметрах твердых тел, а также об их структуре. В таких работах, как правило, приходится выяснять механизмы трех основных процессов: генерации акустических воли, их эволюции и взаимодействия с электронными возбуждениями и структурными дефектами. Актуальность работы обусловлена тем, что в силу ряда причин объектом экспериментальных исследований в радиационной акустике, применительно к электронным воздействиям, были лишь продольные волны и, отчасти, сдвиговые, а об остальных модах, в том числе и об изгибных, имелась лишь косвенная информация, полученная в экспериментах по хрупкому разрушению твердых тел электронными пучками [1-6]. Используемые методики измерений акустических полей, генерируемых в образцах электронным пучком, хорошо регистрировали продольные волны разгрузки, но для регистрации собственных мод образца, в частности, изгибных волн, были или негодны, или недостаточно чувствительны.
Цель работы — исследование основных свойств изгибных волн, возбуждаемых в твердых телах импульсными пучками электронов, разработ-
ка методики и соответствующей аппаратуры для регистрации акустических полей смещений на базе лазерного интерферометра Майкельсопа, а также исследование возможностей практического применения полученных результатов.
Конкретные задачи работы
-
Разработать методику и соответствующий комплекс аппаратуры на основе лазерного интерферометра Майкельсона по измерению акустических полей смещений в твердых телах при импульсном электронном воздействии.
-
Экспериментально исследовать свойства изгибных волн, возбуждаемых в пластинах и стержнях плотными импульсными электронными пучками.
-
Исследовать возможность использования измерений изгибных волн для определения механических и теплофизических констант твердых тел.
Научная новизна работы
-
Впервые создан компьютеризированный комплекс аппаратуры, основными элементами которого являются малогабаритный сильноточный ускоритель электронов и лазерный интерферометр смещений, обладающий высокой чувствительностью и точностью измерений; комплекс позволяет исследовать различные типы акустических полей, генерируемых в твердых телах импульсными пучками электронов.
-
Впервые экспериментально обнаружены изгибные волны, генерируемые в твердых телах плотными импульсными электронными пучками, и детально исследованы их свойства. Доказана термоупругая природа изгибных волн.
-
Разработан новый эффективный бесконтактный метод измерения констант упругости и параметров Грюнайзена твердых тел, имеющий ряд преимуществ по сравнению с существующими.
Практическая значимость работы
1. Созданный аппаратурный комплекс открывает широкие возможности дальнейших экспериментальных исследований по изучению генерации и эволюции акустических полей в твердых телах при мощных радиационных воздействиях.
-
Полученные в работе экспериментальные результаты дополняют имеющиеся данные о формировании и эволюции термомеханических полей в твердых телах, облучаемых плотными импульсными электронными пучками. Это позволит с большей точностью прогнозировать поведение твердых тел в условиях мощных радиационных воздействий, например, изменение структуры и свойств конструкционных материалов при импульсной электронно-лучевой обработке.
-
Разработан метод измерения констант упругости и параметров Грю-найзена твердых материалов, основанный на лазерной интерферометрии одновременно двух составляющих акустического поля: продольных и изгибных волн, возбуждаемых плотным наносекундным пучком электронов. Тестирование показало применимость метода для измерения параметров разнообразных материалов, включая «трудные» для механических и теплофизических испытаний композиты, а также материалы с малыми (много меньшими единицы) значениями параметров Грюнайзена.
Защищаемые положения
-
Методика экспериментального исследования акустических полей, возбуждаемых в твердых телах импульсными пучками электронов, и соответствующий компьютеризованный комплекс аппаратуры, основными элементами которого являются малогабаритный сильноточный ускоритель электронов и лазерный интерферометр смещений, обладающий высокой чувствительностью и точностью измерений.
-
Экспериментально обнаружены изгибные волны, генерируемые в твердых телах плотными импульсными электронными пучками, и определены их свойства.
-
Доказана термоупругая природа обнаруженных изгибных волн согласием экспериментальных данных с теоретическим расчетом.
-
Разработанный новый бесконтактный метод измерения констант упругости и параметров Грюнайзена твердых тел основан на одновременном измерении двух составляющих акустического поля — продольной и изгибной волн разгрузки, и имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на VIII и IX Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, Россия, 1993,1996 г.г.);Х
Международной конференции по мощным пучкам частиц (Сан Диего, Калифорния, США, 1994); X Международной конференции IEEE по мощной импульсной технике (Альбукерк, Нью Мексико, США, 1995 г.); научных семинарах ИСЭ СО РАН и ТПУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, раздела «Основные результаты и выводы» и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 116 страниц. Из них основной текст с 23 рисунками и 2 таблицами занимает 102 стр., список литературы из 88 наименований — 10 стр., оглавление — 2 стр., титульный лист — 1 стр.
