Динамика формирования ударной волны и ее вырождения при воздействии на металл импульсных ионных пучков с плотностью мощности 10 7 10 10 вт/см 2

На правах рукописи

Данейкин Юрий Викторович

ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ И ЕЕ ВЫРОЖДЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА МЕТАЛЛ ИМПУЛЬСНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ С ПЛОТНОСТЬЮ МОЩНОСТИ 107-1010 ВТ/СМ2

Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико–математических наук.

Томск –2007

Работа выполнена на кафедре «Физико-энергетические установки»

физико-технического факультета

Томского политехнического университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Бойко Владимир Ильич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Бутов Владимир Григорьевич

доктор технических наук, профессор

Ремнев Геннадий Ефимович

Ведущая организация: Омский государственный университет

Защита состоится « 25 » мая 2007 г. В 1400 часов на заседании диссертационного Совета ДС 212.025.01 в Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина 2.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «___» __________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Орлов А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Успехи физики и техники генерации мощных потоков энергии (высокоскоростные струи газа и плазмы; лазеры; электронные, ионные и нейтронные потоки; ударные и электромагнитные волны и т.п.) сделали объектом лабораторных исследований, энергетических и технологических приложений, состояния вещества с недоступными ранее экстремально высокими давлением и температурой. Интенсивное поглощение энергии внешнего источника приводит к возникновению и развитию в среде разнообразных, сложных и взаимосвязанных физико-химических процессов, изучение которых представляет актуальную научную проблему.

Современные достижения в области физики высоких плотностей энергии позволяют разрабатывать новые способы модификации конструкционных материалов, основанные на направленном формировании структуры приповерхностных слоев с измененными физико-химическими и механическими свойствами. Высокие скорости термической обработки материалов в совокупности с большими амплитудными значениями давления и механических напряжений позволяют получать метастабильные состояния, свойства которых могут существенно отличаться от свойств вещества в равновесном состоянии.

Анализ существующих экспериментальных исследований и их теоретической интерпретации показывает, что значимую роль в динамике энергетического поля в системе «мощный импульсный ионный пучок – металлический поглотитель» принадлежит процессам выноса энергии из зоны взаимодействия во фронте волнового возмущения, в том числе ударных, акустических и упругопластических волн. Процессы диссипации энергии при прохождении по объему поглотителя пластических волн в целом определяют результаты воздействия на глубинах, превосходящих зону поглощения частиц пучка. В этой связи по-прежнему актуальна задача эффективного преобразования энергии ионных пучков в энергию, запасенную во фронте ударно-волнового возмущения, распространяющегося в объеме твердого тела.

Взаимодействие мощного ионного пучка (МИП) с конденсированным веществом (металлом) сопровождается возбуждением множества процессов: высокоскоростной нагрев, фазовые переходы, интенсивное плазмообразование, возбуждение акустических и ударных волн и другие. Физическая сущность многих процессов, оказывающих модифицирующее и деструктивное влияние на вещество, исследовано недостаточно полно. Это связано с отсутствием систематических экспериментальных исследований фазового состава и микроструктуры облученных образцов в широком диапазоне параметров нагружения. Исследование системы «МИП–металл» требует детализации многообразия взаимообусловленных и одновременно протекающих процессов. В приборном эксперименте удается прямо или косвенно регистрировать лишь часть из них. Кроме того, экспериментальные исследования ориентированы, прежде всего, на конечные результаты воздействия. Для более подробного описания необходимо использовать методы математического моделирования.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:Исследовать закономерности эволюции амплитудно-временных параметров ударно-волновых возмущений, генерируемых МИП (107–1010 Вт/см2) в металлической мишени. Определить возможность возбуждения пластических течений как одного из основных факторов, влияющих на изменение свойств металла за пределами области термализации частиц пучка. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести комплексный анализ и дать характеристику исследуемой системы «мощный импульсный ионный пучок – металлический поглотитель»;

2. Построить обобщенную физическую модель, описывающую широкий спектр тепловых и гидродинамических явлений, реализующихся в системе «МИП–металл»;

3. Разработать математическую модель, численно реализовать и адаптировать её к реальным особенностям физической системы «МИП–металл»;

4. Исследовать основные закономерности процессов формирования, эволюции и диссипации импульсов механической нагрузки, генерируемых при воздействии МИП на металлический поглотитель;

5. Определить связь амплитудно-временных параметров импульсов механической нагрузки с размерами области, подверженной пластическим деформациям.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

  1. Предложена обобщенная модель упругопластической среды, испытывающей мощное импульсное энергетическое воздействие в диапазоне плотностей мощности 107–1010 Вт/см2;

  2. Обоснована значимость влияния температурной зависимости модуля сдвига и предела текучести металла на процессы генерации ударно-волновых возмущений при воздействии МИП на металл;

  3. Предложена постановка начальных условий и условий на границе «вещество–вакуум» на основе единых физических принципов;

  4. Выявлены закономерности генерации и эволюции упруго–пластических импульсов механической нагрузки в металле, испытывающем воздействие МИП (107–1010 Вт/см2) различного компонентного состава;

  5. Получены результаты, подтверждающие «скачкообразное» включение абляционного механизма генерации ударно-волнового возмущения при отсутствии переходных режимов;

  6. Получены эмпирические соотношения, позволяющие оценить глубину вырождения ударной пластической волны в упругую в зависимости от начальной амплитуды возмущений.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. В диссертационной работе обобщены результаты исследований, выполненных в рамках научно–технических программ по физике плазмы, разработке ускорителей заряженных частиц, исследованию модификации металлов и сплавов с применением мощных импульсных ионных пучков.

На базе предложенной физико–математической модели, динамики прочной упругопластической среды, испытывающей мощное импульсное энергетическое воздействие, разработан пакет программ, позволяющий проводить комплексное исследование системы «МИП–металл», с учетом широкого круга физических явлений, параллельно протекающих в металлическом поглотителе.

Обнаруженные при проведении исследований закономерности, разработанные пакеты программ, расчетные методики и алгоритмы, могут быть использованы при оптимизации и обосновании основных параметров МИП в современных и перспективных технологических системах модификации металлов и сплавов.

Работа выполнена в рамках реализации научно-технических программ: Минобразования РФ и Министерства РФ по атомной энергии «Интеграция в сфере образовательной деятельности Томского политехнического университета и сибирских предприятий Минатома РФ»; Рособразования РФ «Целевая финансовая поддержка для развития приборной базы научных исследований»; Российского фонда фундаментальных исследований «Разработка естественно-научных основ комплекса технологии ядерных топливных элементов с дополнительным барьером безопасности»; Минобразвания РФ и Министерства обороны РФ «Обоснование возможности ускорения макрообъектов потоком пучковой плазмы»; Рособразования РФ «Исследование ударно-волновых и плазменных процессов сопровождающих воздействие мощных ионных пучков (МИП) на металлическую мишень».

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается: использованием общепризнанных теоретических представлений и законов; достаточной обоснованности сделанных допущений; согласием результатов численного моделирования широкого круга задач с экспериментально установленными. При этом результаты численных экспериментов, как на качественном, так и на количественном уровне не противоречат установленным ранее физическим принципам.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Физико-математическая модель системы «мощный импульсный ионный пучок – металлический поглотитель». Предложенное интерполяционное уравнение состояния, описывающее термодинамические параметры среды в широком диапазоне фазовой диаграммы, включающее описание процессов плавления и плазмообразования. Новый оригинальный подход к постановке начальных и граничных условий, позволяющий производить расчет начального состояния среды и процессов на границе «вещество-вакуум» с единых позиций. Алгоритмы и программы сквозного счета различных задач физики взрыва, удара и взаимодействия МИП с веществом.

2. При выходе упругопластического возмущения с амплитудой меньше (– предел упругости Гюгонию) на свободную поверхность металла пограничная область не испытывает пластической деформации. Глубина данной области определяется пространственно-временными параметрами импульса и разницей продольной и объемной скоростей звука в металле;

3. Амплитудные параметры импульсов механических возмущений, генерируемых при реализации термоупругого механизма, не превышают пределов упругости металлов. Термоупруго сформированные механические напряжения не могут приводить к существенным изменениям реологических свойств поверхностных слоев. В данном случае модификация свойств металлов определяется процессами высокоскоростной закалки при релаксации сформированного МИП температурного поля;

4. Термоупруго сформированное импульсное возмущение имеет биполярную структуру и длительность равную длительности пучка. При включении абляционного механизма генерируемый импульс становиться однополярным и его длительность начинает возрастать;

5. Установленные закономерности диссипации амплитуды ударной волны (УВ) генерируемой при воздействии МИП (107–1010 Вт/см2);

6. Определенные эмпирические соотношения, связывающие безразмерный параметр (– начальная амплитуда УВ) с глубиной вырождения для алюминия и меди. В данных выражениях, величиной определяющей свойства материала мишени является константа – параметр вырождения, которая составляет  см-1 и  см-1;

7. Наличие в пучке углеродной компоненты приводит к увеличению глубины вырождения при фиксированной начальной амплитуде импульсов механических возмущений. Данное увеличение достигает 20 % от величины глубины вырождения УВ, сформированной при воздействии однокомпонентного протонного пучка.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключается в: обосновании выбора теоретических и расчетных методов решения поставленных задач; анализе полученных данных и их интерпретации; разработке численной модели и её реализации в виде пакета программ; проведении исследований и обработке данных численных экспериментов; составлении отчетной документации; подготовке материалов для апробации результатов; подготовке выводов и заключений по работе; выдаче рекомендаций для практического использования. Представленная диссертационная работа выполнена автором лично.

АПРОБАЦИЯ: Основные результаты диссертационной работы докладывались на 9 следующих конференциях: V Всероссийской научно-технической конференции «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (г. Томск, 25–27 ноября 1998 г.); II International Conference Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semi-conducting Materials Using Particle Beams MPSL’99 (Summy, Ukraine 25 – 29 May 1999); V и VII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учённых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 28 февраля – 3 марта 1999 г.; г. Томск, 28 февраля – 3 марта 2001 г.); VI-ой Всероссийской научной конференции студентов физиков. (г.Екатеринбург–г.Томск, 2–8 апреля 2000 г.); X–ом межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (г. Севастополь, Украина, 3–8 июля 2000 г.); IV International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams (MPSL’2001) (Feodosiya, Ukraine, 27–30 August 2001); 15 Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (Алушта, Украина 10–15 июня, 2002 г.); VII–ой Международной конференции «Физика твердого тела» (Усть-Каменогорск, Казахстан 5-7 июня, 2002 г).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных трудах, в том числе 3 статьи, 9 докладов.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка литературы, изложенных на 146 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и список цитированной литературы (103 источника, из них 84 на русском и 18 на иностранных языках).

  1. Динамика формирования ударной волны и ее вырождения при воздействии на металл импульсных ионных пучков с плотностью мощности 10 7 10 10 вт/см 2 (2)

    Автореферат диссертации
  2. От лат evaporo испаряю и греч grapho пи­шу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ик) тепловом излучении. Предложен нем физиком

    Документ
    ЭВАПОРОГРАФИЯ (от лат. evaporo — испаряю и греч. grapho — пи­шу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ИК) тепловом излучении.
  3. Н. А. Агаджаняна издательская фирма «крук» (1)

    Документ
    Первое систематизированное справочное краткое научное руководство по эко­логии человека, включающее в себя около 2 тыс. терминов и определений по всему объему вопросов, связанных с особенностями экосистем «человек—приро­да», «человек—производство».
  4. Н. А. Агаджаняна издательская фирма «крук» (2)

    Документ
    Издание предназначено как для специалистов по экологии и смежных облас­тей знания, так и для широкого круга читателей, интересующихся проблемами экологии.
  5. Учебное пособие для магистрантов по специальности «Физика кинетических явлений» Часть первая

    Учебное пособие
    Молекулы газа находятся в непрерывном движении, и их средняя кинетическая энергия зависит только от температуры Т. Средняя скорость теплового движения молекул v обратно пропорциональна корню квадратному из их массы М:
  6. Нем. Oberton, от ober верхний и Ton тон, синусоидаль­ная составляющая периодич колеба­ния сложной формы с частотой, более высокой, чем

    Документ
    ОБЕРТОН (нем. Oberton, от ober — верхний и Ton — тон), синусоидаль­ная составляющая периодич. колеба­ния сложной формы с частотой, более высокой, чем основной тон.
  7. Учебник спасателя мчс

    Список учебников
    Электронная версия учебника спасателя коллектива авторов (Шойгу С.К., Кудинов С.М., Неживой А.Ф., Ножевой С.А., под общей редакцией Воробьева Ю.Л.), изданного МЧС России в 1997 году.
  8. Устаревшая ед частотного интервала. Названа в честь франц физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С. равен интервалу частот с таким от­ношением f

    Документ
    САВАР, устаревшая ед. частотного интервала. Названа в честь франц. физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С. равен интервалу частот с таким от­ношением f2/f1 граничных частот интервала, что lg|f2/f1|=0,001; при этом f2/f1=1,0023.
  9. Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и предназ­начено для студентов высших технических учебных заведений дневной формы обучения с ограниченным числом часов по физике,

    Учебное пособие
    Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запреща­ется.

Другие похожие документы..