http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=84c09820-c711-41a1-a4c1-f8a3c62972be&print=1
© 2024 Российская академия наук
«Быстропротекающие процессы» — одна из станций
первой очереди Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник
фотонов» (ЦКП СКИФ). Она предназначена для решения задач, связанных с изучением
быстропротекающих процессов, характерные масштабы времени которых составляют
десятки нано- или миллисекунд. Помимо этого, на станции будут исследовать
взрывчатые материалы и воздействие ударных нагрузок на конструкционные
материалы. Такие работы необходимы в ракетостроении, самолетостроении и
машиностроительном материаловедении.
3D-модель
оборудования станции
Синхротронное
излучение (СИ), генерируемое электронным накопителем СКИФ, активно применяется
для исследования быстропротекающих процессов во многих мировых центрах. Его основным
преимуществом, по сравнению с классическими рентгеновскими аппаратами, является
высокая интенсивность потока, малая угловая расходимость и короткая
длительность импульсов излучения, а также строгая периодичность их следования.
Активно изучать
взрывчатые вещества, их свойства и детонационные характеристики начали в
середине XX века. Тогда использовали контактные методики, внедряли специальные
датчики в исследуемый объект. Недостаток такого способа — в большом количестве
искажений и неточном результате.
Позже появились
рентгеновские аппараты, однако и у них есть недочеты. При исследовании
быстропротекающих процессов за одну вспышку можно было сделать только один
кадр. Чтобы получить кино из нескольких кадров, нужно, во-первых, чтобы объект
был высокосимметричный (чтобы снять его с разных ракурсов), во-вторых,
необходимо поставить несколько рентгеновских аппаратов с разной задержкой, что
резко усложняет эксперимент и интерпретацию результатов.
«Характерная длительность
быстропротекающих процессов — десятки наносекунд или микросекунды. К ним
относятся, например, возникновение микротрещин в материалах в результате какого-либо
воздействия, распространение детонационных, ударных волн. Чтобы управлять быстропротекающими
процессами, нужно понимать их механизм. Для этого измеряют, как в ходе процесса
изменяются скорость, давление, температура, плотность и другие параметры.
Раньше ученые использовали контактные методики (датчики измерения скорости,
давления), классическое рентгеновское излучение, в последнее время находят
широкое распространение лазерные методики. Исследования с использованием
синхротронного излучения — самые продвинутые и мощные», — отметил заместитель
директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян
Витаутасович Зубавичус.
Кто разрабатывает оборудование и создает станцию?
Разработкой
оборудования станции занимается Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО
РАН. Для проведения необходимых работ он использует как собственные ресурсы,
включая производственную базу конструкторско-технологического филиала, так и
привлекает коллег из Конструкторско-технологического института научного
приборостроения СО РАН и других российских научных организаций и промышленных
предприятий.
«Например,
Институт автоматики и электрометрии СО РАН создает автоматическую систему
управления оборудованием экспериментальной станции, Институт химии твердого
тела и механохимии СО РАН — фокусирующее зеркало, Институт ядерной физики им.
Г. И. Будкера СО РАН — уникальные сверхбыстрые детекторы. Еще есть кооперация с
ядерным центром в городе Снежинске (Российский федеральный ядерный центр —
Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. ак. Е.
И. Забабахина). Они делают пневматическое устройство высокого давления», —
рассказал научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП СКИФ,
координатор разработки и создания станции «Быстропротекающие процессы» кандидат
физико-математических наук Иван Андреевич Рубцов.
Сотрудники ИГиЛ СО
РАН имеют многолетний опыт в использовании источников синхротронного излучения
для изучения взрывных и других быстропротекающих процессов. Первые в мире
подобные исследования были проведены в 1999 году совместно с ИЯФ СО РАН и ИХТТМ
СО РАН.
Блок прерыватель пучка
Какие исследования будут проводить на станции?
На станции можно
будет изучать поведение материалов и элементов конструкций при ударном
воздействии, исследовать воздействие импульсного лазерного излучения на
вещество. Кроме того, с помощью СИ можно рассмотреть процесс формирования детонационных
наноалмазов.
«Большинство
взрывчатых веществ содержат в своем составе углерод. При взрыве или горении он
зачастую до конца не окисляется и выделяется в виде сажи. В результате этого
процесса образуются маленькие алмазные частицы. Взрывая один килограмм веществ
наподобие тротила, можно получить порядка 10 % таких наноалмазов. Эта
технология очень интересна и активно применяется в промышленности. Ведь, с
одной стороны, остро стоит проблема полезной утилизации взрывчатки,
произведенной еще во времена Советского Союза, а с другой — детонационные
наноалмазы интересны для огромного числа приложений, от абразивных порошков до
сорбентов. Только быстрые дифракционные методики с применением СИ позволяют
измерить, как наноалмазы растут в процессе взрыва», — отметил Иван Рубцов.
Экспериментальное
оборудование станции также позволит исследовать свойства энергетических
материалов, их структуру, структуру ударного и детонационного фронта, фазовые
переходы при ударном сжатии, различные химические реакции, а также динамическое
формирование наноструктур.
«Что касается
конструкционных материалов, здесь очень много задач. Возьмем для примера
авиацию: летит самолет и вдруг в двигатель попадает птица. Нам нужно
смоделировать, как поведут себя лопасти двигателя в этот момент. Любое другое
воздействие ударной нагрузки на конструкционные материалы также можно будет
изучать на СКИФ, будь то град, снег и так далее», — прокомментировал Иван Рубцов.
Вокруг станции
складывается большой консорциум пользователей. Помимо инициаторов, ИГиЛ СО РАН
и ИХТТМ СО РАН, активно заинтересованы российские федеральные ядерные центры в
Снежинске и Сарове (РФЯЦ — ВНИИТФ и Российский федеральный ядерный центр —
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики).
Кроме того, Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск),
Акционерное общество «Федеральный научно-производственный центр “Алтай”»,
Акционерное общество «НПО “Базальт”» и другие предприятия.
«На станции
планируется разместить взрывную камеру, разнообразные системы фиксации
процессов горения, детонации, помимо рентгенографических методик. Всё это
вызывает большой интерес у исследователей, есть вероятность того, что появится
многофункциональный испытательный центр для высокоэнергетических материалов
(ВЭМ), то есть пространство, где можно испытывать составы, изделия различных
масс и разными методами. Мы планируем изучать процессы горения, детонации
индивидуальных взрывчатых веществ, смесевые композиции на их основе,
пиротехнические составы», — сообщил научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН кандидат
технических наук Владимир Вячеславович Гордеев.
«Для конструкций,
разрабатываемых нашим учреждением, очень важны две характеристики — надежность
и безопасность. Ранее, в советское время, эти характеристики подтверждались при
помощи испытаний. Сегодня, в условиях запрета ядерных испытаний, важная роль
отводится численному моделированию этих процессов. А для верификации расчетных
моделей требуются прецизионные экспериментальные данные о свойствах энергоемких
и конструкционных материалов при экстремально высоких давлениях и температурах.
Возрастающие возможности расчетного моделирования предъявляют всё более высокие
требования к экспериментальным данным. Приоритет следует отдавать невозмущающим
методам регистрации, каковым является синхротронная диагностика. Для
энергоемких материалов нам интересно исследовать механизмы перехода твердого
взрывчатого вещества в газообразные продукты взрыва при детонации. Для
конструкционных материалов нас интересуют механизмы разрушения и закономерности
фазовых переходов. Надеемся, что на СКИФе мы сможем изучать явления в твердых
веществах настолько же детально и подробно, как исследуются газы при помощи
оптических методов», — рассказал доцент кафедры вычислительной механики
Южно-Уральского государственного университета, заместитель начальника отделения
РФЯЦ — ВНИИТФ кандидат технических наук Евгений Борисович Смирнов.
Из каких секций и элементов будет состоять станция?
Первый хатч (от
англ. hutch — бункер/хижина) содержит оптические элементы: монитор и прерыватель
пучка, рентгеновские щели, узел зеркал. Следующий хатч — экспериментальный.
Здесь будет стоять пневматическая пушка для проведения исследований ударно
нагруженных материалов. И рядом планируется секция «Плазма» для изучения
деформации материалов под воздействием горячей плазмы и лазерного
излучения.
«Кроме того, мы
сможем безопасно подрывать заряды взрывчатых веществ с помощью большой взрывной
камеры. Те установки, которые есть сейчас в ИЯФ СО РАН (на источниках
синхротронного излучения ВЭПП-3 и ВЭПП-4), рассчитаны на нагрузку в 200
граммов, на источнике синхротронного излучения Advanced Photon Source (США) —
10 граммов, а на нашей станции — до двух килограммов в тротиловом эквиваленте.
Камера представляет собой огромную стальную бочку с толстыми стенами. Туда
загружают заряд, дистанционно осуществляют его подрыв, и в этот момент на точку
инициирования взрыва направляется синхротронный луч. И снимается рентгеновское
кино с высокой частотой кадров. Анализируя его, мы получим информацию о средней
плотности материала в разные моменты времени, скорости распространения взрывной
волны, временных характеристиках процессов. Будущие исследования на СКИФе —
методологический прорыв. Мы сумеем оптимизировать работу техники с взрывчаткой,
повысить безопасность обращения с взрывчатыми веществами, исследовать
конструкционные материалы с точки зрения их восприимчивости к взрывной волне»,
— отметил Ян Зубавичус.
Отличие этой
станции от всех остальных в том, что здесь есть детектор, который позволяет снимать
каждую синхротронную вспышку. Он регистрирует 100 кадров через каждые 50
наносекунд.
На станции
планируется две секции: «Динамические процессы», где будут изучать процессы,
происходящие в условиях взрыва и импульсных ударных нагрузок, и секция «Плазма»
с исследованиями воздействия высокой температуры и плазмы на материалы в
условиях, имитирующих термоядерный реактор.
Сейчас станция
активно строится, выпущена конструкторская документация и идет изготовление
оборудования. Оно будет готово к началу августа 2024 года, а уже к началу
декабря специалисты должны закончить его монтаж.