НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Литвиненко Володимир Вікторович

УДК 539.1.04:06

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ІМПУЛЬСНОЇ РАДІАЦІЙНОЇ МОДИФІКАЦІЇ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТВЕРДИХ ТІЛ

Спеціальність 01.04.07 – фізика твердого тела

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України, м.Харків

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, доктор фіз.-мат. наук, професор Клепіков Вячеслав Федорович, Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, директор

Офіційні опоненти :

1.Академік НАН України, доктор фізико-математичних наукЮ професор Неклюдов Іван Матвійович, ННЦ ”Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, генеральний директор.

2.Член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Гриньов Борис Вікторович, Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України

3.Доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Мацевітий Володимир Михайлович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України, провідний науковий співробітник.

3.Татаренко.

Провідна установа: НТУ ”Харківський політехнічний інститут” МОН України (кафедри металознавства і термічної обробки металів та загальної і експериментальної фізики ), м.Харків

Захист відбудеться ”17” _квітня_ 2006 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 при Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України, за адресою 61103, м.Харків, вул.Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ ”ХПІ”, ауд.204

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України:61024, м.Харків, вул. Гуданова, 13; відзиви на автореферат можна надсилати за адресою: 61002, м.Харків, вул.Чернишевського, 28, а/с 8812

Автореферат розісланий ”_14_”_березня__ 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 О.С. Молєв

Актуальність теми. Розвиток нових напрямів ядерної енергетики пов'язаний зі створенням імпульсних джерел випромінювання, здатних генерувати концентровані потоки енергії зі значеннями густини потужності порядку 108- 1012 Вт/см2, яка виділяється на поверхні площею близько 10 см2. Такі джерела розглядаються як один з інструментів ініціювання реакції термоядерного синтезу. Разом з тим увагу дослідників привертали ефекти та явища, які спостерігались в твердих тілах під дією випромінювань з зазначеними параметрами: утворення метастабільних фаз, модифікація зеренної структури, формування хвиль напружень, структурно – фазові перетворення та ін. При цьому досягнення деяких ефектів іншими засобами було або неможливо, або ж було порівнюваним із застосуванням спецзаходів (вибухи, ударна техніка), наприклад, одержання сплавів с підвищеним вмістом тугоплавких елементів, генерування хвиль тиску в твердих тілах та пов’язані з цим структурні перетворення. Це відкривало перспективу розробки технологій одержання матеріалів з заданими властивостями. Опис ефектів, що відбуваються в опромінюваних об’єктах а також пояснюючих їх фізичних моделей, представлено в роботах Б.А.Демидова, Г.А.Месяца, А.Н.Діденко. В работах В.П.Ротштейна, М.О.Красноголовця, О.Д. Погребняка запропоновані також розробки установок для технологічних застосувань та встановлені умови формування радіаційних ефектів.

Використання здобутих результатів у виробничих цілях не завжди знаходить застосування через капіталоємність пропонованих технологій, складності контролю технологічних параметрів у зв’язку з високою швидкістю процесів (10-6-10-9 сек) та впливом на персонал і обладнання негативних техногенних факторів (поля іонізуючого випромінювання, електромагнітні імпульси). Розглядати електрофізичні радіаційні технології на основі імпульсних джерел як абсолютну альтернативу традиційним технологічним схемам є передчасним. Одним із шляхів впровадження даних технологій може бути залучення можливостей діючих експериментальних установок до існуючих технологічних схем. Реалізація пропонованого підходу вимагає напрацювання формалізованого алгоритму, який містить: визначення тих технологічних та експлуатаційних характеристик матеріалу, одержання яких є можливим з використанням імпульсних радіаційних джерел (ІРД); розробку методології проведення експерименту; визначення функціональних зв’язків між спостережуваними фізичними явищами; створення їх математичної моделі, оптимізацію значень фізичних факторів, які визначають технологічний ефект; оцінку потенційного впливу на персонал та довкілля. При створенні технологій обробки матеріалів імпульсними потоками іонізуючих (ІПІ) випромінювань є необхідним урахування процесів енерго- та масоперносу. Даний підхід був виправданим та дозволяв прогнозувати поведінку опромінюваного об’єкту у випадку казістаціонарності розподілу поглиненої дози та значеннях тривалості обробки, які перевищують тривалість радіаційних перетворень на макрорівні. Використання імпульсних потоків іонізуючих випромінювань характеризується високими швидкостями зміни керуючого параметра (розподіл енергії випромінювання в об’єкті), співвимірними зі швидкостями одночасно протікаючих процесів (таких як фазові та структурні перетворення, рух міжфазних границь, анігіляція та утворення дефектів і т. ін.). В даному випадку вимагається розробка нових підходів, що засновані на експериментальному, аналітичному та чисельному вивченні процесів, що відбуваються. Це передбачає разом з розглядом теплових ступенів свободи введення до розгляду додаткових гідродинамічних, газодинамічних та інших ступенів свободи. Реалізація пропонованого підходу вимагає розробки самоузгоджених синергетичних моделей, здатних враховувати сукупність названих процесів, що відбуваються в опромінюваному об’єкті, та відображати просторово-часову залежність розподілу енергії випромінювання в речовині. Упровадження технологій на базі імпульсних електрофізичних джерел також пов’язано з проблемами оптимального та економічного використання енергії випромінювання, розробки принципів виготовлення матеріалів камер, де відбувається технологічний процес, з відповідними корозійно-та радіаційностійкими характеристиками та з розробкою принципів створення електротехнічних матеріалів, які мають прогнозовану реакцію на екстремальні радіаційні та електромагнітні діяння.

Зазначені вище чинники зумовили постановку цілей та задач, вирішення яких дозволило б усунути низку перешкод, що стримують розвиток технологій на основі імпульсних електрофізичних радіаційних джерел випромінюваня.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана протягом 1998-2006 рр. у відділі фізики взаємодії випромінювання з речовиною Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України під час проведення досліджень за такими НДР: ”Дослідження радіаційно-стимульованих змін фізико-хімічних властивостей складних середовищ при опроміненні електронами та фотонами низьких енергій” номер держреєстрації 0197U001070; ”Дослідження електрофізичних ефектів взаємодії пучків електронів, фотонів та легких ядер з речовиною” номер держреєстрації 0101U007319; ”Cкладні системи ядерної фізики та радіаційної фізики твердого тіла” номер держреєстрації 0101U006153; ”Симетрійні методи опису електрофізичних систем та ядерних реакцій” номер держреєстрації 0102U002887; ”Розробка наукових основ електрофізичних технологій профілактики та видалення асфальто-смоло-парафінових утворень на нафтогазовому устаткуванні” номер держреєстрації 0103U005816; „Розробка та створення електрофізичних радіаційних установок для знезараження повітря та води” номер держреєстрації 0205U000140; ”Дослідження ядерних, радіаційних і електрофізичних процесів та розвиток на їхній основі ядерних і радіаційних технологій” номер державної реєстрації 0105U000142. У всіх названих роботах здобувач брав участь як виконавець.

Мета та основні задачі досліджень

Створити наукові основи впровадження імпульсних електрофізичних радіаційних технологій в промислове виробництво. Розробити методику оптимізації технологічного процесу, способи одержання радіаційно-стійких конструкційних та електротехнічних матеріалів. Запропонувати підходи до діагностики фізичних процесів, які зумовлюють техногенну небезпеку названих технологій. Для цього необхідно вирішити такі задачі.:

1.Запропонувати та обґрунтувати самоузгоджені механізми формування зони радіаційного впливу імпульсних потоків випромінювання на тверді тіла та інші технологічні об’єкти. Експериментально визначити електродинамічні механізми які впливають на розподіл поглиненої дози та гідродинамічні чинники формування радіаційних ефектів у твердих тілах.

2.Дослідити радіаційні ефекти модифікації мікроструктури алюмінієвих сплавів з метою з’ясування можливості їх подальшого використання для виготовлення радіаційно- і корозійностійких виробів складної форми, придатних для експлуатації в умовах інтенсивного опромінювання.

3.Розвинути методи модифікації вольтамперних характеристик електротехнічних матеріалів, що експлуатуються в умовах інтенсивних електромагнітних та радіаційних впливів. Розробити математичну модель, що описує вольтамперні характеристики твердих тіл з фрактальною структурою типу ”метал-діелектрик ”.

4. Розробити модель дисипації енергії, яку одержує тверде тіло з імплантованими радіоактивними вкрапленнями від зовнішнього джерела випромінювання.

5.Розробити методи комплексної діагностики фізичних процесів у твердих тілах, які зумовлюють техногенну небезпеку імпульсних радіаційних технологій (радіаційна, пожежо- та вибухонебезпечність) та контролю стану енергетичного обладнання та комунікацій, що експлуатуються в умовах радіаційного впливу.

6. Розробити модель, яка встановлює просторово-часову відповідність між функцією, яка описує інтегральні та диференціальні характеристики поля імпульсного випромінювання всередині опромінюваного об’єкту, та узагальненим функціоналом, який характеризує радіаційно модифіковані параметри.

7. Описати механізм ініціювання радіаційно-стимульованих реакцій дисоціації високомолекулярних сполук під діянням модульованої послідовності імпульсів випромінювання на основі методів статистичної теорії молекулярних процесів.

8. Сформулювати концепцію проектування електрофізичних радіаційних установок, яка оптимізує коефіцієнт використання енергії випромінювання, та забезпечує задану рівномірність опромінення твердих тіл та компонентів конденсованих середовищ. Реалізувати сформульовану концепцію в діючому промисловому виробі

Об’єкт дослідження - тверді тіла та збуджені стани їх електронних і фононних підсистем, генеровані потужними імпульсами електронних потоків та імплантованими радіоактивними вкрапленнями.

Предмет дослідження – радіаційно-модифіковані електрофізичні властивості металів та діелектриків; структура та пластичні властивості опромінених промислових сплавів

Наукова новизна здобутих результатів.

- Вперше розроблено метод формування зони технологічного впливу при модифікації поверхневих властивостей металів сильнострумовими імпульсними пучками релятивістських електронів (СІПРЕ), який враховує синергетичну дію електродинамічних, термічних та акустичних механізмів. З’ясовано, що на розподіл поглиненої дози імпульсу випромінювання істотно впливають сили електродинамічної взаємодії струму пучка та струму зображення, який генерується у приповерхневому шарі мішені під час дії імпульсу. Вивчено вплив акустичних імпульсів стискання на макрорельєф поверхні сплавів в залежності від кута опромінення СІПРЕ.

- Вперше встановлено, що обробка алюмінієвих сплавів сильнострумовим імпульсним пучком релятивістських електронів приводить до скорочення в 4-5 разів тривалості першої стадії неусталеної повзучості в режимі надпластичної деформації. Показано, що дія СІПРЕ приводить до зміни внутрішньої структури промислових алюмінієвих сплавів 1201 (Al-6,2мас.%Cu-0,27мас.%Mn) та АМг-6 (Al-6,2мас.%Mg-0,6мас.%Mn). Такі наслідки опромінюваня є аналогічними введенню спеціальних легуючих добавок, які використовуються для одержання дрібнозернистих сплавів, які мають високі пластичні характеристики. Здобуті результати є важливими для впровадження технологій надпластичної формовки виробів, які експлуатуються в умовах радіаційного впливу.

- Вперше запропоновано модель, яка описує еволюцію генерування та дисипації електромагнітних поміх, які створюються електрофізичними радіаційними джерелами в матеріалах з нелінійними вольтамперними характеристиками, що досягаються внаслідок формування фрактальної структури ”метал – діелектрик” та імплантації радіоактивних включень. Розроблена установка для імплантації металічних включень в низькотемпературну діелектричну підкладинку.

- Вперше визначені фізичні механізми, що обумовлюють техногенну небезпеку імпульсних електрофізичних радіаційних технологій та запропонована комплексна схема дистанційної діагностики шкідливих чинників методами інфрачервоної радіометрії. Розроблено спосіб діагностики статичного заряду, що накопичується в опромінюваному діелектрику. Розроблена схема контролю розподілу поля вторинного іонізуючого випромінювання в зоні технологічної обробки. Запропоновано алгоритм діагностики передаварійних процесів в матеріалах технологічного допоміжного обладнання, що експлуатується в умовах підвищеного радіаційного фону.

- Вперше на основі розв’язку рівняння Колмогорова-Петровського-Піскунова-Фішера побудована самоузгоджена математична модель, яка встановлює просторово-часову відповідність стану опромінюваного твердого тіла та диференціальних характеристик імпульсного поля випромінювання.

- Вперше встановлено, що модульований імпульсний радіаційний вплив на зв’язки між комплексами атомів, що утворюють тверді фракції неорганічних високомолекулярних сполук, здатен стимулювати процеси дисоціації. Для цього необхідно збуджувати молекули на резонансних частотах цих зв’язків, або ж, що енергетично більш вигідно, збуджувати коливання комплексів атомів на низькому енергетичному рівні, щоб дисоціація виникала в результаті наступної еволюції коливальних станів молекул.

- Вперше розроблено концепцію проектування електрофізичних радіаційних установок, якою пердбачено оптимізацію коефіцієнту використання випромінюваня завдяки суперпозиції полів, що формуються декількома випромінювачами, та формі камери випромінювання, яка відтворює кривизну ізоліній розподілу поглиненої дози. Розроблена та виготовлена установка для радіаційної обробки корозійно- та ерозійноактивних середовищ.

Наукове значення роботи полягає у створенні фізичної моделі, яка описує процес формування радіаційно-стимульованих ефектів в конденсованих середовищах, опромінюваних імпульсними потоками іонізуючих частинок. Методом лазерної інтерферометрії експериментально вивчено розподіл поглиненої дози на поверхні твердого тіла, опромінюваного імпульсним трубчастим пучком електронів. Розроблено модель, яка описує нелінійні збудження електронної та фононної підсистем в діелектричних матеріалах, що містять фрактальні вкраплення. Експериментально вивчено вплив електродинамічних сил, індукованих в опромінюваній мішені, на формування макрорельєфу переплавленої поверхні металу. Експериментально вивчена еволюція мікроструктури на початковій стадії високотемпературної пластичної деформації ряду промислових алюмінієвих сплавів, опромінених імпульсним релятивістським електронним пучком. Практичне значення роботи полягає в створені комплексного алгоритму розробки та впровадження імпульсних електрофізичних радіаційних технологій в діючі технологічні схеми. Запропоновано новий підхід до формалізації фізичних механізмів, в результаті дії яких досягається заданий технологічний ефект. Вивчені механізми формування зони технологічного впливу, засновані на врахуванні сил електродинамічної та акустичної природи, які виникають як реакція металічного твердого тіла на імпульсне опромінення. Розроблена установка для одержання діелектричних матеріалів з радіаційно-стійкими електрофізичними характеристиками. Розроблена та створена установка для опромінення залізомістких стічних вод. Розроблені принципи діагностики фізичних процесів, які становлять техногенну небезпеку при впровадженні імпульсних радіаційних технологій. Здобуті результати, які стосуються формування мікрозеренної структури пластичних сплавів, впроваджені на Казенному підприємстві ”Запорізький титано-магнієвий комбінат”. Принципи проектування корпусів електрофізичних радіаційних установок впроваджені на підприємстві ”Харківська електротехнічна компанія”. Методика діагностики устаткування, що експлуатується в умових підвищеного радіаційного фону впроваджена на підприємствах концерну ”Укрросметал”.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати, здобуті в дисертації, доповідались на таких семінарах та конференціях: Международной научно-технической конференции ”Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования” (Харьков, 1998 г.), II-м Научно-практическом симпозиуме ”Вакуумные технологии и оборудование” (Харьков, 1998 г); XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, 2001 г.); Х Международной школе-семинаре ”Физика импульсных разрядов в конденсированных средах” (Николаев, 2001 г.); IV Международной конференции ”Взаимодействие излучений с твердым телом” (Минск, 2001 г.); IX Межгосударственной конференции ”Радиационная повреждаемость и конструкционная способность материалов” (Белгород, 2001 г);VI Международной научно-технической конференции ”Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве” (Харьков, 2002 г.); XV Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материал-ведению (Алушта, 2002); XI Международной научной школе семинаре ”Физика импульсных разрядов в конденсированных средах” ( Николаев, 2003 г.); XIII-й Международной конференции ”СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, 2003 г.); XVI Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (Алушта, 2004 г.); International conference Euro Electromagnetics (Magdeburg, Germany, 2004); NATO Advanced Research Workshop Nanoscale Devices – Fundamentals and Application (Kishinev, Moldova, 2004)

Достовірність здобутих результатів підтверджується використанням сучасних експериментальних методів: оптичної та растрової електронної мікроскопії при проведенні металографічних та фактографічних досліджень; метода ІЧ спектроскопії при дослідженні коливальних спектрів опромінених високомолекулярних сполук; інфрачервоної радіометрії при діагностиці теплофізичних процесів, стимульованих дією потоків іонізуючого випромінювання на спостережувані об’єкти. Під час дослідження динаміки розвитку газоплазмового факелу, виникаючого внаслідок інтенсивного радіаційного діяння на поверхню твердотільної мішені застосовувалась лазерна інтерферометрія.

Публікація результатів роботи. Основні результати, здобуті в роботі, опубліковані в 1 монографії, 25 статтях в спеціалізованих наукових виданнях, 3 патентах, 9 тезах та матеріалах конференцій.

Дисертація складається з 320 стор. з яких 285 стор основного тексту, 79 рисунків; 1 таблиці.

Основний зміст роботи. В першому розділі “Особливості фізичних процесів в конденсованих середовищах при опроміненні потужними імпульсами потоків іонізуючих частинок” аналізуються основні фізичні процеси, які відбуваються в твердих тілах при опроміненні їх СІПРЕ та потоками іонів. Проаналізовано гідродинамічні та електрофізичні моделі енерго-масопереносу в опромінюваних об’єктах та зумовлені ними радіаційні ефекти. В результаті дії потужного пучка релятивістських електронів на металічну поверхню зона максимального енерговиділення припадає на приповерхневі шари, тобто плавлення речовини починається на певній відстані від поверхні. У цьому випадку протягом певного часу поблизу поверхні існує шар перегрітої рідини, доки її тиск не перевищить міцності зовнішнього шару. Потім відбувається викид газоплазмової суміші та виникає імпульс тиску, який передається у глибину мішені. Внаслідок цього в об’ємі мішені генеруються хвилі стискання-розтягування. Як відзначається багатьма авторами, величина амплітуди тиску імпульсів є достатньою для формування зон з більш та менш високими значеннями мікротвердості. Предметом вивчення також були явища, які відбувались в тому шарі мішені, який після переплаву пучком затвердівав в результаті теплообміну з нерозплавленою частиною мішені. Окрему увагу приділено розгляду чинників, які впливають на глибину проникнення іонізуючих частинок. Проаналізовано моделі, які враховують розподіл поглиненої енергії випромінювання між процесами збудження електронів провідності, нагріву кристалічної решітки та іонізації іонного остова. Показані технологічні ефекти, що досягаються при обробці різноманітних об’єктів (інструментальні сталі, лопатки турбін та ін.) постійними потоками частинок інших діапазонів енергій ( 20 – 40 кеВ). Зроблено аналіз існуючих математичних підходів до опису хвиль точкових дефектів, які виникають при опроміненні металів лазерним випромінюванням, зокрема, авторами використовувалось рівняння Колмогорова-Петровського-Піскунова-Фішера.

Розглянуто проблеми техніки безпеки, зумовлені фізичними процесами, що відбуваються в матеріалах устаткування, при реалізації технологій на основі джерел іонізуючого випромінювання. Зокрема засоби реєстрації полів вторинного випромінювання: голографічні методи, напівпровідникові детектори, дротяні зонди та ін.

У другому розділі ”Модифікація технологічних характеристик твердих тіл сильнострумовими імпульсними пучками електронів” розглянуті особливості корозійного та кавітаційного впливу на робочі поверхні матеріалів камер, де здійснюється опромінення. З метою модифікації поверхневих властивостей матеріалів, які експлуатуються в умовах впливу іонізуючих випромінювань та агресивних середовищ, що формуються під їх впливом, пропонується використовувати обробку потужними імпульсними електронними пучками. У зв’язку з цим слід брати до уваги високу вартість одиниці енергії імпульсного випромінювання, що вимагає її раціонального розподілу в зоні радіаційного впливу.

Проникнення заряджених частинок в металічну мішень супроводжується електродинамічною взаємодією струму пучка та струму зображення в мішені. Величина цієї взаємодії залежить від кута між віссю пучка та нормаллю до поверхні опромінюваного об’єкту. Зміна траєкторії пучка при проходженні поблизу провідних поверхонь є відомим фактом, тому здавалось важливим вивчити можливості його використання для керування зоною радіаційного діяння. Одним з способів експериментальної оцінки ролі названого чинника може бути дослідження особливостей форми розплаву мішені при дії пучка під різними кутами до поверхні мішені. Зразки сплаву Д16 опромінювались на прискорювачі ”Старт” імпульсним трубчастим пучком електронів з тривалістю імпульсу 10мкс зі значеннями струму , напругою прискорення . Пластини розміщувались під кутами 90; 45; 30 градусів до вісі пучка. На поверхні пластин утворювались еліпсоподібні сліди оплавленої поверхні. Зразки пластин розрізались вздовж великої вісі еліпсу, після чого проводились металографічні дослідження на оптичному мікроскопі МІМ-6. Зеренну структуру виявляли універсальним витравлювачем такого складу: 17 мл HNO3, 5 мл HF, 78 мл H2O. На растровому електронному мікроскопі JEOL JSM-840 досліджувались фрактограми опроміненої та неопроміненої поверхонь низькотемпературного ударного злому зразків. Також порівнювались поверхні зразків, опромінених під різними кутами. Дослідження впливу сил взаємодії струму пучка електронів зі струмами зображення на режим формування властивостей переплавленої поверхні мішені, оцінювались за величиною та формою площі переплавленої поверхні та значенням кута падіння пучка. У випадку відсутності ефекту електродинамічної взаємодії, трубчастий пучок, спрямований під кутом до поверхні мішені, повинен був залишити переплавлений слід, який має форму правильного еліпсу. При цьому товщина стінки еліпсу була б правильною геометричною проекцією товщини стінки циліндру на площину. Разом з тим відомо, що при наближенні пучка до мішені, він взаємодіє зі струмами зображення мішені, сила якої для випадку ідеально провідної пластини оцінюється такою формулою:

, (1)

де - маса, концентрація та заряд електрона; - середня швидкість електронів, віднесена до швидкості світла; - релятивістський фактор електрона; - відстань від електрона до мішені. У нашому випадку ознаки такої взаємодії ми можемо візуально спостерігати на поверхні мішені. Як видно з рис.1 (а-б), утворена еліпсоподібна оплавлена зона впливу пучка на мішені, розташованій під кутом 30 градусів до вісі трубчастого пучка, не є симетричною. По мірі віддалення від джерела випромінювання площа оплавленої поверхні збільшується, що є наслідком зміни траєкторії пучка

а) б)

Рис.1 Мішень з дюралюміну, опромінена трубчастим пучком електронів під кутом: а) 30 градусів до осі пучка, б) 45 градусів до осі пучка.

Зроблені на РЕМ знімки поверхонь зразків, опромінених під кутами 90 і 30 градусів до вісі пучка, представлені на рис.2 (а-б). Як видно з рис.2–б, присутність дотичної складової у швидкості частинок створює вихрові утворення, які виникають внаслідок гідродинамічних та електродинамічних процесів взаємодії на поверхні мішені.

а) б)

Рис.2 Мікрофотографії поверхонь, опромінених під кутами: а) 90 градусів, б) 30 градусів.

Початок виникнення рідкої фази на поверхні металевої мішені мало локальний характер, що могло бути зумовлено двома чинниками: 1) переважним плавленням в місцях локалізації домішок; 2) присутністю в об’ємі основного пучка мікропучків з підвищеними значеннями густини струму. Зважаючи, що подібний переплав має на меті одержання корозійностійкої поверхні з заданої шорсткістю поверхні (наприклад для електродних систем, що використовуються для електролітичного розкладу води), ми встановили відмінність стану поверхонь, опромінених під різними кутами (рис.3)

а) б) в)

Рис.3. Фотографії поверхонь мішеней, опромінених під кутами а)- 30,б)-45, в) - 90 градусів.

Таким чином, при проведенні поверхневого переплаву ми можемо використовувати як керуючий параметр, що впливає на геометрію зони обробки та формування макрорельєфу поверхні, взаємодії струму пучка та струму зображення в мішені, а також гідродинамічні та термодинамічні процеси, що генеруються пучком в результаті розігріву мішені.

Наступною задачею було встановлення впливу СІПРЕ на пластичні властивості алюмінієвих сплавів, які можуть розглядатись як матеріали для виготовлення елементів устаткування, що експлуатується в умовах радіаційного впливу.

Пластини сплавів Д16 (4,8%Cu; 1,5%Mg; 0,8%Mn; домішки Fe и Si до 0,5%; основа Al), 1201 (Al-6,2мас.%Cu-0,27мас.%Mn) и АМг-6 (Al-6,2мас.%Mg-0,6мас.%Mn) товщиною 3 мм, вирізані з масивного зливку промислового напівфабрикату, опромінювались з обох сторін сильнострумовим релятивістським пучком електронів з густиною потоку енергії 109 Вт/см2 (енергія частинок пучка Еп 0,5 МэВ, струм Iп 4 кА, тривалість імпульсу и 5 10-6 с). Пластина опромінювалась одним імпульсом з кожного боку.

Беручи до уваги те, що досліджуваний спосіб модифікації структури алюмінієвих сплавів дозволяє покращити їх міцністні та пластичні властивості в різних температурних діапазонах, досліджувались фрактограми поверхонь ударного низькотемпературного зламу зразків. Наявність рівноосьових ямок на зламі приповерхневого шару, опроміненого зразка (рис.4 а) показує, що руйнування відбувалось по в’язкому механізму. На зображеннях фрактограми необробленого пучком зразка (рис.4-а ) видно кристалічні фасетки, які свідчать про внутрішньозеренний механізм зламу внаслідок крупнозернистості матеріалу.

Механічні дослідження зразків з довжиною робочої частини 10 мм та шириною 4 мм були проведені розтягуванням на повітрі при постійному діючому напруженні течії. Час підігріву зразків до необхідної температури, яка встановлювалась при дослідженні не перевищував 25 хвилин. Температуру підтримували постійною з точністю 2о. Випробували як опромінені, так і неопромінені зразки, після чого робилось порівняння результатів.

а) б)

Рис.4. Фрактограми низькотемпературного ударного зламу: а) опроміненого дюралюміну; а) неопроміненого дюралюміну;

Інтервал температур, при якому проводились випробування становив Т = 713783 К. Найбільше видовження до руйнування спостерігалось у зразків сплаву Д16 (як опромінених так і неопромінених), що деформувались при Т = 773 К. Видовження до зруйнування в області напруження течії = 3,0 МПа, яка відповідає максимуму видовження, для неопромінених зразків склало 72%, для опромінених - 133%. Аналогічні дослідження проводились з алюмінієвими сплавами 1201 (рис.5) та АМг6 (рис.6). Для сплаву 1201 с початковою мікроструктурою (рис 6–а), максимальне видовження до руйнування = 210% досягається при = 4,5 МПа. Сплав АМг-6 (рис.5-а) максимальне видовження до руйнування = 180% проявляє при = 4,0 МПа. Обидва сплави проявляють структурну надпластичність, хоча і при достатньо високих гомологічних температурах. Зразки, вирізані з опромінених пластин 1201 та АМг-6, також проявляють надпластичні властивості, але, на відміну від сплаву Д16, їх видовження до руйнування є майже таким же, як у неопромінених сплавів. Суттєвим наслідком опромінення є збільшення швидкості течії більше ніж у два рази. Аналогічний результат опромінення спостерігається і для сплаву Д16. Порівняння кривих повзучості опромінених та неопромінених зразків, деформованих при Т = 773 К та = 3,0 МПа, вказує на істотну відмінність для них тривалості першої неусталеної стадії повзучості. Для неопромінених зразків вона в 5 разів більша, ніж у опромінених. Це може пояснюватись тим, що на початковому етапі деформації неопромінених зразків йде формування в них зеренної структури, яка з крупнозернистої та нерівноосьової вже при 57% деформації перетворюється в більш дрібнозернисту, рівноосьову, однак, все ж залишається певна нерівномірність розміру зерен. В той же час початкова зеренна структура опромінених сплавів більш дрібнозерниста та рівноосьова ( рис. 5–б, рис. 6-б), через що стадія усталеної течії для них починається значно раніше.

а а

б б

20 мкм 20 мкм

Рис. . Мікроструктура сплаву АМг-6: а)початкова; б) після опромінення.

Рис. Мікроструктура сплава 1201: а) початкова; б) після опромінення.

Слід зазначити, що технологічні переваги формовки виробів з використанням ефекту надпластичності не завжди полягають в повному використанні ресурсу максимального видовження до руйнування. Як правило, деформування в режимі надпластичності дозволяє уникнути виникнення пружних залишкових напружень та запасеної енергії, що значно підвищує стійкість в умовах термічного та радіаційного впливу. З точки зору рентабельності та технологічної гнучкості важливими є інші показники, наприклад, швидкість надпластичної течії. Перевагою такого типу формовки є також можливість одержання з оброблюваного матеріалу виробу з формою, що відтворює геометрію поля випромінювання а також має підвищені корозійностійкі властивості.

У третьому розділі ”Модифікація електрофізичних властивостей матеріалів для радіаційних процесів потоками іонів та легких ядер” розглядаються способи одержання матеріалів з електрофізичними властивостями, стійкими до впливу іонізуючих випромінювань та електромагнітних імпульсів, які генеруються електрофізичними установками. В останній час при розробці матеріалів із заданими властивостями, що забезпечують можливість експлуатації виробів в умовах екстремальних впливів, все більш поширеними стають технології модифікації твердих тіл шляхом імпульсної обробки потоками іонів, -частинок, електронів. Набута при цьому стабільність електрофізичних характеристик ґрунтується на різних принципах. Разом з тим практичне одержання таких матеріалів вимагає розробки установок для імплантації металічних в т.ч. радіоактивних фрактальних вкраплень у діелектричний матеріал та створення фізичних моделей, що описують електрофізичні характеристики таких матеріалів. Для створення на поверхні та у приповерхневому шарі діелектрика просторово неоднорідних металевих вкраплень була запропонована імпульсна іонно-плазмова установка с неоднорідним у часі потоком частинок. Формування покриття на підкладинці (рис.7) здійснюється пульсуючим потоком іонів , який формується за допомогою модулятора та подачі змінної (імпульсної) напруги на оптично прозорий електрод 12 та підкладинку 16 (при нанесенні покриттів на діелектрик, напруга подається на додатковий електрод 14).

Потік іонів на виході селектора 10, потрапляючи в зону дії змінного електричного та магнітних полів прискорюється (або уповільнюється), утворюючи пульсуючий потік іонів змінної енергії, осаджуваних на підкладинку 16. У між решітковому просторі оптично прозорого електроду 12 формується електромагнітне поле, яке забезпечує проходження прискорюваних іонів крізь решітку без значних втрат. За рахунок прикладеної різниці потенціалів між електродом 12 та підкладенкою 16 (електродом 14) здійснюється додаткова іонізація молекул реактивного газу в зоні нанесення покриття. Особливістю пропонованої установки є можливість низькотемпературного нанесення просторово-неоднорідних (фрактальних) вкраплень у вакуумі шляхом осадження змінного по величині енергії потоку іонів випарюваного матеріалу на діелектричну підкладинку.

Рис.7 1-корпус(анод); 2 – підкладинкоутримувач; 3 – катод; 4 – підпалюючий електрод; 5,9,11,15 –джерела живлення; 6 –плазмовід; 7 –соленоід; 8 –додаткова котушка; 10 – селектор іонів; 12 – оптично прозорий електрод; 13 – плазмооптичний стабілізатор; 14 - додатковий електрод; 16 – підкладинка; 17-штуцер для підводу газу

Імплантація провідникових матеріалів в діелектричне середовище здатно приводити до виникнення складної фрактальної структури. Для таких середовищ є характерним те, що їх макроскопічні властивості (коефіцієнти теплопровідності, електропровідності, дифузії і т.ін.) та діелектричні властивості залежать від їх фрактальних характеристик (наприклад, фрактальної розмірності матеріалу або його пористості).

Розглядаючи шар нерівноважного провідного середовища з втратами товщиною, до якого прикладена різниця потенціалів, рівняння руху електронів можно записати у виді

, (2)

де -середній час між зіткненнями електронів, - маса електрона, - швидкість електрона

Якщо середовищу властивий ефект пам’яті, або воно має складну фрактальну структуру, при якій електростатична сила діє не у всіх точках простору, тоді втрати в середовищі можна описати дробовою похідною та замінити оператор на оператор. Тоді знаходимо таке рівняння. Діючи на його ліву та праву частини оператором, отримуємо. Звідси приходимо до співвідношення між повним струмом через площу з перетином та різницею потенціалів. На відміну від звичайного лінійного співвідношення між цими величинами, яке є звичайним законом Ома, ми одержуємо вираз:

. (3)

Це співвідношення здійснює зв’язок між струмом та різницею потенціалів за допомогою лінійного оператора доробового інтегрування. Таким чином, співвідношення (3) є дробовим узагальненням закону Ома для фрактальних провідних середовищ. Вивчена також роль фрактальності в ослабленні зовнішніх радіаційних та електромагнітних впливів. Встановлено вплив просторовї модуляції впорядкованих фаз в опроменіних потужним електронним пучком електротехнічних матеріалах на функціональні можливості цих матеріалів а також приладів та пристроїв в яких вони застосовуються. Обговорюється роль багатодоменності в різних характеристиках електротехнічних залізокремнистих сталях, вплив доменних структур на енергетичні втрати, роль решіток електричних і магнітних доменів в покращенні параметрів радіаційно-стійких пристроїв.

В четвертому розділі ”Діагностика фізичних процесів, що зумовлюють техногенний вплив імпульсних радіаційних технологій” розроблені фізичні принципи: діагностики об’ємного статичного заряду, що накопичується в опромінюваному діелектрику; вимірювання поля вторинного випромінювання; контролю стану устаткування, що експлуатується в умовах підвищеного радіаційного фону. Параметром, що вимірюється, була температура поверхні досліджуваних об’єктів. Вимірювання здійснювалось шляхом реєстрації інфрачервоного випромінювання в діапазоні 8-14 мкм з застосуванням тепловізійного устаткування.

Розроблено метод дистанційної діагностики електричного заряду, який накопичується в опромінюваному діелектрику. В основу методу покладені ефекти зміни величини пробігу зарядженої частинки в зарядженому матеріалі а також конверсії енергії випромінення, що проходить через речовину, в теплову енергію. Накопичуваний в опромінюваному об’єкті електричний заряд приводить до зміни просторовго розподілу поглиненої дози зі зміщенням її максимуму до поверхні. Тобто це викликає більший приріст температури на поверхні опромінюваного об’єкту. Величину накопиченого заряду пропонується визначати як різницю між прогнозованою температурою на поверхні опромінюваного об’єкту та дистанційно виміряною за допомогою детектора ІЧ-випромінення.

Для вимірювання розподілу поля вторинного випромінювання запропоновано використовувати зондуючи екрани, які розміщуються в зоні опромінення. Проведено розрахунок величини приросту температури зондуючих екранів, виготовлених з різних матеріалів (Cu, Al, нержавіюча сталь), при поглинанні ними певної енергії іонізуючого випромінювання. Розроблено спосіб реєстрації інтенсивності потоків випромінювання по значенню приросту температури на поверхні зондуючого екрану. На рис.8(а) представлено зображення поверхні діелектрика в ІЧ-діапазоні випромінювання, опромінюваного пучком електронів з енергією 4 МеВ, а розподіл температури на поверхні уздовж нахиленої ліній (рис.8-а) представлено на рис 8-б. Більш високі значення температури на вісі пучка підтверджують відомий факт нерівномірності густини потоку енергії в поперечному перетині пучка та її більш високі значення поблизу вісі пучка. Коливання температури, що проявляються у вигляді сплесків, зумовлені шумами системи механічного сканування приладу.

а) б)

Рис.8 а) зображення теплового сліду електронного пучка на опроміненій діелектричній пластинці; б) розподіл температури на поверхні опроміненої пластини уздовж перетину сліду електронного пучка

Проаналізовано радіаційно-стимульовані процеси, які призводять до руйнування (втрати експлуатаційних характеристик і працездатності) матеріалів технологічного обладнання і споруд. Проведена систематизація ознак дефектоутворення в опромінюваних матеріалах в залежності від енергії іонізуючих частинок, поглиненої дози випромінювання, глибина проникнення, механічних та теплових навантаженнь та ін. Формування зони дефектоутворення в значній мірі залежить від дози поглинання обладнанням іонізуючого випромінювання, яке призводить до окрихчення матеріалу виробів, виникненню тріщин, отворів і т.і.

П’ятий розділ “Створення методології розробки та впровадження технологій на основі імпульсних джерел іонізуючого випромінювання” присвячено вирішенню проблем, що є важливими для створення фізичних основ технологій на базі електрофізичних джерел іонізуючого випромінювання: розробці самоузгодженої просторово-часової моделі взаємодії імпульса випромінювання твердими тілами; оптимізації значень енергії частинок випромінення при досягненні заданого радіаційно-стимульваного ефекту, який досягається в результаті збудження електронних підсистем твердих тіл; розробці принципів проектування, створення та впровадження радіаційних установок.

У зв’язку з виявленням низки ефектів, які відкривають можливість розширення областей практичного застосування імпульсних джерел іонізуючого випромінювання, виникає проблема розробки основ фізико-технологічних процесів с використанням названих радіаційних джерел. Особливістю радіаційних технологій на основі імпульсних радіаційних джерел є досягнення високих швидкостей процесів тепло- і масопереносу , які є співвимірними з протіканням структурних переворень, створенням радіаційних дефектів (вакансій та міжвузловинних атомів - пар Френкеля), формування кластерів точкових радіаційних дефектів, дислокаційних петель, пор та інших протяжних дефектів. Оптимізація технологічних параметрів при опроміненні матеріалів та їх післярадіаційній обробці, як правило здійснюється емпіричним шляхом, ґрунтуючись на раніше знайдених ефектах та послідуючих комплексних експериментальних дослідженнях процесів, що відбуваються в опромінюваному об’єкті. Це у свою чергу дає можливість побудови феноменологічних моделей з їх послідовною математичною формалізацією, які адекватно описують спостережувані явища та можуть передбачати результат опромінювання при змінених зовнішніх умовах. Оскільки взаємодія імпульсів випромінювання з речовиною супроводжується радіаційними перетвореннями, відповідальними за формування цілеспрямованих змін певних експлуатаційних властивостей опромінюваного об’єкту і при цьому припускається неоднозначна інтепретація їх фізичних механізмів, то теоретико-математична формалізація також є ускладненою. Особливістю імпульсних радіаційних процесів є те, що модифікуюча дія поширюється на приповерхневий шар. Товщина цього шару відповідає глибині занурення випромінювання і залежить від енергії частинки (Е), її заряду (Z1) і маси (M1) а також від густини (с), заряду (Z2) і маси (M2) іонів опромінюваної речовини. Тут також необхідно враховувати область радіаційно-термічного впливу за межами зони проникнення первинного випромінювання - ефект “радіаційної далекодії”.

Через це задача визначення технологічних параметрів джерела випромінювання та опромінюваного матеріалу, при яких досягається необхідний радіаційний ефект в межах заданого приповерхневого об’єму є визначальною. Стосовно радіаційних процесів на основі імпульсних джерел випромінювання оперування такими загальноприйнятими величинами, як поглинена доза, потужність дози є малоінформативним. Одні й ті самі значення дози можуть приводити до різних технологічних ефектів, оскільки при невеликій тривалості діяння (10-6 сек та менше) та високих значеннях потужності істотними стають значення амплітуди імпульсу його фронту, тривалості частоти слідування та властивостей опромінюваного матеріалу. Первинні радіаційні ефекти приводять до таких явищ, як кластеризація дефектів, тобто утворення їх комплексів, прискорення дифузії по радіаційно-стимульованому механізму, зміни фазового складу речовини. Для опису таких процесів, тобто своєрідного переходу від рівноважної системи з початковим набором параметрів (до опромінення) до нерівноважної системи с іншим набром параметрів (безпосередньо після опромінення) потрібен відповідний математичний формалізм. Так досягнення заданих експлуатаційних властивостей матеріалу внаслідок дії імпульсного пучка релятивістських електронів здійснюється завдяки створенню у приповерхневому шарі матеріалу певного нового нерівноважного термодинамічного стану та наступній його фіксації в цьому стані після припинення дії імпульсу. Очевидно, що опромінюваний об’єкт є типовим прикладом дисипативної системи. Формалізуючи формування в ній певної радіаційно-індукованої властивості, будем описувати її функцією, яка, в свою чергу залежить від функціоналу, узагальнюючого взаємозв’язок процесів, що відбуваються в опромінюваній речовині:

, (4)

де - функція, що характеризує параметри випромінювання; -мінімальний набір функцій, що описують ініціювання та протікання вторинних радіаційно-стимульованих процесів а також їх затухання та перехід середовища в стаціонарний стан після припинення опромінювання. У зв’язку з цим виникає задача підбору моделі, що встановлює функціональну залежність між одержуваним фізіико-технологічним ефектом, функцією випромінення та скінченним числом функцій, які характеризують власні термодинамічні параметри речовини. Оціночним критерієм коректності моделі буде слугувати встановлення автономного і, можливо, стаціонарного стану після припинення дії джерела випромінювання та формування заданих експлуатаційних властивостей в певній просторовій області. Такою властивістю може бути, наприклад, неоднорідний розподіл мікротвердості, корозійної стійкості та ін. Задамо умови однозначності:

та .

Для імпульсних пучків частинок циліндричної форми з осьовою симетрію зручніше користуватись циліндричними координатами. Вісь z вибирається у напрямку руху пучка електронів. Змінні, що описують стан опромінюваного об’єкту, доречно формалізувати у вигляді функцій, що являють собою криві, які мають один або більше екстремумів та переходять у стаціонарний стан після припинення опромінення Для апроксимації початкових та кінцевих параметрів будемо розглядати найпростіші дробово-поліноміальні функції від просторових змінних:

и , (5)

де q и k- константи.

Як модель, що описує динаміку переходу опромінюваного об’єкту з одного стану в інший під дією випромінювання, виберемо модель Колмогорова-Петровського-Піскунова-Фішера (КППФ) та запишемо рівняння нелінійної динаміки в циліндричних координатах:

.(6)

Це найпростіша модель, яка може забезпечити взаємоузгодженість локальної імпульсної функції джерела випромінювання та динаміки виникнення стійкої локальної неоднорідності , Принциповим моментом у виборі моделі