Лазерная интерферометрия акустических полей, генерируемых в твердых телах плотными электронными пучками наносекундной длительности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Па правах рукописи

РГВ ОД

1 4 ЛПР 10Г->

Быков Виталий Иванович

ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ ПЛОТНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

01.04.07 — физика твердого тела

Авторе ферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск — 1998

Работа выполнена в лаборатории нелинейной физики Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Вайсбурд Д.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ульянов В.Л.

доктор физико-математических наук, профессор Шандаров С.М.

Ведущая организация: Институт электрофизики Уральского

отделения Российской Академии наук (г. Екатеринбург)

Защита состоится «_»_ 1998 г. в_час.

на заседании диссертационного совета К 063.53.05 при Томском государственном университете по адресу: 634010, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ТГУ.

Автореферат разослан «_»_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /?

кандидат физико-математических наук И. Н. Анохина

Общая характеристика работы

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 наносекундной длительности. Разработанная автором лазерно-интерферометрическая методика позволила экспериментально обнаружить генерацию изгибных волн и определить их 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 -т- 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 б 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 Майкельсона, а также исследование возможностей практического применения полученных результатов.

Конкретные задачи работы

1. Разработать методику и соответствующий комплекс аппаратуры на основе лазерного интерферометра Майкельсона по измерению акустических полей смещений в твердых телах при импульсном электронном воздействии.

2. Экспериментально исследовать свойства изгибных волн, возбуждаемых в пластинах и стержнях плотными импульсными электронными пучками.

3. Исследовать возможность использования измерений изгибных волн для определения механических и теплофизических констант твердых тел.

Научная новизна работы

1. 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.

2. Впервые экспериментально обнаружены изгибные волны, генерируемые в твердых телах плотными импульсными электронными пучками, и детально исследованы их свойства. Доказана термоупругая природа изгибных волн.

3. 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.

2. Полученные в работе экспериментальные результаты дополняют имеющиеся данные о формировании и эволюции термомеханических полей » 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.

3. Разработан метод измерения констант упругости и параметров Грю-найзеиа твердых материалов, основанный на лазерной интерферометрии одновременно двух составляющих акустического поля: продольных и изгибных воли, возбуждаемых плотным наносекуидным 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

1. 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.

2. Экспериментально обнаружены изгибные волны, генерируемые в твердых телах плотными импульсными электронными пучками, и определены их свойства.

3. Доказана термоупругая природа обнаруженных изгибных волн согласием экспериментальных данных с теоретическим расчетом.

4. 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.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, формулируются цель работы и основные положения, представляемые к защите.

Первая глава — обзор исследований акустической реакции твердых тел на облучение плотными импульсными пучками электронов. Показано, что быстрый и неоднородный нагрев твердого тела плотным электронным пучком является основной причиной генерации различных акустических полей. Анализ литературных данных показывает, что направление исследований при этом было направлено на изучение импульсов продольной волны разгрузки. Природа остальных (поперечных, изгибных, поверхностных и т.д.) видов волн, возбуждаемых в образце электронным пучком не выяснялась, хотя и был сделан вывод о большой роли собственных мод образца в его разрушении при длительностях электронного воздействия, сравнимых с периодом основного тона собственных упругих колебаний образца [7].

В первых работах [12, 2] для регистрации акустического отклика образца на воздействие плотным электронным пучком впервые применили интерферометр Майкельсона. Геометрия эксперимента не позволяла наблюдать генерацию изгибных волн. Использование сильноточных ускорителей с меньшей энергией электронов выявило главный недостаток простой схемы интерферометра—низкая чувствительность. Поэтому в качестве детектора акустических сигналов стали использовать пьезодатчик. Но пье-зодатчик регистрирует лишь продольные волны, а генерацию собственных мод образца подавляет, нагружая собой тыльную поверхность образца. Именно поэтому генерация изгибных волн в тонких пластинах и стержнях импульсным электронным пучком ранее не наблюдалась и не исследовалась.

В конце главы формулируются основные задачи работы.

Рис. 1. Функциональная схема установки. 1 — ускоритель ДЖИН, 2 — коллиматор, 3 — образец, Л — лазер, 5 — корпус интерферометра, 6 —фотоприемник, 7 — осциллограф, 8 — АЦП, 9 — диафрагма, 10 — линза, 11 — поворотная призма, 12 — вакуумная камера, 13 — емкостной делитель, 14 — гальванометр, 15 — стеклянная пластина, 16 — фотоггриемник, 17 — усилитель автоподстройки, 18 — пьезокерамический преобразователь, 19 — ЭВМ, 20 — аттенюатор.

Вторая глава посвящена выбору и описанию разработанной методики измерений акустических полей, генерируемых в твердых телах импульсными потоками электронов. В качестве источника электронного излучения был выбран ускоритель ДЖИН, описанный в [8].

Были проведены оценки ожидаемых амплитуд смещений продольной волны для примера в алюминии при облучении импульсным пучком электронов из ускорителя ДЖИН с плотностью энергии 0,2-^5 Дж/см2. Полученные оценочные амплитуды в 20-г500 нм являются недостаточными для применения простой схемы лазерного интерферометра Майкельсона, у которой минимальное измеряемое смещение не меньше половины длины волны излучения лазера А. Для используемого гелий-неонового лазера минимальное измеряемое смещение ~300 нм.

Указано, что пьезодатчик не пригоден для исследования собственных мод образца. Л чувствительность интерферометра можно значительно увеличить, введя оптическую отрицательную обратную связь [10, 11]. По этим причинам в качестве датчика акустических полей был выбран интерферометр Майкельсона.

В результате была разработана и создана экспериментальная установка, функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Пучок электронов из ускорителя 1 через коллиматор 2, являющийся одновременно монитором, попадает на исследуемый образец 3, который прикреплен к корпусу интерферометра и является одновременно одним

из зеркал интерферометра. Взаимодействие потока электронов с исследуемым материалом приводит к неравномерному по объему нагреву образца, и в нем генерируются волны напряжений, вызывающие деформацию. Смещение тыльной поверхности образца регистрируется с помощью оптической системы, включающей гелий-неоновый лазер 4, интерферометр Май-кельсона 5, фотоприемник 6 и записывающее устройство (осциллограф 7 или АЦП 8).

Интерферометр Майкельсона помещен вместе с образцом в экспериментальную камеру 12, в которой создается вакуум порядка 0,01 Па (Ю-4 мм рт. ст.).

Изменение интенсивности интерференционной картины, связанной со смещением поверхности образца, регистрируется фотоприемником 6 на базе фотодиода с временным разрешением 2 не. Электрический сигнал усиливается широкополосным усилителем (ширина полосы 500 МГц), который размещается в одном корпусе с фотодиодом. Усиленный сигнал поступает на вход осциллографа 7 или на вход автоматизированной регистрирующей системы на базе АЦП 8.

Одним из основных элементов функциональной схемы установки является интерферометр. Конструктивно он выполнен в виде отдельного блока, закрепленного на фланце и помещаемого в рабочую камеру. Конструкция интерферометра приведена на рис. 2.

Управление положением образца осуществляется через систему юстировки интерферометра без нарушения вакуума. Поворотное зеркало 10 в корпусе интерферометра направляет выходной лазерный пучок, несущий интерференционную картину, антипараллельно входному лазерному пучку. Ввод лазерного луча и вывод интерференционной картины осуществляется через окно 5 в центре фланца 3.

Конструкция экспериментальной ячейки показана на рис. 3. Цилиндрическая форма ячейки позволяет легко устанавливать ее на оси ускоритель — лазерный луч интерферометра. Простая схема крепления образца с помощью двух колец позволила реализовать граничные условия, используемые в теоретическом расчете, и получить возможность для сравнения экспериментальных данных с расчетом.

Для обработки интерферограмм был разработан алгоритм и написана программа для персонального компьютера. Как известно, выходной сигнал фотоприемника в двухлучевом интерферометре описывается выражением [9]:

/(¿) = А0 + А сов 4тг(х0 ~х1)/\± (4тг/А) / ь{1)с11 - (и>2-и^)* .

о

(1)

Рис. 2. Интерферометр МаЙкельсона. 1 — ручка, 2 — бинт, 3 — фланец, 4 — вал, 5 — окно, 6 — электрические выводы системы автоподстройки, 7 — лопатка, 8

— регулировочный винт, 9 — центрирующая цанга, 10 — поворотное зеркало, 11

— корпус интерферометра, 12 — делительное зеркало, 13 — опорное зеркало, 14 — пьезокерамический преобразователь, 15 — котировочные уголки, 16 — оптический столик, 17 — экспериментальная ячейка с образцом.

5 2

Рис. 3. Экспериментальная ячейка. 1 — основание; 2 — крышка; 3 — прижимные кольца; 4 — образец; 5 — прижимное и юстировочное кольцо.

Здесь Л — длина волны, a W12 — угловые частоты интерферирующих пучков; v(t) — скорость перемещения поверхности отражателя.

Первый член /1о — постоянная составляющая, или интерференционный фон; второй член переменный, он содержит полезную информацию о величине смещения поверхности отражателя. Амплитуда переменного сигнала равна А. Первое слагаемое под знаком косинуса зависит от величины нескомпенсированной разности хода xQ — ¿'i лучей. Второе слагаемое под знаком косинуса — фаза переменной части сигнала. Она связана с величиной смещения следующим образом:

t

у = (4тг/Л) J v(t) dt = (4tt/à)L.

о

Отсюда искомое смещение

L = (Л/4тг)уз = (JV + дЛг)(А/2). (2)

Целая часть этого соотношения равна порядку интерференции N, то есть числу полос, прошедших перед окном фотоприемника; дробная часть дN соответствует смещению в пределах одной полосы.

Последнее слагаемое под знаком косинуса в (1) — дополнительный частотный сдвиг, величина которого обычно известна. При wj = этот член исчезает и мы приходим к классическому интерферометру "постоянного тока".

Для того, чтобы определить смещение в пределах одной полосы необходимо знать: амплитуду А переменной составляющей сигнала, начальную разность хода лучей xq — xi или начальный сдвиг фаз ¿о- При таких амплитудах смещений без специальных средств нельзя получить эти данные, а следовательно, и расшифровать сигнал.

Проблема решена введением оптической отрицательной обратной связи с помощью системы автоподстройки, которая позволяет фиксировать и управлять начальным сдвигом фаз Sq, а также определить в статическом режиме максимальный и минимальный фототок, что в конечном итоге определяет амплитуду А. Для выходного напряжения регистрирующего устройства

А — ((/mai Лгип)/2) ■ Ru ' Лу,

где К у — коэффициент усиления по напряжению широкополосного усилителя. Поясним принцип работы такой системы (Рис. 1). Для работы системы автоподстройки часть излучения с выхода интерферометра стеклянной пластиной 15 отводится на фотоприемник 16. При изменении оптической разности хода лучей изменяется интенсивность излучения на

выходе интерферометра. Фотоприемник 16 это изменение преобразует в переменный электрический сигнал, который через фильтр нижних частот поступает на один из входов дифференциального усилителя 17. На второй вход усилителя подается опорный сигнал (сигнал сравнения), равный постоянной составляющей сигнала на выходе фотоприемника при интенсивности излучения, соответствующей рабочей точки интерферометра (2/о ~ (2т 4- 1) • Л/4). Усиленный сигнал рассогласования появляется на выходе усилителя 17 и подается на пьезоэлектрический преобразователь перемещения зеркала 18. При перемещении опорного зеркала компенсируется набег фазы, вызванный низкочастотным возмущением. Опорное зеркало интерферометра перемещается синхронно и синфазно с измерительным, обеспечивая постоянство выбранной разности плеч.

Для преобразования оптического сигнала интерференционной картины в электрический используется фотоприемник 6, с постоянной времени 2-Ю-9 с, размещенный в одном корпусе с широкополосным усилителем, с полосой пропускания 50 кГц-ьБОО МГц. Далее электрический сигнал фиксируется осциллографом 7 и АЦП 8.

В случае большой амплитуды сигнала (> Л/2) при расшифровке появляется проблемма определения точки смены направления движения поверхности образца, если она находится вблизи экстремума интерферо-граммы, представляющей собой модулированную синусоиду (рис. 4). В промышленных интерферометрах применяют специальные средства для получения второй интерферограммы со сдвигом в тг/2. Мы нашли другой способ, который хорошо себя зарекомендовал. Поясним его на примере (рис. 4). Плотность потока электронов, подающих на образец, от выстрела к выстрелу варьируется в пределах 5 — 10% и, соответственно, изменяется амплитуда сигнала. При этом вид интерферограммы зависит от величины смещений. Это обусловлено тем, что экстремумы синусоиды (точки С, Б, Р, С, К, Ь на рис 4) могут сдвигаться по оси времени в зависимости от скорости смещения при постоянном значении тока фотоприемника, а положения моментов смены направления движения поверхности (точка II) при этом не изменяются, так как связаны с собственными модами образца и зависят только от его размеров. Сравнивая между собой интерферограммы одной серии, можно определить точки смены направления движения.

В конце главы приводится оценка погрешности методики.

Параметры созданной установки сведены в следующей таблице:

Параметры экспериментальной установки: Наносекундный ускоритель электронов ДЖИН

Максимальная энергия электронов ...............................0,5 Мэв

Рис. 4. Интерферограммы, поясняющие статистический метод расшифровки ин-терферограмм. По оси абсцисс—время, по оси ординат—фототок. Видно, что экстремумы у двух интерферограмм сдвинуты по оси абсцисс, тогда как точки поворота совпадают.

Плотность тока регулируется в интервале ..............0,1 -г 3000 А/см2

Длительность импульса регулируется в интервале ............1,5-г 30нс

Нестабильность амплитуды импульсов тока пучка ..................±5%

Система регистрации

Гелий-неоновый лазер .........................................ЛГН-224-1

Длина волны лазерного излучения в вакууме .................0,6329 мкм

Мощность лазерного излучения ...................................13 мВт

Постоянная времени фотоприемника:

ФД-24К ..........................................................10 • 10~6с

ФД-256 ............................................................2 ■ 10-9с

Полоса усиливаемых частот усилителя автоподстройки.......0 -г 500 Гц

Широкополосный усилитель

Полоса усиливаемых частот ............................50 кГц 4-500 МГц

Коэффициент усиления .............................................52 дб

Максимальная выходная амплитуда ................................0,6 В

А1Л1:

Номинальная ступень квантования ...................... 8, 16, 32, 64 мВ

Объем ОЗУ .....................................4096 семиразрядных слов

Длительность цикла преобразования................................25 не

Измерения малых смещений

Минимальная измеряемая амплитуда

10'

-11

м

Ошибка измерения амплитуды смещения ............................±2%

Относительная ошибка измерения временных диапазонов ...........10%

Измерение больших смещений

Относительная ошибка, измерения временных диапазонов ............2%

Возможные временные разрешения ....25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600нс

Возможные временные интервалы измерения ..............100 -г бОООмкс

Ошибка измерения амплитуды смещения ...........................±5нм

Третья глава посвящена описанию экспериментальных исследований изгибных волн, сравнению с теоретическим расчетом, предлагается и описывается методика измерения констант упругости и параметров Грюнай-зена твердых тел на основе измерений изгибных волн.

На описанной в предыдущей главе установке были проведены эксперименты по регистрации акустических полей, генерируемых в тонких пластинах и стержнях плотными пучками электронов наносекундной длительности. Образцами служили круглые пластинки и стержни прямоугольного сечения из меди, кварцевого стекла, ЩГК, кремния, алюминиевого сплава Д16Т, углеволоконных композитов. Диаметр (длина) образцов — 1-3 см, толщина (высота) — 0,5-1 мм. Края пластин жестко закреплялись по всей окружности, а у стержней закреплялся один из концов. Образцы облучались через коллиматор диаметром 3, 5 или 7мм.

В этих экспериментах наблюдалась генерация интенсивных изгибных волн. Типичная картина, наблюдаемая в экспериментах, приведена на рис. 5.

На интерферограмме а (рис. 5) хорошо различаются импульсы смещений продольной волны разгрузки и наблюдается более медленное смещение, в полной мере наблюдаемое при большем времени развертки осциллографа б. Это смещение соответствует изгибной волне в тонкой пластине, которая ранее не наблюдалась.

Теоретический расчет изгибных волн, возбз'ждаемых плотными нано-секундными пучками электронов, выполнены сотрудником лаборатории нелинейной физики ИСЭ СО РАН А. Л. Барденштейном. Им получены уравнения, описывающие в рамках линейной несвязанной теории термоупругости изгибные волны, возбуждаемые в пластине и стержне электронным пучком.

Результаты измерений сравниваются с данными расчетов.

Эксперименты выявили структуру изгибной волны, в которой присутствует огибающая, соответствующая статическому прогибу и основному (первому) тону изгибной волны, и тонкая структура, соответствующая более высоким гармоникам.

По характеру зависимостей смещений от времени все исследованные материалы четко разделяются на две группы. К первой относятся упругие и хрупкие, такие как кварцевое стекло, кремний, ЩГК (рис. 6). Ко второй

Рис. 5. Интерферограммы смещений необлученной боковой поверхности пластины из Д16Т диаметром 2 см и толщиной 0,94 мм. Диаметр пучка 5 мм, флюенс электронов 1,88- 1013см-2. Горизонтальный и вертикальный масштабы: (а) -0,1 мкс/большое деление и 0,2 В/большое деление; (6) - 5 мкс/большое деление и 0,2 В/большое деление, соответственно.

О 20 40 60 0 40 80 120

Время, мне Время> мкс

Рис. 6. Зависимость смещения центра пластины из хрупких материалов от времени: 1 — данные эксперимента, 2 — результат расчета, а—материал— кварцевое стекло, диаметр пластины 20 мм, толщина 1 мм. Диаметр облученной области 5 мм, флюенс электронов 4,89-1013 см-2; &—материал— монокристаллический кремний, ориентированный вдоль ¡Шб- диаметр пластины 27 мм, толщина 0,4 мм. Диаметр облученной области 7 мм, флюенс электронов 2,53-Ю13 см-2

— пластичные и вязкие, такие как медь, алюминиевый сплав, композиты (рис. 7, 8).

Для первых расхождение расчета с экспериментом не более 10%, а вид экспериментальных кривых говорит о том, что значение постоянной составляющей, амплитуды 1-ой и высших гармоник согласуются с данными расчетов (рис. 6).

Для материалов второй группы характерным является отсутствие у экспериментальных зависимостей выраженной тонкой структуры прогиба (рис. 7, 8), которую, согласно линейной теории, должны формировать 2-ая и более высокие гармоники. Причина — пластическая деформация и вязкое трение. Эффект затухания высших гармоник изгибных колебаний хорошо иллюстрируется рис. 8, на котором сравниваются экспериментальная и теоретические зависимости прогиба тонкого стержня, изготовленного из сплава Д16Т, от времени. Видно, что на временах, больших полупериода 1-ой гармоники, высшие гармоники отсутствуют и экспериментальная зависимость в пределах погрешности измерений описывается суммой постоянной составляющей и 1-ой гармоники.

На рис. 9 показаны экспериментальные данные, отражающие следующие свойства изгибной волны. Слева отображается результаты сканирования по поверхности образца, что позволяет судить о пространственной структуре изгибной волны. Справа — зависимость амплитуды изгибной

Рис. 7. Зависимость смещения центра пластины Д16Т от времени: 1 — данные эксперимента, 2 — результат расчета, а—диаметр пластины 20 мм, толщина 0,94 мм, диаметр облученной области 5 мм, флюенс электронов 1,88-1013 см-2; б —диаметр пластины 25 мм, толщина 0,94 мм, диаметр облученной области 3 мм, флюенс электронов 2,12-Ю13 см-2.

боо ц

г

X

0>

I о

а> 3

| -500 О

•1000

200 400

0 20 40 60 80

Время, мкс

Время, мкс

Рис. 8. Зависимость смещения от времени: 1 — данные эксперимента, 2 — результат расчета, а—задней грани дюралюминиевого стержня. Длина стержня 19,5 мм, высота 0,94 мм, ширина 1,5 мм, длина облученного участка 5 мм, флюенс электронов 0,31-1013 см~2; б—центра медной пластины. Диаметр пластины 27 мм, толщина 0,79 мм, диаметр облученной области 7 мм, флюенс электронов 3,12-1013 см-2.

1 МКС

2 мкс 4 мкс 6 мкс 8 мкс

-1000

0

1

2

Расстояние от центра, мм

0.6 0.8 1.0 Толщина, мм

Рис. 9. а—Радиальные распределения смещений в центральной области пластины Д16Т в различные моменты времени после облучения. Точки—данные эксперимента, кривые—результат расчета. Диаметр пластины 27 мм, толщина 0,58 мм, диаметр облученной области 3 мм, флюенс электронов 1ДЗ-1013 см-2. б—Зависимость амплитуды изгибных колебаний пластин Д16Т от толщины. Кривая—теоретическая зависимость, полученная в [13].

волны от толщины образца. Здесь амплитуда для наглядности нормирована на поверхностную плотность падающих электронов и приведена в относительных единицах.

В целом лазерно-интерферометрические измерения подтверждают основные свойства изгибных волн, предсказанные расчетом: зависимости амплитуды от параметров пучка, геометрических размеров образца, зависимость направления прогиба от знака первого момента распределения дозы и т. д. Из этих измерений ясно видны причины, по которым ранее изгибные волны не наблюдались.

Основные причины — большая толщина образцов и узкий »ременной интервал наблюдения. Аппаратура была настроена так, чтобы четко наблюдался импульс сжатия-растяжения продольной волны разгрузки. Если временной интервал наблюдения выбран так, что хорошо выделен продольный импульс, то одновременно измеряется только малый фрагмент изгибной волны, который в этом временном интервале практически не выделяется из постоянного фона.

В работах [12, 2] использовали сравнительно толстые образцы, поэтому амплитуды изгибных волн были малы. В более поздних работах [5] использовали в качестве детектора пьезодатчик, который вместе с образцом образует жестко стянутую слоистую структуру, которая имеет большую суммарную толщину и сильно подавляет генерацию изгибных волн.

В той мере, в какой результаты расчета согласуются с измерениями, из-

гибные волны, возбуждаемые электронным пучком в пластинах и стержнях, можно считать упругими и использовать для определения констант упругости и параметров Грюнайзена материалов.

Разработана соответствующая методика измерения, основанная на ла-- зерной интерферометрии сразу двух типов акустических волн: изгибных и продольных, возбужденных в тонкой пластине или стержне одним импульсом электронного облучения. Методика включает следующие основные операции. 1) Зарегистрировав первичный импульс продольной волны и несколько его отражений, определяем с^ — 2Л/тх, где тх — временной интервал между максимумами двух соседних импульсов. 2) По измеренной зависимости прогиба от времени Сэксп(л О определяем период первой гармоники Т\, а затем — скорость спл = 4лД*1Щ/(k:\hTi). 3) Любые два модуля упругости выражаются через сь и спл, например, коэффициент Пуассона и модуль Юнга: а — 1 — а~2( 1 — 1 — а2), где а — спл/сь] Е — рс2л(1 — <т2). 4) Проинтегрировав С(г><) п0 периоду изгибных колебаний, получим:

ГТг Г 1 _ 9гг й2

/ ((Г)<)Л«а-12 —--тг'ЛМСоИ (3)

Jо 1 - <г №

с точностью до слагаемых, вклад которых мал (0,02 -4-0,8% в зависимости от г) благодаря квазипериодичности изгибных колебаний. Отсюда формула для определения параметра Грюнайзена [13]:

г<">-т?я-(Г- ътмш Г'с—с»

Измерения прогиба образца на различных расстояниях г от центра пластины дают близкие значения Г: расхождение не более 0,3%. Если в качестве образцов для измерения термоупругих констант используется тонкий стержень, последовательность операций точно такая же. При этом второй определяемой константой упругости становится скорость сст, а формулы для расчета сст и Г получаются из соответствующих выражений для стержня [13].

Таким образом, процедура вычисления констант использует только такие характеристики экспериментальных зависимостей прогиба образца от времени (период первой гармоники изгибных колебаний и Сэксп значения которых одинаково хорошо согласуются с теоретическими расчетами как для упругих, так и для вязкопластичных материалов. Это делает разработанный метод нечувствительным к затуханию высших гармоник в образцах пластичных и вязких материалов.

Методика тестировалась на образцах кварцевого стекла, сплава Д16Т, меди и углеволоконного композита с плотностью 1,35г/см3 (см. таблицу

Таблица ]. Результаты тестирования метода измерения термоупругих констант.

Материал С1, м/с Сил, м/с <т Г

Кварцевое (измер.) 5800 ± 400 5300 ± 300 0,19 ±0,01 0,042 ±0,008

стекло (табл.) 5935 5450 0,17 0,033

Д16Т . (измер.) 6200 ± 400 5400 ± 400 0,33 ±0,02 1,9 ±0,3

(табл.) 6077 5362 0,32 2,13

Медь (измер.) 4600 ± 300 3800 ± 300 0,36 ± 0,02 1,9 ±0,3

(табл.) 4700 4011 0,38 2,04

Композит (измер.) 3300 ±200 1700 ± 100 0,46 ±0,09 0,52 ±0,09

1). Измеренные параметры первых трех материалов хорошо согласуются со справочными данными.

По сравнению с применяемыми на сегодняшний день различными модификациями метода Перри — Освальда [2, 12, 6], основанного на исследовании только продольных волн, разработанный метод имеет несколько существенных преимуществ. Во-первых, в одном эксперименте измеряются две независимые константы упругости и параметр Грюнайзена. Во-вторых, измерения перенесены в область более низких частот и более высоких амплитуд, что облегчает регистрацию и расчет. В-третьих, в той же мере в какой можно говорить о параметре Грюнайзена для композиционных материалов, его можно измерять данной методикой.

Основные результаты и выводы

1. Разработана методика для исследования акустических волн, генерируемых в твердых телах плотными электронными пучками иа-носекундной длительности, и создана соответствующая компьютеризированная установка, в которой лазерный интерферометр Май-кельсона с малой базой и схемой подавления вибраций совмещен с наносекундным сильноточным ускорителем. Разработанная лазерно-интерферометрическая методика измерения акустических полей позволяет'. 1) регистрировать импульсы и волны акустических смещений с амплитудами от единиц ангстрем до единиц микрометров с высокой (не хуже 2%) точностью; 2) исследовать широкий круг акустических мод, генерируемых в твердых телах импульсным электронным пучком( объемные продольные волны, симметричные и антисимметричные волны Лэмба в пластинах и собственные моды колебаний стержней продольного и изгибного типов, волны Рэлея).

Созданный аппаратурный комплекс открывает широкие возможности дальнейших экспериментальных исследований по изучению генерации и эволюции акустических полей в твердых телах при мощных радиационных воздействиях.

2. Обнаружены изгибные волны, возбуждаемые в тонких пластинах и стержнях плотными пучками электронов наносекундной длительности, и установлены их основные свойства путем детального сравнения экспериментальных данных с результатами теоретического расчета А. JI. Барденштейна. Изгибные волны имеют ярко выраженную структуру. Основной вклад в спектр изгибных волн вносит статический прогиб и первая "гармоника", все последующие сильно затухают. Спектр изгибных волн сильно зависит от типа вещества. В хрупких упругих материалах в спектре присутствуют и высшие "гармоники", тогда как в вязкоупругих материалах наблюдается эффект сильного затухания высших "гармоник". Особенно наглядно эффект затухания высших "гармоник" проявился в экспериментах на дюралюминиевом стержне, в котором во втором полупериоде они практически исчезли.

3. Согласие эксперимента с расчетом показывает, что обнаруженные волны являются термоупругими. Ранее считалось, что термоупругая природа присуща лишь продольной волне разгрузки, тогда как генерация собственных мод образца, поверхностных волн есть результат эволюции продольной волны. Согласие экспериментальных данных с теоретическим расчетом показывает, что генерация изгибных волн в тонких пластинах и стержнях есть первичный результат быстрого неравномерного объемного нагрева образца электронным пучком.

4. Предложен метод определения упругих параметров материалов, основанный на измерении в одном эксперименте двух видов волн — продольной и изгибной, и имеющий ряд преимуществ перед ранее известными. К преимуществам следует отнести: 1) генерацию объемных мощных акустических полей электронным пучком; 2) определение в одном акте измерения сразу двух упругих констант и параметра Грюнайзена.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Беспалъко A.A., Быков В.И., Федюнин A.B. Эффективность генерации акустических сигналов твердыми телами при облучении мощными потоками электронов и мягкого рентгена // Акуст. журн. 1993. Т. 39 № 6. С. 1136-1138.

2. Барденштейн А.Л., Беспалько А.А., Быков В.И., Вайсбурд Д.И. Термоупругий изгиб твердых тел при облучении электронными пучками // Тез. докл. 8-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск. 1993 г. Часть 1. С. 57.

3. Барденштейн А.Л., Беспалько Л.А., Бугаев С.П., Быков В.И., Вайсбурд Д.И. Изгибные волны, возбуждаемые в пластинах плотным электронным пучком наносекундной длительности // ДАН. 1994. Т. 336. № 2.С. 186-190.

4. Burdenstem A.L., Bykov V.I., Vaisburd D.I. Flexural waves induced by a high current electron beam in a thin plate // Proc. of 10th International Conference on High Power Particle Beams. San-Diego. USA. 1994. V. 2. P.803-806

5. Барденштейн А.Л., Быков В.И., Вайсбурд Д.И. Генерирование из-гибных волн в твердом теле плотным электронным пучком наносекундной длительности // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61. Вып. 2. С. 96-100.

6. Bardenstein A.L., Bykov V.I., Vaisburd D.I. Pulsed power electron and ion beams diagnostics based on simultaneous detection of acoustic longitudinal and flexural waves // Proc. of 10th International IEEE Pulsed Power Conference. Albuqerque. USA. 1995. V. 1 P. 390-395.

7. Бардепугтейн А.Л., Быков В.И. Применение акустических эффектов взаимодействия плотного наносекундного пучка электронов с твердыми телами для измерения упругих и теплофизических постоянных // Тез. докл. 9-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск. 1996. С. 40-41.

8. Bardenstein A.L., Bykov V.I., Vaisburd D.I. Acoustic effects in solids induced by high-current-density electron beam: application for thermo-mechanical constants measurements // Abstr. of 11th International Conference on High Power Particle Beams. Prague. Czech Republic. 1996. Abstract P-3-5.

9. Барденштейн А.Л., Быков В.И., Вайсбурд Д.И. Лазерная интерферометрия изгибных волн, возбуждаемых в тонких стержнях плотным электронным пучком наносекундной длительности // ДАН. 1996. Т. 350. № 3. С. 324-327.

10. Беспалъко A.A., Быков В.И. Лазерная интерферометрия акустических полей, генерируемых в твердых телах плотными электронными пучками // Изв. высш. учебн. завед. Физика. 1997. № 11. С. 82-92.

Цитированная литература

1. Oswald R.B Jr. Fracture of Silicon and Germanium induced by Pulsed Electron Irradiation. IEEE Trans. Nucl. Sei. 1966. NS-13. p. 63-69.

2. Perry F.C. Thermoelastic dosimetry of relativistic electron beams // Ap-pl. Phys. Lett.. — 1970. — V. 17, No. 9. — P. 408-411.

3. Вайсбурд Д.И., Балычев И.H. Разрушение твердых тел в результате сверхплотного возбуждения их электронной подсистемы // Письма в Журн. экспер. и теор. физики. — 1972. — Т. 15, вып. 9. — С. 537-540.

4. Вайсбурд Д.И., Иванов A.B., Ландель В.Ф. и др. Хрупкое раскалывание стекол под действием периодического импульсного облучения плотными потоками электронов // Там же. — 1984. — Т. 54, вып. 2. — С. 375-376.

5. Вайсбурд Д.И., Семин Б.Н., Таванов ЭР. и др. Высокоэнергетическая электроника твердого тела. — Новосибирск: Наука, 1982, С. 45-52.

6. Залюбовский И.И., Калшшченко А.И., Лазурик В. Т. Введение в радиационную акустику. Харьков: Вища школа, 1986, 168 с.

7. Вайсбурд Д.И., Каратеев В.П., Матлис С.Б., Месяц Г.А. Масштабный эффект при хрупком разрушении ионного кристалла мощным импульсом электронного облучения // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 13. С. 69-71.

8. Вайсбурд Д. И., Семин Б. П., Серобян Е.С., Трофимов В. А. Синхронизированные сильноточные ускорители для облучения твердых тел электрон-электронными и электрон-рентгеновскими пучками. Приборы и техника эксперимента. 1986. №6 с. 135-138.

9. Коронкевич В. П., Ханов В. А. Современные лазерные интерферометры — Новосибирск: Наука, 1985, с. 8 - 10.

10. Троценко В. П. Стабилизация оптических интерференционных схем измерения малых акустических сигналов. Приборы и техника эксперимента. 1984. №6. с. 158-160.

11. Вондаренко А. Н., Маслов Б. Я., Рудая Б. Б., Троценко В. П. Оптическая установка для измерения сверхмалых акустических колебаний. Приборы и техника эксперимента. 1975. №6. с. 211-213.

12. Oswald R. В. Jr., Мс. Lean F. В., Schallhorn D. R., Buxton L. D. One-Dimensional Thermoelastic Response of Solids to Pulsed Energy Deposition. J. of Appl. Phvs. 1971. 42. N 9. P.3463-3473.

13. Барденштейн A.JI. Изгибные волны, возбуждаемые в твердых телах плотными импульсными пучками электронов: Дис. ... канд. физ мат. наук. — Томск, 1996.