Высокоскоростное кино: физики засняли, как «пылит» вещество в момент взрыва
- 27.07.2023
Одна из основных задач в изучении быстропротекающих процессов – ударно-волновых и взрывных – в том, чтобы при помощи экспериментальных данных получить информацию о состоянии вещества в момент сжатия до миллиона атмосфер (для примера давление в центре Земли составляет 3,7 млн атмосфер). Численное моделирование поведения материала при таких перегрузках интересно для аэрокосмической, атомно-энергетической, строительной отраслей промышленности. Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева (ИГиЛ СО РАН) исследуют одно из паразитных явлений, возникающих в момент взрыва и мешающих равномерному сжатию материала – пыление. Поток микрочастиц, отрывающихся от вещества, специалисты изучают при помощи синхротронной радиографии на станции «Субмикросекундной диагностики» Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ) ИЯФ СО РАН. Синхротронное излучение позволяет получать картину событий, длящихся наносекунды. Благодаря таким техническим возможностям ученые создали математическую модель пыления – эксперименты проходили с образцами из олова. Результаты были доложены на конференциях Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR) (2022 г.) и Забабахинские научные чтения (2023 г.).
«Мы занимаемся изучением ударно-волновых и взрывных процессов, – рассказывает ведущий научный сотрудник ИГиЛ и ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Тен. – Эта область науки интересна в первую очередь аэрокосмической, атомно-энергетической отраслям промышленности. Дело в том, что благодаря подобным исследовательским работам, можно изучать, как ведет себя какое-то вещество в момент взрыва, то есть в момент сжатия до миллиона атмосфер. Материалы, из которых сделаны космические корабли, испытывают сильные деформации при входе в атмосферу, броня должна выдерживать ударные волны от попадания снарядов и др. Мы проводим эксперименты и получаем экспериментальные данные по сжатию вещества, которые потом переводятся в математические формулы зависимости плотности от давления исследуемых веществ в момент перегрузки и деформации. Такие формулы называются уравнениями состояния вещества и потом применяются при конструировании объектов».
Динамика положения (движение) «пыли» от времени. Предоставлено К. Теном
Один из интересных эффектов, который изучают специалисты ИГиЛ СО РАН и ИЯФ СО РАН, называется пыление. Пыление – это процесс отрыва микрочастиц от металлического «ударника» (снаряда или поршня), который используется для создания ударной волны в образце (в исследуемом веществе). Микрочастицы летят впереди с чуть большей скоростью и сильно мешают достижению максимального сжатия в образце. Они деформируют поверхность образца, по которому бьет снаряд, то есть мешают его равномерному сжатию, а также снижают саму скорость удара.
«Чтобы сжать вещество, нужно чем-то по нему ударить, придать импульс. А ударяя с большой силой по предмету, заставляя его двигаться со скоростью в несколько километров в секунду, появляется эффект пыления. Чем быстрее разгоняем ударник, тем больше появляется микрочастиц, – поясняет Константин Тен. – Теперь мы знаем, что пыление сильно искажает отполированную для лучшего сжатия поверхность материала – мы называем это потерей монолитности фронта. И все это нужно учитывать в конструировании космических кораблей, атомных станций и др. Почему раньше этого не видели, а нам удалось? Дело в том, что микрочастицы имеют не просто малые размеры (нано и микро), но еще имеют малую плотность и летят с со скоростью 3-6 км/сек. И длится это очень непродолжительное время – микросекунды. Обычным рентгеновским аппаратом такое не увидеть. На базе ИЯФ СО РАН у нас есть возможность работать с синхротронной радиографией на пользовательской станции «Субмикросекундной диагностики». Это тот же рентген, но делающий кадры за доли наносекунд. Для взрывных процессов это очень хорошее время. Мы одни из немногих, кто получает дифракционную картину события».
Специалисты ИЯФ СО РАН и ИГиЛ СО РАН провели эксперименты по изучению пыления от олова. Это очень удобный модельный объект, так как у него низкая температура плавления и при сильном ударе связь между молекулами нарушается и нужный процесс запускается быстрее. Модельные эксперименты позволили получить математические формулы, которые учитывают само пыление и эффекты, которые оно производит. Теперь их можно использовать для решения задач аэрокосмической, атомной отраслях.
ЦКП СЦСТИ специализируется на фундаментальных и прикладных работах, связанных с использованием пучков синхротронного и терагерцового излучения, на разработке и создании экспериментальной аппаратуры и оборудования для таких работ, на разработке и создании специализированных источников синхротронного и терагерцового излучения. Центр создан на базе лабораторий ИЯФ СО РАН и имеет статус открытой лаборатории, в деятельности которой могут принимать участие российские и зарубежные организации и лица.
Общий вид станции «Субмикросекундной диагностики» ИЯФ СО РАН. Представлено К.Теном