Термоупругие акустические и квазистатические поля, генерируемые в твердом теле плотным электронным пучком наносекундной длительности

• Автор: Чебодаев, Михаил Иванович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 116 с. : ил

Введение
Диссертация является продолжением работ по исследованию свойств твердых тел при мощных радиационных воздействиях, выполненных в лаборатории нелинейной физики Томского политехнического университета и посвящена изучению термоупругих акустических и квазистатических полей, генерируемых в твердом теле электронным пучком высокой плотности и наносекундной длительности.

Актуальность темы исследования

Наносекундные ускорители электронных пучков, созданные в 60-х годах, являются одним из наиболее мощных на сегодняшний день искусственных источников ионизирующего излучения. При плотности тока 103-107 А/см2 современных сильноточных ускорителей мощность дозы составляет 10п-1016 Гр/с, что на несколько порядков больше мощности дозы, создаваемой малоинтенсивными источниками, такими, как реакторы, изотопы, электронные и ионные ускорители с плотностью тока пучка менее 0,1 А/см2. Под действием такого источника, образец, попавший под облучение, переходит в сильнонеравновесное состояние. При его релаксации к равновесию наблюдается множество явлений: дефектообразование, эмиссия и пробой диэлектрика под воздействием интенсивных электрических полей, генерация сильных термоупругих акустических, распространяющихся со скоростью звука и квазистатических, релаксирующих со скоростью

температуропроводности, полей ответственных за изгиб тонких пластин

и стержней, хрупкий раскол и пластическую деформацию кристаллов [1-5].

Возможность генерировать в твердом теле бесконтактным способом сильные акустические поля, в том числе импульсные (амплитуда 105-10й Па, длительность 10‘и-10’7 с), позволила последовательно выделить и проанализировать их элементарные составляющие, в частности продольные, сдвиговые, изгибные и поверхностные волны. При исследовании акустических мод прекрасное совпадение теории и эксперимента позволяет предложить методики определения теплофизических констант твердых тел, использовать акустическую волну как «информационный носитель», а также восстанавливать пространственное распределение функции источника (мощности поглощенной дозы) по профилю продольного импульса разгрузки.
Акустические и квазистатические поля оказывают сильное влияние и сопутствуют многим быстропротекающим процессам, происходящим в твердых телах после электронного облучения. Так, при исследовании упругопластического изгиба нитевидных кристаллов при облучении плотным электронным пучком было показано, что дислокационная динамика инициируется термоупругими напряжениями, возникающими в кристалле в результате неоднородного нагрева тепловым ударом.
В настоящее время акустический отклик твердых тел на импульсное облучение лазерными пучками изучен более подробно, чем при облучении мощными потоками заряженных частиц (в том числе электронами). Экспериментальные и теоретические исследования акустических эффектов в твердых телах под действием электронных

пучков сводилось, в основном, к изучению продольной акустической волны в тонких образцах [6, 7], изгибной волны в тонких стержнях и пластинах и отчасти сдвиговой волны. О других акустических модах имелась лишь косвенная информация, полученная в экспериментах по хрупкому разрушению твердых тел электронными пучками [8-10]. Практически не отражен в литературе вопрос эволюции продольной акустической волны разгрузки, генерируемой в твердом теле плотным электронным пучком наносекундной длительности. Продольная акустическая волна - один из наиболее эффективных носителей информации о состоянии твердого тела. Практически любое возмущение материала оставляет «отпечаток» на форме продольного акустического импульса, распространяющегося со скоростью звука и несущего информацию о данном возмущении. Особенно важна информация о явлениях, разрушающих возмущенную область. Такую информацию можно получить с помощью самого быстрого естественного носителя информации о состоянии твердого тела - продольной акустической волны. В этом случае возникает задача об эволюции продольной акустической волны в материале и восстановлении формы начального сигнала по известной форме регистрируемого импульса
Работы в области высокодозового облучения различных материалов [11] концентрировали усилия, в основном, на изучении свойств приповерхностного слоя, изменяющегося в результате интенсивного нагрева образца пучками ионов или электронов. Хорошо изучено влияние нагрева образца при интенсивном режиме облучения на образование и накопление дефектов, диффузию, структурные и фазовые превращения, а также электропроводность [12-19]. Решение уравнения теплопроводности позволяет предсказывать температуру образца в

длительности импульса была измерена в широком диапазоне времен от нескольких наносекунд до единиц секунд и оказалась ступенчатой с тремя плато и резкими подъемами между ними, которые позволили определить время релаксации соответствующих механических полей. Первое плато соответствует первичным продольным волнам разгрузки, распространяющимся в образце в виде биполярных импульсов напряжений сжатия - растяжения со временем релаксации порядка 10'6 с. Второе - собственные акустические моды образца, включая изгибные, со временем релаксации 10'4-М0'3 с. И последнее, третье плато соответствует квазистатическим полям, время релаксации которых сравнимо со временем температуропроводности и в данных экспериментах лежало в пределах 10'2-т-1 с [8,74]. Этот результат позволил перейти к исследованию собственных мод образца, генерируемых электронным пучком, в том числе и изгибных волн в тонких пластинах и стержнях, обнаруженных и подробно изученных в 90-х годах Барденштейном, Быковым и Вайсбурдом [30, 75-77].
Кроме работ по термоупругому отклику образцов на импульсное облучение плотным пучком электронов, в конце 80-х и в 90-х годах был выполнен ряд работ по пластической деформации нитевидных кристаллов ЩГК, облученных электронами. Гольденберг и Хлебников исследовали пластический изгиб нитевидных кристаллов хлористого натрия и показали, что изгиб кристалла обусловлен наличием избыточной плотности краевых дислокаций одного знака, линии которых параллельны оси изгиба [78-81]. Было показано, что рождение и движение дислокаций инициируют термоупругие напряжения, возникающие в нитевидном кристалле [82] при электронном облучении. Дислокации стартуют из области максимальных напряжений и бегут в глубь образца. В результате их экстраплоскости накапливаются преимущественно на стороне, противоположной облучению, и таким образом накапливаются