«Быстропротекающие процессы» — одна из станций первой очереди Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП СКИФ). Она предназначена для решения задач, связанных с изучением быстропротекающих процессов, характерные масштабы времени которых составляют десятки нано- или миллисекунд. Помимо этого, на станции будут исследовать взрывчатые материалы и воздействие ударных нагрузок на конструкционные материалы. Такие работы необходимы в ракетостроении, самолетостроении и машиностроительном материаловедении.

3D-модель оборудования станции

Синхротронное излучение (СИ), генерируемое электронным накопителем СКИФ, активно применяется для исследования быстропротекающих процессов во многих мировых центрах. Его основным преимуществом, по сравнению с классическими рентгеновскими аппаратами, является высокая интенсивность потока, малая угловая расходимость и короткая длительность импульсов излучения, а также строгая периодичность их следования.

Активно изучать взрывчатые вещества, их свойства и детонационные характеристики начали в середине XX века. Тогда использовали контактные методики, внедряли специальные датчики в исследуемый объект. Недостаток такого способа — в большом количестве искажений и неточном результате.

Позже появились рентгеновские аппараты, однако и у них есть недочеты. При исследовании быстропротекающих процессов за одну вспышку можно было сделать только один кадр. Чтобы получить кино из нескольких кадров, нужно, во-первых, чтобы объект был высокосимметричный (чтобы снять его с разных ракурсов), во-вторых, необходимо поставить несколько рентгеновских аппаратов с разной задержкой, что резко усложняет эксперимент и интерпретацию результатов.

«Характерная длительность быстропротекающих процессов — десятки наносекунд или микросекунды. К ним относятся, например, возникновение микротрещин в материалах в результате какого-либо воздействия, распространение детонационных, ударных волн. Чтобы управлять быстропротекающими процессами, нужно понимать их механизм. Для этого измеряют, как в ходе процесса изменяются скорость, давление, температура, плотность и другие параметры. Раньше ученые использовали контактные методики (датчики измерения скорости, давления), классическое рентгеновское излучение, в последнее время находят широкое распространение лазерные методики. Исследования с использованием синхротронного излучения — самые продвинутые и мощные», — отметил заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус.

Кто разрабатывает оборудование и создает станцию?

Разработкой оборудования станции занимается Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. Для проведения необходимых работ он использует как собственные ресурсы, включая производственную базу конструкторско-технологического филиала, так и привлекает коллег из Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН и других российских научных организаций и промышленных предприятий.

«Например, Институт автоматики и электрометрии СО РАН создает автоматическую систему управления оборудованием экспериментальной станции, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН — фокусирующее зеркало, Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН — уникальные сверхбыстрые детекторы. Еще есть кооперация с ядерным центром в городе Снежинске (Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. ак. Е. И. Забабахина). Они делают пневматическое устройство высокого давления», — рассказал научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП СКИФ, координатор разработки и создания станции «Быстропротекающие процессы» кандидат физико-математических наук Иван Андреевич Рубцов.

Сотрудники ИГиЛ СО РАН имеют многолетний опыт в использовании источников синхротронного излучения для изучения взрывных и других быстропротекающих процессов. Первые в мире подобные исследования были проведены в 1999 году совместно с ИЯФ СО РАН и ИХТТМ СО РАН.

Блок прерыватель пучка

Какие исследования будут проводить на станции?

На станции можно будет изучать поведение материалов и элементов конструкций при ударном воздействии, исследовать воздействие импульсного лазерного излучения на вещество. Кроме того, с помощью СИ можно рассмотреть процесс формирования детонационных наноалмазов.

«Большинство взрывчатых веществ содержат в своем составе углерод. При взрыве или горении он зачастую до конца не окисляется и выделяется в виде сажи. В результате этого процесса образуются маленькие алмазные частицы. Взрывая один килограмм веществ наподобие тротила, можно получить порядка 10 % таких наноалмазов. Эта технология очень интересна и активно применяется в промышленности. Ведь, с одной стороны, остро стоит проблема полезной утилизации взрывчатки, произведенной еще во времена Советского Союза, а с другой — детонационные наноалмазы интересны для огромного числа приложений, от абразивных порошков до сорбентов. Только быстрые дифракционные методики с применением СИ позволяют измерить, как наноалмазы растут в процессе взрыва», — отметил Иван Рубцов.

Экспериментальное оборудование станции также позволит исследовать свойства энергетических материалов, их структуру, структуру ударного и детонационного фронта, фазовые переходы при ударном сжатии, различные химические реакции, а также динамическое формирование наноструктур.

«Что касается конструкционных материалов, здесь очень много задач. Возьмем для примера авиацию: летит самолет и вдруг в двигатель попадает птица. Нам нужно смоделировать, как поведут себя лопасти двигателя в этот момент. Любое другое воздействие ударной нагрузки на конструкционные материалы также можно будет изучать на СКИФ, будь то град, снег и так далее», — прокомментировал Иван Рубцов.

Вокруг станции складывается большой консорциум пользователей. Помимо инициаторов, ИГиЛ СО РАН и ИХТТМ СО РАН, активно заинтересованы российские федеральные ядерные центры в Снежинске и Сарове (РФЯЦ — ВНИИТФ и Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики). Кроме того, Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск), Акционерное общество «Федеральный научно-производственный центр “Алтай”», Акционерное общество «НПО “Базальт”» и другие предприятия.

«На станции планируется разместить взрывную камеру, разнообразные системы фиксации процессов горения, детонации, помимо рентгенографических методик. Всё это вызывает большой интерес у исследователей, есть вероятность того, что появится многофункциональный испытательный центр для высокоэнергетических материалов (ВЭМ), то есть пространство, где можно испытывать составы, изделия различных масс и разными методами. Мы планируем изучать процессы горения, детонации индивидуальных взрывчатых веществ, смесевые композиции на их основе, пиротехнические составы», — сообщил научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН кандидат технических наук Владимир Вячеславович Гордеев.

«Для конструкций, разрабатываемых нашим учреждением, очень важны две характеристики — надежность и безопасность. Ранее, в советское время, эти характеристики подтверждались при помощи испытаний. Сегодня, в условиях запрета ядерных испытаний, важная роль отводится численному моделированию этих процессов. А для верификации расчетных моделей требуются прецизионные экспериментальные данные о свойствах энергоемких и конструкционных материалов при экстремально высоких давлениях и температурах. Возрастающие возможности расчетного моделирования предъявляют всё более высокие требования к экспериментальным данным. Приоритет следует отдавать невозмущающим методам регистрации, каковым является синхротронная диагностика. Для энергоемких материалов нам интересно исследовать механизмы перехода твердого взрывчатого вещества в газообразные продукты взрыва при детонации. Для конструкционных материалов нас интересуют механизмы разрушения и закономерности фазовых переходов. Надеемся, что на СКИФе мы сможем изучать явления в твердых веществах настолько же детально и подробно, как исследуются газы при помощи оптических методов», — рассказал доцент кафедры вычислительной механики Южно-Уральского государственного университета, заместитель начальника отделения РФЯЦ — ВНИИТФ кандидат технических наук Евгений Борисович Смирнов.

Из каких секций и элементов будет состоять станция?

Первый хатч (от англ. hutch — бункер/хижина) содержит оптические элементы: монитор и прерыватель пучка, рентгеновские щели, узел зеркал. Следующий хатч — экспериментальный. Здесь будет стоять пневматическая пушка для проведения исследований ударно нагруженных материалов. И рядом планируется секция «Плазма» для изучения деформации материалов под воздействием горячей плазмы и лазерного излучения.

«Кроме того, мы сможем безопасно подрывать заряды взрывчатых веществ с помощью большой взрывной камеры. Те установки, которые есть сейчас в ИЯФ СО РАН (на источниках синхротронного излучения ВЭПП-3 и ВЭПП-4), рассчитаны на нагрузку в 200 граммов, на источнике синхротронного излучения Advanced Photon Source (США) — 10 граммов, а на нашей станции — до двух килограммов в тротиловом эквиваленте. Камера представляет собой огромную стальную бочку с толстыми стенами. Туда загружают заряд, дистанционно осуществляют его подрыв, и в этот момент на точку инициирования взрыва направляется синхротронный луч. И снимается рентгеновское кино с высокой частотой кадров. Анализируя его, мы получим информацию о средней плотности материала в разные моменты времени, скорости распространения взрывной волны, временных характеристиках процессов. Будущие исследования на СКИФе — методологический прорыв. Мы сумеем оптимизировать работу техники с взрывчаткой, повысить безопасность обращения с взрывчатыми веществами, исследовать конструкционные материалы с точки зрения их восприимчивости к взрывной волне», — отметил Ян Зубавичус.

Отличие этой станции от всех остальных в том, что здесь есть детектор, который позволяет снимать каждую синхротронную вспышку. Он регистрирует 100 кадров через каждые 50 наносекунд.

На станции планируется две секции: «Динамические процессы», где будут изучать процессы, происходящие в условиях взрыва и импульсных ударных нагрузок, и секция «Плазма» с исследованиями воздействия высокой температуры и плазмы на материалы в условиях, имитирующих термоядерный реактор.

Сейчас станция активно строится, выпущена конструкторская документация и идет изготовление оборудования. Оно будет готово к началу августа 2024 года, а уже к началу декабря специалисты должны закончить его монтаж.