Результаты исследования, проведенного в Томском научном центре СО РАН, позволяют не только лучше понять природу тепловых процессов, происходящих в материалах при импульсной обработке, но и оценить возможности применения существующих в мире электронно-пучковых машин для решения различных производственных задач. Статья опубликована в швейцарском журнале Coatings.
«Любой импульсный нагрев является комбинацией двух типов нагрева: поверхностного и объёмного. Если в первом случае энергия импульсного электронного пучка последовательно нагревает слой за слоем мишени, начиная от поверхности, то во втором случае мишень нагревается практически мгновенно по всему объёму», — объясняет автор исследования Алексей Марков, директор ТНЦ СО РАН.
Алексей Марков, к. ф.-м. н., специалист в области высокоэнергетических импульсных воздействий на твёрдые тела, директор ТНЦ СО РАН
В ходе работы были получены формулы для расчёта порогов плавления металлов при разных типах нагрева импульсным электронным пучком. Далее с их помощью рассчитаны пороги плавления всех основных металлов, используемых в промышленности, от бериллия до вольфрама в широком диапазоне таких параметров пучка, как ускоряющее напряжение и длительность импульса.
В результате установлено, что один и тот же материал, в зависимости от параметров импульсного источника электронных пучков, может быть как легко-, так и тугоплавким. Так, было показано, что наиболее тугоплавкими при поверхностном типе нагрева, как и ожидалось, являются вольфрам, молибден и бериллий, а при объёмном нагреве ситуация существенно иная — самыми тугоплавкими оказываются бериллий, титан и хром.
Тугоплавкость металлов при импульсном нагреве означает не только сложность их нагрева до температур плавления, но и способность накапливать тепло при облучении. Например, бериллий является уникальным материалом, поскольку может поглощать относительно большое количество тепла без заметного повышения температуры. Более чем в три с половиной раза ему в этом уступают молибден, вольфрам и хром.
Проверка полученных результатов проводилась с помощью компьютерного моделирования динамики температурных полей при облучении с использованием программного пакета HEATPACK-1.0, разработанного в ТНЦ СО РАН.
Как подчеркивает автор исследования, понимание тепловых процессов, происходящих в материале мишени при облучении, в свою очередь, поможет определить, какая электронно-пучковая установка наиболее подходит для решения той или иной производственной задачи.
«Нами был введен критерий типа нагрева, который может быть использован для классификации электронно-пучковых машин, с учётом как характеристик источника электронного пучка, так и параметров облучаемой мишени. Преимущество такой классификации заключается в том, что с её помощью возможно определить оптимальные области промышленного применения различных импульсных электронных источников», — говорит Алексей Борисович.
По его словам, те источники излучения, которые попадают в зону поверхностного нагрева, в основном применяются для модификации металлических поверхностей и формирования поверхностных сплавов. Соответственно, они не подходят для стерилизации медицинских материалов. И наоборот, источники из области объемного нагрева подходят для стерилизации жидкостей, дезинфекции биологических материалов, разрушения твёрдых тел или генерации СВЧ излучения.
Источники импульсных электронных пучков используются для различных целей: для генерации СВЧ или рентгеновского излучения; стерилизации медицинских материалов и обработки семян растений; для обработки и модификации поверхности материалов и изделий. Многие из них были разработаны учёными Института сильноточной электроники СО РАН и Томского научного центра СО РАН и присутствуют в Томском региональном центре коллективного пользования ТНЦ СО РАН.
Источник: ТНЦ СО РАН.