При разработке новых материалов, из которых изготавливают детали или узлы для устройств, работающих в экстремальных условиях, важно располагать знаниями об их устойчивости к мощным кратковременным нагрузкам. Поведение вещества в экстремальных условиях остается фундаментальной научной проблемой.
Один из способов исследования такой устойчивости — воздействие на образец сильноточным электронным пучком. Электроны проникают в тонкий приповерхностный слой материала и передают ему энергию. Из-за этого слой резко нагревается, давление в нем возрастает, после чего нагретая область расширяется, а давление в ней падает, этот процесс называют разгрузкой. Возникающее при этом возмущение распространяется вглубь материала в виде волн.
Ранее в исследованиях именно этот механизм считался основным источником волн, а последующие процессы в диодной плазме считались несущественными. Физики из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» предположили, что давление плазмы может быть достаточно высокими для того, чтобы возбудить в мишени дополнительные волны сжатия и растяжения. Исследование опубликовано в журнале Physics of Plasmas. Работа поддержана Российским научным фондом (грант 25-19-00944).
«В процессе “выстрела” электронами диодный зазор заполняется плазмой, истекающей с электродов. Результаты экспериментальных работ демонстрируют, что плазма замыкает диодный зазор и концентрируется в центральной области вакуумной камеры на временах намного бОльших, чем длительность электронного пучка. Данное наблюдение заставляет задуматься, может ли эта плазма значимо воздействовать на мишень? Это и сподвигло нас на более подробный анализ этого явления», — поделилась Анна Смирнова, аспирантка Физтех-школы природоподобных, плазменных и ядерных технологий им. И. В. Курчатова МФТИ.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи провели эксперименты на сильноточном электронном ускорителе «Кальмар». Прозрачную мишень облучали электронным пучком и одновременно наблюдали за двумя процессами: распространением волн внутри материала и динамикой плазмы в диодном промежутке.
Для этого ученые использовали лазерную теневую диагностику. Они просвечивали образец лазером и смотрели за формированием тени под влиянием распространения волн в мишени. По сформировавшемуся изображению исследователи определяли движение волновых фронтов во времени. Одновременно с этим они регистрировали собственное излучение плазмы. Такое совмещение двух наблюдений позволило сопоставить временные масштабы процессов в мишени и плазме.
«В одном из образцов длительность свечения плазмы в диодном зазоре превышает 5 микросекунд (10–6 с), тогда как длительность электронного пучка составляет 150–200 наносекунд (10–9 с). Это дало нам основание предположить, что плазма может дополнительно воздействовать на поверхность мишени, в которой будут возникать волны сжатия и разгрузки на времена, превышающие длительность собственного свечения плазмы, регистрируемого из диода, в несколько раз», — объяснила Анна Смирнова.
Ученые сравнили время появления волн со временем появления интенсивного свечения плазмы. Так они смогли разделить и определить источники волн: ранние волны, вызванные нагревом и разгрузкой области поглощения электронного пучка и поздние волны, которые могли возникать из-за давления плазмы на поверхность образца. Разница во временных масштабах стала еще одним аргументом в пользу гипотезы о дополнительном воздействии плазмы.
Экспериментальные наблюдения авторы исследования дополнили магнитогидродинамическим моделированием — расчетом поведения плазмы с учетом движения вещества, электрического тока и создаваемого им магнитного поля. Расчеты показали, что при больших токах плазменная колонна сжимается к своей оси. Это происходит из-за увеличения давления магнитного поля. При сжатии плотность и давление плазмы возрастают из-за чего увеличивается и ее динамическое воздействие на образец.
При моделировании этого процесса физики определили пороговое значение тока равное 60 кА, после которого магнитное сжатие становится достаточно сильным, чтобы преодолеть тепловое расширение плазмы и увеличить давление на образец.
В результате эксперимент и моделирование указывают на два разделенных во времени механизма образования волн. Сначала электронный пучок быстро нагревает приповерхностный слой мишени, и его разгрузка запускает ранние волны. Затем дополнительное динамическое воздействие создает токонесущая диодная плазма.
Практическое значение работы связано прежде всего с точностью описания испытаний материалов. При интерпретации экспериментальных данных важно учитывать не только воздействие электронного пучка, но и влияние плазмы, которая может создавать дополнительный импульс давления и возбуждать новые волны в материале. Учет этого механизма позволит точнее определять свойства материалов при испытаниях на радиационную стойкость и воздействие мощных динамических нагрузок.
«Мы показали, что для более точной оценки свойств материала, при его испытании на радиационную стойкость, а также при исследовании его прочностных свойств при воздействии мощных импульсных энергетических и динамических нагрузок необходимо учитывать также воздействие плазмы. В экспериментальных исследованиях такие данные получить затруднительно, поэтому при интерпретации экспериментальных данных, их необходимо дополнять результатами математического моделирования процессов, происходящих в плазменном столбе», — пояснила Анна Смирнова.