Результаты работы, проведенной 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 объемного. Если в первом случае энергия импульсного электронного пучка последовательно нагревает слой за слоем мишени, начиная от поверхности, то во втором мишень нагревается практически мгновенно по всему объему», — объясняет автор исследования, директор ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Борисович Марков.
В ходе работы были получены формулы для расчета порогов плавления металлов при разных типах нагрева импульсным электронным пучком. Далее с их помощью рассчитаны пороги плавления всех основных металлов, широко 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 ожидаемо являются вольфрам, молибден и бериллий, а при объемном 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, поможет определить, какая электронно-пучковая установка наиболее подходит для решения той или иной производственной задачи.
«Мы ввели критерий типа нагрева, который может быть использован для классификации электронно-пучковых машин с учетом как характеристик источника электронного пучка, так и параметров облучаемой мишени. Преимущество такой классификации заключается в том, что с ее помощью возможно определить оптимальные области промышленного применения различных импульсных электронных источников», — говорит Алексей Марков.
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 твердых 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 учеными Института сильноточной электроники СО РАН и Томского научного центра СО РАН и присутствуют в Томском региональном центре коллективного пользования ТНЦ СО РАН.
Пресс-служба ТНЦ СО РАН