ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 12, с. 53-63
УДК 539.538
ГЕНЕРАЦИЯ ИНТЕНСИВНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВЫХОДЕ БЫСТРОЙ СТРУИ ВОДЫ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КАНАЛА
В АТМОСФЕРУ
© 2010 г. А. А. Корнилова1, В. И. Высоцкий2, Н. Н. Сысоев1, Н. К. Литвин3,
В. И. Томак3, А. А. Барзов3
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия 2Киевский национальный университет имени Т. Шевченко, Киев, Украина 3Московский государственный технический университет (МВТУ) имени Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Поступила в редакцию 10.08.2009 г.
Рассмотрены радиационные процессы, сопутствующие свободному выходу сверхзвуковой струи воды из узкого канала. Впервые обнаружено, что выходная часть канала и начальный участок струи являются источниками интенсивного рентгеновского излучения, генерация которого связана с процессами кавитации в объеме струи воды и последующим возбуждением ударных волн. Частота рентгеновского излучения зависит от типа атомов на излучающей поверхности (для струи — вода, для канала — атомы металла на поверхности) и возрастает с увеличением заряда атомов. Полная активность рентгеновского излучения в исследуемой установке в режиме выхода струи достигает 0.1 Ки. Впервые обнаружено, что воздействие на отдаленные экраны ударных акустических волн, формирующихся в воздухе в результате кавитации струи воды, приводит к генерации квазикогерентного направленного рентгеновского излучения с обратной стороны этих экранов. Пространственные параметры этого излучения зависят от формы и сечения экрана и от пространственных характеристик ударной волны.
ВВЕДЕНИЕ
В работах [1, 2] обсуждались результаты исследований радиационных (оптических [1] и рентгеновских [2]) процессов, сопутствующих режиму кавитации, возникающему в машинном масле при его выходе под давлением из узкого диэлектрического канала внутрь герметичной кавитационной камеры. Эти процессы изучались косвенным путем по результатам измерений за пределами камеры. Было обнаружено, что источником регистрируемого рентгеновского излучения была внешняя стенка камеры, а само излучение имело место только при сравнительно небольшом (Р ~ 25—60 атм) давлении жидкости, когда струя жидкости касалась внутренней стенки камеры.
Было показано [2], что процесс генерации рентгеновского излучения связан с кавитационными явлениями, протекающими в струе жидкости. Из результатов теоретического анализа следовало, что процесс возбуждения рентгеновских переходов был связан с "встряхиванием" атомов на внешней поверхности камеры (на границе раздела вещества камеры и окружающего воздуха) при внутреннем отражении от нее ударной волны, возбуждаемой кавитацией. Эффект генерации рентгеновского излучения наблюдался только при сравнительно небольшом давлении, когда одновременно выполнялись два условия: а) формирование кавитационных пузырьков в объеме струи воды, б) касание пространствен-
но расходящейся струи кавитирующей жидкости внутренней поверхности цилиндрических стенок камеры. При этом энергия ударных волн от кавита-ционных пузырьков передавалась от жидкости к внешней поверхности камеры, где и возникало излучение. Ударные волны регистрировались акустическим датчиком, расположенным на поверхности камеры [2].
При возрастании давления возникали противоположные эффекты: повышение эффективности кавитации и уменьшение угла расходимости струи с одновременным ее "отрывом" от стенки. Особенность конструкции герметичной камеры и геометрия взаимного расположения струи жидкости и толстых стенок кавитационной камеры, окружающих струю, приводила к тому, что мягкое рентгеновское излучение, которое могло генерироваться внутри камеры на поверхности самой струи жидкости, не регистрировалось аппаратурой, расположенной вне пределов камеры.
Приведенные выводы основывались на гипотезе [2] об ударно-кавитационном механизме генерации рентгеновского излучения на внешней поверхности камеры и нуждались в экспериментальной проверке, а метод генерации — в оптимизации. В частности, необходимо было исследовать вопрос об эффективности генерации рентгеновского излучения в режиме максимальной кавитации. Поскольку такая кавитация соответствует отрыву струи жидко-
Рис. 1. Измерение спектра рентгеновского излучения быстрой струи воды на основе установки КМТ для гидродинамической резки материалов.
сти, выходящей из канала, от стенки, то это невозможно сделать на основе герметичной конструкции экспериментальной установки [1, 2]. Кроме того, учитывая возможные прикладные аспекты, очень важно провести такие исследования не на машинном масле, а на воде. При этом основной интерес представляло исследование особенностей генерации рентгеновского излучения при предельно высоком давлении струи воды (вплоть до давлений, превышающих Р ~ 1000 атм).
В данной работе представлены результаты прямого исследования рентгеновского излучения, сопутствующего кавитации при свободном выходе быстрой сверхзвуковой струи воды из канала в атмосферу.
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА И ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Основная часть исследований радиационных процессов, сопутствующих формированию узкой высокоскоростной дозвуковой струи воды, проводилась на установке КМТ, предназначенной для гидродинамической (технологической) обработки разных материалов, включая ее резку. В штатном режиме эта установка обеспечивает высокоточную
быструю резку прочных материалов толщиной до нескольких см (в частности, керамики, мрамора, металлов) как в режиме использования только водной струи, так и с добавлением в струю мелкодисперсного песка. Общий вид установки вместе с амплитудным кремниевым спектрометром рентгеновского излучения ("1-2-3 X-ray Spectrometer", Amptek Inc) представлен на рис. 1. Эта установка может формировать высокоскоростную струю воды, параметры которой изменяются в интервале давлений от 250 до 2000 атм и зависят от характеристик выходного канала. В данной работе режим кавитации на свободной струе воды исследовался в интервале давлений P ~ 250—600 атм. Начальный диаметр сверхзвуковой струи воды на выходе из канала можно было регулировать в интервале 0.3—1.0 мм.
Установка КМТ способна к непрерывной работе в течение продолжительного времени (несколько часов), что делает ее удобной для длительных экспериментов. Хотя установки подобного типа широко используются для разных технологических целей, но никто ранее не изучал радиационные эффекты, которые могут сопровождать процесс формирования и выхода из канала быстрой свободной струи воды.
Основная часть исследований проводилась на свободном штоке без использования дополнительных элементов, которые могут крепиться к штоку с помощью накидной гайки. Для оптимизации процесса образования кавитационных пузырьков в струе воды выходной канал внутри штока начинался от отдаленной внутренней сферической полости, куда вода поступала под большим давлением, и на протяжении 8 см до выхода постепенно расширялся (угол расхождения 5—7 градусов). Заданные размеры формировались с помощью специальных сапфировых втулок с отверстиями заданного малого диаметра. Выходной узел установки с системой формирования высокоскоростной струи воды представлял тонкий канал внутри стального штока с внешним диаметром 14.2 мм (верхняя часть) и 10.6 мм (нижняя часть с наружной резьбой).
При таких параметрах процесс кавитации достигал максимального значения в конце канала и сразу после выхода в свободное пространство (в воздухе).
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
БЫСТРОЙ СТРУИ ВОДЫ, ВЫХОДЯЩЕЙ ПОД БОЛЬШИМ ДАВЛЕНИЕМ ИЗ ТОНКОГО КАНАЛА
На рис. 1 представлен вид установки, используемой для исследования спектра рентгеновского излучения, формируемого в поверхностных атомах за счет кавитационных процессов в быстрой струе воды, выходящей из канала. Физический механизм возбуждения атомов связан с воздействием на них
Nx
17к
14к
10к
7022
3510
0
256
384
512
640
1
7 E, кэВ
Рис. 2. Спектр рентгеновского излучения, генерируемого быстрой струей воды при давлении 600 атм в процессе кавитации в свободном пространстве после выхода из канала. Ых — полное число регистрируемых квантов за время эксперимента. Цифры над горизонтальной шкалой соответствуют номеру канала спектрометра.
7644 6115 4586 3057 1528
0 1 2
7 E, кэВ
Рис. 3. Спектр рентгеновского излучения стальной поверхности штока, внутри которого проходит канал с кавитирующей водой при давлении 600 атм. Ых — полное число регистрируемых квантов за время эксперимента.
x
ударной волны, образуемой при кавитации, и детально рассмотрен в [2].
При исследовании спектра излучения струи воды входное бериллиевое окно детектора располагалось на минимально доступном расстоянии (около 5 мм) от струи и на удалении 2—4 см от выходного отверстия канала в стальном штоке. В экспериментах было обнаружено, что струя воды, выходящая из канала в воздух, генерирует рентгеновское излучение, максимум спектра которого при давлении 600 атм соответствовал энергии около Ех ~ 0.9 кэВ (рис. 2). Длина пробега этого излучения в воздухе не превышает (Ь) ~ 6—7 мм. При пробном увеличении давления воды до 1000 атм этот максимум смещался от 0.9 до 1.1 кэВ. В процессе экспериментов проводились исследования зависимости спектра излучения от поворота оси детектора на небольшой угол и от расстояния. При удалении детектора от струи интенсивность регистрируемого рентгеновского излучения очень быстро уменьшалась, и на расстоянии более 1.5 см оно не регистрировалось.
Далее были проведены исследования спектра излучения от внешней поверхности стального штока, внутри которого находился расширяющийся канал с быстротекущей кавитирующей водой. Было обнаружено, что внешняя поверхность металлической (стальной) стенки штока, внутри которого находился цилиндрический канал, при том же давлении 600 атм генерировала рентгеновское излучение с максимумом при Ех ~ 1.7—1.8 кэВ (рис. 3).
При нанесении на поверхность штока сплошного слоя порошка из мелкодисперсного свинца и обеспечении надежного акустического контакта
порошка с этой поверхностью с помощью специального геля максимум энергии из
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.