ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ Н НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 4, с. 17-26
УДК 539.538
ГЕНЕРАЦИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПУЗЫРЬКОВОЙ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ
© 2009 г. А. А. Корнилова1, В. И. Высоцкий2, Н. Н. Сысоев1, А. В. Десятов3
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия 2Киевский национальный университет имени Т. Шевченко, Киев, Украина 3Унитарное федеральное предприятие "Центр Келдыша", Москва, Россия Поступила в редакцию 20.8.2008 г.
Представлены результаты исследования комбинированных ударно-волновых радиационных процессов, связанных с кавитационными явлениями при быстром направленном движении струи жидкости сквозь тонкие диэлектрические каналы в закрытую рабочую камеру. Эти процессы приводят к генерации интенсивного перестраиваемого рентгеновского излучения за пределами камеры. Показано, что при относительно малом давлении жидкости процесс кавитации возбуждает ударные волны в стенках камеры, которые возбуждают поверхностные атомы, что ведет к испусканию рентгеновского излучения с внешней поверхности камеры. При большом давлении струя жидкости не соприкасается со стенками камеры, и кавитационные ударные волны приводят к возбуждению поверхностных атомов струи и последующей генерации оптического и рентгеновского излучения в струе. Эта генерация также наблюдается в экспериментах.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] были рассмотрены некоторые аномальные оптические явления, сопровождающие процессы кавитации при прокачке жидкости под большим давлением сквозь тонкий диэлектрический канал в камеру большого диаметра. Схема используемой экспериментальной установки изображена на рис. 1. Процесс кавитации в такой системе был связан с резким снижением давления, действующего на жидкость сразу после ее выхода из канала в рабочую камеру.
Цилиндрическая рабочая камера имела длину 15 см, диаметр 8 см и была изготовлена из плексигласа с толщиной стенок около 3 см. Для наблюдения оптических эффектов на двух противоположных боковых сторонах цилиндра были сделаны вертикально расположенные площадки. В пределах этих площадок толщина стенки изменялась от 2 до 3 см. В центре камеры находилась диэлектрическая перегородка длиной 2 см, сквозь которую проходила съемная диафрагма с тонким прямолинейным каналом диаметром около 1 мм.
В случае экспериментов с кавитацией в струе воды сразу после канала внутри рабочей камеры располагалась дополнительная система специальных диафрагм (так называемая конфузорно-диф-фузорная система) для формирования дополнительных вихрей в воде. Наличие такой системы приводило к уменьшению продольного размера
объема области, в которой наблюдались кавита-ционные процессы.
Постановка экспериментов по возбуждению кавитации в объеме прокачиваемой жидкости (веретенное масло или вода) проводились в режиме поэтапного возрастания давления. В исходном состоянии цвет веретенного масла был светло-коричневым и достаточно прозрачным (рис. 2а). При давлении около 25-30 атм в объеме масла за выходным отверстием канала возникает начальная турбулентность в виде вихрей, видимых невооруженным глазом. При возрастании давления до 35—40 атм средний размер турбулентных вихрей становится очень маленьким, в результате чего
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
(а)
Рис. 2. Режимы работы камеры с кавитирующим веретенным маслом: а - исходная жидкость при малом давлении Р < 20-25 атм; б - давление в камере Р ~ 3040 атм; в - яркое свечение направленной струи жидкости с кавитационными пузырьками при давлении Р > 80-90 атм.
веретенное масло в пространстве за каналом становится молочно-белым и похожим на густой туман, что соответствует формированию режима кавитации в объеме всей камеры (рис. 26). При дальнейшем возрастании давления до 60 атм происходит поэтапное и синхронизированное с ростом давления увеличение прозрачности движущегося масла в пространстве после выхода из канала, и начинается отрыв движущейся жидкости от стенок камеры.
При увеличении давления до 70-80 атм в центральной и правой частях рабочей камеры появляется ярко светящийся, прямолинейный и слабо-расходящийся световой пучок бело-голубого цве-
та, конфигурация которого полностью совпадает с формой струи быстро движущегося веретенного масла (рис. 2в).
Очевидно, что хотя это яркое свечение непосредственно связано с процессом кавитации, оно очень сильно отличается по многим параметрам от низкоинтенсивной сонолюминесценции, которая считалось единственным оптическим проявлением кавитации. В работе [1] было высказано несколько версий о возможном механизме этого свечения, но окончательный вывод не был сделан.
В данной работе приводятся результаты дальнейшего исследования физических процессов (включая акустические колебания и рентгеновское излучение), протекающих в струе кавитирую-щей жидкости и регистрируемых за пределами ка-витационной камеры, и показано, что наиболее вероятной причиной интенсивного свечения струи жидкости с кавитацией является возбуждение атомов поверхности струи ударными волнами, формируемыми кавитацией.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРИ КАВИТАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЯХ
При детальном исследовании эффектов, которые сопровождают процесс кавитации, было обнаружено, что в определенном критическом режиме протекания жидкости за пределами толстостенной герметичной диэлектрической рабочей камеры регистрируется интенсивное рентгеновское излучение.
Регистрация спектра проводилась двумя разными спектрометрами.
Основная часть измерений проводилась с использованием комбинированного амплитудного рентгеновского и гамма-детектора ХЯ-100Т-СёТе на основе монокристалла СёТе, который позволяет регистрировать излучение с энергией до 500 кэВ с разрешением не хуже 250-300 эВ во всем диапазоне. В ряде случаев использовался амплитудный детектор рентгеновского излучения Х-123 на основе монокристалла кремния. Оба детектора работают с внутренней системой охлаждения и могут регистрировать ионизирующее излучение, начиная с энергии 200-300 эВ. Конструкция регистрирующей части обоих детекторов была идентичной и включала массивный толстостенный коллиматор в форме цилиндра длиной Ь ~ 5-6 см и внутренним сечением - 0.5 см2. Входное сечение коллиматора перекрыто очень тонкой фольгой из бериллия, пропускающей даже самое мягкое рентгеновское излучение. Кристалл детектора располагался около противоположного конца коллиматора, что обеспечивало телесный угол детектирования АО -- 0.02 ср.
N
13000
10000
7834
5222
2610
0
128 _I_
256
_I_
1
2 Е, кэВ
Рис. 3. Собственный шум спектрометра ХЯ-100Т-СёТе при движении жидкости без режима кавитации. Ых — полное число регистрируемых рентгеновских квантов в каждом из каналов спектрометра за 5 мин.
N
96000 -
77000 -
57000 -
38000
19000
128
п-1—г
0 1 2
3 Е, кэВ
Спектр внутренних шумов детектора ХЯ-100Т-СёТе соответствует низкой энергии (около 200 эВ) и представлен на рис. 3. Этот шум может компенсироваться специальной системой шумоподавления.
Генерация рентгеновского излучения была синхронизирована со стадией массового формирования микроскопических кавитационных пузырьков и соответствовала режиму протекания жидкости, при котором жидкость заполняет весь объем камеры и имеет молочно-белый цвет (рис. 26). Регистрируемый спектр этого излучения изменялся в зависимости от давления протекающего масла. На рис. 4 представлен вид спектра при поэтапном возрастании давления от 20 до 60 атм. Спектр снимался при расположении детектора непосредственно возле поверхности камеры. Видно, что увеличение давления приводит к увеличению частоты излучения от 0.7 до 1.2 Кэв и одновременно к значительному снижению его интенсивности. При дальнейшем повышении давления жидкости сигнал на рентгеновском детекторе отсутствовал.
Для предупреждения проявления так называемого "микрофонного эффекта" были предприняты специальные меры подавления акустических колебаний в системе регистрации (в частности, акустическое демпфирование как всего детектора, так и экранирование его коллиматора и др.). Эти меры не влияют на наличие линий.
Рис. 4. Изменение спектра внешнего рентгеновского излучения кавитационной камеры при поэтапном увеличении давления масла (слева направо — 20, 40 и 60 атм). Ых — полное число регистрируемых рентгеновских квантов в каждом из каналов спектрометра за 5 мин.
Появление этого излучения за пределами камеры неожиданно, поскольку длина пробега мягкого рентгеновского излучения в диапазоне Е ~ 0.7—1.2 КэВ в плексигласе не превышает долей или единиц микрон. Если полагать, что излучение возникает в зоне кавитации, то оно не может проходить сквозь слой жидкости и стенки камеры к детектору.
Для исследования этого аномального явления на внешнюю поверхность камеры (на ее плоскую поверхность) был нанесен мелкодисперсный порошок меди. Механический и акустический контакт этого порошка был обеспечен за счет использования специального акустического геля. Вид спектра при нанесении такого дополнительного порошкового покрытия представлен на рис. 5. Видно, что появление мелкодисперсного порошка меди приводит к появлению дополнительных линий более жесткого излучения с энергией в максимуме около 3.4 КэВ. При расположении тонкой медной фольги (0.1 мм) перед входным окном детектора происходит естественное обрезание (экранирование) более мягкой части спектра. Итоговый вид спектра в этом случае соответствует на-
N
24000
19000
14000
9695
4847
0
1 2 3 4 5 6
Е, кэВ
N
9108 7286 5464 3642 1820
01
3
5
Е, кэВ
Рис. 5. Спектр рентгеновского излучения, регистрируемый за пределами камеры при наличии порошка меди, механически и акустически связанного с ее внешней поверхностью, Р = 37 атм. Ых - полное число регистрируемых рентгеновских квантов в каждом из каналов спектрометра за 5 мин.
личию только более жесткой компоненты рентгеновского излучения (рис. 6).
Возникает естественный вопрос о природе и механизме генерации этого излучения.
Результаты проведенного анализа позволили выдвинуть предположение, что эффект генерации рентгеновского излучения обусловле
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.