ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 11, с. 106-112
УДК 536.2
ОБНАРУЖЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЗАТУХАЮЩИХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЛН, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ПРИ КАВИТАЦИИ СТРУИ ВОДЫ
© 2014 г. В. И. Высоцкий1, *, А. А. Корнилова2, А. О. Василенко1, В. И. Томак3
1Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, 01601 Киев, Украина 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 19991 Москва, Россия 3Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (НИИЭМпри МГТУ(МВТУ)
им. Н.Э. Баумана), 105005Москва, Россия *Е-таИ: vivysotskii@gmail.com Поступила в редакцию 10.04.2014 г.
Рассмотрены особенности формирования и распространения незатухающих упругих колебаний с частотой около 80 МГц, формируемых при взаимодействии струи жидкости, находящейся в состоянии кавитации, с поверхностью мишени. Показано, что эти волны соответствуют незатухающим температурным волнам, которые могут возбуждаться в средах с конечной релаксацией процесса теплопроводности (конечным временем установления локального термодинамического равновесия).
БО1: 10.7868/80207352814110171
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1—3] были представлены результаты исследований радиационных эффектов, связанных с кавитационными явлениями в струе жидкости. Эти исследования проводились в закрытой и открытой камерах с использованием разных типов жидкости (веретенное масло и вода (рис. 1). Во всех случаях при определенных режимах движения жидкости за пределами камеры регистрировалось рентгеновское излучение, частота которого зависела от типа атомов, находящихся на поверхности мишени (рис. 2) и соответствовала интервалу энергий 1—5 кэВ.
Генерация этого излучения связана с каскадом последовательных преобразований, протекающих под воздействием процессов в струе жидкости:
1. Формированием кавитационных пузырьков в жидкости, выходящей из форсунки (диафрагмы канала).
2. Возбуждением акустических ударных волн в жидкости при коллапсе этих пузырьков.
3. Возбуждением акустических ударных волн в объеме мишени.
4. Отражением этих ударных волн от внешней поверхности мишени, приводящим к возбуждению и ионизации атомов на этой поверхности, что ведет к генерации рентгеновского излучения в области за пределами камеры [3].
Кроме того, процесс формирования кавита-цонных пузырьков, который в свободной струе воды протекает как случайный процесс типа дро-
бового шума, в закрытой камере оказывается модулированным и подобным хорошо известному в радиоэлектронике генератору ван-дер-Поля, в котором происходит преобразование случайного потока эмитируемых электронов (дробового шума) в упорядоченную периодическую последовательность. Суть работы генератора в данной системе состоит в том, что ударные волны, образуемые на мишени кавитацией пузырьков в струе воды, распространяются в объеме мишени и стенке кавитационной камеры и модулируют параметры форсунки, что влияет на процесс формирования тех же кавитационных пузырьков. Это влияние соответствует положительной обратной связи и приводит к синхронизации и модуляции кавитационного процесса (пузырьки будут возникать и кавитировать отдельными пакетами, период образования которых определяется геометрическими размерами и скоростью струи). Длительность импульсов ударных волн, формируемых такой синхронизованной кавитацией, соответствует нескольким наносекундам.
Формирование рентгеновского излучения около поверхности за пределами кавитационной камеры за счет кавитационных явлений в жидкости явилось новым, неизвестным ранее эффектом. Эти результаты очень необычные, но они основываются на необычном проявлении хорошо известных физических явлений. Дальнейшее исследование этих процессов привело к открытию новых аномальных эффектов, которые не могут быть
10 к 8589 6441 4294 2146
Форсунка канала
Мишень
Рентгеновское излучение
Эволюция кавитирующего пузырька
Л
Стенка кавитационной камеры
Рис. 1. Общий вид (вверху) и схема (внизу) установки для формирования рентгеновского излучения при кавитации струи воды в закрытой камере.
объяснены на основе этих известных явлений и требуют дополнительного теоретического анализа.
В рамках общей задачи изучения радиацион-но-кавитационных процессов было проведено исследование [3] радиационных эффектов в области, отделенной с помощью толстого экрана (стальной пластинки толщиной 3 мм) от внешней наружной поверхности мишени (рис. 1). Экран находился на расстоянии 2.2 см от этой поверхности. Рентгеновское излучение с энергией квантов около 2 кэВ полностью поглощается в воздухе на этом расстоянии (это подтверждалось тем, что фотопленки, помещаемые для контроля на том же расстоянии оказались незасвеченными). В то же время аналогичные фотопленки, помещенные на расстояние 1 см за экраном (т.е. более чем на 3.5 см от поверхности камеры), фиксировали наличие интенсивного рентгеновского излучения.
Традиционная точка зрения дает два возможных объяснения такого явления: а) ударные волны, которые возникают при действии кавитации и генерируют рентгеновское излучение около наружной поверхности мишени, одновременно порождают акустические волны в воздухе, которые воздействуют на удаленный экран и приводят к аналогичной генерации рентгеновского излучения на его обратной поверхности; б) процесс поглощения рентгеновского излучения в воздухе
0 1 2 3 4 5 6 7 8 Е, кэВ
Рис. 2. Спектры рентгеновского излучения воды, стальной поверхности и свинцового покрытия этой поверхности в режиме кавитации струи воды [2, 3].
приводит к локальному разогреву тонкого слоя воздуха и генерации аналогичных акустических волн с повторением первого сценария.
Однако простой анализ показывает, что такие процессы практически невозможны. Это связано с особенностями распространения акустических волн — коэффициент их отражения на границе воздуха с конденсированными средами очень большой. В частности, для границы воздух—сталь этот коэффициент равен величине [4]
Яаесий = |(Р1^ - Р2^)/(Р1^1 + Р2^)| > 0.9994. (1)
Здесь рп и — соответственно, плотность и скорость звука в каждой из сред.
Этот результат показывает, что обычные акустические волны не могут обеспечить перенос энергии через границу в объем экрана, а затем и в пространство за экраном, где находились регистрирующие системы.
РЕГИСТРАЦИЯ НЕЗАТУХАЮЩИХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВОЛН В КАВИТАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ
Для выяснения особенностей распространения в воздухе акустических возбуждений, стимулированных на поверхности мишени очень короткими механическими ударами жидкости в состоянии кавитации, были проведены уточняющие эксперименты на основе системы, изображенной на рис. 1. Использовалась система, в которой вода под давлением 250 атм прокачивалась по каналу через форсунку малого диаметра в кавитацион-
Изменение амплитуды и частоты регистрируемых низкочастотной и высокочастотной волн в зависимости от расстояния от внешней поверхности мишени, изготовленной из вольфрама
Расстояние от мишени Ь, см Частота НЧ сигнала, кГц Амплитуда НЧ сигнала, мВ Частота ВЧ сигнала, МГц Амплитуда ВЧ сигнала, мВ
0.5 8.91 4.42 84.75 0.52
3 8.96 2.69 84.75 0.62
9 8.65 2.37 80.65 0.83
17 8.71 2.09 84.75 0.89
21 8.28 1.84 86.21 1.04
ную камеру. На выходе канала возникало пузырьковое кавитационное облако, пульсации которого вблизи внутренней поверхности металлической мишени создавали интенсивные ударные волны. Внутрення поверхность металлической мишени находилась на расстоянии 14 мм от выходного отверстия канала, а пространство между этой поверхностью и форсункой образовывало кавитационную камеру.
Для регистрации упругих волн в воздухе за внешней стороной металлической мишени использовался широкополосный акустический приемник из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 20 мм и резонансной частотой 1 МГц. Приемник перемещался вдоль оси установки в интервале расстояний от 5 мм до 21 см от внешней поверхности металлической мишени. Измерения проводились с шагом 1 см. При контрольных измерениях приемник поворачивался относительно оси установки под углами 0, 20, 90 и 180 град. В экспериментах использовались мишени из вольфрама и молибдена.
На рис. 3 представлен вид сигналов, регистрируемых приемником на разных расстояниях от мишени из вольфрама. Видно, что в пространстве за мишенью (в воздухе) регистрировались как низкочастотные (НЧ), так и высокочастотные (ВЧ) сигналы, частота которых слабо изменялась с расстоянием. Соответствующие параметры регистрируемых сигналов представлены в таблице.
Легко убедиться, что сигнал с частотой в интервале ю^ ~ 8.3—8.9 кГц соответствует пространственному акустическому резонансу, существующему в пределах кавитационной камеры. Этот резонанс обсуждался выше, а его проявление способствовало установлению режима периодической синхронизованной кавитации струи жидкости. Небольшое изменение этой частоты может быть связано с обратным воздействием низкочастотных акустических волн, отраженных от приемника в направлении мишени.
Амплитуда низкочастотного сигнала по мере удаления приемника от мишени спадает по закону, близкому к экспоненциальному (рис. 4) и характеризуется аппроксимационным коэффици-
ентом убывания волны 8ЬР « 0.05 см-1, который определяется совместным действием двух факторов: "обычному" линейному затуханию звуковой волны; дифракционному расширению фронта низкочастотной волны, генерируемой ограниченным по апертуре источником. Закономерности этих процессов хорошо согласуются со стандартными представлениями акустики.
Принципиально другая ситуация соответствует процессу регистрации ВЧ-сигнала. Динамика изменения амплитуды этого сигнала представлена на рис. 5. Из результатов измерений следует, что амплитуда ВЧ-волны по мере удаления от мишени возрастает! На больших расстояниях от мишени наблюдается насыщение амплитуды. Максимальное значение амплитуды этой волны соответствовало расстоянию 21 см, после чего наблюдалось очень медленное убывание амплитуды волны. Необходимо указать, что оба сигнала, как низкочастотный, так и высокочастотный, убывали по амплитуде при поворотах приемника в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Это свидетельствует о том, что сигналы были э
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.