ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 3, с. 116-125
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9.08
ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОЙ СКОРОСТИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ В УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА ПРОТОННО-РАДИОГРАФИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ ТВН-ИТЭФ
© 2011 г. А. П. Кузнецов*, **, С. А. Колесников***, А. А. Голубев**, К. Л. Губский*, С. В. Дудин***, А. В. Канцырев**, В. И. Туртиков**, А. В. Уткин***, В. В. Якушев**
*Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 **ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Россия, 117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 ***Институт проблем химической физики РАН Россия, 142432, Черноголовка Московской обл., просп. Семенова, 1 Поступила в редакцию 07.12.2010 г.
Приведены результаты разработки лазерного интерферометра, предназначенного для измерения массовой скорости конденсированных веществ в ударно-волновых экспериментах в области физики высоких плотностей энергии. Интерферометр интегрирован в состав измерительного комплекса протонно-радиографической установки ТВН-ИТЭФ. Разработанная лазерная система позволяет измерять скорости свободной поверхности образцов в ударно-волновых экспериментах с погрешностью не хуже 10 м/с во всем диапазоне достигаемых в эксперименте скоростей. Временное разрешение измерений ограничивается быстродействием используемых ф.э.у. и составляет 2.5 нс. Проведены совместные исследования методами протонной радиографии и лазерной интерферометрии ударно-волнового нагружения металлических мишеней, процессов откольного разрушения и струеобразования на свободных поверхностях в металлах.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование нестационарных физико-химических процессов и экстремальных состояний вещества при интенсивном импульсном воздействии является одной из наиболее актуальных фундаментальных задач физики высоких плотностей энергии [1, 2]. Важной научной проблемой в этой области, имеющей большое практическое значение, является исследование физических и механических свойств материалов, подвергнутых воздействию интенсивных динамических нагрузок [3, 4]. В результате ударно-волнового нагружения в материалах возникают сложные физико-химические и механические процессы: сжатие твердых тел, высокие температуры разогрева, упрочнение в ударных волнах, откольное разрушение, фазовые превращения, изменение электронной структуры, развитие гидродинамических неустойчивостей и т.д. [см., например, 5, 6].
К настоящему времени в исследованиях ударно-волновых процессов в конденсированных веществах накоплен широкий ассортимент экспериментальных методик [7, 8]. Однако большинство из них не позволяют напрямую получать информацию об изменениях в микроструктуре и
плотности исследуемого вещества. Практически единственным способом изучения внутренней структуры непрозрачных для видимого света образцов в быстропротекающем динамическом эксперименте является импульсная радиография с использованием рентгеновского излучения [9] или высокоэнергетических пучков заряженных частиц, в частности, протонов [10].
Протонная радиография за счет значительно большей проникающей способности обладает рядом существенных преимуществ перед рентгенографией [11, 12]. Благодаря тому, что протоны выводятся из ускорителя короткими импульсами (банчами) длительностью в несколько десятков наносекунд и интервалом между соседними бан-чами в сотни наносекунд, становится возможной покадровая "съемка" быстроизменяющихся динамических объектов, например, ударных и детонационных волн, возникающих в экспериментах с взрывчатыми веществами. Двухмерные радиографические изображения несут информацию о линейной, по направлению прохождения протонного пучка, плотности исследуемых объектов. По полученным интегральным значениям в свою очередь могут быть восстановлены локальные профили объемной плотности мишеней.
Рис. 1. Взрывозащитная камера для проведения ударно-волновых экспериментов на протонно-радиографической установке ТВН-ИТЭФ.
Протонный пучок
Детонатор
Защитный цилиндр
Протонографические измерения позволяют с высоким разрешением определить пространственное распределение плотности вещества и его динамические характеристики при ударно-волновом на-гружении. Уравнения гидродинамики ударно-сжатых сред [см., например, 5, 8] позволяют вычислить на основе получаемых в протонографическом эксперименте данных ряд других важнейших параметров состояния вещества, в частности, распределение в нем давления и массовой скорости. Однако для повышения точности определения данных характеристик, а также получения дополнительной информации о механических и кинетических свойствах ударно-сжатого вещества, одновременно с протонографическими экспериментами желательно проводить непрерывную во времени регистрацию давления или массовой скорости. С этой целью можно использовать методы измерения характеристик ударных волн, возникающих в преградах из эталонных материалов, находящихся в плотном контакте с исследуемыми объектами. Характер изменения амплитуды ударной волны в процессе распространения в преграде однозначно связан с формой профиля давления или массовой скорости на контактной границе с экспериментальной мишенью [8].
Из всех существующих на сегодняшний день методов непрерывной регистрации ударных профилей массовой скорости наиболее универсальными являются бесконтактные дистанционные методы с использованием лазерного излучения. Исходя из этого, для ударно-волновых экспериментов, проводимых на протонно-радиографиче-
ской установке ТВН-ИТЭФ, разработан лазерный интерферометр, позволяющий измерять скорости движения поверхности широкого класса исследуемых объектов.
ПРОТОННО-РАДИОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА УСКОРИТЕЛЕ ТВН-ИТЭФ
В Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ, Москва) на базе ускорительно-накопительного комплекса ТВН-ИТЭФ создана экспериментальная установка для проведения исследований ударно-волновых и детонационных явлений методом протонной радиографии [13—16]. Протонно-радиографическая установка создана на быстром выводе пучка ускорителя ТВН-ИТЭФ [14]. Просвечивание динамических объектов осуществляется пучком протонов с энергией 800 МэВ (1010—1011 частиц/сброс), состоящим из четырех пакетов длительностью 70 ± 5 нс с интервалом 250 ± 15 нс.
Для генерации ударных волн в экспериментальных мишенях используется энергия взрывчатых веществ (в.в.). Безопасность проведения динамических экспериментов с в.в. обеспечивается взрывозащитной камерой (в.з.к.), аттестованной для использования в.в. массой до 100 г в тротило-вом эквиваленте. Камера состоит из двух стальных полусфер с 0внут 520 мм (рис. 1). Чтобы уменьшить ударное воздействие продуктов взрыва на стенки, внутренний объем камеры вакуумируется перед проведением экспериментов.
В стенках в.з.к. сделаны два иллюминатора для транспортировки протонного пучка, на пути которого внутри камеры размещается исследуемый объект. Диаметр пучка в объектной плоскости составляет 30 мм. За объектом располагается магнитно-оптический канал, состоящий из четырех квадрупольных линз с коэффициентом линейного увеличения при передаче изображения, равном —1. Длина магнитно-оптической системы от объектной плоскости до плоскости изображения составляет 14.3 м. Сцинтилляционный конвертор преобразует поток протонов в световое изображение объекта. Для регистрации оптических изображений используются п.з.с.-камеры с электронно-оптическим затвором, обеспечивающие время экспозиции от 20 нс.
Калибровка радиографической установки проведена на статических тест-объектах, определенное при этом пространственное разрешение на полувысоте составляет а = 300 ± 10 мкм [15, 16]. Максимальная доступная для измерений скорость динамических процессов определяется временной структурой пучка протонов и ограничена величиной 20 км/с.
ОПТИЧЕСКИ-СИММЕТРИЧНЫЙ 4-КАНАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
Принцип работы практически всех лазерных методов непрерывного измерения скорости основан на использовании доплеровского сдвига частоты (длины волны X) в зондирующей монохроматической волне, отраженной от движущейся поверхности исследуемого образца. В интересующем нас диапазоне массовых скоростей (до 10 км/с) до-плеровские сдвиги длины волны АХ излучения видимого диапазона спектра не превышают 0.1 А. Проведение таких измерений возможно с применением оптического гетеродинирования. Для аппаратной реализации этого принципа могут использоваться интерферометры различных типов: многолучевые интерферометры Фабри—Перо [17, 18], двухлучевые интерферометры смещения (Май-кельсона) с прямым гетеродинным преобразованием сигналов [19, 20], оптически симметричные двухлучевые интерферометры с поляризационным кодированием [21, 22].
Выбор той или иной оптической схемы, в основном, определяется условиями ударно-волнового эксперимента: диапазоном измеряемых скоростей, максимальным ускорением, временным и пространственным разрешением. Наиболее распространенными в настоящее время лазерными системами для измерения массовой скорости вещества в условиях интенсивных динамических нагрузок являются оптически симметричные интерферометры с поляризационным кодировани-
ем VISAR (Velocity Interferometer System of Any Reflector) [21]. За почти 40-летний период создано множество модификаций этой схемы: двухтактная (Push Pull VISAR) [23], с жестким резонатором (Fixed Cavity VISAR) [24], многоточечная (Multi Point VISAR) [25] и др.
На рис. 2а представлена общая схема разработанной авторами лазерной системы, в основу которой положен модифицированный вариант интерферометра Push Pull VISAR. Конструктивно лазерная система состоит из трех частей, оптически связанных между собой оптоволоконными кабелями: лазера и оптической системы транспортировки и сбора отраженного от поверхности объекта излучения; оптического блока интерферометра (рис. 2б) и модуля фотодетектирования. Для защиты оптических элементов оптическая плита, на которой собран интерферометр, накрывается кожухом (рис. 3). Интерферометр и система фоторегистрации вынесены из экспериментального зала для обеспечения безопасности персонала во время проведения экспериме
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.