Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы (КМ) широко
внедряются в промышленность, и это влечет за собой развитие методов исследования и контроля их физико-химических свойств как їй этапах создания и производства самих материалов, так и при изготовлении и эксплуатации готовых изделий. Здесь особый интерес представляет разработка методов и аппаратуры, предназначенных для исследования и неразрушающего контроля теплофизических свойств КМ в условиях воздействия высоких температур и скоростей нагрева.
Существующие в настоящее время приборы для измерения и контроля физиісо-химігческих свойств КМ, а также параметров технологических процессов не удовлетворяют в полкой мере потребностям исследовательских организаций и промышленных предприятий. В частности, до сих пор на многих промышленных предприятиях опреде-лгние плотности различных материалов осуществляется с помощью малопроизводительных методов, являющихся по своей суш разрушающими. Эта проблема особенно ощутима при разработке и производстве композиционных материалов, для которых плотность является одной из важнейших характеристик, прямо либо косвенно определяющей качество композитов и изделий из них.
Современные методы измерения плотности р л эффективного атомного номера Z^», КМ, играющих значительную роль в их поведении я процессе высокотемпературного воздействия, опредсляхзт эти величины как средние по объему исследуемого образца, причем, упк геркх'.шо, в статическом режиме после K-apes-'i. Поэте?гу ССГДЯШК сгг';-:"г-'-"?:і-''?;: с т-~:-.і числе д'кнзшгсееккх, методоз бесхентягеп-юго "";г?.г1>тг-;-:ииго ксчгр-зл;* р и Z»,^;, лсет.текнх ywcrxois соржипв
КМ разрешает уточнить физические и математические модели деградации композитов при высокошпенсивиых тепловых воздействиях. Это позволит улучшить технические характеристики узлов н деталей, изготавливаемых из КМ и работающих в условиях высокотемпературного нагрева (до 3000' К), а также сделать оптимальный выбор самого материала по его теплофизическим характеристикам на стадии проектирования изделий.
Эффективными средствами неразрушающего контроля многих параметров материалов являются радиоизотопные измерительные устройства и приборы, так как с их помощью решаются многообразные задачи. Возрастающие требования к качеству контроля обусловливают в радиоизотопном приборостроении постоянную тенденцию к развитию и совершенствованию методов измерения и реализующей их аппаратуры. И в первую очередь разработка новых типов первичных измерительных преобразователей радиационного сигнала, основанных на использовании селективных методов у-радиометрии.
Выбирая состав и энергию зондирующих пучков ядерных частиц, можно обеспечить преобладание того вида взаимодействия, котсрілй способствует максимальному получению информации о контролируемом объекте.
В результате параметрического воздействия на характеристики поля рабочего 7""источника происходит первичное преобразование измеряемой физической величины в радиационный сигнал, энергетическим носителем которого является поток у-квантов, выходящих из облучаемого объекта. В поссгранетвенно-знері'етическом распределении поля вторичного излучения заключена наиболее полная инфор-
мания о свойствах исследуемой среды. Для выделения необходимо прозсста детектирующее преобразование радиационного сигнала в электрический с последующей обработкой и выбором в необходимом виде. Электрические сигналы, полученные на выходе первичного преобразователя, информируют о таких параметрах, как плотность и элементный состав контролируемых образцов, а также о их внугрен- ч ней структуре.
Низкоэнергепгческие источники ионизирующего излучения с энергией Еу < 100 КэВ целесообразно применять для повышения чувствительности измерений, при контроле легких сред с малой тол-ідиной зондируемого слоя, хотя в этом случае нужно учитывать вариации элементного состава исследуемых сред.
Наряду с нерезонанскьши методами контроля КМ, в последнее время развиваются и резонансные. С помощью методов, основанных на эффекте Мессбауэра, к настоящему времени значительно продвинуто решение широкого круга проблем в различных областях наугаї и техники: ядерной физике, физике твердого тела, материаловедении, химии, биологии, геохимии и космохимии и т.д. Однако метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР) в своем классическом виде ограничен применением только для сред, содержащих резонансные ядра. Применение метода регистрации рэлсезского рассеяния мессбауэровского излучения (РРМИ) позволяет снять это ограничение и получить возможность исследовать среды свободных от резонансных ядер с точностью, достигаемой методами резонансной у-спектрометрил (-І0-3 --10-9 эЗ).
Методы, основанные на регистрации РРМЙ. хир?хпх^>шзрож-я
относительно низкой интенсивностью потока вторичного информационного излучения, что требует применения кстсчнжссз кзлучгкия повышенной активности или увеличения времени измерения. Sti; ограничения могут быть сняты путем разработки новых типов вьгео-кочувспнггельных детекторов, среди которых выделяются комбинированные сщштилляциошше детекторы, соединяющие в себе достоинства различных типов сцингилляторов и позволяющие преодолеть недостатки многодетекторных систем, связанные с проблемой их взаимной стабилизации.
Возрастающие требования к современным технологиям КМ и коїггролю их параметроа требуют решений, повышающих информативность и гибхость функциоїшровашш средств неразрушающсго контроля. В связи с этим актуальным является создание как методик анализа физико-химических характеристик веществ и материалов с учетом изменения эффективного атомного номера и плотности, так и развитие у-мстодов плотномстрии с созданием плотномеров для динамического контроля КМ в условиях высокошггенсивных теило-физических воздействий и регистрации плотности по глубине образца.
Важной проблемой в* измерительной технике является проблема обработки и представления полученной информации в форме, удобной для пользователя. Комлектование радиометрических приборов китенсиметрамн либо пересчетными устройствами с ограниченными функциональными гозможностяшї, где градуировка производится в едишщах скорости счета, не соответствует возросшим сегодня трсбо-Еогаїдм. В у-апотномгтрии 1;г полностью решены также вопросы
автоматизации процессов градуировки, поверки, настройки плотномеров, накопления, хранения и обработки полученной информации
Все вышеизложенное предопределило цель данной диссертационной работы.
Цель работы: исследовать возможности резонансных и нерезонансных у-методов для определения физико-химических характеристик композиционных материалов и изделий из них, создать методику определения эффективного атомного номера по отношению кнтексіШїсстей когерентно и некогерентно рассеянных у-квантов, разработать систему динамического контроля плотности по глубине образца КМ, подвергающегося высокотемпературному воздействию.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
-
Собрать, экспериментальную установку на основе Ge(li) ППД, исачедовать ее характеристики и с ее помощью разработать методику определения эффективного атомного номера вещества (2^фф) по отношению когерентно и некогерситно рассеянных у-жзантоз; определить погрешности измерения.
-
Создать малоугловой спектрометр рэлгевскето рассеяния мсссбаррдаского излучения на основе комбинированного резонансного детклера для проведения совместных кгкерекмй на оснобє однолучевого у-мстсда и рэлсевского рассеяния ксссозугровског» излучения (РРМИ) для определения шкнности р, <*Ьф'"сп.1Х'~хого «данного номера и связанных с шшк физ;жо-^-:рсквс?аг-: сяойста уа-ществ к материалов.
-
Исследовать динамические процессы в конденсированных средах с помощью гамма-резонансной спектроскопии. С этой целью создан мессбаузровеккй спектрометр с резонансньш детектором и исследованы мсссбауэрозские спектры малоуглового рэлеевского рассеяния для случая фазового перехода первого рода (система лед - вода).
-
Получить аналитическое выражение учитывающее динамическую погрешность для у-абсор6циош1ого способа определения плотности композиционных материалов в условиях динамического контроля при интенсивных высокотемпературных воздействиях.
-
Создать автоматизированную систему регистрации изменения плотности по глубине образца. Провести коштлексиые исследования динамических процессов б композиционных материалах.
-
Разработать абсорбционный гамма-метод контроля изменения плотности и компонентного состава композиционных материалов в условиях термического воздействия.
Научная новизна: Подучено аналитическое выражение учитывающее динамическую погрешность для у-абсорбционного способа определения плотности композиционных материалов в условиях динамического контроля при интенсивных высокотемпературных воздействиях.
Теоретически обоснована и экспериментально апробирована методика определения эффективного атомного номера Z^^ по отношению когерентно (рэлеевски) и некогерентно (комптоновски) рассеянных гамма-квантов.
Предложен для проведения совместных измерений на основе однолучепого у-метода и рэлеевского рассеяния мессбауэроиского
излучения (РРМИ) спектрометр малоуглового. рэлесвского рассеяния для опі>еделе!іті плотности р, эффективного атомного номера и связанных с ними физико-химических свойств веществ и материалов.
Создан автоматизированный мессбауэрсвский спектрометрический комплекс со сцинтилляционным резонансным детектором. Предложен-ный спектрометр позволяет использовать уникальное энергетическое разрешение эффекта Мессбауэра (Ю-8 - Ю-9 эВ) при изучение физических процессов в конденсированных средах, не содержащих резонансных ядер.
Создана автоматизированная система регистрации изменения плотности по глубине образца. Проведены комплексные исследования динамических процессов в композиционных материалах.
Практическая значимость работы: Полученные в диссертационной работе результаты применены при разработке радиоизотопных приборов неразрушающего контроля плотности и состава композиционных материалов. Разработанная система регистрации изменения плотности по глубине образца внедрена в НИИ специального машиностроения и используется для идентификации поверхностной плотности композиционных материалов з условиях высокотемпературного воздействия.
На заїшггу выносятся следующие положения:
1. Разработанная методика определения по отнашешпо гагген-сивностей когерентно н игкогерентно рассеянных у-квЕНТОв эффективного атомного номер,?, композлщюикых материале» с пртп.генениеи полупроводников?;jx детекторов (ППД).
-
Результаты исследования динамических физических процессов в конденсированных средах, не содержащих резонансных ядер, полученные с применением метода рэлеевского рассеяния мессбауэров-ского излучения.
-
Разработанный абсорбционный гамма-метод контроля изменения плотности и компонентного состава композиционных материалов з условиях термического воздействия.
4. Разработанная и экспериментально проверенная система
регистрации изменении плотности по глубине образца для динами
ческого контроля поверхностной и объемной плотности композицион
ных материалов при высокотемпературном воздействии.
Апробация работы и публикации: Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики Белорусского государственного университета и на двух конференциях. Основные результаты диссертации опубликованы в научных статьях.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 183 страницах машинописного текста; содержит 64 рисунка, 20 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (118 наїшенований).