ВЗРЫВ И СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
На обложке десятого номера «Journal of Synhrotron Raliation» за
2003 год красовалось рентгеновское изображение взрыва. Эта
сияющая «живопись» иллюстрировала статью российских физиков В. Аульченко,
П. Папушева, С. Пономарева, Л. Шехтмана и В. Жуланова
о принципиально новом детекторе DIMEX (Даймекс), разработанном в
Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН. Этот прибор
предназначен для изучения детонационных и ударно-волновых
процессов при помощи синхротронного излучения. Изучение таких
быстродействующих процессов дает возможность понять поведение
вещества, материалов при одновременно экстремально высоких
температурах (5000 градусов Цельсия) и давлениях (несколько
мегабар).
Галина Шпак,
«НВС»
 |
| Фотография эксперимента — рентгеновское изображение взрыва |
Детектор DIMEX создавался специально для взрывных экспериментов в
Сибирском международном центре синхротронного излучения. На
прототипе установки эксперименты начались 6 декабря 1999 года.
Тогда, на излете двадцатого века, впервые в мировой практике
взрывного эксперимента использовалось синхротронное излучение
(СИ) в рентгеновском диапазоне.
Для точности короткая справка: импульсные рентгеновские трубки
использовались для изучения взрывных процессов с 1950 года в
основном для исследования плотных сред (кумулятивных струй,
осколков вещества). Предпринимались попытки измерения плотности
по поглощению излучения вещества с разрешением по времени порядка
микросекунды, но была получена низкая точность и плохое
пространственное разрешение.
В Сибирском отделении РАН синхротронное излучение используется в
различных экспериментах более двадцати пяти лет благодаря главным
образом надежной работе источника СИ — накопителя электронов и
позитронов ВЭПП-3.
 |
| Специализированная станция СИ «Физика экстремального состояния
вещества». Физики-экспериментаторы К. Тен (ИГиЛ), М. Шеромов
(ИЯФ) готовятся к очередному эксперименту на пучке СИ по
исследованию детонационных и ударных волн |
Сейчас комплекс ВЭПП-3 — мощная рабочая машина с десятью
каналами вывода СИ, увеличивающая базис физических методов и
инструментарий исследователей институтов СО РАН. В Центре СИ
постоянно идут методические работы, расширяющие диапазон
возможностей и корректность тонких физических экспериментов.
Для взрывных экспериментов уже построена специализированная
станция «Физика экстремального состояния вещества». Ее создавали
совместно с ИЯФом институты Гидродинамики, Химии твердого тела и
механохимии.
Успех трех институтов, участвующих в скоростных взрывных
экспериментах, наглядно показал как можно по-новому решить
«старую» задачу и углубить исследования, ведь еще никому не
удавалось «залезть» внутрь взрыва, внутрь детонационной волны и
увидеть, что там происходит. Выручил детектор и уникальные
свойства СИ. DIMEX обеспечивает регистрацию рентгеновского
излучения в наносекундном диапазоне времени и дает информацию о
динамике вещества в объекте.
 |
| Физик О. Евдоков (ИХХТМ) занимается программным обеспечением
взрывного эксперимента |
Когда об этом рассказывал на заседании Президиума СО РАН директор
Института гидродинамики академик В. Титов, ответственный за
выполнение интеграционных проектов Сибирского отделения, он
загадочно-иронично заметил, что эксперимент провели по недосмотру
начальства.
А я подумала: «Он и себя имел в виду?».
Идея смелого эксперимента по использованию синхротронного
излучения родилась в лаборатории доктора технических наук
Л. Лукьянчикова. Гидродинамики предложили задачу. ИЯФовцы во главе с
академиком Г. Кулипановым и старшим научным сотрудником
М. Шеромовым, а также кандидатом химических наук Б. Толочко,
представлявшим физико-химиков Института химии твердого тела и
мехнохимии, нашли конкретные подходы для реализации задач.
Образовался временный коллектив исследователей, который стал
«очень постоянным». Участники большой работы подтверждают эту
характеристику. Результаты экспериментов были настолько
значительны, что понадобилось сформировать третий интеграционный
проект «Исследование образования и динамики роста наноструктур в
детонационных и ударно-волновых процессах с помощью
синхротронного излучения», который выполняется с 2003 года.
Руководители проекта: академик В. Титов (ИГиЛ), доктор
физико-математических наук В. Аульченко (ИЯФ) и кандидат
химических наук Б. Толочко (ИХТТМ). Об этом и сообщил В. Титов на
заседании Президиума, отчитываясь о проделанной работе.
В бункере СИ,
как в подводной лодке
Бункер СИ, где расположены экспериментальные станции, находится
под землей на уровне трехэтажного дома.
 |
| П. Зубков и А. Анчаров |
…Кажется, спустились по последней лестнице, и сразу посветлело.
На станциях тесно, как в подводной лодке, от насыщенности
уникальным оборудованием. Только физики здесь разбираются — что,
где и зачем. В экспериментальном зале кое-где виднелись чьи-то
головы. Можно было догадаться, что ведутся пусконаладочные
работы. Павел Иванович Зубков сказал, что в дни подготовки
очередного эксперимента у каждого свои дела, а все вместе
собираются по понедельникам в кабинете руководителя проекта
Владимира Михайловича Титова «на разбор полетов». Сам Павел
Иванович работает и на полигоне Института гидродинамики, где
готовят специальные заряды взрывчатки, и в Центре СИ.
Мне хотелось подробнее рассмотреть — что же находится на этом
канале СИ, и я пробралась вслед за экспериментатором Константином
Теном на противоположную сторону установки, где обычно
закладывают образец во взрывную камеру. За нашими спинами на
стене краснел знакомый знак радиационной опасности. Разумеется, и
взрыв — опасен, и радиация… В таком эксперименте предусмотрены
и неукоснительно выполняются все технические предписания. И сама
установка сконструирована с учетом радиационной защиты и других
мер безопасности. Во время эксперимента на станциях работает
только электроника. Физики находятся в пультовой. Эксперимент
управляется дистанционно компьютером.
 |
| Э. Прууэл (ИГиЛ), А. Анчаров и М. Шарафутдинов (ИХТТМ)
обсуждают с П. Зубковым новую задачу |
Константин показал мне, откуда идет синхротронное излучение. Сам
источник СИ — ВЭПП-3 — находится за стеной бункера, на одной
плоскости с ним (кольцо ускорителя размером в стадион). Затем на
линии — блок рентгеновской оптики, стальная взрывная камера, за
ней детектор. Детектор также находится в защитном боксе. Он
напоминает бутылку из-под шампанского, но наполненную десятью
атмосферами ксенона, а в этой «бутылке» 256 счетчиков — на одном
миллиметре по десять счетчиков. Благодаря высокому качеству
детектора и другой электронной аппаратуры, обеспечивающих
регистрацию рентгеновского излучения в наносекундном диапазоне
времени, и удалось провести уникальные эксперименты.
При взрыве происходят мощные процессы, создаются очень
высокие давления, а значит и высокие плотности. Сама взрывчатка
сжимается до давлений в 300 килобар. При химической реакции
выделяется колоссальная энергия, и температура поднимается до 5
тысяч градусов, а потом все это разлетается в пространстве,
перераспределяется плотность. Экспериментально ни плотность, ни
температуру внутри взрывчатки никто никогда не определял. Один из
первых экспериментов на установке как раз был связан с измерением
трехмерного распределения плотности вещества за детонационной
волной.
Можно представить, что происходит. Пучок синхротронного излучения
светит в широком спектральном диапазоне так же, как светит
солнце. В нем есть и желтые, и красные, и синие, и самое
главное — рентгеновские компоненты спектра. На исследуемый образец
приходит только жесткая компонента рентгеновского излучения. При
попадании излучения на объект исследования часть излучения
поглощается самим веществом. Проходящий без отклонения луч имеет
наибольшую интенсивность и несет информацию об изменении
плотности вещества. Лучи, отклоняемые на малый угол, несут
информацию о флуктуации плотности в зоне регистрации. Их
интенсивность уже на несколько порядков ниже. И, наконец, третий
тип лучей — дифрагированное излучение — с еще более низкой
интенсивностью — содержит информацию о кристаллической структуре
вещества и ее изменении.
В настоящее время проводятся экспериментальные исследования
проходящих лучей и лучей, отклоняемых на малый угол (малоугловое
рентгеновское рассеяние — МУРР). Малоугловое рассеяние возникает
только при образовании в зоне регистрации значительных флуктуаций
плотности, которые в углеродосодержащих ВВ могут быть связаны с
синтезом ультрадисперсных алмазов. Этот процесс интенсивно
изучался В. Титовым с соавторами. По его словам, алмазные
наноструктуры были обнаружены при взрыве сотрудниками научного
центра г.Снежинска, а в Новосибирске, в Институте гидродинамики,
развили теоретические и экспериментальные исследования и довели
дело до производства ультрадисперсных технических алмазов, в
частности, на НПО «Алтай» в городе Бийске. Сейчас в мире
опубликовано около 700 научных работ по наноалмазам и существует
десять Центров по их производству. И еще один нюанс. Алмазная
тематика, можно сказать, стала классической. Открыли наноалмазы
давно, но никто не знал, как они образуются в динамике, как
растут во время взрыва. Впервые этот процесс «увидели» сибирские
ученые благодаря СИ.Начинали с модельных объектов, а сейчас
приступили к реальным, практически важным системам.
В тысячи миллионов раз синхроннее балета
— Реальные объекты в каком смысле?
— Раньше работали на моделях, а сейчас реальная станция,
реальный взрыв. Мощность заряда до 35 граммов. Это уже реальные
полгранаты. С запуском детектора DIMEX мы получили возможность
измерять распределение рассеянного излучения по углам, что
позволяет рассчитывать размеры наночастиц в момент их образования
при взрыве.
Этот разговор происходил уже «наверху», в обычной комнате,
несколько дней спустя после встречи с физиками на станции СИ. Мне
помогали более подробно разобраться в сложностях постановки
необычного физического эксперимента и ради чего он затевался
физики П. Зубков, К. Тен и Б. Толочко, один из руководителей
проекта. Для наглядности мне показывали схемы и экспериментальные
данные.
…На фотографии цилиндр ВВ диаметром 19 миллиметров выглядит
слишком заурядно. Но вот детонатор инициирует взрыв. Формируется
детонационная волна и разгоняется до скорости семь километров в
секунду. Такая волна способна пробить любую броню.
— За взрывной камерой стоит детектор, а пучок СИ проходит
сквозь, и детектор дает сигналы, которые несут информацию о
количестве вещества на каждом из 256 лучей, — поясняет
Константин Тен, а Павел Иванович Зубков обстоятельно
добавляет — переходит к наночастицам:
— Вот мы сформировали ударную волну и направили ее на
металлоорганику, где идет образование наночастицы серебра или
висмута, и сразу на синхротронном излучении видим динамику их
образования во времени по изменению характера рассеяния
излучения.
— Но сделать это было не так просто, — К. Тен показывает на
фотографии входное окно детектора, куда закачивается газовая
смесь:
— Заметьте — десять атмосфер. Внутри — регистрирующая
электроника.
— А она не сгорит?
— В этом-то и была проблема. Представьте себе: взрыв длится
всего несколько микросекунд. А детектор включается на несколько
минут. Он работает с колоссальными потоками энергии — десять в
одиннадцатой фотонов в секунду на квадратный миллиметр. Оказалось,
что детектор не выдерживает и минуты работы в таких условиях. Для
него это, как десятибальное землетрясение. А вот несколько
микросекунд он может нормально работать. Ребята из лаборатории
В. Аульченко проявили научное остроумие, создали такие условия,
чтобы детектор вхолостую не работал. Благодаря детекторщикам, мы
вышли на нужные параметры эксперимента. Техника сложная, но все
должно работать согласованно: детектор «отслеживает» движение
электронов в ВЭПП-3, дает команду на срабатывание детонатора,
открывается затвор для пучка СИ, детонационная волна посылает
сигнал, инициирующий запись информации с детектора. Все это
синхронизованно с точностью до наносекунды, поэтому наш «взрывной
балет» в тысячу миллионов раз синхроннее балета Большого театра.
 |
| Э. Прууэл — ведущий экспериментатор по исследованию методами
СИ возбуждения детонации |
— Обязанности так распределились, что вся тяжесть проведения
эксперимента на пучке СИ выпала Косте Тену, — сказал
Б. Толочко, — а Павел Иванович готовит заряды, осмысливает полученные
результаты. Казалось бы, сам ускоритель существует уже 30 лет. О
взрывчатке и говорить нечего. Детекторы и микросхемы тоже давно
существуют. Просто раньше не было людей, которые взялись и
занялись этой работой. В нашей команде много молодых физиков. Они
с увлечением занимаются подготовкой эксперимента такого высокого
уровня. Настройка, юстировка, управление компьютером — все
делается автоматически. В ручном режиме здесь невозможно
работать. Например, Олег Евдоков занимается и автоматизацией, и
детектором. Он из Института химии твердого тела. Володя Жуланов
разрабатывал электронику, он из лаборатории Аульченко. И
молодежная группа из Гидродинамики активно работает. Эдуард
Прууэл готовит заряды, устанавливает в камеру и взрывает. В
прошлом году он получил поощрительную премию для молодых ученых
фонда имени М. А. Лаврентьева. Экспериментальные данные требуется
обработать. Юра Каменецкий (ИХТТМ) написал программу обработки
малоугловых спектров. Марат Шарафутдинов также непосредственно
участвует в экспериментах, настраивает рентгеновскую часть
установки.
— Уточним. Вы видите только рентгеновское изображение взрыва,
который фиксируется замедленной съемкой…
— 32 среза.
— Трудности еще в чем? — задавая вопрос, Павел Иванович сам же
и ответил на него. — Мы работаем в двух диапазонах. Когда меряем
плотность, — поток излучения очень большой. А в эксперименте
МУРР — там поток очень маленький. С одной стороны детектор
должен справиться с большими потоками излучения, а с другой — должен
считать каждый квант, то есть работать более эффективно.
— Это важно отметить, — сказал Константин. — Раньше на
станциях СИ, например, в экспериментах по изучению поведения
химических реакций в экстремальных условиях, — это то, чем
занимается Борис Петрович Толочко, — основной единицей измерения
была миллисекунда, а мы работаем с системой, в которой все
реакции происходят за одну микросекунду. Примерно, в тысячу раз
быстрей. То, что мы работаем вместе, означает новый шаг и в нашем
поисковом эксперименте.
— Более того, надо понимать, — добавил Борис Петрович, — что
качественные эксперименты дают только общую картину нового
явления. Чтобы получить количественный результат, необходимо не
только существенно улучшить экспериментальные условия, но еще
много потратить времени и сил на его обработку на высоком
профессиональном уровне. К нашему проекту привлечены математики и
очень сильные, такие, как академик Сергей Константинович Годунов.
Он как раз занимается восстановлением трехмерного распределения
плотности, реконструирует ее, исследуя полученные данные.
— Какие эксперименты вы считаете самыми важными?
— Удачная серия была проведена по ударно-волновым процессам, о
которых уже упоминалось. Исследовалось прохождение ударных волн в
различных веществах. Получены очень интересные эффекты, которые
раньше никто не наблюдал. Результаты не укладываются в
общепринятую картину. В частности, между фронтом ударной волны и
фронтом разгрузки образец начинает интенсивно рассеивать
рентгеновское излучение. Это свидетельствует об образовании
микротрещин. Мы такого даже предположить не могли.
— А второе, — конечно, восстановление трехмерного распределения
плотности. Эксперимент мы поставили на новом качественном уровне.
 |
| В. Аульченко, В. Жуланов, Б. Толочко и Л. Шехтман анализируют
итоги тестирования на пучке СИ однокоординатного детектора для
исследования взрывных процессов DIMEX |
Эти успешные исследования физики считают узловыми. Сейчас на
новой станции снова «переходят к МУРРу» — малоугловому
рассеянию. Фактически станция начала себя оправдывать. С ее
помощью получют новые знания.
Можно схематично назвать направления исследований: получение
наночастиц; химические процессы в экстремальных условиях;
поведение материалов при воздействии ударных волн. Далее снова
требуется пояснение специалистов.
— Когда действует ударная волна, материал начинает разрушаться.
Образуются микротрещины. Мы исследуем динамику их зарождения. Это
еще одно направление работы для малоуглового рентгеновского
рассеяния. Иначе говоря, занимаемся физикой разрушения в
начальной стадии. Новые знания в данном случае помогут создавать
сверхпрочные материалы, такие, которые могут разрушить все, что
угодно или выдержать удар.
Теперь понятно, почему эксперименты на специализированной станции
СИ вызывают большой интерес специалистов исследовательских
институтов, работающих с детонацией. Кроме СО РАН, назывались
исследовательские центры в Сарове, Москве, Санкт-Петербурге,
Снежинске. На мой прямой вопрос: «Это связано с оружием?» я
получила недвусмысленный ответ: «Если разберемся с детонацией,
значит улучшим качество российского оружия».
Удивительно, но факт: синхротронное излучение кажется неистощимым
источником на «выдумки». Разумеется, благодаря методикам
эксперимента. В исследованиях сама логика науки выводит на
открытие природного явления. В нашем разговоре неоднократно
повторялась мысль о новых экспериментах МУРРа. Борис Петрович
Толочко сказал, что в экспериментах по ударно-волновому
нагружению с металлоорганики неожиданно был обнаружен мощный
сигнал МУРР.
— В этом эксперименте мы получили наночастицы серебра очень
совершенной формы и размера. Они оказались капсулированными — сразу
в защитной оболочке. Наши эксперименты помогут понять
природу образования наночастиц металлов, оксидов и других
соединений. В принципе, это важно для разработки нанотехнологий,
а это одно из основных направлений работ Российской академии
наук. О булатной стали слышали? Так вот, она обладает
микроструктурой, которая и определяет ее свойства.
И дамасская сталь — тоже. Древние мастера не знали, как
образуются микрочастицы, но умели делать прочные материалы.
Сейчас мы научились получать наноматериалы, и с помощью СИ найдем
ключ к их секретам, а затем сможем перейти к уникальным изделиям
из наноматериалов. Например, сибирская сталь из наноматериалов.
Она будет гораздо лучше дамасской и булатной.
— Когда вы работаете с частицами, там уже не обычная механика
действует, а квантовая. Свойства совершенно другие, — Костя Тен
моментально обосновывал факты.
— Когда уменьшаются частицы того же серебра до наноразмеров — увеличивается
химическая активность и полезность для человека
возрастает, если использовать наносеребро в медицине, катализе.
— Нанотехнологии необходимы для улучшения характеристик и
свойств материалов для создания самолетов, космической техники?
— Любых материалов, которые будут использоваться в экстремальных
состояниях.
— Это настолько широкая область, — сказал Павел Иванович, — что
сейчас трудно предположить все возможности нанотехнологий. Мы
занимаемся их разработкой.
Эксперименты продолжаются. Как сказал Константин Тен, работы
хватит на всю жизнь.
Летом этого года, в июле, состоится традиционная XV Международная
конференция по использованию синхротронного излучения «СИ-2004».
Ее проводят Институт ядерной физики СО РАН и Сибирский центр
сихротронного излучения. Кроме традиционной тематики, в программу
конференции включены дополнительные параллельные совещания. Одно
из них посвящается диагностике горения, детонации и
ударно-волновых процессов пучками высокой энергии. Это как раз
тематика исследований творческого научного коллектива физиков
трех институтов СО РАН, работающих на специализированной станции
СИ, станции «Физика экстремального состояния вещества».
Фото В. Новикова.
стр. 4-5
|
