Структура медной мишени после её облучения сильноточным электронным пучком Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

СТРУКТУРА МЕДНОЙ МИШЕНИ ПОСЛЕ ЕЁ ОБЛУЧЕНИЯ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

© Б.К. Барахтин1*, Н.А. Платонов2*, Г.Г. Савенков2)

1) ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»,

2) НИИ «Поиск», г. Санкт-Петербург, Россия, е-таіі: sav-georgij@yandex.ru

Ключевые слова: электронный пучок; структура; вязкое разрушение; откол.

Исследована структура мишени из меди марки М2 после воздействия на неё сильноточного электронного пучка с длительностью импульса 40 нс и средней энергией электронов 650 кэВ. Выявлены три различные мезоструктуры на трех масштабных подуровнях, подчиняющихся автомодельному соотношению. Рассматривается изменение структуры тонкой мишени из меди марки М2 после воздействия высокоэнергетичного сильноточного пучка (ВСЭП) со средней энергией электронов в спектре 650 кэВ и длительностью импульса тока 40 нс. Действие пучка на мишень было эквивалентно механическому давлению 1,2-1,5 ГПа.

Исследование структуры металла проведено с использованием светового микроскопа «Аксиоверт», электронного растрового микроскопа «Камскан» и рентгеновского дифрактометра «Алтима 4», который работал в режиме большеугловой и малоугловой дифракции.

При воздействии ВСЭП большой плотности мощности на мишень образуется ударная волна, результатом действия которой является сквозное отверстие в мишени диаметром, приблизительно равным диаметру пучка. На фронтальной поверхности мишени остались следы теплового воздействия в виде круглого участка, диаметр которого в три раза превышает диаметр отверстия. На тыльной поверхности мишени вокруг сквозного отверстия в пределах площадки, диаметром, в два раза превышающем диаметр отверстия, образовались расслоения металла глубиной до 100 мкм, внешне похожие на откольные расслоения при импульсных механических воздействиях на металл (рис. 1).

В приповерхностных слоях фронтальной стороны

мишени на глубине до 60 ± 10 мкм обнаружена структура внутризеренного разрушения с микрорельефом ямочного вида (рис. 2). В массиве ямок прослеживаются три характеристических масштаба: 320 нм, 9 и 26 мкм. Количественные соотношения между масштабами близки: 3,2/9 ~ 9/26 ~ 0,35, что является косвенным признаком масштабной инвариантности и автомодельности произошедших структурных перестроек и фрактальности самой структуры.

Эволюция зеренной структуры следующая (рис. 3). Вблизи фронтальной поверхности наблюдался слой зерен столбчатого вида, образовавшихся в ходе перекристаллизации металла, характерный размер которых на 30-40 % меньше исходного. В средних (и нижних) слоях по толщине мишени форма и размер зерен (30 ± 10 мкм) сохранили первоначальные значения. Однако, благодаря активности дислокационных процессов, в массиве зерен сформировались расслоения, а вдоль границ между зернами образовались каналы локализованной пластической деформации.

Рис. 2. Особенности (показаны стрелками) в морфологии поверхности разрушения на краях отверстия: а) - камневидный излом вблизи фронтальной поверхности, б) - в зоне расслоения, в) - вблизи изогнутого края

Рис. 3. Структурные особенности (показаны стрелками), вызванные прохождением теплового, упругого и пластического фронтов сквозь мишень: расплавление, зона перекристаллизации и пористость - а), расслоение - б), локальная каналированная пластическая деформация - в)

По данным анализа профилей рентгеновских пиков, зарегистрированных в диапазоне большеугловой дифракции в зоне расслоения зеренной структуры, скалярная плотность дислокаций определена в 1015 м-2, что является предельным значением перед состоянием разрушения. При этом размеры областей когерентного рассеяния составили 40 ± 10 нм. В режиме малоугловой дифракции был определен размер пор металла. Их средний размер составил 57 ± 2 нм. Замеры микротвердости с помощью микротвердомера «Аффри» по всей толщине мишени не выявили заметного упрочнения металла.

ВЫВОДЫ

1. Воздействие ВСЭП на медную мишень приводит к изменению внутреннего строения и к появлению фрактальных структур внутризеренного разрушения.

2. В ходе перекристаллизации металла в нем формируется наноструктурное состояние с характерными размерами кристаллитов 30-60 нм.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Barakhtin B.K., Platonov N.A., Savenkov G.G. Structure of the copper target after high-current electronic bunch irradiation The structure of a target made of mark H2 copper after high-current electronic bunch affection on it with the duration of the impulse of 40 nanoseconds and average energy of electrons of 650 kiloelectron-volt was researched. Three various mesostructures on three scale sublayers submitting to an automodeling correlation were outlined.

Key words: electronic bunch; structure; viscous destruction; scab.