- 2 -
СОДЕРЖАНИ Е
стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 3
1. РАДИАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ГЕГЕРОФАЗНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В СТАБИЛЬНЫХ ЖИДКОСТЯХ. ОБЗОР.
1.1. О кавитационных явлениях в жидкостях, находящихся в
• •* л
ультразвуковых полях, под действием нейтронов ......... 7
1.2. Влияние тяжелых заряженных частиц на кавитационную прочность жидкостей .................................. 17
1.3. Нелинейные эффекты при генерации упругих волн в жидкостях пучками ионизирующих частиц ................ 20
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ДАВЛЕНИИ, СВЯЗАННЫХ С ПОЯВЛЕНИЕМ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ЖВДКОСТЯХ ................. 28
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ГЕГЕРОФАЗНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ, ИНИЦИИРУЕМЫХ В КЦДКОСТЯХ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ.
3.1. Некоторые особенности акустического^излучения, генери-румого в жидкостях короткими лазерными импульсами .. 48
3.2. Исследование акустической эмиссии паровых микропузырьков, генерируемых при кипении недогретых жидкостей.. 70
4. ГЕНЕРАЦИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЖЦЦКОСТЯХ ОСКОЛКАМИ
ДЕЛЕНИЯ ДЦ ЕР ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
4.1. Об акустическом излучении в жидкостях под действием осколков деления изотопа Калифорний-252 .......... 83
4.2. Генерация упругих волн в растворах актинидов импульсными ионизирующими пучками .................. 110
4.3. О природе акустического излучения в жидкостях под действием осколков деления ядер тяжёлых элементов .. 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................ 129
ЛИТЕРАТУРА ............................................ 133
- 3 -
ВВЕДЕНИЕ В последние годы появился значительный интерес к акустоиони-зационным явлениям, т.е. явлениям генерации акустических волн в конденсированных средах ионизирующими частицами. С одной стороны это объясняется все возрастающим использованием ионизирующих излучений в различных областях народного хозяйства. С другой -особый интерес к указанным явлениям вызван возможностью их использования для глубоководной регистрации мюонов и нейтрино сверхвысоких энергий в планируемых экспериментах по проекту ДЮМАЦЦ. Характерно, что по сравнению с оптическим методом, использующим черенковский свет для регистрации адронных ливней от нейтрино на большой глубине в океане, акустический метод, использующий звуковой импульс возникающий вследствие расширения объема энерговыделения адронного ливня, позволяет увеличить массу детектора (из-за большой длины затухания звука) и удешевить установку (гидрофоны дешевле ФЭУ).
Природа упругих волн, генерируемых ионизирующими частицами в жидкостях, сильно зависит от плотности их энергетических потерь. К настоящему времени экспериментально установлено, что для импульсных пучков слабоионизирующих частиц (электронов, протонов, гамма-квантов) при небольшой плотности суммарного энерговыделения определяющим является термоупругий механизм генерации акустических колебаний, т.е. изменение объема области энерговыделения за счет теплового расширения. Однако, для тяжелых ядер с высокой плотностью ионизационных потерь при взаимодействии которых с жидкостями возможно проявление нетепловых механизмов генерации упругих волн экспериментальных данных практически нет.
Целью диссертации является исследование радиационно-акустических эффектов, возникающих при попадании в жидкости осколков деления ядер тяжелых элементов, оценка возможности применения
- 4 -
наблюдаемых эффектов для детектирования тяжелых ионов, а также определение влияния деления тяжелых ядер на фоновые условия в планируемых глубоководных физических экспериментах (акустический вариант проекта ДЮМАЦЦ).
В первой главе приведен обзор работ, где установлен факт существования радиационного механизма образования микрополостей (кавитационных зародышей) в жидкостях, что позволяет рассматривать микропузырьковый механизм генерации акустических волн в жидкостях тяжелыми ионизирующими частицами. Рассмотрены также важнейшие результаты, полученные в работах по изучению акустических сигналов в стабильных жидкостях от импульсных пучков сла-боионизирующих частиц. При этом основное внимание уделено нетепловым механизмам генерации акустического излучения.
Во второй главе изложена методика исследования импульсных давлений, связанных с появлением в жидкостях гетерофазных неоднородностей. Применялись различные методики измерений, а в качестве чувствительных элементов гидрофонов использовались образцы из поляризованной пьезокерамики ЦТС-19. Высокая чувствительность и низкий собственный уровень шума акустических каналов регистрации обеспечивались применением созданных предусилителей, выполненных на полевых транзисторах. Импульсный режим калибровки акустических измерительных каналов был реализован при помощи термоупругих волн давления, генерируемых в жидкостях короткими лазерными импульсами.
В третьей главе представлены результаты, полученные в экспериментах, моделирующих образование гетерофазных неоднородностей в жидкостях тяжелыми ионами. При исследовании акустического излучения, возникающего при сверхбыстром импульсном нагреве небольшого объема жидкости сфокусированным пучком неодимового лазера, работающего в режиме с модуляцией добротности, основное внимание
- 5 -
уделялось изучению вклада нетепловых механизмов генерации акустических сигналов. В качестве рабочих жидкостей использовались как обычная так и тяжелая вода, т.е. жидкости с температурным максимумом плотности в котором термоупругий сигнал обращается
Характеристики акустического излучения большого количества квазистабильных микропузырьков исследовались в экспериментах по недогретому кипению жидкостей на тонкой платиновой проволочке.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию генерации акустического излучения в жидкостях осколками деления (ОД) ядер тяжелых элементов. Основная часть исследования проведена с источниками ОД различной активности, изготовленными на
данных экспериментов , о том, что акустическим фоном от актов деления ядер урана при проведении экспериментов по программе ДЮМАВД можно пренебречь подтверждается исследованиями проведенными с импульсными пучками электронов и гамма-квантов в растворах актинидов, результаты которых также изложены в четвертой главе диссертации. В ней обсуждаются также возможные механизмы генерации упругих волн в стабильных жидкостях тяжелыми ядерными частицами.
В заключении формулируются основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
в нуль
основе изотопа
сделанный после проведения
- 6 -
ДИССЕРТАЦИЯ ЗАЩИЩАЕТ:
1. Результаты экспериментального исследования акустического излучения, генерируемого в обычной и тяжелой воде сфокусированным лазерным пучком в допробойном режиме.
2. Вывод о невозможности адекватного лазерного моделирования акустических сигналов в жидкостях от единичных тяжелых ионов из-за теплового возбуждения примесей и диэлектрического пробоя.
3. Результаты экспериментального исследования амплитудных спектров, формы и длительности сигналов высокочастотной компоненты акустического излучения, генерируемого квазистабильными паровыми микропузырьками при недогретом кипении жидкостей на тонком нагревателе.
4. Обнаружение и результаты исследования акустического излучения, вызываемого в жидкостях осколками деления.
5. Вывод о том, что акустическим фоном от актов деления ядер урана, содержащегося в океанической воде, при проведении глубоководных физических экспериментов на частотах десятки килогерц можно пренебречь.
6. Результаты сравнительного анализа возможных механизмов генерации акустического излучения в жидкостях единичными осколками деления ядер тяжелых элементов.
- 7 -
I. РАДИАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ГЕГЕРОФАЗНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В СТАБИЛЬНЫХ ЇЇВДКОСТЯХ. ОБЗОР.
1.1. О кавитационных явлениях в жидкостях, находящихся в ультразвуковых полях, под действием нейтронов.
Резкое уменьшение порога ультразвуковой кавитации (УЗК) в пентане и ацетоне (с 22 до 3,5 бар в пентане и с 22 до 6,5 бар в ацетоне) при помещении вблизи рабочей камеры полоний-берилли-евого источника нейтронов активностью 4*10^ %/с впервые было отмечено Д.Либерманом /I/. В этих экспериментах за величину кавитационного порога принималась амплитуда акустического давления при уменьшении которой на 10% кавитация не наблюдалась в течении 15 с после включения ультразвукового поля.
Облучение рабочего объема жидкостей позитронами не влияло на величину кавитационного порога. Это дало основание полагать, что достаточно быстрые электроны не являются нуклеирующими агентами.
Измерение среднего времени между началом кавитации и включен ниєм акустических колебаний позволило сделать вывод, что и протоны, появляющиеся в результате нейтрон-протонного рассеяния, не влияют на УЗК. Поэтому было высказано предположение, что ядра отдачи, возникающие при неупругом рассеянии нейтронов, вызывают образование микрополостей (кавитационных зародышей) в жидкостях, что и приводит к кавитации.
Для сравнения плотности энергетических потерь ионизирующей частицы (ІЕ/сіА и кавитационного порога Р использовалось следующее соотношение:
~ 8-
где б' - коэффициент поверхностного натяжения, /У - теплота испарения одного моля, ГИ - число молей пара на единицу объема при температуре и давлении внутри полости, Ра - амплитуда акустического давления, Рдо - статическое давление,/^' давление газа внутри полости, а Р= Ра+Рдо4’ РдС
Результаты вычислений, полученные для ядер углерода с энергией. 3 МэВ = 0,6 МэВ/мкм в пентане) хорошо совпадают с
экспериментальными данными.
Д.Сетте /2/ было отмечено, что порог УЗК в обычной воде постепенно увеличивается со временем при экранировании рабочей камеры свинцом и экспоненциальным путем достигает новой постоянной величины через время порядка часа. Это качественно объяснялось тем, что экранирование уменьшает число высокоэнергетичных частиц, образованных космическими лучами, которые создают кавитационные зародыши. Сравнительно долгое время изменения порога УЗК указало на необходимость предположения существования механизмов стабилизации зародышей кавитации в воде.
Более детальные эксперименты /3/, проведенные для выяснения влияния космических лучей на кавитационные явления в воде, показали, что высокоэнергетические нейтроны космического излучения изменяют концентрацию кавитационных ядер.
В экспериментах Гана /4/, исследовавшего разрыв жидкостей во вращающемся капиляре под действием центробежных сил, облучение нейтронами снижало величину разрывающего давления. Факт снижения порога УЗК в некоторых жидкостях типа фреона ( СС^ /"* ) под действием нейтронов плутоний-бериллиевого источника ( 'V 10 1/с)
отмечен им также в работе /5/.
Резкое снижение кавитационного порога в дегазированных жидкостях и СС1 4) под действием нейтронов было также отмечено
Вестом /6/.
- 9 -
Финч /7/ в исследованиях по УЗК в дегазированной воде использовал ( (1 , ^ ) - нейтронный генератор (энергия нейтронов
о
14 МэВ) с выходом на мишени 10 1/с. При времени облучения порядка часа начальный порог кавитации в 7,5 атм снижался примерно на одну треть. При более высоких начальных порогах (увеличение степени дегазации жидкости) уменьшение порога было более быстрое. Экранирование резонатора свинцом приводило к некоторому увеличению порогов, однако не всегда заметному. Таким образом для дегазированной воды результаты получились подобные /3/, полученным для обычной воды. Меньшее время изменения порогов УЗК объяснялось меньшей концентрацией фоновых зародышей, что приводит к более быстрому установлению равновесия.
Гринспен и Чигг /8/ при исследовании УЗК в жидкостях под действием радиации особое внимание обратили на подбор экспериментальных условий таким образом, чтобы получались хорошо воспроизводимые результаты. Исследуемые жидкости тщательно очищались, а их газосодержание надежно контролировалось. При этом был получен интересный результат, что содержание воздуха в жидкостях при радиационном инициировании УЗК имеет гораздо меньшее влияние для очищенной воды чем для неочищенной фильтрованием.
Это указало на определенную роль твердых примесей.
Результаты, полученные при определении порогов УЗК, вызван-
п
ной нейтронами америций-бериллиевого источника (1,6*10 1/с) позволили сделать следующие выводы:
1. Кавитационные события вызываются единичными нейтронами.
2. Величины нейтронных порогов очень слабо зависят от частоты возбуждающего УЗ-поля в области 20 * 60 кГц.
3. В гомологических рядах величина порога увеличивается при подъеме по ряду.
4. Величина порогов уменьшается с ростом температуры вплоть до
- 10 -
нормальной точки кипения.
5. Для некоторых веществ справедливо заключение, что для жидкостей с низкой температурой кипения значение порога УЗК меньше, чем для жидкостей с более высокой температурой кипения. Однако, например, для фреона II и фреона 113, которые состоят из одинаковых элементов и имеют приблизительно одинаковые физические характеристики, пороги УЗК примерно равны при температуре 27°С, хотя давление насыщающих паров фреона II почти в два раза выше, чем фреона 113.
6. Для жидкостей, химические формулы которых одинаковы, порог УЗК, вызываемой нейтронами, определяется физическими свойствами жидкостей. Например, 1-бутанол и диэтиловый эфир (химическая формула С^Н^О ) имели пороги 1,4 и 15 бар соответственно.
Особо следует отметить, что при исследовании величины порогов УЗК от энергии нейтронов были получены обнадеживающие результаты для применения этого явления в нейтронной спектрометрии.
Вестом и Ховлеттом /9,10/ были проведены интересные эксперименты по определению времени жизни кавитационных зародышей и их динамике в УЗ-поле при нейтронном инициировании УЗК в тетра-хлорэтилене. При облучении жидкости импульсами ( - не-
йтронного генератора длительностью 2,5 мкс в различных точках фазы отрицательного звукового давления, число кавитационных событий было максимальным при максимальном значении отрицательного давления. Естественно, что при инициировании УЗК в эти моменты времени величина кавитационного порога была минимальной. Было также установлено, что время жизни центров нуклеации (микропузырьков) при отсутствии условий, подходящих для роста, меньше 2 мкс.
Куном /II/ при исследовании УЗК в воде, вызываемой нейтронами
- II -
плутоний-бериллиевого источника (10 1/с),кроме уменьшения поро-
га и относительно длительного времени его установления ( Ю 4-4- 30 мин) отмечено уменьшение концентрации воздуха в образцах, что объясняется его влиянием на прямые и обратные реакции радиолиза воды.
0 влиянии величины потока нейтронов на порог УЗК в гептане сообщалось в работе П.Г.Городенко и В.И.Образцова /12/ в которой пороговое напряжение на кварцевом излучателе определялось в зависимости от расстояния между образцом и источником нейтронов.
В крайних точках 3,5 и 11,5 см пороговое напряжение отличалось примерно в полтора раза, а поток нейтронов изменялся от 6,5*10 до 6*10^ 1/см^с.
На базе рассмотренных исследований ультразвуковой метод очуствления жидкостей к нейтронам был предложен для регистрации и дозиметрии потоков быстрых нейтронов /13 4* 17/. Предполагалось также, что кавитационная ячейка, содержащая растворенный бор, может быть использована как детектор медленных нейтронов из-за большого сечения реакции $ (П /18/. В этих эксперимен-
тах, обогащенная органическим бором смесь, была растворена в тетрахлорэтилене и метаноле и облучалась тепловыми нейтронами. Эффекта не наблюдалось, хотя обе жидкости были чувствительны к быстрым нейтронам. Отрицательный результат можно было объяснить только тем, что энергия, выделяемая при взаимодействии медленных нейтронов меньше той, которая необходима для нуклеации микропузырьков, способных расти в УЗ-поле используемой интенсивности. Действительно, при увеличении интенсивности УЗ-поля кавитационный детектор медленных нейтронов может быть успешно создан /19/. Он совершенно не чуствителен к гамма-излучению, однако имеет низкую эффективность регистрации и большое мертвое время.
Параллельно экспериментальным исследованиям развивались раз-
- 12 -
личные теоретические схемы зарождения микропузырьков под действием радиации и их динамики в УЗ-поле /I, 20 - 2Ь/. Заслуживает особого внимания термодинамическая теория /23/, основные положения которой следующие:
1. Для возникновения микропузырька размерами порядка микрона в гомогенном объеме воды необходима энергия порядка сотни МэВ; б насыщенной газом воде величина этой энергии значительно меньше и может, стать даже отрицательной, приводя к экзоэнергетическому процессу.
2. Существует температурно-временной порог, который необходимо преодолеть для получения микропузырьков теоретически неограниченных размеров. (На самом же деле рост ограничен локальными потерями энергии вследствие диффузионных процессов и уменьшения газосодержания в окружающей жидкости).
3. Порог может быть достигнут если частица, обладающая энергией по крайней мере 4 МэВ, теряет её на достаточно коротком отрезке трека ( м Ю мкм). Такой частицей может быть атомное ядро, взаимодействующее с нейтроном. При этом малый объем воды достигает температуры, достаточной для начала термодинамического роста микропузырька.
4. Однажды возникнув, микропузырьки радиусом более I мкм могут существовать в воде по крайней мере в течении интервала времени за который могут произойти некоторые стабилизирующие процессы.
Показано также, что атомные ядра, которые могли бы служить инициаторами процесса возникновения микропузырьков от нейтронов с энергией до 10 МэВ, должны иметь атомный вес от 6 до 12. Подтверждением этого могут служить результаты одной из первых работ по определению размеров неоднородностей, производимых в жидкостях нейтронами /26/. Использовался тот факт, что наличие в жидкости микропузырьков увеличивает коэффициент поглощения звука. Харак-
- Київ+380960830922