Рентгеновское излучение при кавитации быстрой струи жидкости

Высоцкий Владимир Иванович; Корнилова Альбина Александровна; Сысоев Николай Николаевич

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

Высоцкий В. И., Корнилова* А. А., Сысоев* Н. Н.

Киевский национальный университет им. Т.Шевченко, 01033 Киев, Украина. ‘Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 14.09.2010

Рассмотрены оптические и радиационные процессы, которые сопутствуют процессу кавитации в режиме поступательного движения двух типов жидкостей - циркулирующего по замкнутому контуру машинного масла или свободному выходу сверхзвуковой струи воды из узкого канала. Показано, что в определенном интервале давлений при выходе струи машинного масла из диафрагмы возникает интенсивное бело-голубое свечение, свойства которого принципиально отличаются от сонолюминесценции. Обнаружено, что корпус закрытой системы циркулирующего масла и выходная часть канала и начальный участок струи воды являются источником интенсивного рентгеновского излучения, генерация которого связана с процессами кавитации и последующим возбуждением ударных волн. Частота рентгеновского излучения зависит от типа атомов на излучающей поверхности (для масла - корпус камеры, для струи воды - поверхность струи, для канала - атомы металла на поверхности) и возрастает с увеличением заряда атомов от 1 до 5 кэВ. Полная активность рентгеновского излучения в исследуемой установке в режиме свободного выхода струи превышает 0.1 Кюри. Впервые обнаружено, что воздействие на отдаленные экраны ударных акустических волн, которые формируются в воздухе в результате кавитации струи воды, приводит к генерации квазикогерентного направленного рентгеновского излучение с обратной стороны этих экранов. Пространственные параметры этого излучения зависят от формы и сечения экрана и от пространственных характеристик ударной волны. Доказана возможность управления параметрами этого излучения, включая его фокусировку с помощью короткофокусных металлических линз.

Ключевые слова: кавитация, струя воды, ударная волна, рентгеновское излучение

УДК 539.538

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение (57).

2. Генерация оптического и рентгеновского излучения при кавитации струи вязкой жидкости (58).

3. Генерация перестраиваемого рентгеновского излучения при кавитации струи воды, выходящей из металлического канала (61).

4. Комбинированные эффекты при взаимодействии рентгеновских и ударных акустических волн на границах раздела (63).

5. Заключение (66).

Литература (67).

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее актуальные проблемы цивилизации связаны с энергетикой и экологией. Некоторые из этих проблем могут быть решены при создании компактных, безопасных и управляемых источников коротковолнового излучения.

Эти задачи успешно решаются в ИК (инфракрасном) и видимом диапазонах с использованием лазерной техники. Лазерное излучение успешно используется в фотохимии, навигационной технике (в частности, лазерного активного гироскопа или волоконного фазового пассивного гироскопа на основе эффекта Саньяка), голографии, при изготовлении микросхем и во многих других отраслях науки и техники.

В то же время для решения многих фундаментальных и прикладных задач необходимо переходить к использованию намного более коротковолнового (в частности — рентгеновского) излучения. В частности, это задачи, относящиеся к голографии молекулярных объектов (например — макромолекул ДНК), радиационной биофизике и радиобиологии, генной инженерии, технологии производства микросхем нового (субмолекулярного)

58

ВЫСОЦКИЙ В.И., КОРНИЛОВА А.А., СЫСОЕВ Н.Н.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

уровня интеграции, прецизионному приборостроению (в частности, рентгеновский и гамма-гироскопы [1]) и др.

Из-за отсутствия рентгеновских лазеров эти задачи пытаются решать на основе классических некогерентных неуправляемых источников рентгеновского излучения с использованием высоковольтных рентгеновских трубок (например, [1]), синхротронного излучения или изотопных источников. Очевидны и хорошо известны недостатки таких систем. В случае рентгеновских трубок или синхротронов это — очень малый коэффициент полезного действия при напряжении менее 10 кВ, большой вес и габариты установок, невозможность работы во взрывоопасных условиях (при наличии органической пыли, примеси горючих газов или паров топлива, высокой влажности), отсутствие фокусировки. Для изотопных источников основные недостатки связаны с наличием сопутствующих квантов жесткого диапазона и невозможность выключения излучения.

В настоящей работе представлены результаты исследования принципиально другого, неизвестного ранее метода генерации рентгеновского излучения, не связанного ни с частицами высокой энергии, ни с радиоактивными изотопами. Механизм формирования такого излучения связан с кавитационными явлениями в струе жидкости, вытекающей под давлением из узкого канала. Такой механизм генерации рентгеновского излучения до наших работ [2-5] был неизвестен.

В данной работе исследовано 2 типа жидкостей — очищенное машинное (веретенное) масло и вода. Процесс кавитации с использованием этих жидкостей связан с рядом очень специфических явлений, которые детально рассмотрены ниже.

2. ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ КАВИТАЦИИ СТРУИ ВяЗКОЙ ЖИДКОСТИ

В работах [2, 3] были проведены исследования процессов, которые имели место при движении вязкой жидкости в состоянии кавитации, возникающей в машинном масле при его выходе под давлением из узкого диэлектрического канала внутрь герметичной рабочей (кавитационной) камеры. Схема используемой экспериментальной установки и ее общий вид представлены на рис. 1.

Ж

|—11 Диаф

Диафрагма

Рабочая

камера

Рис. 1. Схема и общий вид экспериментальной установки для исследования радиационных процессов в струе машинного масла в состоянии кавитации.

Насос

Канал

Общий объем машинного масла, циркулирующего по замкнутому контуру, был равен 20 л. Цилиндрическая рабочая камера (на рис. 1 она показана стрелкой) имела длину 15 см, диаметр 8 см и была изготовлена из плексигласа с толщиной стенок около 3 см. В центре камеры находилась диэлектрическая перегородка, сквозь которую проходила диафрагма с тонким прямолинейным каналом диаметром около 1 мм и длиной 2 см. Конструкция установки позволяла проводить исследования в интервале давлений жидкости от 1 атм до 100 атм в пространстве перед каналом. Исследования режимов кавитации проводилось с помощью средств оптической регистрации пространства перед и после канала при разных давлениях рабочей жидкости.

Поэтапное изменение давления машинного масла приводило к изменению структуры и вида жидкости, выходящей из канала (см. рис. 2).

В исходном состоянии и при небольшом давлении (менее 20-25 атм) масло было достаточно прозрачным и имело темно-коричневый цвет как до диафрагмы, так и после нее. При давлении около 30 атм в объеме масла за выходным отверстием канала начинается процесс начальной турбулентности в виде вихрей, видимых невооруженным глазом. При возрастании давления до 40 атм средний размер турбулентных вихрей становится очень маленьким, в результате чего

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

Рис.2. Режимы работы камеры с машинным маслом в режиме кавитации: верхний ряд (слева направо) — исходная жидкость при малом давлении P < 20-25 атм и при давлении P ~ 30-40 атм, соответствующем началу процесса кавитации; нижний ряд — струя жидкости в состоянии кавитации при давлении P ~ 60-70 атм и яркое свечение направленной струи жидкости с кавитационными пузырьками при давлении P > 80-90 атм.

веретенное масло в пространстве за каналом становится молочно-белым и похожим на густой туман. Этот режим соответствует началу процесса формирования кавитационных пузырьков в масле, что связано с резким уменьшением внутреннего давления в масле в начале и конце диафрагмы. При увеличении давления до 60 атм происходил отрыв жидкости от стенок камеры и формирование узкой направленной малорасходящейся струи, а при P > 70-80 атм возникало яркое бело-голубое свечение этой струи.

Было обнаружено [2], что это свечение не имело отношения к сонолюминесценции, которая имеет место, например, при акустическом стимулировании кавитации. Оно также не было связано с гипотетически возможным механизмом че-ренковского излучения, которое могло быть вызвано движением заряженных частиц, образуемых и ускоряемых в жидкости за счет появления разделенных электрических зарядов, возникающих на поверхности диэлектрического канала, поляризуемого движущимся машинным маслом. Это обстоятельство было выяснено при попытках изучить влияние сильного внешнего поперечного магнитного поля на характеристики свечения. Даже при напряженности поля 1000 Эрстед направленность струи и характер свечения не менялись.

Для выяснения механизма свечения было проведено изучение других радиационных полей за пределами камеры. Было обнаружено (см. рис. 3),

Рис. 3. Изменение спектра рентгеновского излучения кавитационной камеры при поэтапном увеличении давления масла (слева направо — 20, 40 и 60 атм). На этом и последующих спектрах цифры вертикальной оси соответствуют числу регистрируемых квантов в каждом из каналов спектрометра. Цифры выше горизонтальной оси определяют номер канала спектрометра.

что поверхность (внешняя стенка) камеры является источником перестраиваемого рентгеновского излучения. Основная часть исследований проводилась с использованием амплитудного кремниевого спектрометра рентгеновского излучения X-123 («1-2-3 Х-ray spectrometer», Amptek Inc).

Излучение генерировалось только при сравнительно небольшом (в интервале P ~ 25-60 атм) давлении жидкости, когда струя жидкости касалась внутренней стенки камеры. По мере увеличения давления частота максимума излучения смещалась в более жесткую область, а величина этого максимума падала. При P > 65-70 атм рентгеновское излучение не регистрировалось.

В результате уточняющих исследований было показано [3], что процесс генерации рентгеновского излучения непосредственно не связан с кавитационными явлениями, протекающими в струи жидкости, но является их прямым следствием. Из результатов теоретического анализа следовало, что процесс возбуждения рентгеновских переходов связан с «встряхиванием» или даже разрушением (отрывом) атомов на внешней поверхности камеры (на границе раздела вещества камеры и окружающего воздуха) при внутреннем отражении от нее мощной ударной волны, возбуждаемой

ВЫСОЦКИЙ В.И., КОРНИЛОВА А.А., СЫСОЕВ Н.Н.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

кавитацией. Эффект генерации рентгеновского излучения наблюдался только при сравнительно небольшом давлении, когда одновременно выполнялись два условия: а) формирование кавитационных пузырьков в объеме струи воды, б) касание пространственно расходящейся струи кавитирующей жидкости внутренней поверхности цилиндрических стенок камеры.

При этом энергия ударных волн от кавитационных пузырьков передавалась от жидкости к внешней поверхности камеры, где и возникало излучение. Эта схема представлена на рис. 4.

Процесс формирования кавитационных пузырьков начинался как случайный процесс, аналогичный дробовому шуму, с флуктуационных зародышей в объеме жидкости при резком уменьшении давления, но с учетом обратного влияния ударных волн (фактически — положительной обратной связи) на параметры диафрагмы, формирующей процесс зарождения кавитационных пузырьков, он быстро переходил в режим автогенерации, аналогичный генератору Ван-дер-Поля. Эта положительная обратная связь символически показана фигурной стрелкой на рис. 4.

При возрастании давления жидкости возникали противоположные эффекты: повышение эффективности кавитации (что приводило к возрастанию амплитуды ударных волн и увеличению частоты рентгеновского излучения) и уменьшение угловой расходимости струи с одновременным ее «отрывом» от внутренней стенки камеры, что, естественно, вело к уменьшению интенсивности как передаваемых ударных волн, так и генерируемого излучения. При полном «отрыве» струи излучение отсутствовало. Особенность конструкции

Рис. 4. Схема формирования рентгеновского излучения при кавитации струи жидкости с учетом положительной обратной связи ударных волн на процесс кавитации.

герметичной камеры и геометрия взаимного расположения струи жидкости и толстых стенок кавитационной камеры, окружающих струю, приводила к тому, что мягкое рентгеновское излучение, которое могло генерироваться внутри камеры на поверхности самой струи жидкости, не регистрировалось аппаратурой, расположенной вне пределов камеры.

Этот механизм был подтвержден при исследовании ударных волн (см. рис. 5), которые регистрировались акустическим датчиком, расположенным на поверхности камеры [3]. Амплитуда этих колебаний превышала 300-400 А.

Под действием этих волн происходит возбуждение и ионизация атомов на внешней поверхности кавитационной камеры, а также частичное разрушение (эрозия) этой поверхности.

На рис. 6 представлены результаты измерения рентгеновского спектра в случае механического закрепления атомов меди на поверхности камеры специальным акустическим гелем. Видно, что при нанесении на поверхность камеры тяжелых металлов максимум спектра излучения смещается от начального значения ~1 кэВ (соответствующего поверхности оргстекла) в область более высоких частот (около 3.5 кэВ).

В рамках такого сценария механизм свечения струи жидкости при сравнительно низком давлении масла связан со следующими эффектами. В режиме формирования направленной струи масла в состоянии кавитации, не соприкасающейся с корпусом камеры, ударные волны циркулировали внутри струи. Из-за малого радиуса струи амплитуда этих волн была большой.

4

В

о

>

0,020 0,021 0,022 0,023 0,024 . 0,025

0ДО0 0,02320,0234 0,02360,0238 0,0240

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08

time, s

Рис. 5. Спектр акустических импульсов, формируемых кавитирующим машинным маслом при давлении 37 атм на поверхности рабочей камеры.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

0 1 2 3 4 5 6 E, KeV

Рис. 6. Спектр рентгеновского излучения, регистрируемого за пределами камеры со струей масла при давлении 37 атм и при наличии порошка меди, механически и акустически связанного с внешней поверхностью камеры.

Взаимодействие этих волн с поверхностью самой струи вызывало возбуждение и ионизацию атомов на поверхности, что приводило к излучению. Рентгеновская компонента этого излучения не могла выйти за пределы камеры, а оптическая вызывала интенсивное свечение струи.

3. ГЕНЕРАЦИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ КАВИТАЦИИ СТРУИ ВОДЫ,

выходящей из металлического

КАНАЛА

Вторая часть исследований [4, 5] была связана с оптимизацией процесса генерации рентгеновского излучения. Такая оптимизация предполагала переход к более естественной рабочей среде (воде) и к более фундаментальному изучению процесса генерации (в том числе и при использовании больших давлений жидкости).

Часть исследований радиационных процессов, сопутствующих формированию узкой высокоскоростной дозвуковой струи воды, проводилась на установке КМТ, предназначенной для гидродинамической (технологической) обработки разных материалов, включая их резку. В штатном режиме эта установка обеспечивает высокоточную быструю резку прочных материалов толщиной до 2-4 см при давлении от 250 до 2000 атм и зависит от характеристик выходного канала. В данной работе режим кавитации на свободной струе воды исследовался в интервале давлений

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

P ~ 250-600 атм. Начальный диаметр сверхзвуковой струи воды на выходе из канала можно было регулировать в интервале 0.3-1 мм. Компоновка экспериментальной установки представлена на рис. 7.

На рис. 8 представлен вид струи воды с кавитационными пузырьками, выходящей из конца стального штока, внутри которого находился выходной канал, при относительно небольшом (P ~ 250-300 атм) и большом (P ~ 500-600 атм) давлении воды в системе.

Видно, что с повышением давления происходит естественное сжатие струи воды.

Для оптимизации процесса образования кавитационных пузырьков в струе воды выходной канал внутри штока начинался от отдаленной внутренней сферической полости, куда вода поступала под большим давлением, и на протяжении 8 см до выхода постепенно расширялся (угол расхождения 5-7 градусов). Заданные размеры формируются с помощью сапфировых втулок с отверстиями заданного малого диаметра. Выходной узел установки с системой формирования высокоскоростной струи воды представлял тонкий канал внутри стального штока с внешним диаметром 14.2 мм (верхняя часть) и 10.6 мм (нижняя часть с наружной резьбой). При таких параметрах процесс кавитации достигал максимального

Рис. 7. Измерение спектра рентгеновского излучения в месте выхода быстрой струи воды.

61

ВЫСОЦКИЙ В.И., КОРНИЛОВА А.А., СЫСОЕВ Н.Н.

Рис. 8. Вид исследуемой струи кавитирующей воды на выходе из канала при давлении в системе P ~ 250-300 атм (вверху) и P ~ 500-600 атм (внизу).

значения в конце канала и сразу после выхода в свободное пространство (в воздухе).

При исследовании спектра излучения струи воды входное бериллиевое окно детектора располагалось на минимально доступном расстоянии (около 5 мм) от струи и на удалении 2-4 см от выходного отверстия канала в стальном штоке (см. рис. 7). В экспериментах было обнаружено, что струя воды, выходящая из канала в воздух, генерирует рентгеновское излучение, максимум спектра которого при давлении 600 атм соответствовал энергии около E ~ 0.9 КэВ (рис. 9). Длина пробега этого излучения в воздухе не превышает <L> ~ 6-7 мм. При пробном увеличении

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

давления воды до 1000 атм этот максимум смещался от 0.9 КэВ до 1.1 КэВ. В процессе экспериментов проводились исследования зависимости спектра излучения от поворота оси детектора на небольшой угол и от расстояния. При удалении детектора от струи интенсивность регистрируемого рентгеновского излучения очень быстро уменьшалась и на расстоянии более 1.5 см оно не регистрировалось.

Далее были проведены исследования спектра излучения от внешней поверхности стального штока, внутри которого находится расширяющийся канал с быстро текущей водой, содержащей кавитационные пузырьки. Было обнаружено, что внешняя поверхность металлической (стальной) стенки штока, внутри которого находится цилиндрический канал, при том же давлении 600 атм генерировала рентгеновское излучение с максимумом при с Ех ~ 1.7-1.8 кэВ (рис. 9, график "Fe"). При нанесении на поверхность штока сплошного слоя порошка из мелкодисперсного свинца и обеспечении надежного акустического контакта порошка с этой поверхностью максимум энергии излучения смещался в область Е ~ 4.8-5 кэВ (см. рис. 9, график "Pb”).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для увеличения достоверности процесса регистрации и изучения пространственного распределения генерируемого рентгеновского излучения проводились контрольные исследования с помощью рентгеновских пленок. В экспериментах использовались два типа рентгеновской пленки — Medical X-Rayscreen CEA A3SE-645-41 (Швеция)

Nx

0 1 2 3 4 5 6 7 8 E, KeV

Рис. 9. Совместные спектры рентгеновского излучения воды,

поверхности стального штока и свинцового покрытия этой поверхности в режиме кавитации выходящей струи воды.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

и Kodak (Германия), результаты на которых оказались одинаковыми.

Было проведено исследование излучения, генерируемого непосредственно около поверхно-стиструи жидкости и выходного канала. Для этого 2 листа пленки помещались в общий пакет из светозащитной черной бумаги. Пакет сворачивался в форме цилиндра с радиусом R — 3 см и надевался со стороны выходного отверстия на всю длину штока. При таком расположении расстояние от внешней поверхности штока до пленки было равно AR1 — 2.3 см, а от центра струи воды — около AR2 - 3 см. На рис. 10 представлен вид пленок после экспонирования в течение 15 минут при Р = 600 атм и последующей проявки.

Видно, что в области, находящейся около поверхности штока (верхняя часть снимков), существовало очень интенсивное рентгеновское излучение. Общие закономерности пространственного распределения этого излучения идентичны на обеих пленках. Энергию излучения можно наглядно оценить, сравнивая более слабое потемнение второй пленки, что связано с поглощением части излучения в объеме первой пленки.

Оценки, основанные на анализе степени поглощения рентгеновского излучения в объеме пленки толщиной около 0.15 мм, показывают, что энергия излучения соответствовала области около 2 кэВ, что полностью соответствует данным спектрометра, представленным на рис. 9, кривая «Fe»).

Нижняя часть пленок оказалась практически чистой, что легко объяснить, поскольку средняя

Рис. 10. Изображение на последовательно сложенных без зазора рентгеновских пленках, расположенных коаксиально с цилиндрическим штоком.

длина пробега <L> — 6-7 мм более мягкого излучения с энергией около 1 кэВ от кавитирующей струи воды (см. рис. 9) оказывается намного меньше, чем расстояние от струи до пленки AR — 3 см.

4. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РЕНТГЕНОВСКИХ И УДАРНЫх

акустических волн на границах

РАЗДЕЛА

Еще один цикл проведенных нами исследований был связан с обнаруженными аномалиями взаимного превращения рентгеновского и ударноакустического. Эксперименты проводились с использованием толстого стального экрана (толщина 3 мм), расположенного на расстоянии L = 3 см от оси металлического штока, внутри которого проходил канал с кавитирующей водой. За экраном на расстоянии 1 см находились 2 пленки в общем светозащитном конверте.

Одна сторона экрана была покрыта старой краской (молотковой эмалью), в которой имелись отдельные дефекты (скол краски, царапины и др.), а другая была чистой.

Общий вид экрана и пленок показан на рис. 11. На этой фотографии труба в центре показывает место расположения металлического штока,

Рис. 11. Взаимное расположение металлической трубы с водной струей (на ее месте на фотографии находится отрезок трубы) в состоянии кавитации, толстого экрана и расположенной за ним пары пленок в левой части фотографии (во время эксперимента пленки были в светозащитном конверте), а также двух пар аналогичных пленок, симметрично расположенных в правой части подставки на расстоянии 3 см и 4 см от центра канала.

ВЫСОЦКИЙ В.И., КОРНИЛОВА А.А., СЫСОЕВ Н.Н.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

внутри которого проходил канал с кавитирующей водой.

Эксперимент проводился при ориентации экрана либо чистой, либо окрашенной стороной к источнику 1. Результаты экспериментов оказались парадоксальными.

Прежде всего оказалось, что пленки, расположенные с правой стороны (см. рис. 11) после экспонирования оказались чистыми. Этот результат был ожидаемым, поскольку длина пробега квантов с энергией 2 кэВ была меньше расстояния от источника рентгеновского излучения до неэкранированных металлом пленок.

Из рис. 12а следует, что в случае ориентации толстой стальной пластины частично окрашенной стороной к пленкам изображение на обеих пленках формировалось в форме отдельных

локализованных пятен, положение и конфигурация которых полностью совпадали.

Разница в яркости регистрируемого облучения на первой и второй (задней) пленке связана с поглощением части излучения в первой пленке. Оценки степени поглощения показывают, что пленки облучались достаточно интенсивным рентгеновским излучением с энергией около 2 кэВ. Это совпадает с параметрами излучения, регистрируемого около поверхности аналогичного по материалу стального штока при ударном воздействии, сопровождающем кавитацию.

С другой стороны, это излучение никак не могло попасть на пленки от штока, поскольку пленки находились за толстым экраном и, кроме того, были установлены на сравнительно большом расстоянии от поверхности штока (около 3.2 см) и от центра канала

а)

2

4

b)

2

3

4

А

с о

Рис. 12. Действие рентгеновского излучения на пленки 4, расположенные за толстым металлическим экраном 2 с неоднородным слоем краски 3 в случае ориентации частично окрашенной стороны экрана к пленкам 4 (a) и к источнику 1 (b).

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

65

с водой (около 4 см), которое намного превосходило длину пробега рентгеновских квантов с этой энергией в воздухе. Это убедительно подтверждалось отсутствием изображения на пленках, симметрично расположенных по другую сторону источника излучения.

Исходя из такого сопоставления фактов очевидно, что источником регистрируемого малорасходящегося рентгеновского излучения с пространственным распределением в форме дискретно расположенных пятен малого размера является толстый экран. На этот экран со стороны источника действуют акустические ударные волны (рентгеновское излучение до него не доходит) с высокой степенью поперечной когерентности. Взаимодействие этих волн с поверхностью экрана формирует вторичные поперечно когерентные ударные волны внутри экрана. Эти волны проходят объем экрана и, отражаясь от обратной стороны, возбуждают на ней атомы. Распределенное по поверхности возмущение от каждой из волн взаимно когерентно и фазировано действием ударной волны. В итоге спонтанного распада этих взаимно фазированных источников происходит генерация рентгеновского излучения, характеризуемого значительной поперечной когерентностью. Качественно этот процесс похож на спонтанное сверхизлучение частично квантовой системы (см., например, [6]).

Если передняя и задняя поверхности экрана параллельны, то при падении плоской ударной волны генерируемая рентгеновская волна также будет квазиплоской. Этот процесс в символичном виде представлен на рис. 13.

Если начальная ударная волна будет иметь сферическую или цилиндрическую форму, что отражает геометрию источника конкретной ударной волны, то рентгеновская волна также будет близка к этим формам. Такая модель не противоречит основам как «обычной», так и рентгеновской оптики.

Если бы обратная поверхность экрана была атомарно чистой и идеально плоской, то фронт генерируемого рентгеновского излучения повторил бы фронт ударной волны в области этой поверхности и пленка, находящаяся за экраном, имела бы квазиоднородное потемнение, величина которого соответствовала бы изменению длины пробега рентгеновских квантов в разных направлениях между экраном и пленками. Однако эта

Рис. 13. Схема формирования вторичнойрентгеновской волны 3, образуемой за счет внутреннего отражения 2 исходной ударной волны 1 от поверхности 4.

поверхность была покрыта тонким слоем краски, которая: а) нарушала граничные условия при отражении ударной волны изнутри от задней поверхности, что ухудшало близость к критерию «импульсного встряхивания» атомов, необходимого для их эффективного возбуждения; б) сильно поглощала вторичное мягкое излучение, образующееся на границе металла. Лицевая сторона экрана была очищена от краски. И только в тех местах, где слой краски на обратной стороне отсутствовал из-за локального отсутствия краски, происходило формирование вторичных рентгеновских волн. Поскольку размеры этих участков были на много порядков больше длины волны рентгеновского излучения, то эти парциальные волны распространялись без учета углового дифракционного расширения. При этом угловое положение пятен на пленках определяется на основе геометрической оптики. Конфигурация расположения малоразмерных дефектов окраски на поверхности экрана достаточно хорошо коррелирует с расположением пятен на пленках (с учетом углового фактора и флуктуаций положения центра ударных волн, связанных с кавитационными процессами).

При обратной ориентации экрана (окрашенной стороной в направлении источника) пленки оказались практически чистыми (см. рис. 12b).

ВЫСОЦКИЙ В.И., КОРНИЛОВА А.А., СЫСОЕВ Н.Н.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

Этот результат также понятен и связан с тем, что наличие краски на «внутренней» поверхности приводит к очень малой вероятности возбуждения ударных волн внутри экрана, что приводит к невозможности генерации излучения на «внешней» поверхности.

Наличие интенсивных темных пятен на пленках в этой геометрии связано с тем, что нижняя часть поверхности экрана была очищена от краски и ей была придана форма слабосходящегося клина для фиксации в прорезях подставки. В пределах этой области вторичное мягкое излучение свободно испускалось с поверхности металла, что приводило к интенсивному потемнению пленок.

Обнаруженные эффекты свидетельствуют об открытии нового физического явления — возможности существования комбинированного акусторентгеновского взаимодействия с многократным преобразованием рентгеновских и акустических ударных волн на последовательно расположенных межфазных границах. Это, в частности, может приводить к формированию комбинированных акусто-рентгеновских линз и подобных систем для управления и фокусировки рентгеновских волн.

Эти предположения были проверены с использованием плоско-выпуклых и плоско-вогнутых металлических линз, расположенных в зоне действия ударных волн, формируемых при кавитации быстрой струи воды (см. рис. 14).

Исследования были проведены на основе другой экспериментальной установки, в которой эффективность использования энергии кавитации была существенно выше. Отличие состояло в том, что в ней область максимальной кавитации соответствовала месту падения струи воды на толстый сменный экран, расположенный перпендикулярно движению струи. Процесс формирования начальных ударных волн обеспечивался при взаимодействии быстрой струи воды, содержащей кавитационные пузырьки, с внутренней поверхностью экрана (с дном стакана из разных материалов). В данном эксперименте экран в форме диска толщиной 3 мм был изготовлен из вольфрама. За наружной поверхностью экрана (на расстоянии около 2 мм) располагались линзы различной формы, изготовленные из разных материалов (металлы, керамика). За линзами на расстоянии 3 мм

Рис. 14. Регистрация рентгеновского излучения, формируемого первичной ударной волной с помощью плоско-выпуклой (вверху) и плоско-вогнутой (внизу) металлических линз. В левой части каждого рисунка представлена схема расположения всех деталей эксперимента: 1 - сверхзвуковая струя воды, выходящая из канала в состоянии кавитации, стакан из вольфрама, 3 - металлическая линза, 4 - рентгеновская пленка в светозащитном пакете. В правой части — рентгеновская пленка после экспонирования в течение 5 минут и стандартной проявки.

устанавливались рентгеновские пленки в бумажном защитном конверте.

На рис. 14 представлены результаты действия итогового рентгеновского излучения при использовании плоско-выпуклой и плоско-вогнутой стальных линз внешним диаметром 34 мм и радиусом кривизны сферической поверхности R = 10 см. Толщина линзы в центре была равна 4 мм. Первый случай соответствовал фокусировке итогового рентгеновского излучения, а второй — дефокусировке.

Видно, что такие системы действительно обеспечивают возможность фокусирования рентгеновского излучения за счет формирования на внешней поверхности металлических линз сходящегося фронта вторичной рентгеновской волны, образуемой под действием отражаемых от этой поверхности ударных акустических волн.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных экспериментов [2-5] и выводы, следующие из теоретического анализа [5], показывают, что интенсивные акустические ударные волны, связанные с кавитационными процессами, являются источником как интенсивного

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИИ БЫСТРОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ

оптического, так и рентгеновского излучения, регистрируемого далеко за пределами области кавитации. Это излучение генерируется на границах раздела сред, в которых возбуждаются ударные волны. Частота (энергия) этого излучения зависит от вещества, в котором распространяются и преобразуются ударные волны. В работе показано, что сравнительно мягкое излучение с энергией квантов около 1 кэВ генерируется свободной поверхностью быстрой струи воды в области ее кавитации. Кванты с большей энергией (до 2 кэВ) генерируются поверхностью цилиндрического стального штока, сквозь который выходит канал с жидкостью. Механизм такого процесса связан с взаимодействием ударных волн, формируемых в жидкости и перевозбуждаемых в стенках канала, с внешней поверхностью этих стенок. При наличии более тяжелых атомов, акустически связанных с этой поверхностью, энергия квантов существенно увеличивается. В частности, при использовании свинцового покрытия энергия рентгеновского излучения возрастала до 5 кэВ.

Оценки, проведенные на основе учета эффективности регистрации излучения рентгеновским детектором показывают, что полная интенсивность потока рентгеновского излучения в рассматриваемой системе с кавитацией быстрой струи воды соответствует Q ~ 2.5*109 квант/с ~ 0.1 Кюри.

В процессе исследований было показано, что интенсивные ударные волны, которые генерируются в воздухе около поверхности объектов с водой в состоянии кавитации, могут при взаимодействии с удаленными объектами (экранами) генерировать не только вторичную ударную волну, но и вторичную рентгеновскую волну. Эта волна образуется в процессе отражения вторичных ударных волн, образуемых в объеме экранов, от обратной поверхности этих объектов. В таком процессе происходит интенсивное "встряхивание" электронной подсистемы, а также возбуждение или отрыв атомов от поверхности, что и ведет к формированию рентгеновского излучения с обратной стороны объектов. Из-за очевидной поперечной когерентности ударной волны вторичная рентгеновская волна также может обладать значительной степенью поперечной когерентности, что является физической основой ее возможной фокусировки.

В случае большой по интенсивности ударной волны процесс ее взаимодействия с квазиоднородным плоским экраном ведет к генерации в области за экраном квазикогерентного малорасходящегося рентгеновского излучения, угловые характеристики которого определяются соответствующими угловыми характеристиками ударной волны и близки к ней.

В случае экрана более сложной формы имеется возможность формирования управляемого (в частности — фокусируемого) рентгеновского излучения за счет обеспечения дополнительного фазового сдвига разных участков волнового фронта ударной волны в объеме экрана. Проведенные эксперименты с металлическими акусто-рентгеновскими линзами подтверждают возможность фокусировки комбинированных потоков ударных и рентгеновских волн и пространственного управления рентгеновским излучением. В работе показано, что фокусировка вторичных рентгеновских волн с помощью металлических линз может быть не менее эффективной, чем фокусировка оптического излучения с помощью прозрачных стеклянных линз. Фокусное расстояние таких линз может составлять доли или единицы сантиметров, что принципиально невозможно в традиционной рентгеновской оптике.

Разработанный метод кавитационно-стимулированной генерации рентгеновского излучения может быть использован при создании безопасных управляемых источников рентгеновского излучения для целей медицины (в частности — стоматологии), технологии наноэлектроники (при производстве следующих поколений интегральных схем с повышенной степенью интеграции), радиационной биотехнологии (радиационная генетика, стерилизация пищевых продуктов и т.д.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Высоцкий В.И., Воронцов В.И., Кузьмин Р.Н., Безирганян П.А., Ростомян А.Г. Опыт Саньяка на рентгеновском излучении // Успехи физических наук, 1994, т.164, №.3, с. 309-324.

2. Корнилова А.А., Высоцкий В.И., Колдамасов А.И., Hyun Ik Yang, Denis B. McConnell, Десятов А.В. Генерация интенсивного направленного излучения при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы // Поверхность.

ВЫСОЦКИЙ В.И., КОРНИЛОВА А.А., СЫСОЕВ Н.Н.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед., 2007, №3, с. 55-60.

3. Корнилова А.А., Высоцкий В.И., Сысоев Н.Н., Десятов А.В. Генерация рентгеновского излучения при пузырьковой кавитации быстрой струи жидкости в диэлектрических каналах// Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед., 2009, №4, с.17-26.

4. Корнилова АА., Высоцкий В.И., Сысоев Н.Н., Литвин Н.К., Томак В.И., Барзов АА. Ударнокавитационный механизм генерации рентгеновского излучения при кавитации быстрой струи воды / / Вестник МГУ, серия «Физика, астрономия», 2010, №1, c. 46-50.

5. Корнилова А.А., Высоцкий В.И., Сысоев Н.Н., Литвин Н.К., Томак В.И., Барзов А.А Генерация интенсивного рентгеновского излучения при выходе быстрой струи воды из металлического канала в атмосферу // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исслед., 2010, №12, c.53-63.

6. Высоцкий В.И., Кузьмин Р.Н. Гамма-лазеры.-М., Изд. МГУ, 1989.

Высоцкий Владимир Иванович,

член-корреспондент РАЕН, д.ф.-м.н., профессор,

Киевский национальный университет им. ТШевченко Украина, 01033 Киев, ул.Владимирская, 64, тел. +380(44) 526-0583, [email protected]

Корнилова Альбина Александровна,

член-корреспондент РАЕН, к.ф.-м.н., с.н.с,

МГУ им. М.ВЛомоносова, физический факультет Россия, 119991 москва, Ленинские горы,1, стр.2, тел. (495) 939-1313, [email protected]

Сысоев Николай Николаевич,

д.ф.-м.н., профессор,

МГУ им. М.ВЛомоносова, физический факультет Россия, 119991 москва, Ленинские горы,1, стр.2, тел. (495) 939-1097, [email protected]

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЧАСТОТ

X-RAY RADIATION BY CAVITATION OF RAPID LIQUID JET

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

X-RAY RADIATION BY CAVITATION OF RAPID LIQUID JET

Vysotskii V.I., Kornilova* A.A., Sysoev* N.N.

Kiev National Shevchenko University,

Vladimirskaya str, 64, 01033 Kiev, Ukraine, tel. +380(44) 526-0583, [email protected] Lomonosov MSU, Physics department, 119991 Moscow, Russia

Optical and radiating processes that accompany cavitation process at motion of two types of liquids, spindle oil circulating on a closed contour or a free exit of a supersonic water jet from the narrow channel, are considered. It was shown that at certain interval of pressures at the exit of a spindle oil stream from a diaphragm an intensive white-blue light radiation appears and the properties of this radiation essentially differ from sonoluminescence. It was revealed that the case of the closed system with the circulating oil, exit part of the channel and an initial part of a water stream are sources of intensive X-ray radiation. This radiation is connected with the cavitation processes and the subsequent excitation of shock waves. Frequency of X-ray radiation depends on atoms type on a radiating surface (for oil - the chamber case, for water stream - stream surface, for channel - metal atoms on a surface) and increases with the increase of atoms charge from 1 up to 5 keV. The total activity of X-ray radiation in investigated installation in free exit of a stream mode exceeds 0.1 Curie. It was observed for the first time that the action of shock acoustic waves, which are formed in air as a result of water streams cavitation, on the remote screens leads to the generation of quasi-coherent directed X-ray radiation from the reverse side of these screens. Spatial parametres of this radiation depend on the form and crosssection of the screen and on the spatial characteristics of a shock wave. The possibility of control of this radiation parametres, including its focusing by short-focus metal lenses, is proved.

Keywords: cavitation, water stream, shocking wave, X-Ray radiation

УДК 539.538

Bibliography — 6 references Receved 14.09.2010

Рентгеновское излучение при кавитации быстрой струи жидкости Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Высоцкий Владимир Иванович, Корнилова Альбина Александровна, Сысоев Николай Николаевич

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Высоцкий Владимир Иванович, Корнилова Альбина Александровна, Сысоев Николай Николаевич

X-RAY RADIATION BY CAVITATION OF RAPID LIQUID JET

Текст научной работы на тему «Рентгеновское излучение при кавитации быстрой струи жидкости»