«Использование церия позволяет нам получить фундаментальное представление о широком спектре явлений, связанных с многофазными свойствами материалов, в том числе о том, как растет прочность после фазовых переходов», — сказал Брайан Дженсен, физик и руководитель группы по физике ударов и детонаций. Группа в Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE)."Изучение образования и эволюции струй в металлах и, в более общем плане, того, как материалы в экстремальных условиях реагируют с помощью рентгеновской фазово-контрастной визуализации, имеет отношение к таким вещам, как удары метеоритов, характеристики взрывчатых веществ и детонаторов, понимание зарождения и распространения трещин в материалы, а также разработка новых материалов с заданными свойствами, применение которых включает компоненты автомобилей и самолетов, более легкую и более ударопрочную броню, а также щиты от мусора в космосе, и это лишь некоторые из них ».Ученые из Лос-Аламоса, Аргоннской национальной лаборатории и ООО «Национальные технологии безопасности» генерировали ударные волны в образцах церия, используя современную систему IMPact для сверхбыстрых синхротронных экспериментов (IMPULSE), которая была разработана специально для использования в Advanced Photon Source (Advanced Photon Source (Advanced Photon Source) APS), учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США, расположенное в Аргонне.
IMPULSE — это система газового оружия, которая запускает снаряды по целям, расположенным на пути рентгеновского луча APS на линии 32-ID. Снаряды с медными ударными элементами ударяли по церию, создавая внутри него ударные волны, которые преобразовывали его из окружающей γ-фазы в более высокое давление и более высокую температуру? штат.
Впоследствии ударные волны отражались от задней части цериевого образца, взаимодействуя с канавками, которые там были обработаны. Когда ударный церий вернулся в свою γ-фазу при высокой температуре, в местах канавок образовывались и росли металлические струи.Поскольку церий непрозрачен для рентгеновских лучей при используемых энергиях рентгеновских лучей, исследователи смогли получить изображения струй по мере их образования.
Фотонные доплеровские датчики скорости одновременно измеряли скорости роста струи. Измеряя высоту струи как функцию времени и истории скорости для ряда ударных напряжений, ученые использовали несколько методов, включая компьютерное моделирование, чтобы оценить предел текучести церия после его перехода в γ-фазу.
Было обнаружено хорошее согласие между расчетами и данными, иллюстрирующими чувствительность образования струи к значениям напряжения текучести.«Мы продолжаем работать, чтобы получить фундаментальное представление об эволюции силы в экстремальных условиях», — сказал Дженсен. «Это включает в себя работу с использованием IMPULSE в APS, эксперименты, которые будут проводиться в новом секторе динамического сжатия, также в APS, и эксперименты в других национальных лабораториях, включая установку Z в Сандиа и установки для ударного и взрывного нагружения в Лос-Аламосе. Церий оказался идеальным выбором для этих исследований из-за его богатой фазовой диаграммы, которая поддерживается большим количеством доступных данных высокого давления, все из которых необходимы для разработки многофазного уравнения состояния с учетом силы ".В конечном итоге ученые будут использовать свои способности для разработки такого уравнения состояния церия для изучения других материалов, включая металлы, такие как железо, которое имеет важное геофизическое значение, взрывчатые вещества и новые материалы, которые имеют общее применение.
Они также работают над тем, чтобы объединить свои методы визуализации рентгеновских лучей с измерениями дифракции рентгеновских лучей, чтобы они могли исследовать деформацию материала в масштабе длины. Рентгеновское изображение позволит им визуально видеть материалы и элементы на макроскопическом уровне по мере их развития во время деформаций, в то время как одновременные измерения дифракции рентгеновских лучей позволят им исследовать деформации в микроскопическом масштабе. «Корреляция микроскопических и макроскопических характеристик материала в этих экстремальных условиях была давней научной задачей», — сказал Дженсен.
Дженсен считает, что обновление APS дает большие преимущества для исследовательской программы группы. «Самым важным преимуществом для нас является то, что обновление повысит пространственное разрешение наших изображений, что позволит нам изучать эти динамические процессы в меньших масштабах.Камел Феццаа, член группы и исследователь лучевых каналов из отдела рентгеновских исследований Аргонны, соглашается, добавляя: «Полноэкранные методы визуализации значительно выиграют от уменьшения на порядок размера горизонтального источника. Улучшенные свойства рентгеновского источника также позволит разработать новые методы визуализации, потенциально достигающие субмикронного пространственного разрешения с помощью одного рентгеновского импульса ».