Процесс сверхглубокого проникания высокоскоростных металлических частиц в твердое тело

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В промышленности важную роль играют процессы с применением штамповки металлических изделий. Штамповая оснастка изнашивается неравномерно: основной износ наблюдается в областях, где происходит прогиб и затекание материала заготовки. Проблему износа можно решить двумя способами: изготовить всю штамповую оснастку из материала, способного работать в условиях интенсивного износа (как правило, для этого используется дорогой сплав вольфрама с кобальтом), изготовить сборную штамповую оснастку из материалов разной износостойкости. Это позволит уменьшить массу твердого сплава в 3–5 раз, но увеличит затраты на механическую обработку и сборку изделия. Однако исследования, проведенные Европейской ассоциацией порошковой металлургии, показали, что вольфрамо-никелевые сплавы являются канцерогенами, и их применение было ограничено. В связи с этим возникла проблема поиска методов повышения износостойкости обычных инструментальных штамповых сталей. В данном случае перспективен способ локального упрочнения стальных деталей потоком порошковых частиц твердого материала, разогнанных до больших скоростей энергией взрыва. Уровень износостойкости штамповых сталей в 50–100 раз ниже, чем у твердых сплавов типа карбид–вольфрам–кобальт, однако ударная вязкость, предел прочности на изгиб и технологичность изготовления штамповой оснастки у них значительно выше.

Многие годы существовало мнение, что независимо от параметров удара глубина проникания быстрой порошковой частицы в преграду не должна быть больше величины, равной шести ее размерам. В 1974 г. в Институте импульсных процессов (г. Минск) было обнаружено явление проникания частиц, движущихся со скоростью больше 500 м/с, в металлическую преграду на глубину в десятки и сотни миллиметров (эффект Ушеренко) [1]. В мишени появлялись длинномерные канальные образования, плотность которых достигала 1500 шт./мм². При внедрении в сталь частиц карбида кремния или борида ниобия происходило размывание вводимого материала по стенке канала. После захлопывания канала образовывались волокна, состоящие из матричного и вводимого материала. Стальная деталь превращалась в композиционный материал. При обработке стали потоком частиц борида титана (TiB₂) или карбонитрида титана с никелем (TiCN + Ni) ее износостойкость увеличивалась в 2 раза [2].

На рис. 1 показана схема установки для внедрения в металлическую матрицу быстрых частиц порошка [3]. Порцию частиц порошка размерами от 10 до 200 мкм и массой 20–200 г помещали в капсулу, находившуюся внутри заряда взрывчатого вещества. При инициировании взрыва частицы порошка разгонялись продуктами взрыва до скорости 1–3 км/с и ударялись в поверхность металлической преграды. В момент удара частицы ее давление на мишень достигало 15 ГПа. Расчет показал, что запас кинетической энергии сферической частицы мог позволить ей внедриться внутрь твердого тела на глубину не больше 5–6 значений ее диаметра. На рис. 2а показана такая частица [4], для получения фотографии стальная мишень была разрезана вдоль траектории частицы и отшлифована. Можно видеть, что внедрившаяся частица оставила широкий кратер, а образовавшийся канал заполнен зернами материала мишени. На рис. 2б показана частица, сумевшая внедриться в мишень на большую глубину [5, 6]. Хорошо видно, что картина радикально отличается от показанной на рис. 2а. Внедрившаяся частица на рис. 2б находится в канале, который позади нее не заполнен посторонними вкраплениями. Этот канал сужается позади частицы и на некотором расстоянии от нее схлопывается. Давление в канале повышалось до 12 ГПа, и из кратера выбрасывались микроструктуры плотной плазмы, что сопровождалось интенсивным свечением. Глубина проникновения зависела от размера частиц (рис. 3) [5–8]. На максимальную глубину проникали частицы размером около 60 мкм, а частицы размером меньше 5 мкм и больше 200 мкм тормозились на небольших глубинах. Было обнаружено, что эффект сверхглубокого проникания частиц происходит только при столкновении с преградой сгустка частиц. При столкновении с преградой одиночных частиц эффекта сверхглубокого проникания не наблюдалось. Во время взаимодействия потока микрочастиц SiC с цилиндрической мишенью из стали-10 возникал импульс электромагнитного поля [3]. Магнитное поле измеряли с помощью трехкоординатного датчика Холла, расположенного на расстоянии 15 см от мишени. Вид силовых линий магнитного поля (окружности с центром на оси цилиндра) показан на рис. 1. Время действия импульса магнитного поля – (5–12) × 10^–6 с, его индукция В = (5–80) × 10^–3 Тл. При увеличении массы заряда взрывчатого вещества от 100 до 600 г индукция выросла с 20 до 80 мТл, она была максимальной при размере частиц r = 60 мкм и уменьшалась до нуля при увеличении размера до r = 220 мкм.

 

Рис. 1. Схема проведения опыта по исследованию действия потока микрочастиц SiC на металлическую мишень: 1 – корпус заряда, 2 – взрывчатое вещество, 3 – кумулятивная воронка, 4 – частицы порошка, 5 – регулирующая опора, 6 – поток частиц порошка и плазмы, 7 – металлический образец, 8 – силовые линии электрического поля, 9 – силовые линии магнитного поля.

 

Рис. 2. Частица железа, внедрившаяся в поверхность мишени из железо-никелевого сплава (а); частица, проникшая в сталь на большую глубину (б).

 

Рис. 3. Зависимость глубины L проникания быстрой частицы от ее радиуса R.

 

При проведении исследований поверхность цилиндрической мишени оборачивали рентгеновской фотопленкой, завернутой в несколько слоев черной бумаги. После проявления на фотопленке обнаружены линии (треки) длиной (10–15) × 10^–3 м и шириной (2–4) × 10^–6 м. Вид треков был разный – наблюдались как непрерывные, так и треки сложной формы, похожие на спирали или меандр. На рис. 4 показан вид треков при большом увеличении [3]. Частицы, оставившие треки, двигались параллельно плоскости фотопленки. Энергия частиц, оцененная по длине пробега, была не меньше 80–100 МэВ. Такие же треки обнаружены на поверхности пластины кремния, расположенной рядом с цилиндрической мишенью [3].

 

Рис. 4. Треки, образовавшиеся на фотопленке, обернутой вокруг цилиндрического образца: а – образец из алюминия (×500), б – образец из стали (×600).

 

За годы, прошедшие после обнаружения эффекта сверхглубокого проникания частиц, эти опыты повторяли многие исследователи. Помимо подтверждения факта проникания частиц на большую глубину появились сведения об обнаружении изменения концентраций элементов в канале, оставленном частицей. Так, при исходном содержании марганца в материале мишени 0.2% его содержание в канале увеличилось до 40%, алюминия – до 14%, свинца – до 18%. Более того, в волокне, образовавшемся в канале, был обнаружен изотоп железа Fe⁵⁵ с периодом полураспада Т_1/2 = 2.7 г. (Изотоп Fe⁵⁵ путем захвата орбитального электрона превращается в стабильный изотоп Mn⁵⁵) [5, 6].

Главной проблемой создания теории сверхглубокого проникания частиц является поиск источника энергии, необходимой для осуществления данного процесса. Кинетическая энергия облака микрочастиц не превышает 5 × 10⁴ Дж, тогда как на образование кратеров, каналов (разрушение химических связей в материале мишени), закрытие каналов (образование новых химических связей), изменение размера зерен металла и двойникование требуется энергия как минимум в 10 раз больше. В связи с этим предполагается [5, 6] существование неучтенного источника энергии, возникающего только в режиме сверхглубокого проникания и независимого от внешнего воздействия. По мнению исследователей, возможным источником дополнительной энергии служит плотная плазма, которая образуется на границах раздела частица–мишень. На поверхности трущихся частиц возникают электрические заряды. Заряженные бомбардирующие частицы сближаются с химическими связями вещества мишени на расстояния порядка межатомных. Чем больше заряд на поверхности частицы-ударника, тем выше вероятность того, что энергия будет передана химической связи – электронам. Благодаря этому в пределах границы раздела частица–мишень в качестве первичных продуктов образуются ионы и электроны. Смещение атомов при соударении возбуждает связи, а кулоновское влияние поверхностных зарядов частицы вызывает разрушение этих связей. Ударно-волновые процессы в мишени увеличивают амплитуду колебаний атомов в узлах решетки. Происходит разрыв связей в материале решетки. Поскольку расстояние, проходимое частицей, превышает ее размер, предполагается, что потери энергии компенсируются непрерывным поступлением плазмы в зону, образованную поверхностями частицы и мишени. Обновление плазмы осуществляется за счет диссоциации связей каждого последующего атомного слоя мишени и частично – связей материала ударника. Появление электромагнитного излучения и следов на фотопленках, оставленных частицами с энергией 10–100 МэВ, объясняется гипотезой о протекании в каналах реакций термоядерного синтеза. По-видимому, источником дополнительной энергии могут быть многочисленные микровзрывы (термоядерные микровзрывы по объему металлической преграды) вдоль треков порошковых частиц [5, 6].

Другим направлением развития теории сверхглубокого проникания частиц является поиск природы сил, действующих на частицы, и причин уменьшения силы трения частиц. Предложено много гипотез. Согласно одной из них считается, что при движении частицы внутри твердого тела перед ней выделяется энергия. Это модифицирует материал мишени, делая его пластичным. Источником движущей силы является процесс “схлопывания” канала за частицей. Из-за отвода тепла от канала в зоне схлопывания возникает напряжение металла при его отвердевании, создающее силу типа клина, давящего на частицу [7]. В [8] предложена гипотеза захвата микрочастиц фронтом ударной волны, имеющей конечную ширину. В [9] предполагалось, что у мелких частиц предел текучести много выше, чем у сплошной среды. Каждая частица пробивает себе дорогу за счет кинетической энергии, и позади нее возникает канал. При его схлопывании образуется кумулятивная струя. Она догоняет частицу, подталкивает ее и возвращает затраченную энергию.

Согласно [10] проникание частиц на глубину 0.2 м может происходить из-за аномально низких значений вязкости металла. При этом вязкость изменяется только в пределах зоны, ограниченной поверхностью контакта преграды и микрочастиц. Температура микрочастиц в облаке кумулятивного выстрела не превышает 1200 К, т.е. в момент удара она намного меньше температуры плавления металла. Предполагается, что частица может захватить 10²–10⁵ электронов или ионов. При этом кулоновская энергия взаимодействия частиц будет намного превышать тепловую энергию. В результате удара возникает ударная волна со скоростью 5100 м/с (для стали). Фононы взаимодействуют со свободными электронами металла и электронами, образующими химические связи, а также с зарядами на поверхности микрочастиц. Время действия звуковой волны для частиц диаметром 20–120 мкм составляет (2–12) × 10^–8 с. Звуковые волны опережают микрочастицы и взаимодействуют с химически связанными и свободными электронами. Электроны переходят на более высокий энергетический уровень. Переход электрона с уровня на уровень длится 10^–13–10^–12 с, а релаксация валентных электронов при переходе на более низкие уровни происходит за время t_rel = 10^–5–10^–4 с. То есть свободные электроны играют роль доноров энергии, разрыхляющей химические связи. Связи дополнительно возбуждаются и рвутся, частицы начинают движение в “плазме твердого тела”. Разность времен возбуждения и релаксации дает промежуток времени, в течение которого снижается вязкость в канале, ограниченном поверхностью контакта микрочастицы и преграды. Расчет показывает, что величина вязкости уменьшается до η = 0.005–0.08 Н/м.

В [11] предполагалось, что инородное вещество движется в преграде не в виде макроскопических частичек, а в виде групп разрозненных молекул, перемещающихся внутри ударных фронтов под действием градиентов давления, т.е. посредством бародиффузии. Согласно [12] при движении частицы в вязкой несжимаемой среде из-за локального нагрева слоев, примыкающих к плоскости скольжения, возникает разупорядочение среды и происходит ее нагрев до температуры плавления. При 2P/ρv² >1 (P – давление, ρ – плотность преграды, v – скорость частицы) реализуется условие “парадокса Даламбера” – возникает фаза ламинарного обтекания частицы без сопротивления. Для стальных мишеней при давлениях 1–4 ГПа скорость стационарного движения частицы составляет 0.5 км/с. При условии, что время существования полей давления равно 2 × 0^–5 с, частица проникает на глубину 10^–2 м.

Попытки объяснить причины появления магнитного поля и треков на фотопленках встречаются лишь в нескольких работах. В [3] возникновение магнитного поля объясняется движением магнитных диполей в электрическом поле, которое появляется из-за перераспределения электрических зарядов в потоке частиц, перемешанных с продуктами взрывчатого вещества. Никаких оценок и описания деталей происходящих процессов не приводится. Еще более сомнительно объяснение причины появления треков на фотопленках. Предполагается, что в неких “горячих точках” внутри мишени генерируются высокоэнергетические “галактические” ионы, которые, выйдя наружу, движутся с большой скоростью вдоль поверхности пленки. Никаких количественных оценок этого процесса не приводится.

К сожалению, почти полувековая работа по созданию теории сверхглубокого проникания частиц в твердую среду так и не принесла результата. Многие модели не согласуются и, более того, противоречат друг другу. Например, утверждается, что твердая частица движется в твердой фазе без трения, но может прочертить в ней след своим веществом, т.е. она движется с трением [9]. Все объяснения опираются на предположение, что у мелких частиц предел текучести много выше, чем у сплошной среды. Известно, что при движении в сплошной среде диссипация механической энергии у крупных тел относительно меньше, чем у мелких частиц, поэтому они должны проникать на бόльшую глубину. Однако этот вывод противоречит экспериментам. Есть критический размер d_c ~ 10^–4 м, и для d > d_c проникания не наблюдается. В большинстве моделей проникания предполагается, что каждая частица пробивает себе дорогу за счет кинетической энергии. Позади нее появляется канал. При его схлопывании возникает кумулятивная струя. Она догоняет частицу, подталкивает ее и возвращает затраченную энергию. При этом не учитывается, что любое распределение давления, порождаемое в преграде потоком частиц, не является стационарным. Зона, в которой существует нужное распределение давления, должна двигаться со скоростью звука (4 км/с). С такой же скоростью, чтобы не выйти из этой зоны, должна двигаться и частица. При этой скорости в преграде возникает ударная волна с амплитудой 200 ГПа, что в несколько раз превосходит теоретическую прочность σ_т любого твердого тела. Например, для частиц вольфрама σ_т ~ E/(2π) = 60 ГПа (Е – модуль Юнга). В частицах размером 10^–5–10^–4 м есть дислокации. Предел прочности таких частиц на порядок меньше, поэтому при движении они разрушатся. Обнаружено, что при движении микрочастиц каналы схлопываются. Вблизи каналов образуются области интенсивного пластического течения с высокодефектной, частично аморфизированной структурой [12, 13], что противоречит концепции упругой деформации и хрупкого разрушения среды опережающей трещиной [14, 15].

В настоящей работе предлагается новая гипотеза объяснения причин проникания частиц на большие глубины.

ГИПОТЕЗА ЭФФЕКТА СВЕРХГЛУБОКОГО ПРОНИКАНИЯ ЧАСТИЦ В ТВЕРДОЕ ТЕЛО

Начнем с объяснения природы странных прерывистых следов, появлявшихся на фотопленках и кремниевых пластинках в опытах по исследованию эффекта сверхглубокого проникания частиц. Такие же необычные следы неоднократно обнаруживались при электрических разрядах в воде [16–25] (рис. 5). Самыми интересными из них были симметричные следы (“следы-близнецы”) [19, 24]. В [23–25] показано, что наиболее подходящим объектом, способным оставить такие следы, являются многозарядные кластеры из молекул воды. В этих кластерах некий ансамбль ионов с суммарным зарядом Q удерживается внутри сферической оболочки из поляризованных молекул воды. Кулоновская сила расталкивания ионов, находящихся на поверхности сферы радиусом r, равна

F_Q = Q²/(8πε₀r²). (1)

Эта сила компенсируется давлением на поверхность сферы слоя поляризованных молекул воды толщиной a:

F_at = (σa4πR²)grad(Q/4πε₀R²) = (2σaQ)/(ε₀R), (2)

где σ = 1 Кл/м² – плотность зарядов концов диполей воды на поверхности сферы. Радиус такого кластера R = r + a.

 

Рис. 5. Треки, образовавшиеся на фотопленке, расположенной вблизи зоны электрического разряда в воде.

 

Заряженный кластер, приближающийся к поверхности твердого тела, поляризует его вещество и притягивается к ней. Оказавшись вблизи поверхности, он отделяет от себя часть заряда, который, ударившись о поверхность (фотопленки или кремниевой пластины), оставляет на ней след. Кластер, получив импульс отдачи, взлетает над пленкой. Затормаживаясь из-за действия силы притяжения к поверхности, кластер останавливается и начинает снова “падать” на пленку [23, 24]. В результате на пленке образуется цепь следов, похожих на следы, показанные на рис. 4, 5. Самое непонятное свойство таких кластеров – способность внедряться в твердые тела и оставлять в них следы в виде каналов [22]. Мигрируя внутри твердого тела, эти кластеры иногда выходят на его поверхность.

Предположим, что частицы, оставившие следы на пленках и зарегистрированные в опытах по исследованию эффекта сверхглубокого проникания, идентичны описанным многозарядным кластерам. Сначала рассмотрим: как могли образоваться такие частицы? В [26] обсуждались эффекты, возникающие при ударе снаряда в броню, и было высказано предположение, что при торможении снаряда часть электронов, двигаясь по инерции, покидает снаряд. В результате снаряд становится положительно заряженным.

Воспользуемся идеей, приведенной в [26], и предположим, что частицы металлического порошка, летящие со скоростью 1–3 км/с, при столкновении с преградой теряют часть электронов и приобретают положительный заряд. Пусть с мишенью соударяется сферический шарик из титана. Оценим, какой заряд может приобрести титановый шарик радиусом R = 30 мкм, столкнувшийся со стальной мишенью. Плотность титана 4.5 × 10³ кг/м³. При R = 3 × 10^–5 м объем V = 1.13 × 10^–13 м³, масса M = 5 × 10^–10 кг. Кинетическая энергия шарика, летящего со скоростью 3000 м/c, равна E_c = 2.25 × 10^–3 Дж. Рассмотрим процесс перехода электронов с частицы на мишень. При этом будем учитывать, что по мере изъятия части отрицательного заряда шарика величина оставшегося у него положительного заряда растет, следовательно, работа по отъему следующей порции отрицательного заряда постоянно увеличивается. Пусть сначала в мишень перешла порция отрицательного заряда Δq. Частица приобрела положительный заряд Δq. Работа по разведению зарядов от расстояния R до ∞ равна ΔA₁ = (Δq)²/(4πε₀R). После этого положительный заряд частицы стал 2Δq. При отделении от этой частицы отрицательного заряда величиной Δq будет сделана работа ΔA₂ = (2Δq)(Δq)/(4πε₀R). При отделении n-го заряда Δq будет затрачена работа ΔA_n = (nΔq)(Δq)/(4πε₀R). Полная работа при совершении n шагов A = Σ(ΔA_n) ≈ (n²/2)(Δq)²/(4πε₀R). Приравняем ее к кинетической энергии частицы E_c:

(n²)(Δq)² = E_c · 8πε₀R. (3)

Положительный заряд Q, оставшийся на частице, равен nΔq, поэтому

Q = (E_c · 8πε₀R)^1/2. (4)

Подставив в эту формулу R = 3 × 10^–5 м и E_c = 2.25 × 10^–3 Дж, находим заряд Q, приобретенный шариком: Q = 1.145 × 10^–9 Кл (7.16 × 10⁹ элементарных зарядов).

Электроны, перешедшие от шарика к цилиндрическому стержню, двигаясь вдоль его оси, уйдут в землю (рис. 1). Пусть заряд, доставленный одним шариком, равен Q = 10^–9 Кл. Масса шарика равна M = 5 × 10^–10 кг. Пусть полная масса облака частиц равна M_c = 10 г. Отсюда находим количество шариков N_b = M_c/M = 2 × 10⁷ и их суммарный заряд Q_c = N_bQ = 2 × 10^–2 Кл. Приняв линейный размер облака частиц равным L = 0.1 м и считая, что скорость частиц равна v = 3 × 10³ м/с, находим время действия облака на мишень: τ = L/v = 0.33 × 10^–4 c. Таким образом, ток, прошедший по стержню, равен I = Q_c/τ = 6 × 10² А. В [3] измерялась магнитная индукция вблизи стального цилиндра, в торец которого ударяется поток частиц. На расстоянии R_ex = 0.15 м от оси цилиндра ее величина оказалась равной B = 10^–3–10^–2 Тл. Напряженность магнитного поля на расстоянии R от прямого провода, по которому течет ток I, равна H = I/2πR (А/м) [27]. Магнитное поле связано с индукцией соотношением H = B/µ₀ = B/4π × 10^–7. Отсюда находим ток I = H × 2πR = B × 2πR/4π × 10^–7 А. Приняв B = 10^–3 Тл и R_ex = 0.15 м, получаем I = 7.5 × 10² A. Это близко к полученной в настоящей работе оценке. Определим величину давления на поверхность стальной мишени титанового шарика радиусом R = 3 × 10^–5 м, обладающего зарядом Q = 10^–9 Кл. Рассмотрим момент, когда шарик только что коснулся поверхности. Сила его притяжения к проводящей плоскости равна

F_at = Q²/[4πε₀(2R)²] = 2.498 Н. (5)

Площадь сечения шарика s = πR² = 2.826 × 10^–9 м². Давление шарика на поверхность равно P = F_at/s = = 8.84 × 10⁸ Па = 884 МПа. Предел прочности стали-10 равен P_t = 330 МПа. Следовательно, шарик должен внедриться внутрь материала мишени.

Оказавшись внутри мишени, заряженный шарик давит на стенки образовавшегося канала. Оценим величину этого давления. Окружим заряд Q = 10^–9 Кл сферой радиусом R = 3 × 10^–5 м. Заряд будет оказывать на эту сферу давление

P_Q = [Q²/(8πε₀R²)]/(4πR²) = 442 МПа. (6)

В многозарядных кластерах, состоящих из поляризованных молекул воды, кулоновское давление ионов компенсируется противоположно направленным давлением водной оболочки [23–25]. Пусть ионы с суммарным зарядом Q = 10^–9 Кл находятся внутри сферы радиусом r и растягивают ее с силой F_Q = Q²/(8πε₀r²). Сфера окружена оболочкой из поляризованных молекул воды толщиной a, которая сжимает полость с ионами с силой

F_a = (σa · 4πr² · 2Q)/(4πε₀r³) = (2σQa)/(ε₀r). (7)

Здесь σ = 1 Кл/м² – плотность зарядов концов диполей воды на поверхности сферы с ионами. Приравняв F_a к F_Q, находим a = Q/16πrσ. Подставив в это выражение r = R – a, получаем уравнение a² – aR + Q/4πσ = 0. Подставив в уравнение R = 3 × 10^–5 м, находим a = 2.964 × 10^–5 м, что чуть меньше радиуса R. Таким образом, если бы вокруг заряда титанового шарика появилась оболочка из поляризованных диполей (например, из оксида металла) со способностью поляризоваться, как молекулы воды, то он мог бы существовать без внешнего давления. Однако толщина пленки из оксида, адсорбированных молекул воды и продуктов взрывчатого вещества вряд ли может быть больше a₁ = 10^–7 м. Она будет оказывать давление на шарик

P_sh = (σQa₁)/(2πε₀R³) = 66.6 МПа. (8)

При этом давление шарика на материал мишени снизится до 375 МПа (формула (6)), но все равно оно останется большим.

Рассмотрим, как будет двигаться внутри материала мишени шарик, обладающий положительным электрическим зарядом Q_b. Пусть центр шарика углубился внутрь мишени на расстояние чуть больше, чем радиус шарика l = 4 × 10^–5 м. При внедрении шарика внутрь материала стальной мишени на ее стенках появятся положительные заряды и возникнет сила, отталкивающая шарик от этих зарядов. Сила эта принимает максимальное значение при отталкивании шарика от ближайшей поверхности мишени. При нахождении центра шарика на расстоянии r_in = 4 × 10^–5 м от поверхности мишени на него будет действовать сила F_rp, направленная вглубь мишени:

F_rp = Q_b²/[4πε₀(2r_in)²]. (9)

Если заряд шарика Q_b останется равным 10^–9 Кл, F_rp = 1.4 Н. По мере перемещения шарика вглубь мишени величина F_rp будет уменьшаться. При r_in = 5 × 10^–2 м получим F_rp = 8.99 × 10^–7 Н, а при нахождении шарика в точке на половине длины мишени F_rp = 0.

Однако нет оснований считать, что эффективное значение величины заряда тела, погруженного в проводящую среду, будет равно его истинной величине. Когда заряженный шарик окажется внутри проводящей среды, вокруг него соберутся электроны, ослабляющие действие электрического поля шарика (образуется сферический конденсатор). Фактически произойдет как бы уменьшение заряда шарика. Однако уменьшение напряженности внешнего электрического поля будет неполным. Благодаря тепловому движению электроны обладают кинетической энергией, и на некотором расстоянии от центра заряда напряженность поля станет недостаточной для удержания электрона. Определим, при какой величине заряда Q_b сферической частицы радиусом R = 3 × 10^–5 м работа отрыва электрона от ее поверхности станет равной W_c = k_BT (k_B – постоянная Больцмана). При T = 300 К получим W_c = 4.14 × 10^–21 Дж. Сила притяжения электрона к сфере радиусом R_b равна F_q = (Q_bq)/(4πε₀R_b²). Работа по удалению электрона с расстояния R_b на ∞: A = ∫F_qdR_b= (Q_bq)/(4πε₀R_b). Приравнивая A к W_c, получаем

Q_b = (k_BT · 4πε₀R_b)/q, (10)

где q = 1.6 × 10^–19 Кл – заряд электрона. Подставляя в (10) численные значения, находим Q = 8.63 × 10^–17 Кл (540 элементарных зарядов).

При такой величине заряда напряженность поля на поверхности частицы равна всего 8.6 × 10² В/м. Возможно, предположение, что Т = 300 К, неправильно. В кластере с оболочкой из молекул воды, согласно критерию Ланжевена, критическая напряженность поля равна 2 × 10⁹ В/м (в 10⁶ раз больше) [24, 25]. Таким образом получается, что сила, требуемая для поворота диполя, почему-то должна быть в миллион раз больше, чем для удержания электрона. Похоже на то, что электрон не свободен, а довольно сильно связан с кристаллической решеткой. Кроме этого, во-первых, электронная температура (а именно она важна в рассматриваемом случае) может быть гораздо больше ионной. Во-вторых, в образце присутствуют ударные волны, трясущие решетку. Это эквивалентно некоторой температуре, которая выше 300 К на 2–3 порядка. Поэтому заряд Q_b в течение времени сотрясения решетки может быть не меньше 10⁵–10⁶ элементарных зарядов. Можно предположить, что заряженный шарик будет перемещаться внутри мишени скачками: замирать, когда она не колеблется, и двигаться, когда она сильно трясется. Вероятно, это объясняет тот факт, что сверхглубокое проникание происходит при ударах не одиночных частиц, а является эффектом коллективного действия многих частиц. В предлагаемой модели время, в течение которого происходит проникание частиц, может быть намного больше, чем длительность удара сгустка частиц или воздействие звуковой либо ударной волны. Согласно [22] частицы, появляющиеся при электрических разрядах в воде (свойства которых можно считать близкими к свойствам обсуждаемых частиц), могут находиться внутри твердого тела в течение времени, измеряемого сутками.

Обсудим, как сильно сдавленный металлический шарик под действием довольно слабой электрической силы может переместиться в твердом теле на большое расстояние. Единственный шанс сделать это – как можно больше уменьшить силу трения среды в зоне контакта. Внедрившаяся частица при этом должна обладать способностью длительное время удерживать приобретенный электрический заряд. Для этого ее оболочка (состоящая из диэлектрика, например оксидов и воды) должна быть хорошим изолятором.

В течение всей истории развития химии считалось, что в твердом теле химические реакции не идут из-за пренебрежимо низкой скорости диффузии реагентов. Однако в конце ХХ века ученым из Института химической физики АН СССР удалось показать: если в твердом теле, подвергнутом высокому давлению, осуществить деформацию сдвига, в нем начинают интенсивно идти химические реакции [28, 29]. Они обнаружили, что химическая реакция протекает именно в момент деформации твердого тела. В опытах по демонстрации этого эффекта испытываемое вещество (например, металл) помещали между двумя дисками (“наковальнями Бриджмена” [30]) и подвергали сильному сжатию. В момент приложения силы одна из “наковален” поворачивалась на некоторый угол вокруг своей оси. При этом связи между атомами в кристаллической решетке рвались, и металл приобретал большую пластичность. Эффективная константа диффузии в металле увеличивалась на 10 порядков и была на 3–4 порядка больше, чем в жидком металле [31].

Это явление интересно тем, что в момент деформации сильно уменьшается вязкость металла. Поверхность металлического шарика, вклинившегося в металл, сдавливается деформированной кристаллической решеткой. В момент действия на шарик силы, вызывающей его смещение, межатомные связи между поверхностью шарика и поверхностью металла мишени рвутся. При этом сила трения падает практически до нуля. После смещения шарика на некоторое расстояние канал, созданный им, закрывается силой давления кристаллической решетки металла мишени. Движение заряженного шарика внутри металла определяется действием сил, возникающих из-за поляризации близлежащих кристаллических зерен. Некоторые заряженные шарики могут выйти наружу и оставить следы на фотографических пленках.

Обогащение зоны контакта марганцем, алюминием и свинцом, по-видимому, могло произойти из-за разной скорости диффузии различных веществ в зоне сверхнизкой вязкости материала. Факт изменения изотопного состава элементов (например, появление изотопа железа Fe⁵⁵) коррелирует с результатами опытов [17]. В этих опытах было обнаружено, что при взрывах пластинок титановой фольги в воде содержание изотопа Ti⁴⁸ уменьшилось на 4%. Не исключено, что указанные превращения могли быть каким-то образом связаны с фактом долгого пребывания частиц, обладающих большим электрическим зарядом, внутри твердого тела [25].

Попробуем найти объяснение тому, что частицы радиусом R = 30 мкм способны проникать на большую глубину, а частицы радиусом меньше 3 мкм и больше 120 мкм такой способностью не обладают (рис. 3). Выше установлено (формула (2)), что частица радиусом R при ударе в мишень приобретает заряд Q = (E_c · 8πε₀R)^1/2 Кл. Кинетическая энергия E_c = Mv²/2 = (ρ · 4πR³/3)(v²/2), где M – масса частицы, v – ее скорость, а ρ – плотность материала частицы. Тогда заряд частицы

Q = [(ρ · 2πR³v² · 8πε₀R)/3]^1/2 =

= K(R⁴)^1/2 = KR², (11)

где

K = [(16π²ε₀ρv²)/3]^1/2. (12)

Подставив в (12) ρ = 4.5 × 10³ кг/м³ и v = 3 × 10³ м/с, находим K = 4.34 Кл/м². Согласно (9) сила F_rp, действующая на заряженную частицу, находящуюся внутри проводящего тела, пропорциональна величине квадрата ее заряда:

F_rp ~ Q² = K²R⁴. (13)

Для удобства анализа отложим по горизонтальной оси значения R². В этом случае зависимость F_rp = f(R²) на рис. 6 имеет вид параболы. Противоположно силе F_rp действует сила F_fr трения частицы о стенку канала в мишени. Эта сила появляется из-за роста числа дислокаций в материале мишени [32]. При небольшой скорости образования дислокаций (и, соответственно, при малых значениях радиуса частицы) величину силы торможения можно считать пропорциональной площади поверхности трущейся частицы: F_fr ~ R². Однако при некотором значении радиуса R_cr плотность образующихся дислокаций достигает максимального значения и в результате резко увеличивается твердость металла. Поэтому можно считать, что при R > R_cr² закон торможения частицы меняется на F_fr ~ nR², где n > 1. На рис. 6 показана эта зависимость при n = 2. Можно видеть, что в областях 0 < R² < R₀² и R² > R_max² сила трения больше электрической силы F_rp, следовательно, движение частицы невозможно. При R² = R_cr² степень превышения силой F_rp величины силы F_fr максимальна, что способствует прониканию частиц с R = R_cr на большие расстояния.

 

Рис. 6. Зависимость от квадрата радиуса частицы R2 силы действия на нее электрического поля Frp и силы трения о стенку канала Ffr.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена новая гипотеза объяснения комплекса явлений, сопровождающих процесс сверхглубокого проникания в мишень быстрых металлических частиц: появление прерывистых следов на фотопленках и генерирование импульса магнитного поля. По-видимому, магнитное поле создается потоком электронов, срывающихся с частицы при торможении, в результате чего она приобретает положительный заряд. Этот заряд заставляет частицу внедриться внутрь мишени. Оказавшись внутри твердого тела, заряженная частица в течение некоторого времени, пока длятся колебания кристаллической решетки, движется в нем под действием электрических полей. Благодаря комбинации эффектов сверхвысокого давления и сдвига сжатой частицы существенно уменьшается вязкость металла. Часть заряженных частиц выходит наружу из материала мишени и, взаимодействуя с поверхностью фотопленки или твердой пластины, оставляет на ней цепь следов. Данная гипотеза требует более полной проработки. В частности, предстоит найти количественное объяснение поведения заряженных кластеров внутри проводника, причин преимущественного проникания частиц среднего размера и других тонких деталей [33]. Не предлагаем здесь идеи объяснения механизмов изменения изотопного состава элементов, но надеемся, что эти процессы будут изучены в будущем [34].

Отметим, что создание теории эффекта сверхглубокого проникания важно не только для совершенствования процесса легирования материалов, но и для поиска путей нейтрализации этого эффекта. Дело в том, что космические аппараты постоянно подвергаются действию ударов высокоскоростных микроразмерных частиц, которые, проникая сквозь металлическую оболочку аппаратов, выводят из строя электронные приборы [3, 35, 36]. Многослойные металлические экраны не могут защитить электронику. В [37] проводились исследования действия потоков высокоскоростных частиц на микросхемы, помещенные в герметичный алюминиевый контейнер с толщиной стенки 200 мм. Контейнер подвергался действию ударов сгустков пылевых частиц, летящих со скоростью 300–3000 м/с. Было обнаружено, что при однократном действии потока частиц внутри контейнера повреждалось 10% микросхем, при трехкратном воздействии повреждались 33%, а при пятикратном – 85%. При этом герметичность контейнера не нарушалась. Если гипотеза, что внутрь космического аппарата проникают частицы с положительным зарядом, верна, можно попытаться затормозить их движение в оболочке, приложив к ней импульс электрического поля.

Об авторах

А. И. Никитин

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikitin@chph.ras.ru
Россия, Москва

В. А. Никитин

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: nikitin@chph.ras.ru
Россия, Москва

А. М. Величко

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: nikitin@chph.ras.ru
Россия, Москва

Т. Ф. Никитина

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: nikitin@chph.ras.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы