Учёные физического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ ведут исследования, важные как для прикладной, так и для фундаментальной науки. О поисках и открытиях в этом направлении рассказывает доктор физико-математических наук, профессор кафедр «Вычислительная механика» и «Физика наноразмерных систем» ЮУрГУ Александр Павлович Яловец.
– Какое направление вашей научной работы является наиболее значимым и перспективным?
– Изучение воздействия интенсивных потоков энергии на вещество. Имеются в виду интенсивные потоки ускоренных заряженных частиц – электронов или ионов, потоки плазмы или лазерное излучение. Количественно такие потоки энергии характеризуются плотностью мощности излучения – энергией излучения на единицу площади в секунду. В наших исследованиях она измеряется как минимум мегаваттами на квадратный сантиметр, длительность воздействия – от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Вещество при этом нагревается со скоростью около ста миллионов градусов в секунду, и за время воздействия излучения температура среды, как правило, превышает температуру плавления, в некоторых случаях достигая десятков тысяч градусов. При таких экстремальных воздействиях в объёме облучаемой среды инициируются различного рода процессы, приводящие к изменению её свойств. Вот эти-то процессы и изменения и есть предмет наших исследований.
– В чём значимость работы именно по этому направлению?
– В пятидесятых годах XX века как в нашей стране, так и за рубежом начало бурно развиваться новое научное направление, которое сегодня известно как сильноточная электроника (High Current Electronics). Актуальными задачами той эпохи являлись, например, создание ускорителей для генерации мощных наносекундных электронных и ионных пучков, импульсов гамма- и СВЧ-излучения, и применение этих пучков в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, которые тогда интенсивно проводились в мире.
Практически одновременно с сильноточной ускорительной техникой стала развиваться промышленная радиационная технология. Начало применению обработки материалов сильноточным пучком электронов было положено при электронно-лучевой плавке тугоплавких металлов, закалке поверхностного слоя стали, резке и размерной обработке различных материалов, включая керамику, наплавлении порошковых покрытий.
По мере накопления эмпирических данных при изучении взаимодействия интенсивных потоков заряженных частиц и плазмы с твёрдым телом открывались новые перспективы в создании радиационных технологий обработки различных конструкционных материалов. Таким образом, наряду с традиционными методами упрочняющего объёмного воздействия на материалы, такими как термомеханическая обработка, закалка и ударно-волновое нагружение, появились новые способы обработки материалов: с помощью интенсивных потоков энергии с плотностью потока мощности 0,1–100 МВт/см2.
В настоящее время разработке методов обработки конструкционных материалов мощными потоками ускоренных заряженных частиц и плазмы уделяется всё большее внимание, поскольку во многих случаях она позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики, а иногда и достичь технического и экономического эффекта, который невозможно получить традиционными способами. Радиационные технологии имеют ряд существенных преимуществ перед традиционно используемыми в машиностроении – например, возможность обработки высокоточных деталей сложной формы, малое время обработки, простота автоматизации процесса. Поэтому исследования, направленные на изучение процессов воздействия излучения на вещество с целью разработки новых материалов, являются важнейшей задачей современного материаловедения.
Анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований по модификации конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы с плотностями мощности 0,1–100 МВт/см2 дан в статье «Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы», опубликованной в 2016 году в серии «Машиностроение» «Вестника ЮУрГУ», – при её написании моими соавторами были А.Я. Лейви, К.А. Талала и В.С. Красников.