Поведение веществ под воздействием сильных ударных волн. Том 5. Книга II

 
 
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт  
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Поведение веществ под воздействием  
сильных ударных волн 
 
 
Сборник научных статей 
 
 
Под общей редакцией  
доктора физико-математических наук, профессора  
М. В. Жерноклетова 
 
 
 
Том пятый 
(2008–2015 гг.) 
 
Книга II 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2017 

Содержание  
 
389 

УДК 534.222.2+539.4 
ББК  22.23 
         П42 
 
Издание выходит с 2007 года 
 
 
П42 
Поведение веществ под воздействием сильных ударных 
волн: сборник научных статей / Под общ. ред. М. В. Жерноклетова – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2017.  
 
ISBN 978-5-9515-0344-2 
 
Книга II. – 2017. – 340 с. 
ISBN 978-5-9515-0346-6 
 
Издание пятого тома сборника приурочено к 70-летию отдела 
0304 ВНИИЭФ. В данный том включены статьи и доклады, написанные 
сотрудниками отдела в период с 2008 по 2015 гг.  
В ноябре 2013 г. в РФЯЦ-ВНИИЭФ отмечалось 100-летие со дня 
рождения  выдающегося ученого, основателя отдела Л. В. Альтшулера. 
Этому событию были посвящены семинар «Применение ударных волн 
в физике высоких давлений» и выпуск специального номера журнала 
«Атом», одна из статей которого публикуется в издании. 
Содержание статей, объединенных областью физики высоких 
плотностей энергии, свидетельствует о разнообразной направленности 
работ. Это исследование детонационных процессов и параметров уравнений состояния взрывчатых веществ и их продуктов взрыва; широкодиапазонные уравнения состояния газов и металлов; исследование фазовых 
превращений в ударных волнах; ударно-волновое и квазиизэнтропическое сжатие изотопов водорода и азота; влияние ударно-волновых нагрузок на микроструктуру и механические свойства различных металлов; 
импульсный рентгеноструктурный анализ веществ в динамических экспериментах; микроволновая диагностика ударно-волновых и детонационных процессов и т. д. 
Издание предназначено для научных и инженерно-технических работников, занимающихся исследованиями в области физики экстремальных 
состояний, а также для аспирантов и студентов старших курсов, специализирующихся в области теоретической и экспериментальной механики. 
 
 
УДК 534.222.2+539.4 
ББК  22.23 
 
 

ISBN 978-5-9515-0346-6  (кн. II) 
 

ISBN 978-5-9515-0344-2 
 ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2017 
 

 

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВ В УДАРНЫХ ВОЛНАХ 
 
А. М. Подурец 
 
 
При проведении ударно-волновых исследований, как правило, экспериментально измеряются физические величины, по которым можно лишь косвенно судить о структуре вещества за фронтом ударной волны (УВ). Поэтому необходимую информацию о структуре фаз высокого давления мы получаем 
в основном из экспериментов по статическому сжатию или по лабораторному 
изучению образцов, сохраненных после ударного нагружения. В то же время 
очевидно, что прямого соответствия структур в статических и динамических 
экспериментах может и не быть из-за различия во времени протекания процессов. Это делает очень важной проблему получения структурной информации 
непосредственно в ударно-волновых экспериментах. Кроме этого, при изучении 
уравнений состояния ударно-волновые данные, как правило, интерпретируют, 
основываясь на предположении о полной релаксации материала (гидродинамическое приближение), которое само также нуждается в проверке. Единственным прямым способом изучения структуры вещества непосредственно за фронтом УВ является импульсный рентгеноструктурный анализ (ИРА). Этим и объясняется большой интерес к данной методике, суть которой состоит в регистрации рентгенограмм исследуемого вещества за время, в течение которого оно 
сжато УВ, т. е. не более чем несколько сотен наносекунд. 
Целью настоящей статьи является обзор результатов исследований 
с помощью ИРА, полученных более чем за 40 лет существования этой методики. В основу обзора легли работы, проведенные в Российском федеральном 
ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (ВНИИЭФ). 
Во второй половине 1960-х годов Л. В. Альтшулером и Л. А. Егоровым 
с соавторами была продемонстрирована возможность и отработана методика 
съемки структурных рентгенограмм за времена порядка 1 мкс [1, 2]. Вскоре 
была решена и задача получения импульсных рентгенограмм в момент ударно-волнового воздействия на образец 3.  
Метод рентгеноструктурного анализа основывается на связи угла рассеяния излучения  с межплоскостным расстоянием в кристаллической решетке d. Эта связь определяется формулой Вульфа – Брэгга 
 
2 sin
,
d
    

 
где  – длина волны излучения (метод используется в диапазоне, где  
и d сравнимы по порядку величины). Таким образом, изменение структуры 

                                                           
 Успехи физических наук. 2011. Т. 181, № 4. С. 427–434. 

А. М. Подурец 
 
4 

крисстала (d) определяется по изменению углового положения дифракционной линии (ее «сдвигу»). 
По мере развития методики исследователи стали ставить перед собой 
два основных вопроса: 
1. Как деформирована кристаллическая решетка за фронтом УВ?  
2. Какова структура вещества в случае его фазового превращения в УВ? 
(Это особенно интересно, если фаза высокого давления не сохраняется после 
разгрузки до нормального давления и тем самым становится недоступной для 
структурного исследования обычными методами материаловедения.) 
Первые работы по ИРА были опубликованы в начале 1970-х годов советскими [3] и американскими [4–6] исследователями. В скором времени аналогичные работы были проведены также во Франции [7], Японии [8–11] 
и Германии [12]. 
При постановке экспериментов с использованием ИРА исследователи 
сталкиваются с рядом трудностей, первая из которых – подбор образца для 
анализа. Необходимые времена экспозиции малы, поэтому для работы подходят только образцы с высокой отражающей способностью. Это накладывает 
ограничения как на материал, так и на структуру образцов. В качестве объекта 
исследования в большинстве работ использованы монокристаллы различных 
веществ: LiF, NaCl, KCl, SiO2, Si, Bi и некоторые другие. Это связано с тем, 
что монокристаллы, находясь в правильном отражающем положении, дают 
значительно более интенсивные рефлексы на рентгенограммах, чем поликристаллические вещества (монокристалл весь отражает в одном направлении, 
в то время как в поликристалле в формировании отражения участвует только 
часть зерен с определенной ориентацией). Однако съемка поликристаллов (когда это возможно) обладает преимуществами, в частности, она позволяет получить на одной рентгенограмме сразу нескольких рефлексов при использовании монохроматического излучения. Иногда оказывается возможным получение достаточно интенсивной рентгенограммы при применении поликристаллов с ярко выраженной текстурой. 
С развитием методики появились схемы рентгеновской съемки, при которых удается одновременно получить два отражения от двух плоскостей монокристалла в одном опыте [13]. Применение таких схем позволяет исследовать сжимаемость кристалла в двух взаимно перпендикулярных направлениях 
при одних условиях нагружения и даже в одном опыте [14, 15] (в англоязычной литературе это называется multiple x-ray diffraction). 
Интенсивность дифракционной линии (без учета типа кристаллической 
структуры) 

1 ,
I

где μ – массовый коэффициент поглощения излучения материалом образца, 
 – плотность. Следовательно, с точки зрения материала образца, предпочтительными для исследования являются, как правило, элементы с малыми атомными номерами, так как с возрастанием атомного номера увеличивается коэффициент поглощения рентгеновского излучения μ и, следовательно, 
уменьшается количество вещества, участвующего в формировании рефлекса. 

Импульсные рентгенографические исследования структуры веществ... 
 
5 

Другой важной проблемой в экспериментах является синхронизация работы источника излучения и устройства, генерирующего в образце УВ. Времена жизни интересующих нас состояний в ударно-нагруженных образцах 
редко превышают несколько долей микросекунды. Соответственно времена 
экспозиции рентгеновской съемки в ИРА составляют от 0,1–1 нс (при возбуждении рентгеновского импульса лазерным пучком) [16, 17] до 100–200 нс при 
использовании импульсных рентгеновских трубок [3, 8]. 
При возбуждении в образце УВ возникает опасность разрушения аппаратуры (системы регистрации и источника излучения) осколками или продуктами взрыва. Поэтому проблемой, которую также необходимо решать при постановке экспериментов, является защита аппаратуры, в том числе регистрирующей, от возможного воздействия генератора УВ. Ниже мы рассмотрим 
варианты постановки экспериментов и их особенности. 
На рис. 1 приведена схема проведения экспериментов, описанных в работах РФЯЦ-ВНИИЭФ [3, 18, 19]. Схожая в общих чертах схема использовалась и в работах других экспериментаторов. Взаимное геометрическое расположение источника рентгеновского импульса, образца и детектора излучения 
соответствует условию фокусировки лучей (в разных вариантах постановки 
оно может быть различным). 
 

 

Рис. 1. Схема постановки опытов по [3]: 1 – заряд ВВ, 2 – разгоняемый ударник,  
3 – слой лития, 4 – коллиматор рентгеновского пучка, 5 – кассета с рентгеновской  
                                     пленкой, 6 – падающий и отраженный пучки 

Общее условие фокусировки при съемке от плоского образца выражает
ся формулой Курдюмова [20]: 

sin 2
tan
,
cos2
L l

 
 
 

 
где  – угол между падающим пучком и образцом,  – угол дифракции, L и l – 
расстояния от образца до источника излучения и до детектора соответственно. 
Соотношение между L и l выбирается сообразно требованиям сохранности детектора и источника, а также нужной интенсивности рентгенограммы. 
Образец нагружается плоской УВ, создаваемой ударником, который 
разгоняется с помощью взрыва химического взрывчатого вещества (ВВ).  

А. М. Подурец 
 
6 

Таким способом выполнено большинство работ ВНИИЭФ, а также работы 
Джонсона с соавторами [5, 6]. УВ также может создаваться с помощью электровзрыва [12, 21, 22], пороховой [7, 23] или газовой [8, 9, 24, 25] пушки. 
В работах Уарка с соавторами УВ в образце кремния создавалась лазерным 
импульсом [16, 17, 26]. Различие в способах формирования нагружающей образец УВ определяет и диапазон реализуемых в экспериментах давлений. Так, 
использование электровзрыва или порохового ускорителя позволяет получать 
меньшие давления в образцах (до нескольких ГПа) по сравнению с таковыми 
в экспериментах с ВВ или с газовыми пушками (до нескольких десятков ГПа). 
В экспериментах по лазерному нагружению была слабо развита диагностика 
газодинамических характеристик, и поэтому о величине достигаемых в них 
давлений можно судить только приблизительно либо пользоваться расчетными значениями. Существенным преимуществом ВВ и пушек является также 
возможность удерживать образец под давлением в течение некоторого времени (при наличии стационарной волны нагружения). 
Рентгеновская съемка обычно производится через подпорный слой легкого инертного вещества, который препятствует разгрузке образца во время 
съемки. В качестве такого слоя, который одновременно прозрачен для рентгеновских лучей, используют литий, углерод, бериллий, плексиглас. Проводя 
съемку без подпорного слоя, можно зафиксировать состояние, существующее 
в образце сразу после разгрузки. Так можно получить информацию о стабильности фазы высокого давления в волне разрежения [27]. 
В качестве источника излучения в наших экспериментах используются 
импульсные рентгеновские трубки различной конструкции с медным или молибденовым анодом. Дифрагированное излучение регистрируется с помощью 
либо рентгенопленки, либо фоточувствительной техники. 
При интерпретации полученных дифрактограмм неизбежно возникает 
проблема привязки получаемых рефлексов к абсолютной шкале углов дифракции. Наиболее простой выход из этой ситуации – съемка образца в одной 
и той же геометрии до и во время ударно-волнового воздействия. При этом 
угловое положение линий на взрывной рентгенограмме определяется по их 
сдвигу относительно линий ненагруженного образца на предварительном 
снимке. Иногда удается получить одновременно снимки от несжатой и сжатой 
структуры на одной пленке: для этого синхронизация проводится таким образом, чтобы часть экспозиции приходилась на несжатое состояние до прихода 
УВ, а другая часть – на уже сжатое [9]. Аналогичный эффект может быть достигнут и при съемке тонкого сжатого слоя, когда одновременно «виден» и лежащий под ним слой еще не сжатого кристалла [17]. Применяется съемка исследуемых образцов с образцами-эталонами. В качестве эталонного может 
использоваться вещество, характер сжатия которого в УВ уже известен. Например, при исследовании различных веществ рядом с образцами помещались 
эталоны из молибдена или алюминия, которые подвергались ударноволновому воздействию вместе с образцами (так называемый нагружаемый 
эталон). Удобство этого способа заключается в том, что положение линий образца в этом случае определяется относительно линий эталонного вещества, 
фиксируемых на той же рентгенограмме [19, 27, 28]. Используется также 

Импульсные рентгенографические исследования структуры веществ... 
 
7 

вариант постановки экспериментов, в котором эталон выносится из-под воздействия УВ, но его линии также фиксируются на одной пленке с образцом 
(ненагружаемый эталон) [22, 29]. 
Бóльшая часть работ по ИРА посвящена исследованию монокристаллов, из 
них более других оказался исследованным фторид лития (LiF). Этот кубический 
кристалл структурного типа NaCl без фазовых переходов при высоком давлении 
чаще других используется в импульсных рентгеноструктурных исследованиях, 
поскольку его сжимаемость в УВ достаточно подробно исследована другими методиками. Тем не менее, картина поведения LiF до конца не ясна. 
При давлениях 6,6 и 13,5 ГПа Л. А. Егоровым с соавторами зафиксированы отражения, соответствующие изотропному сжатию кристаллической 
решетки при съемке монокристаллов, ориентированных перпендикулярно направлению УВ кристаллографическими плоскостями (100), (110) и (111) [22]. 
В то же время на рентгенограммах присутствовали дифракционные линии, 
совпадающими по своему положению с линиями несжатого материала. Авторы интерпретировали их как полученные от областей кристалла, находящихся 
в состоянии сжатия, но повернутых и сжатых вдоль направления 111 . При 

этом величина объемного сжатия 
0
V
V
 
 областей кристалла, сжатых изо
тропно, и областей, сжатых вдоль 111 ,  была одинаковой и равнялась сжатию, вычисляемому из ударной адиабаты: 
 

,
D

D
u
 

 

 
где D и u – волновая и массовая скорости УВ соответственно. Такая интерпретация несмещенных линий на рентгенограммах представляется пока дискуссионной, однако подобные явления отмечаются [22, 29] и при исследовании других веществ. 
При давлениях до 5 ГПа наблюдалась различная сжимаемость монокристаллов LiF различной ориентации: кристаллы с ориентацией (100) сжимались 
как в направлении УВ, так и в поперечном направлении, в то время как в кристаллах с ориентацией (111) поперечной сжимаемости не было обнаружено [15]. 
При давлениях 22 и 24 ГПа К. Кондо и соавторы также зафиксировали 
отсутствие изотропности сжатия решетки LiF. При этом в направлении 110  
отмечается сжимаемость решетки бóльшая, чем та, которая должна была быть 
в случае изотропной деформации, а в направлении 111  – меньшая. «Неизотропность» сжатия решетки отмечена и при исследовании поликристалла LiF 
при Р = 18 ГПа [9, 11]. В области более высоких давлений исследователями 
отмечается лишь изотропное сжатие кристаллической решетки –  при давлениях 30 ГПа [5], 38,5 ГПа [29], 40–110 ГПа [24]. 
При исследовании хлорида натрия (NaCl) картина деформации иная. 
В трех работах наблюдалась одномерная деформация решетки в направлении 
[100]: при давлениях 0,3–1 ГПа [7], 1,75 ГПа [13] и 30 ГПа [12]. В последней 
работе благодаря малому времени экспозиции (4 нс) удалось зафиксировать 

А. М. Подурец 
 
8 

структуру УВ (упругую и пластическую волны), производя съемку в разные 
моменты после прихода УВ к поверхности образца. 
В монокристалле хлорида калия (KCl) в направлении 100  при давлениях, меньших давления фазового перехода 1,4–2 ГПа, наблюдалось изотропное сжатие решетки [31]. 
В поликристаллическом алюминии при малых давлениях (1,92; 2,97 
и 3,91 ГПа) по дифракционным линиям (111) и (200) зафиксировано сжатие 
решетки, близкое к одномерному [23]. При более высоких давлениях, 
11,8 и 23,1 ГПа, в работе [18] также были получены дифракционные линии 
(111) и (200), но изменения параметра решетки Al, вычисленные по этим линиям, оказались различными. Если сжатие, вычисленное по сдвигу линии 
(200) при допущении сохранения симметрии решетки, с точностью до ошибки 
измерения оказалось равным объемному (полученному из ударной адиабаты), 
то сжатие, вычисленное по сдвигу линии (111), оказалось в 1,03–1,04 раза 
бóльшим, чем объемное. Это свидетельствует о кристаллографической неизотропности деформации кубической кристаллической решетки Al. При съемке 
монокристалла Al, ориентированного в направлении 111 ,  при давлении 
32 ГПа зафиксировано изотропное сжатие [6]. 
Поведение бериллия исследовалось в работе [22]. При давлении 
22,8 ГПа была получена рентгенограмма с линиями (100) и (101). Из рентгеноструктурных данных сделан вывод, что сжатие гексагональной решетки 
бериллия происходит вдоль кристаллографической оси с. 
Еще один пример изучения характера сжимаемости вещества, не претерпевающего фазовых превращений, – исследование поликристаллического 
текстурированного молибдена [19]. Опыты проведены при давлениях 10; 15; 
30,5 и 33,5 ГПа. На рис. 2 приведена рентгенограмма Мо при Р = 15 ГПа. Зафиксированы две дифракционные линии (200) от K- и K-линий молибденового анода. Межплоскостное расстояние d определялось по угловому расстоянию между K- и K-линиями. Точность определения d таким способом невелика, поскольку величины сжатия Мо в этом интервале давлений малы и поэтому увеличение углового расстояния между линиями незначительно. По 
приблизительным оценкам точность определения d равняется 0,001 нм, точность определения  – 2–3 %. Результаты представлены на рис. 3, где приведены значения , вычисленные в предположении как изотропности, так и одноосности (в направлении распространения УВ) сжатия. Приведенные данные 
позволяют сделать вывод о том, что в исследованном интервале давлений 
в пределах достигнутой точности при длительности рентгеновского импульса 
200–300 нc за фронтом УВ в молибдене наблюдается изотропное сжатие кристаллической решетки.  
По результатам исследования монокристаллического кремния различными авторами единодушно делается вывод об одномерном характере сжатия ниже давления фазового перехода [14, 33, 34] (начало перехода в УВ фиксируется 
в районе 12–13 ГПа). В [14] такое поведение Si объясняется низкой скоростью 
и плотностью дислокаций, при этом за времена съемки деформация не успевает 
пластически релаксировать и сжатие решетки остается одномерным. 

Импульсные рентгенографические исследования структуры веществ... 
 
9 

При сжатии монокристалла меди вдоль 100  полученные при Р = 18 ГПа 
данные интерпретируются как результат либо изотропного гидростатического 
сжатия [14], либо некоторого отклонения от гидростатики [35]. В случае меди, 
по оценкам авторов, дислокационная структура, в отличие от таковой в Si, позволяет пластической деформации пройти за субмикросекундные времена. 
 

 

Рис. 2. Рентгенограмма молибдена в УВ. Р = 15 ГПа 

 

Рис. 3. Данные по ударной сжимаемости молибдена. Ударная адиабата по [32] в сравнении со сжатием, вычисленным по рентгеноструктурным данным в предположении  
                                изотропной и одномерной деформации решетки 
 
И наконец, в железе при давлении 5,4 ГПа было зафиксировано одномерное сжатие решетки в направлении 100  [36]. 
Таким образом, мы рассмотрели результаты исследований веществ без 
фазовых переходов в УВ (или в состояниях ниже переходов, если последние 
есть в изучаемых веществах). Задачей этих работ было выяснения характера 
сжимаемости на уровне кристаллической решетки. При этом мы сосредоточили 
внимание в основном на конечных выводах, не углубляясь в тонкости постановки эксперимента, хотя некоторые детали методики весьма существенны,