Ответственный за установку

Папушкин Игорь Викторович

Тел. +7 (49621) 6-21-33

e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Основные направления исследований

Исследование внутренних механических напряжений в материалах имеет как научное, так и прикладное значение. 

К научным проблемам обычно относят изучение деформаций и микродеформаций в кристаллических материалах, возникающих при структурных фазовых переходах, деформаций, образующихся в многофазных системах, а также задачу определения размеров кристаллитов и плотности дислокаций и их связи с внутренними напряжениями.

Прикладные исследования имеют целью определение деформаций и напряжений в промышленных изделиях с последующей выработкой технологических рекомендаций. К ним, например, относятся экспериментальное определение остаточных напряжений, возникающих после различных технологических операций (сварки, проката, отжига, закалки и т.д.), деформаций, возникающих под воздействием циклических нагрузок (механических и термических), радиационного облучения (в том числе воздействия нейтронного облучения на мартенситные превращения), гидрогенизации и др.

Быстро расширяющимся кругом задач является также исследование новых типов материалов - композитов, градиентных материалов, армированных систем, металлокерамик, сплавов с памятью формы и т.д. - с целью выявления их пригодности для употребления в тех или иных промышленных изделиях.

Схема установки

Общий вид установки

Окружение образца

Описание установки

Изучение остаточных напряжений в различных конструкционных материалах и объемных промышленных изделиях при помощи дифракции нейтронов приобрело широкое распространение в мире из-за неразрушающего характера метода и высокой проникающей способности нейтронов. Поэтому для проведения экспериментов в этой области на канале № 11а импульсного реактора ИБР-2 в ЛНФ имени И.М. Франка ОИЯИ создан и успешно функционирует нейтронный фурье-стресс-дифрактометр ФСД.

Реактор ИБР-2 является импульсным источником нейтронов с водяным гребенчатым замедлителем, в котором образующиеся в активной зоне реактора быстрые нейтроны замедляются до тепловых энергий. Таким образом, формируются импульсы тепловых нейтронов с частотой 5 Гц и длительностью ~350 мкс. Для увеличения светосилы дифрактометра и уменьшения уровня фона от быстрых нейтронов и g-лучей первичный пучок нейтронов на ФСД формируется с помощью вакуумированного зеркального нейтроновода, который состоит из двух участков - изогнутого и прямого.

В разрыве между нейтроноводами установлены: заслонка, обеспечивающая оперативное перекрытие нейтронного пучка и безопасный доступ к основным узлам установки, а также быстрый фурье-прерыватель, обеспечивающий необходимую модуляцию интенсивности нейтронного пучка. На периферии диска прерывателя имеются 1024 радиальные щели, аналогичные щели сделаны на пластине статора. Такой фурье-прерыватель обеспечивает модуляцию интенсивности нейтронного пучка частотой около 100 кГц, при этом достигается довольно малая эффективная ширина импульса нейтронов (около 10 мкс), что и определяет высокий уровень разрешающей способности данного дифрактометра.

На выходе из прямого участка нейтроновода установлена диафрагма, которая регулирует размер падающего пучка. Образец устанавливается в нужную позицию при помощи 4-осного гониометра HUBER с грузоподъемностью до 300 кг. При необходимости образец может помещаться в высокотемпературную печь или в нагрузочную машину для одноосного растяжения или сжатия. Детекторная система состоит из 3 детекторов: детектора обратного рассеяния и двух детекторов, установленных под углами 90 градусов к падающему пучку. Для выделения в глубине образца небольшого рассеивающего объема порядка нескольких мм³ , в котором измеряются остаточные деформации, перед 90-градусными детекторами устанавливаются радиальные коллиматоры с пространственным разрешением 1.8 мм. Система автоматизации дифрактометра позволяет осуществлять локальное или дистанционное управление ходом эксперимента, а также гибко формировать программу измерений по заданным точкам сканирования в образце.

Специальная корреляционная методика – комбинация быстрого фурье-прерывателя для модуляции интенсивности первичного нейтронного пучка и RTOF-метода для накопления данных – позволяет измерять на дифрактометре ФСД дифракционные спектры с высоким разрешением, что позволяет регистрировать небольшие (порядка 10^-3) относительные изменения межплоскостных расстояний в кристаллической решетке и, таким образом, определять остаточные напряжения в объемных промышленных изделиях и конструкционных материалах с точностью около 20 МПа.

Основные характеристики

Изогнутый нейтроновод	зеркальный, с покрытием из Ni
длина	19 м
радиус кривизны	2864.8 м
Прямой нейтроновод	зеркальный, с покрытием из Ni
длина	5.01 м
Размер нейтронного пучка на месте образца (переменный)	(0 ÷ 10) × (0 ÷ 75) мм
Расстояние замедлитель – образец	28.14 м
Расстояние прерыватель – образец	5.55 м
Фурье-прерыватель (диск)	высокопрочный сплав на основе Al
внешний диаметр	540 мм
ширина щели	0.7 мм
число щелей	1024
максимальная скорость вращения	6000 об/мин
максимальная частота модуляции пучка	102.4 кГц
Ширина импульса тепловых нейтронов	водяной замедлитель
в режиме низкого разрешения (TOF)	340 мкс
в режиме высокого разрешения (RTOF)	9.8 мкс
Поток нейтронов на образце
без фурье-прерывателя	1.8 × 106 нейтронов/см2·с-1
с фурье-прерывателем	3.7 × 105 нейтронов/см2·с-1
Диапазон длин волн l	0.9 ÷ 8 Å
Детекторы
2θ = 140° (обратного рассеяния)	6Li, с временной фокусировкой
2θ = ± 90°	ZnS(Ag), с комбинированной электронно-геометрической фокусировкой
Разрешение детекторов Δd/d (при d = 2 Å)
2θ = 140°	2.3 × 10−3
2θ = ± 90°	4.0 × 10−3
Диапазон по dhkl
2θ = 140°	0.51 ÷ 5.39 Å
2θ = ± 90°	0.63 ÷ 6.71 Å

Окружение образца:

• 4-хосный (x,y,z,вращение) гониометр "HUBER" для прецизионного перемещения образца;
• два многощелевых радиальных коллиматора с пространственным разрешением 1.8 мм;
• нагрузочная машина LM-29 для изучения образцов под внешней нагрузкой (до 29 кН) и при высоких температурах (до 800°C) в режиме insitu;
• зеркальная печь "MF2000" (комнатная температура < T < 1000 °C);
• автоматизированная диафрагма с переменной апертурой для формирования падающего пучка нейтронов.

Публикации

1. Gizo Bokuchava, Correlation RTOF diffractometry at long-pulse neutron source: I. Data acquisition in list-mode, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2020, Vol. 964, 163770. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163770
2. Gizo Bokuchava, Correlation RTOF diffractometry at long-pulse neutron source: II. Analysis of frequency windows and diffraction peak profiles, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2020, Vol. 983, 164612. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164612
3. Gizo Bokuchava, Peter Petrov, Study of residual stresses and microstructural changes in Charpy test specimens reconstituted by various welding techniques, Metals, 2020, Vol. 10, Issue 5, 632. https://doi.org/10.3390/met10050632
4. Gizo Bokuchava, Neutron Fourier Stress Diffractometer FSD at the IBR-2 pulsed reactor, Crystals, 2018, Vol. 8, 318. http://doi.org/10.3390/cryst8080318
5. D. Bokuchava, Yu.E. Gorshkova, I.V. Papushkin, S. Guk, R. Kawalla, Investigation of plastically deformed TRIP composites by neutron diffraction and small angle neutron scattering methods, Journalof Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2018, Vol. 12, No. 2, pp. 227-232. http://doi.org/10.1134/S1027451018020052
   Г.Д. Бокучава, Ю.Е. Горшкова, И.В. Папушкин, С.В. Гук, Р. Кавалла, Исследование пластически деформированных TRIP-композитов методами нейтронной дифракции и малоуглового рассеяния нейтронов, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2018, № 3, с. 11-17. http://doi.org/10.7868/S0207352818030034
6. Gancho Genchev, Nikolay Doynov, Ralf Ossenbrink, Vesselin Michailov, Gizo Bokuchava, Peter Petrov, “Residual stresses formation in multi-pass weldment: A numerical and experimental study”, Journal of Constructional Steel Research, 2017, V. 138, pp. 633–641. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2017.08.017
7. D. Bokuchava, “Materials microstructure characterization using high resolution time-of-flight neutron diffraction”, Romanian Journal of Physics, 2016, Vol. 61, No. 5-6, pp. 903-925. http://www.nipne.ro/rjp/2016_61_5-6/0903_0925.pdf
8. D. Bokuchava, I.V. Papushkin, V.I. Bobrovskii, N.V. Kataeva, “Evolution in the Dislocation Structure of Austenitic 16Cr–15Ni–3Mo–1Ti Steel Depending on the Degree of Cold Plastic Deformation”, Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotronand Neutron Techniques, 2015, Vol. 9, Issue 1, pp. 44-52. http://doi.org/10.1134/S1027451015010048
   Г.Д. Бокучава, И.В. Папушкин, В.И. Бобровский, Н.В. Катаева, “Эволюция дислокационной структуры аустенитной стали Х16Н15М3Т1 в зависимости от степени холодной пластической деформации”, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2015, № 1, с. 49-57. http://doi.org/10.7868/S020735281501004
9. G.D. Bokuchava, A.M. Balagurov, V.V. Sumin, I.V. Papushkin, “Neutron Fourier diffractometer FSD for residual stress studies in materials and industrial components”, Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2010, Vol. 4, Issue 6, pp. 879-890. http://doi.org/10.1134/S1027451010060029 Г.Д. Бокучава, А.М. Балагуров, В.В. Сумин, И.В. Папушкин, “Нейтронный фурье-дифрактометр ФСД для исследования остаточных напряжений в материалах и промышленных изделиях”, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2010, № 11, с. 9-21. http://elibrary.ru/item.asp?id=15524438
10. S. Kuzmin, A.M. Balagurov, G.D. Bokuchava, V.V. Zhuk, V.A. Kudryashev, “Detector for the FSD Fourier diffractometer based on ZnS (Ag) /⁶LiF scintillation screen and wavelength shifting fiber readout”, J. of Neutron Research, Vol. 10, Number 1 (2002) 31-41. http://doi.org/10.1080/10238160290027748
11. D. Bokuchava, V.L. Aksenov, A.M. Balagurov, V.V. Zhuravlev, E.S. Kuzmin, A.P. Bulkin, V.A. Kudryashev, V.A. Trounov, “Neutron Fourier diffractometer FSD for internal stress analysis: first results”, Proc. of the Int. Conf. on Neutron Scattering (ICNS 2001), 9-13 September 2001, München, Germany. Applied Physics A: Materials Science & Processing, v.74 [Suppl1] (2002) pp s86-s88. http://doi.org/10.1007/s003390201750