Введение к работе
Актуальность исследований. Физика мощных газовых разрядов высокого и сверхвысокого давления является составной частью физики высоких плотностей энергии и экстремальных состояний вещества. Актуальность проведенных исследований и определяется тем, что интерес к этой области физики усилился в последнее время. Современные потребности науки и техники требуют перехода от уже освоенного диапазона генерируемых энергий плазмы (10 - 10 ) Дж к более высоким значениям. Эта задача требует в свою очередь перехода к разрядам с амплитудой тока /тах~ (1 - 10) МА и выше при длительностях разряда > 10^ с.
Увеличение начального давления рабочего газа, окружающего канал разряда, до десятков и сотен мегапаскалей способствует большей устойчивости разряда, более эффективной передаче энергии от разряда к окружающему газу и, вследствие этого, большей энтальпии нагретого газа. Мощный импульсный разряд является составной частью различных электрофизических устройств с высокой плотностью энергии, и эффективно используется в высокоинтенсивных источниках видимого и ультрафиолетового излучения, которые используются для накачки мощных лазеров, в генераторах высокоэнтальпийных плазменных струй, в различных плазмохимических процессах.
Разряд в водороде и гелии высокой начальной плотности является наиболее перспективным для создания гиперскоростных ускорителей. Разряд в водороде высокой плотности может быть использован для решения ряда астрофизических задач, например, для моделирования переноса энергии излучением из центра звезды к ее периферии, образования ударных волн и изменения их яркости при выходе на поверхность звезды и т.д.
В настоящее время наблюдается усиление интереса к исследованию плотных плазменных состояний. Он связан с достижением экстремальных параметров плазмы в различного рода устройствах, в которых для сжатия энергии в пространстве и во времени используются Z-пинчи. Сюда относятся плазменный фокус, «горячие точки», образованные эволюцией перетяжек Z-пинчей быстрых разрядов, Х-пинчи, многопроволочные сборки и т.д.
Однако высокие параметры плазмы при этом в большинстве случаев существуют меньше одной микросекунды в объеме не более нескольких кубических миллиметров и требуют для своей реализации сложной высоковольтной техники. В таких разрядах скорость нарастания тока dj/dt составляет, как правило, величину порядка 1014 А/с и более.
Плотные плазменные состояния большего объема с концентрацией электронов (1019 - 1020) см"3 и температурой (105 - 106)К могут быть
получены в плотных Z-пинчах. Такие пинчи более устойчивы к магнито-гидродинамическим неустойчивостям, чем плазменный канал, находящийся в вакууме. Поэтому для питания таких разрядов можно использовать более медленные и относительно более дешевые конденсаторные батареи. Возрастание плотности газа в канале при одновременном сохранении или увеличении его температуры может привести к увеличению интенсивности рентгеновского излучения. Фокусировка акустических и ударных волн, возникающих при инициировании Z-пинча в плотной среде, может способствовать дополнительному сжатию канала разряда и увеличению плотности энергии в нем.
Для достижения указанных выше температур и концентраций величина разрядного тока должна находиться на уровне (1-10) МА и более.
При этом возникает ряд новых, недостаточно изученных ранее явлений, как в самой дуге, так и при ее теплообмене с окружающим газом:
-
Ввиду высокой плотности энергии, поступающей на торцы электродов, процесс их разрушения приобретает новый характер. Эрозия электродов достигает величины 10 г/Кл. Поэтому могут возникать новые виды эрозии, а высокая концентрация металла, поступающего с электродов, может приводить к изменению характеристик канала. В первую очередь следует ожидать изменение характеристик приэлектродных зон.
-
Поток энергии на электроды, сравнимый с лазерным потоком умеренной мощности, делает неизбежным образование эрозионных плазменных струй с электродов. Струи способствуют образованию турбулентных зон и заметно влияют на свойства разряда в целом и на его тепломассообмен с окружающим газом, что резко отличает их от разрядов с меньшей плотностью тока, где струи заметной роли не играют. Для разряда в водороде наблюдается резкий рост падений напряжения вблизи электродов, не находивший объяснения до последнего времени. Одной из причин этого явления и могут быть эрозионные струи.
3. При переходе к высокому начальному давлению рабочего газа,
достигающему десятков и сотен мегапаскалей, меняются излучательные
характеристики канала разряда. Это связано с изменением температуры и
плотности в самом канале, вследствие чего меняется его прозрачность, а
также с изменением прозрачности переходного слоя между дугой и
окружающим газом. Вследствие «запертости» излучения возможно
повышение температуры в осевой зоне канала. При дальнейшем повышении
температуры и концентрации излучающих ионов возможно сжатие канала,
связанное с преобладанием излученной мощности над введенной в канал
джоулевой. В этом случае сжатие канала может происходить с увеличением
плотности энергии в нем.
4. Из-за высокой начальной плотности рабочего газа в разрядном объеме возникают ударные и звуковые волны. Они могут влиять на нагрев окружающего газа в разрядной камере и изменять свойства самого канала разряда. При фокусировке отраженных ударных волн в центре разрядной камеры возможен дополнительный нагрев газа на оси разряда. Акустические колебания канала разряда могут возникать в связи с выравниванием магнитного и газокинетического давлений в нем. Их взаимодействие с ударными волнами также может приводить к дополнительному увеличению плотности энергии в канале разряда.
Эти, в настоящее время недостаточно изученные, явления могут коренным образом менять характер процессов в электроразрядных устройствах. Изучению указанных выше новых явлений в разрядах мегаамперного диапазона при начальном давлении рабочего газа до 200 МПа и посвящена настоящая работа.
Целью работы являлось исследование явлений, возникающих при переходе к токам мегаамперного диапазона и начальным давлениям рабочего газа до 200 МПа в импульсных электроразрядных устройствах высокого и сверхвысокого давления, которые существенным образом меняют как свойства самой дуги, так и механизм ее теплообмена с окружающим газом. Для ее реализации были поставлены следующие задачи исследования.
-
Исследовать режим горения дуг, связанный с образованием эрозионных струй, и выяснить его связь с аномально высокими приэлектродными падениями напряжений. Установить причины образования зон с высокими падениями напряжения и определить параметры плазмы в них. При этом установить механизмы передачи энергии от дуги к газу, связанные с образованием приэлектродных зон с высоким энерговыделением.
-
Исследовать особенности эрозии электродов, связанные с высокой мощностью, поступающей на торцы электродов в диапазоне (107-109)Вт/см2.
3. Исследовать поведение канала разряда, связанное с изменением
излучательных характеристик разряда из-за наличия плотной окружающей
среды. Вследствие высокой начальной плотности рабочего газа из-за
«заперто сти» излучения осевая зона разряда может испытывать
дополнительный нагрев и стать источником более интенсивного излучения.
4. Исследовать возможности повышения плотности энергии в канале разряда
в мегаамперном диапазоне за счет перехода к сверхвысоким начальным
давлениям водорода, достигающим 200 МПа. Такие возможности могут быть
обеспечены фокусировкой волн сжатия, отраженных от стенок разрядной
камеры. Выяснить влияние акустических и ударных волн на характеристики канала разряда и теплообмен между дугой и окружающим газом в зависимости от скорости нарастания тока и величины начального давления. Кроме того необходимо исследовать возможность повышения плотности энергии в канале за счет взаимодействия колебаний различного типа. Работы по теме проводились на основании:
-
2006 - 2008 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 9 «Исследования вещества в экстремальных условиях» Подпрограмма 9.4 «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ»
-
2009 - 2011 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №2 «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества»
Подпрограмма 1: «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий» Раздел «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
3. 2012 - 2014 Программы фундаментальных исследований Президиума РАН
«Вещество при высоких плотностях энергии», Подпрограмма «Физика
плотной плазмы».
А также были поддержаны Грантами РФФИ:
№ 93-02-17424-а; № 02-02-16770-а; № 04-02-17527-а; № 05-02-16091-а; № 06-08-00339-а; № 08-08-00449-а; № 10-08-00739-а; грантом Президента Российской Федерации МК-2052.2005.8; грантом НШ-885.2003.2. Методы исследования. Выполнение исследований разряда в указанном выше диапазоне параметров стало возможным благодаря использованию новых уникальных установок и методов исследования. Принципиальные трудности исследования дуг в подобных системах с токами в сотни и тысячи килоампер при высоких и сверхвысоких давлениях прежде всего связаны с высокой плотностью плазмы. Такая плазма обладает высоким коэффициентом поглощения излучения. В этом случае возникает ситуация, когда традиционные оптические методы диагностики дают информацию в основном о переходных и внешних областях дуги. Высокие тепловые и радиационные потоки практически исключают возможность контактной диагностики плотной плазмы таких разрядов. Использовались оптические методы исследования, включающие в себя теневой метод, скоростную фотографию, измерение яркостной температуры, рентгеновские методы
исследования, электротехнические методы и измерение импульсного
давления.
Автор выносит на защиту. 1. Результаты исследований разрядов с
/тах~(0.2 - 1.6) МА и d//dt~(108 -1010) А/с, благодаря которым установлены
причины образования зон с аномально высокой величиной падения
напряжения вблизи электродов и определены параметры плазмы в них.
-
Новую форму эрозии электродов в виде симметричного выброса со всей торцевой поверхности.
-
Переход эрозии электродов от капельной к паровой фазе для разрядов с j > 105 А/см2 в диапазоне потоков энергии на электрод (107 - 109) Вт/см2 .
-
Режим сжатия канала разряда с /тах~(0-5 - 1.6) МА и d//dt~10n А/с при начальном давлении водорода и гелия (5-30) МПа, в заключительной стадии которого температура канала достигает нескольких сотен эВ.
5. Результаты исследований сильноточных разрядов с ]тах~ 0.5 МА и
d//dt~10n А/с при начальном давлении (80 - 160) МПа, в результате которых
определены параметры канала разряда и установлено, что половина
вложенной в канал электрической мощности уходит на нагрев окружающего
дугу газа акустическими волнами.
6. Новый метод увеличения плотности энергии в канале разряда, основанный
на резонансе акустических колебаний во всем объеме разрядной камеры и
колебаний канала разряда, обусловленных выравниванием магнитного и
газокинетического давлений.
7. Образование высокотемпературной зоны по оси разряда, существование
которой подтверждается оценкой частоты, глубины модуляции и поглощения
мягкого рентгеновского излучения.
8. Результаты исследования разряда в гелии при начальном давлении
(10 - 15) МПа и dj/dt ~ 6-Ю11 А/с, в результате которых установлено, что
нагрев газа в разрядной камере осуществляется в основном за счет энергии
ударных волн и полученное при этом совпадение экспериментальных и
расчетных кривых импульсных давлений по оси и на стенке разрядной
камеры.
Научная новизна. 1. Установлено, что в разрядах с Jmax ~ (0.2 - 1.6) МА и dj/dt ~ (108 - 1010) А/с причиной образования приэлектродных зон с аномально высокими значениями падений напряжения, суммарная величина которых достигает нескольких киловольт, являются приэлектродные эрозионные струи.
2. Для разряда в водороде при начальном давлении 1 МПа и ]тах ~ 3-Ю5 А определены параметры приэлектродной эрозионной плазмы у катода:
T = 59-10 К, Р = 5.3-10 см" . Параметры плазмы у анода близки к этим значениям. Для этих условий определен продольный размер областей у электродов, на которые приходится суммарное падение напряжения ~ 1 кВ при общем падении ~ 1.5 кВ. Он составляет ~ 0.2 см для каждого из электродов.
-
Экспериментально показано, что при dj/dt ~ (108 - 109) А/с одной из возможных причин турбулентного теплообмена между дугой и окружающим газом являются приэлектродные эрозионные струи, которые создают вихревое течение газа во всем объеме разрядной камеры.
-
Установлено, что при переходе к разрядам мегаамперного диапазона и увеличении плотности тока свыше 10 А/см при отсутствии перемещения дуги по электродам преобладающей в материале эрозии электродов становится не капельная, а паровая фаза.
-
Обнаружена новая форма эрозии в виде одновременного симметричного выброса со всей поверхности торцов электродов.
-
Впервые обнаружен и исследован режим сжатия канала разряда при начальных давлениях водорода и гелия (5 - 30) МПа и Jmax -(0.5-1.6) MA. В районе максимального сжатия температура канала достигает нескольких сотен электронвольт Зарегистрированное увеличение величины тока, при котором начинается сжатие канала, и рост его температуры с увеличением начального давления связываются с уменьшением его излучательнои способности. Это явление было предсказано ранее другими авторами.
7. Впервые исследован разряд при сверхвысоком начальном давлении
водорода (80 - 160) МПа, которое создавалось путем адиабатического сжатия.
Определены параметры канала, образованного парами инициирующей
проволочки. При Jmax ~ 490 кА и начальном давлении ПО МПа Т ~ 1-Ю5 К;
Пі ~ 2-10 см . Зарегистрированы значительные колебания давления на
стенке разрядной камеры, величина которых достигает 150 МПа. Из баланса
мощности следует, что половина вложенной в канал электрической мощности
уходит на нагрев газа акустическими волнами.
8. Впервые наблюдались синхронные колебания диаметра канала разряда,
напряжения и интенсивности рентгеновского излучения. Было установлено,
что они связаны с выравниванием магнитного и газокинетического давлений.
Такие колебания были предсказаны теоретически другими авторами.
9. На основании анализа акустических колебаний, возникающих во всем
объеме разрядной камеры, и колебаний самого канала предложен новый
способ повышения плотности энергии в канале разряда. Он основан на
резонансе обоих типов колебаний и, вследствие этого, дополнительном
сжатии канала.
10. Для разрядов в водороде с ]тах -1.6 МА и начальным давлением
(5 - 7) МПа из оценок глубины модуляции и частоты колебаний мягкого
рентгеновского излучения (МРИ) из канала разряда и его поглощения
алюминиевой фольгой разной толщины установлено существование
высокотемпературной области по оси разряда с радиусом 0.05 см и
температурой несколько сотен электронвольт
11. Разработан новый помехозащищенный импульсный датчик давления с
временным разрешением 0.6 мкс и амплитудой измеряемого давления до
500 МПа. Датчик был использован при исследовании разрядов в гелии и
воздухе с dj/dt ~ 6-Ю11 А/с. При этом с его помощью проведены измерения
импульсного давления по оси разряда на разных диаметрах, которые
позволили оценить распределение плотности тока по радиусу, а также
проследить динамику нагрева газа во всем объеме разрядной камеры. Для
разряда в гелии установлено, что нагрев газа в разрядной камере
осуществляется в основном за счет энергии ударных волн. При этом
получено совпадение экспериментальных и расчетных кривых импульсных
давлений по оси и на стенке разрядной камеры.
Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов подтверждается всесторонним анализом теоретических и экспериментальных работ, относящихся к проводившимся исследованиям. Совпадением теоретических оценок параметров разряда и его поведения с полученными экспериментальными результатами. Совпадением данных эксперимента с теоретическими предсказаниями, которые были получены ранее другими авторами. Дублированием измерений посредством различных методик. Наличием аналогичных результатов в близких областях физики плазмы.
Практическая ценность и реализация результатов исследования. Полученные результаты расширяют диапазон токов и начальных давлений, в которых могут разрабатываться новые перспективные электроразрядные установки, что, в свою очередь, позволяет расширить их область применения и генерировать плазму в более широком диапазоне параметров. Время существования и объем такой плазмы больше, чем в большинстве традиционных источников (горячие точки, перетяжки Z-пинчей, Х-пинч).
Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании различного рода коммутаторов высокого давления на диапазон токов (1 - 10) МА, рассчитанных на высокие напряжения, для создания новых типов электроразрядных устройств.
При исследованиях по созданию устойчивых разрядов с током -10 МА и выше результаты данной работы могут быть использованы при оценке
эрозии электродов, которая влияет на характеристики самого разряда. Объяснение режима возникновения турбулентного теплопереноса в разрядах с dj/dt ~ 108 А/с было использовано для более эффективного нагрева окружающего дугу газа и увеличения КПД генераторов плазмы различного типа, разработанных в ИЭЭ РАН.
Исследование и объяснение нового вида эрозии в виде выброса целого слоя материала электрода дает возможность регулировать поступление примесей в канал разряда. Это представляет практическую ценность как для увеличения срока работы электродов, так и для получения плазмы заданного состава.
Исследования, связанные с переходом эрозии электродов из капельной в паровую фазу при увеличении плотности потока энергии на электроды, могут быть использованы для выбора электродов с теплофизическими свойствами, позволяющими минимизировать их износ. Результаты исследования эрозии электродов в разрядах мегаамперного диапазона могут быть использованы для повышения рабочего ресурса электродов.
Поскольку при высоком давлении окружающего газа сжатие канала разряда происходит в более медленном темпе и в больших объемах, чем в вакуумных разрядах, а температуры канала достигают сотен электронвольт, результаты проделанных исследований могут быть использованы для создания источников рентгеновского излучения с большим энергетическим выходом. Для их питания могут быть использованы относительно более дешевые устройства, не требующие сложной высоковольтной техники, такие как конденсаторные батареи и индуктивные накопители.
На основании проведенных исследований может быть создан источник фотоионизационной плазмы, свободной от примесей. При этом канал разряда с металлической плазмой, являющийся источником мягкого рентгеновского излучения, благодаря высокому начальному давлению рабочего газа и сжатию может быть локализован в небольшом объеме.
Обнаруженное явление резонанса акустических колебаний и колебаний, связанных с выравниванием магнитного и газокинетического давлений в канале разряда, может быть использовано для увеличения энергетического выхода из канала мягкого рентгеновского излучения.
Проведенные исследования показали, что при проектировании электроразрядных установок с начальным давлением выше 10 МПа и dj/dt > 1011 А/с необходимо учитывать уход вложенной джоулевой энергии в энергию ударных волн, поскольку в ряде случаев эта величина превышает 70%, что позволяет увеличить их КПД и ресурс работы.
Высокие значения давлений и температур по оси исследовавшихся
разрядов могут быть использованы для получения высокоскоростных, высокоэнтальпийных потоков плазмы по оси разряда. Такие потоки, в свою очередь, могут быть использованы для различных целей (генерация рентгеновского излучения при их столкновении, ускорение тел малой массы и т.д.). Пример такого использования приводится в работе.
Результаты проделанных исследований были использованы при создании импульсных генераторов плазмы с вложенной энергией до 10 МДж. При исследованиях по обеззараживанию воды электрическим разрядом с J max Д 100 кА при dj/dt ~ 6-Ю11 А/с, при разработке электродной системы новых мощных коммутаторов.
Личный вклад автора. Основные результаты исследований получены при непосредственном участии и под руководством автора. Им были сформулированы задачи исследования и намечены пути их решения. Автор принимал участие во всех экспериментальных исследованиях и разработке новых методов диагностики. Автором проведен анализ и обобщение полученных результатов и их теоретическое исследование. Лично автором создан экспериментальный стенд и разрядная камера со скоростью нарастания тока 6-Ю11 А/с. Автором было показано, что при dj/dt ~ 6-1011 А/с и начальном давлении (10 - 15) МПа энергообмен между дугой и окружающим газом в основном идет с помощью ударных волн. Автором разработана методика по измерению импульсных давлений до 500 МПа, с временным разрешением 0.6 мкс в условиях сильных электромагнитных, тепловых и акустических помех. Автором дано объяснение новой формы эрозии электродов, наблюдавшейся как выброс в виде полусферы со всей его поверхности; указаны причины высоких приэлектродных падений и определены параметры плазмы в них.
При исследовании динамики канала разряда при токах (0.5 - 1.6) МА автором был обоснован режим его радиационного сжатия и определены параметры канала. При исследовании разрядов при начальном давлении (80 - 160) МПа автором дано объяснение обнаруженного резкого увеличения плотности энергии в канале разряда, связанного с резонансом колебаний канала различного типа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: Всесоюзное совещание по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза, (Ленинград 1974, 1975); Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы, VII (Алма-Ата, 1977), X (Каунас, 1986); Hypervelocity Impact Symposium (Oxford, England, 1995); IEEE Conference on Plasma Science 23th (Boston, USA, 1996), 24th (San Diego,
California, USA, 1997), 28m (Las Vegas, Nevada, USA, 2001); IEEE Pulsed Power Conference (Albuquerque, New Mexico, USA, 2007); ASME Heat Transfer Division American Society of Mechanical Engineers (New York, USA, 1996); 27th AIAA Plasma Dynamics and Lasers Conference (New Orleans, USA, 1996); 8th International Conference on Switching Arc Phenomena (Lodz, Poland, 1997); 12th International Conference on Gas Discharges & Their Applications (Greifswald, 1997); 9th EML (Electromagnetic Launch Symposium), (Edinburgh, Scotand UK, 1998); 12th EML Symposium (Utah, USA, 2004); 15th International EML Symposium (Brussels, Belgium, 2010); Конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-98, (Петрозаводск, 1998); Всероссийская научная конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2001, Петрозаводск, 2001); Всероссийская (с международным участием) конференция, «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2007; 2011); Международная конференция «Уравнения состояния вещества» (XV, Терскол, 2000), (Эльбрус ,XVII - 2002, XIX - 2004, XXI - 2006, XXIII - 2008, XXV - 2010, XXVII - 2012); ТРР-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes, (St.Petersburg, 1998); International Congress on Plasma Physics, (Sydney, Australia, 2002; Nice, France, 2004); Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Эльбрус (XXVIII -2003, XX - 2005, XXII - 2007, XXIV - 2009, XXVI - 2011); International Symposium on High-Current Electronics (SHCE), (15th - 2008; 16th -2010; Tomsk, Russia); 30th International Conference on Phenomena in Ionized Gases ICPIG - 2011, Queen's University Belfast, Northern Ireland, UK.
Результаты исследований неоднократно докладывались на Научно-координационной сессии «Исследования неидеальной плазмы», (2003 - 2011, Москва).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 61 статьях и докладах, в том числе 21 работа опубликована в рецензируемых изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав с выводами, заключения и списка литературы. Ее общий объем составляет 237 страниц, включая 87 рисунков и 8 таблиц. Список цитируемой литературы и публикаций автора по теме диссертации содержит 246 наименований.
