Исследование высокоэнергетических импульсных процессов в конденсированных средах на основе электрического взрыва проводников Суркаев Анатолий Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы

Состояния вещества с предельно высокими температурами и давлениями, а, следовательно, с необычайно высокими энергиями всегда привлекало и привлекает исследователей естественным желанием достичь нечто большего и возможностью получения рекордных значений физических величин. А также, перспективой продвижения в новые области фазовой диаграммы и возможностью получения в лабораторных условиях экзотических состояний, из которых возникла наша Вселенная в результате большого Взрыва и в которых находится сейчас подавляющая (95%) масса барионного (видимого) вещества в природе.

Исследование физических свойств веществ, находящихся под воздействием импульсных высокоэнергетических плотностей энергии, представляют значительный интерес как в области астрофизики, управляемого термоядерного синтеза, энергетики и т.д., так и во всевозможных импульсных технологиях и ряда специальных приложений. Использование мощных ударных волн в динамической физики и химии высоких давлений позволяет осуществлять состояния вещества с экстремально высокими плотностями энергии объектом лабораторных исследований и технических применений. Электрический разряд, электрический взрыв проводников является одним из мощных и разносторонних инструментов в арсенале научных исследований и практических приложений.

На сегодняшний день имеется широкий перечень авторитетной научно-исследовательской литературы, относящейся к области фундаментальных и прикладных исследований по изучению, как электрического разряда, электрического взрыва проводников, так и формированию, распространению и воздействию на объекты сгенерированных ими ударных волн в газообразных и конденсированных средах. Тем не менее, единой точки зрения, объясняющей феномен электрического взрыва, как такового, не выработано, как и не в достаточно полной мере представлен механизм электрического взрыва металлических проводников различных конфигураций, генерируемых ударно-акустических волн соответствующих волновых фронтов и взаимодействующих ударно-акустических волн. Экспериментальные и теоретические исследования процессов, протекающих при электрическом взрыве металлических проводников и генерируемых ударно-акустических волн, установление неизвестных закономерностей данного явления с использованием разработанного и созданного экспериментального комплекса, имеющего возможность получать достоверную информацию о процессах (ЭВП) и (УВ), а также использование предлагаемых математических моделей позволит решить ряд задач и расширить области применения разрядно-импульсной технологии, что в настоящее время приобретает все большую актуальность.

Степень разработанности темы исследования

Эффект возникновения и существования электрического разряда в воде, при котором возникает импульс мощного механического воздействия обнаружили и описали еще в 1767-1769 г.г. П. Лейн и Дж. Пристли. Первая публикация об электрическом взрыве проводников принадлежит также автору Nairne, которая появи-

лась в 1774 году задолго до открытия закона Ома. Известный физик Майкл Фарадей в 1857 году получал очень тонкие металлические пленки на внутренних стенках колбы при разряде лейденской банки через золотую проволочку. Многогранность физики явления электрического взрыва проводников подтверждается работами С.В. Лебедева и А.И. Савватимского, М.М., Мартынюка, М.Л. Лев и Б.П. Перегуда, В.А. Бурцева и А.В. Лучинского, А.Д. Рахель, А.М. Искольдского, Н.Б. Волкова, Е.И. Азаркевича, В.И. Орешкина, К.В. Хищенко, С.И. Ткаченко, Ю.А. Котова, Н.А. Яво-ровского, В.С. Седого, А.П. Ильина, О.Б. Назаренко, В.П. Ковалева, А.С. Александрова и А.А.. Рухадзе и др. Ударно-волновые процессы при электрическом взрыве проволочек и фольг исследовали Ю.А. Котов, А.П. Байков, Е.В. Кривицкий, Н.Н. Столович, W.M. Lee, M. Oyane, В.В. Буркин, В.В. Лопатин, А.В. Павленко, Я.Е. Красик и др.

Условия согласованности протекания электрического взрыва металлических проводников в водной диэлектрической среде рассмотрены авторами Кривицкий Е.В., Шамко В.В., Поздеев В.А., из которых следует взаимосвязь параметров разрядного контура и характеристик взрывающегося проводника. В представляемом соотношении, определяющем длину взрываемого металлического проводника, не учитывается влияние теплофизических свойств металла, активного и волнового сопротивления разрядного контура, что приводит к разночтению при использовании генераторов импульсов тока со сравнительно малым начальным напряжением и с миллисекундном периодом разряда.

Одним из сопровождающих явлений при электрическом взрыве цилиндрических проводников является стратообразование, которое может интерпретироваться как возникновение МГД-неустойчивости перетяжечного типа с модой m =0 и исследовалось авторами Абрамовой К.Б., Златиным Н.А., Перегуд Б.П., Будович В.Л., Кужекиным И.П., Лев М.Л., Валуевым А.А., Дихтер И.Я., Зайгарник В.А. и др. Пе-регревная МГД-неустойчивость исследовалось авторами Орешкиным В.И., Хищен-ко К.В., Sinars, D.B., Романовой В.М., Мингалеевым А.Р., Мишиным С.Н. Возникновение МГД-неустойчивости при электрическом взрыве фольг представлено в работах авторов Волков Н.Б., Саркисов Г.С. Struve K., McDaniel D. и др. Теоретические исследования в данных работах основываются на методе малых возмущений, возникающих в жидкой фазе металла электрического взрыва, и не рассматривается ситуация возникновения механических возмущений в твердой фазе взрывающегося проводника.

При электрическом взрыве металлических проводников в газообразных средах происходит эффективное диспергирование металла на частицы микро и нанораз-мерного масштаба, получения тонких пленок, что нашло отражение в исследовательских работах авторов Ильин А.П., Азаркевич Е.И., Котов Ю.А., Медведев А.И., Лернер М. И., Шаманский В. В., Седой B.C., Валевич В.В. и др.

Теоретические основы и методы проведения измерения параметров ударно-волновых возмущений в конденсированных средах представлены в работах Беска-равайного Н.М., Позднеева В.А., Долгих С.М., Музыря А.К., Саяпин А.С., Гриненко А.В., Ефимов С.А., Кедринский В.К. и др. Одной из особенностей рассматриваемых теоретических моделей и технических решений измерения параметров импульсных механических возмущений на основе пьезокерамических преобразователей опреде-

ляется наличием волнового фронта плоской геометрии, возможность регистрировать мощные ударно-акустические волны волнового фронта произвольного профиля не рассмотрено.

Исследования ударно-волновых возмущений, возникающих при электрическом взрыве проводников в конденсированных средах представлены в работах авторов Кривицкий Е.В., Демина В.М., Шолом В.К., Кочетков И.И., Пинаев А.А., Gul A., Lipski T., Шнеерсон Г.А., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Сысоев Н.Н., Глазырин И.В., Демьяновский С.В., Зубов А.Д. и др. В большинстве случаев рассматриваемых работ генерация ударно-волновых возмущений осуществляется посредством электрического взрыва цилиндрических проводников, которые формируют в пространстве ударную волну цилиндрического волнового фронта. Для получения ударной волны плоского волнового фронта применяется электрический взрыв плоской фольги, который имеет ряд недочетов. Генерацию плоской ударной волны возможно осуществить посредством электрического взрыва плоской кольцевой фольги, ток разряда по которой протекает в радиальном направлении, что не отражено в работах. Применение сборок взрывающихся проводников, расположенных в соответствие цилиндрической симметрии позволяет создать на оси высокие и сверхвысокие давления сходящейся ударной волны, что является общим случаем нелинейного взаимодействия ударных волн.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью настоящей работы является разработка и создание комплекса экспериментальных установок и диагностических устройств, проведение математического моделирования процессов и экспериментальных исследований электрического взрыва плоских и цилиндрических металлических проводников и возбуждаемых ими ударно-акустических волн в пространствах с конденсированной средой, а также, исследование параметров металлических частиц и пленок микронного масштаба, получаемых методом электрического взрыва.

Основные задачи исследования

1. Разработка конструкции и создание экспериментального комплекса, включающего:

1. энергетический накопитель конденсаторного типа с дистанционным управлением, коммутирующим устройством, электродной системой, разрядными камерами и сопутствующим оборудованием;

2. волноводный пьезокерамический преобразователь давления со ступенчатым волноводом, предназначенного для регистрации ударно-акустических волн произвольной конфигурации и экспериментальную установку для градуировки волновод-ного пьезокерамического преобразователя давления и модульного блока линейки пьезокерамических преобразователей давления.

3. экспериментальной установки для исследования механических возмущений радиальной и аксиальной направленности, возникающих в цилиндрических и плоских проводниках при возбуждении акустических колебаний звукового диапазона и при протекании импульсного разрядного тока короткого замыкания;

4. экспериментальной установки с сопутствующим оборудованием для исследования электрического взрыва цилиндрических проводников и фольг в виде плоско-

го кольца, разрядный ток по которой протекает в радиальном направлении в разрядных камерах цилиндрической и конусной геометрии с конденсированной средой;

2. Математическое моделирование протекающих процессов при импульсном возмущении конденсированных сред:

5. импульсного механического воздействия на волноводный пьезокерамиче-ский преобразователь давления со ступенчатым волноводом при условии абсолютно жесткой границы и определение передаточного коэффициента для импульса давления как функции генерируемого напряжения;

6. определения условий протекания процесса электрического взрыва (ЭВП) проводников цилиндрической, гиперболической и плоской кольцевой геометрии в согласованном (оптимальном) режиме;

7. определения давления ударно-акустической волны (УАВ) электрического взрыва плоской кольцевой фольги (ЭВПКФ) в камере конусной геометрии с конденсированной средой в зависимости от высоты расширяющегося плазменного поршня;

8. посредством применения аппроксимированной функции определение давления ударно-акустической волны (УАВ) электрического взрыва цилиндрического проводника в разрядной камере цилиндрической геометрии и взаимодействия двух встречных ударно-акустических волн, генерируемых электрическим взрывом двух эквивалентных проводников, а также распределение поля давления ударно-акустической волны, генерируемой электрическим взрывом плоской кольцевой фольги (ЭВПКФ) в цилиндрической камере с конденсированной средой.

3. Экспериментальное исследование:

9. протекания согласованного режима электрического взрыва (ЭВП) медных (Cu) и алюминиевых (Al)проводников цилиндрической и плоской кольцевой геометрии;

10. возникновения механических колебаний и определение резонансных частот в цилиндрических и плоских проводниках с использованием звукового твердотельного интерферометра и при протекании разрядного тока короткого замыкания;

11. возникновения страт при электрическом взрыве цилиндрических проволочек и плоских фольг из разнородных металлов в воздушной среде и мелкодисперсных металлических частиц и напыляемых тонких пленок, получаемых методом ЭВП;

12. градуировка волноводного пьезокерамического преобразователя давления со ступенчатым волноводом и определение передаточного коэффициента;

13. определение энергетических параметров электрического взрыва плоской кольцевой фольги (ЭВПКФ) и давления ударно-акустической волны, генерируемой (ЭВПКФ) в камере конусной геометрии с конденсированной средой;

14. взаимодействия двух встречных ударно-акустических волн (УАВ), генерируемых электрическим взрывом двух цилиндрических проводников в цилиндрической камере с конденсированной средой;

15. определение поля давления ударно-акустической волны (УАВ), генерируемой электрическим взрывом плоской кольцевой фольги (ЭВПКФ) в цилиндрической камере с конденсированной средой.

Объектом исследования является электрический взрыв металлических проводников и возбуждаемые ударно-акустические волны в конденсированной среде.

Предметом исследования является определение электрических и энергетических параметров электрических взрывов металлических проводников различной геометрии, механизм возникновения стратообразования, процесс получения мелкодисперсных металлических частиц и тонких пленок, механизм импульсного нагру-жения волноводного пьезокерамического преобразователя давления, определение гидродинамических характеристик падающих и взаимодействующих ударно-акустических волн ЭВП в замкнутых пространствах с конденсированной средой на основе разработанного экспериментального комплекса.

Методология и методы исследования

Научно-технические разработки проводились с использованием теоретических основ электрического взрыва проводников в жидкой диэлектрической и в воздушной среде с привлечением математического обеспечения в построении математических моделей. При определении физико-технических параметров ЭВП с использованием энергетического накопителя конденсаторного типа применялся подход регистрации тока (с применением пояса Роговского), напряжения (с применением высокоомного делителя напряжения) на взрываемом проводнике и напряжения отклика пьезоэлектрического преобразователя давления запоминающим двуканаль-ном цифровом осциллографе GDS-810S. Метод градуировки волноводного пьезоке-рамического преобразователя давления и механических возмущений, а также пьезо-керамических преобразователей импульсного давления основывался на физических эффектах, возбуждаемых воздействий посредством падающего груза. Для анализа характерных размеров и химического состава получаемых мелкодисперсных частиц использовалась универсальная двулучевая система Versa 3D, позволяющая осуществлять, в частности, трехмерную визуализацию микрообъектов и определять физико-химические характеристики материалов. Кроме того, привлекался ряд других измерительных приборов, в том числе измеритель иммитанса Е7-14. Достоверность полученных результатов обеспечивается привлечением адекватных физических моделей изучаемых процессов, справедливость которых общепризнанна, с соблюдением пределов применимости выбранных подходов, современных средств и методик проведения исследований, и подтверждается воспроизводимостью, повторяемостью и сходимостью экспериментов, а также непротиворечивостью опубликованным экспериментальным данным. Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в работе представлен экспериментальный комплекс для научно-практических исследований электрических взрывов проводников и генерируемых ими ударно-акустических волн в конденсированных средах, разработаны и изготовлены конструкции составляющих его элементов, проведены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования, в том числе, впервые: 1. Разработан и создан волноводный пьезокерамический преобразователь давления и представлена математическая модель импульсного механического нагруже-ния волноводного пьезокерамического преобразователя давления со ступенчатым волноводом при наличии условия абсолютной жесткости границы; 2. Получены соотношения, определяющие условия протекания процесса электрического взрыва проводников цилиндрической, гиперболической и плоской кольце-

вой геометрии в согласованном (оптимальном) режиме в миллисекундном диапазоне времени разряда;

3. Экспериментально показано существование механических возмущений колеба
тельного характера радиальной и аксиальной направленности в цилиндрических
и плоских проводниках при возбуждении механических колебаний частотного
диапазона V- 20 + 20 кГц и при протекании разрядного тока короткого замыка
ния амплитудой / ~7,5кА и скоростью нарастания /, ~10⁸ А/

/ at / s

4. Экспериментально получена временная зависимость импульса давления ударно-акустической волны электрического взрыва плоской кольцевой фольги и проведено моделирование по определению зависимости амплитуды давления от высоты плазменного поршня в замкнутой камере конусной геометрии с конденсированной средой;

5. Экспериментально выявлено увеличение амплитуды давления результирующей ударно-акустической волны более чем в два раза при взаимодействии двух эквивалентных встречных ударно-акустических волн, генерируемых одновременным электрическим взрывом проводников в конденсированной среде;

6. Экспериментально получено поле распределения давления ударно-акустической волны, генерируемой электрическим взрывом плоской кольцевой фольги, в центральной зоне которого выявлено увеличение амплитуды давления в два раза по отношению остальной ее части.

Практическая значимость работы

Представленный экспериментальный комплекс позволяет определять физико-технические параметры ударных волн (УВ) и электрического взрыва проводника (ЭВП) широкого спектра, получать объективные и достоверные результаты, носящих как фундаментальный, так и прикладной характер. Они способствуют дальнейшему развитию представлений о физических процессах, имеющих место при мощном импульсном воздействии на металлы с изменением их фазового состояния, в неидеальной металлической плазме электрического разряда, при генерации и распространении ударных волн в конденсированных средах, и так далее, а также они необходимы при разработке новых перспективных разрядно-импульсных технологий в промышленности, в частности, обработки материалов давлением, нанотехно-логии и т.д. Таким образом:

1. разработанный и созданный волноводный пьезокерамический преобразователь давления позволят регистрировать параметры мощной падающей на стенку ударно-акустической волны произвольной конфигурации волнового фронта;

2. использование метода ЭВП с энергетической установкой миллисекундного диапазона разряда осуществляется напыление тонких пленок и получение мелкодисперсных металлических частиц микронных размеров;

3. организация электрического взрыва плоской кольцевой фольги (ЭВПКФ), разрядный ток по которой протекает в радиальном направлении, позволяет генерировать в окружающем пространстве ударно-акустическую волну плоского волнового фронта. Размещение кольцевой фольги в разрядной камере цилиндрической симметрии позволяет организовать ударную трубу для создания высоких и сверхвысоких импульса давлений;

4) применение взаимодействующих встречных ударно-акустических волн, генерируемых электрическим взрывом проводников, позволяет осуществлять ударно-волновое воздействие в труднодоступных местах в трубных конструкциях криволинейной геометрии с конденсированной средой.

Личный вклад автора

При выполнении работы автором проведен анализ литературных данных, внесен определяющий вклад в постановку задач, в разработку конструкции и создании экспериментальной установки [8, 9], в проведение экспериментальных исследований [2, 3, 5, 6, 12, 14], анализе и интерпретации полученных результатов. На основе теоретических и экспериментальных исследований, проходивших при непосредственном участии автора, получены основные результаты [2, 3, 7, 9, 10, 11, 13], представленные в диссертации, и сформулированы основные научные положения и выводы. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при его личном участии.

На защиту выносятся:

экспериментальный комплекс, состоящий из комплекта экспериментальных установок и соответствующего измерительного оборудования, предназначенный для экспериментального исследования электрического взрыва металлических проводников (ЭВП) различных геометрических форм и генерируемых ими ударно-акустических волн (УАВ) в разрядных камерах с конденсированной средой;

волноводный пьезокерамический преобразователь давления, предназначенный для определения параметров мощных ударно-акустических волн произвольной конфигурации волнового фронта, падающих неподвижную стенку;

математическая модель, описывающая процесс импульсного механического воздействия, оказываемое на активный волновод ступенчатого профиля пьезокера-мического преобразователя давления, при наличии условия абсолютной жесткости границы. Использование результатов математической модели и проведение градуи-ровочных процедур методом падающего груза позволяют определить передаточный

коэффициент к =1.7- 1$П^аВ '*

- математические соотношения, полученные посредством элементов теории
размерности и учитывающие физико-химические свойства взрываемых металлов,
активного и волнового сопротивления разрядного контура, согласно которым опре
деляются геометрические параметры взрывающихся проводников для организации
протекания процесса электрического взрыва проводников цилиндрической, гипер
болической и плоской кольцевой геометрии в согласованном (оптимальном) режиме
миллисекундного временного диапазона взрыва;

- экспериментальные результаты, подтверждающие возникновение с про
странственной периодичностью механических возмущений колебательного характе
ра радиальной и аксиальной направленности в металлических проводниках при про
текании разрядного тока короткого замыкания, которые рассматриваются как одна
из причин возникновения страт в процессе электрического взрыва цилиндрических
проволочек и плоских фольг;

- математическая модель и экспериментальные результаты, определяющие за
висимость давления, создаваемого электрическим взрывом плоской кольцевой

фольги (ЭВПКФ) в замкнутой камере конусной геометрии с водной средой, от высоты плазменного поршня;

- экспериментальные результаты, подтверждающие увеличение результи
рующей амплитуды давления двух взаимодействующих эквивалентных ударно-
акустических волн (УАВ), генерируемых электрическим взрывом двух проводников
(ЭВП) и распространяющихся в аксиальном направлении навстречу друг другу бо
лее чем в два раза по отношению к падающим;

- экспериментальные результаты, доказывающие наличие ярко выраженного
максимума амплитуды давления ударно-акустической волны (УАВ), генерируемой
электрическим взрывом плоской кольцевой фольги (ЭВКФ), в центральной ее зоне
по отношению остальной части волнового фронта.

Апробация работы

Основные результаты были доложены и обсуждены на заседаниях Международной научно-практической конференции "Дни науки - 2007" (01-15 апреля 2007 г.) г. Белгород; IV Международной научной конференции “Научный потенциал в XXI веке” Ставрополь 2010; Технологии, кооперация, инвестиции. IV-X Межрегиональных научно-практических конференциях “Взаимодействие научно-исследовательских подразделений промышленных предприятий и вузов с целью повышения эффективности управления и производства.” Волжский, 2008-2013 г.; V-VIII Всероссийских научно-практических конференциях “Инновационные технологии в обучении и производстве” 2008 - 2011 г. Камышин; Межрегиональная конференция «Моделирование и создание объектов энерго-и-ресурсосберегающих технологий» Московский энергетический институт (филиал МЭИ) – г. Волжский, 22-25 сентябрь 2009 г.; XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС – 2011, 14-17 декабря 2011 г. Москва; III Международной научно-технической конференции “Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС-2012)”, 29-31 май 2012. г. Самара; 4th International Scientific Conference “Applied Sciences and technologies in the United States and Europe: common challenges and scientific findings” December 23, 2013 New York, USA; Международной научно практической конференции «Наука сегодня: фундаментальные и прикладные исследования» г. Вологда 28 сентября 2016 г.; LXI Международной научно-практической конференции «ИННОВАЦИИ В НАУКЕ» г. Новосибирск 29 сентября 2016 г.

Соответствие паспорту научной специальности

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.01 «Приборы и методы экспериментальной физики», а именно: пункту 5 -«Разработка и создание экспериментальных установок для проведения экспериментальных исследований в различных областях физики», пункту 8 - «Разработка методов математической обработки экспериментальных результатов. Моделирование физических явлений и процессов».

Внедрение результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при разработке и внедрении процесса напыления методом электрического взрыва проводников (ЭВП) металлических пленок на поверхности используемых

пресс-формах в научно-производственной фирме НПФ «Техоснастка РТД» в г. Волжском, Волгоградской области Представленная экспериментальная установка позволяет осуществлять напыление тонких пленок до микронных масштабов, генерацию мелкодисперсных металлических частиц до размеров сотни нанометров.

Публикации

Основные результаты опубликованы в более 80 работах, из них - 1 монография, 14 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, из них в базе Scopus - 8, Web of Science - 8, патента - 36. В работах [2, 3, 9, 11, 13] соискатель участвовал в постановке задач, проведении экспериментов и расчетов, обсуждении полученных результатов. В работах [5, 6, 7, 14] принимал участие в разработке конструкций экспериментальных установок и проведении экспериментов. В работах [8, 10, 12] участвовал в постановке задач и представлении математических моделей, проведении экспериментов и математических расчетов.

Структура и объем диссертации