Stimulated detonation of a high-energy heterogeneous plasma formation created by capillary erosive plasma generator and magneto- plasma compressor

Толық мәтін

1. ВВЕДЕНИЕ

Магнитоплазменный компрессор (МПК) находит широкое применение в исследованиях по физике плазмы и плазменной аэродинамике [1, 2]. В этом устройстве геометрия электродов и параметры электрического разряда позволяют получать локальную зону кумуляции плазменной энергии, названную “плазменным фокусом” [3], с экстремально высокими плазменными параметрами. В настоящее время такие устройства используются для получения нейтронных пучков малых энергий в исследованиях по физике плазмы, дефектоскопии, на таможне и в других областях [4–7].

Ранее в работе [2] сообщалось о впервые разработанном и испытанном новом комбинированном генераторе плазмы, состоящем из магнитоплазменного компрессора (МПК) [1–3] и эрозионного плазмотрона (ЭП) на основе импульсного разряда в капилляре с испаряющейся стенкой [8–11]. При этом вместо традиционного металлического анода в МПК было предложено использовать эрозионную плазменную струю, созданную ЭП [2, 8]. Такая комбинация (МПК-ЭП) позволила расширить рабочий диапазон давлений устойчивой работы МПК вплоть до атмосферного давления и выше. На первой стадии ЭП создает долгоживущий энергоемкий плазмоид (ДЭП), включающий в себя гетерофазу, состоящую из металлических и углеродных наноразмерных кластеров, а также атомов и ионов водорода. На второй стадии происходит зажигание разряда МПК, обеспечивающего магнитное обжатие ДЭП и инициацию детонационных процессов в нем. В работе [2] было обнаружено, что при определенных параметрах плазмы и электрического разряда внутри ДЭП может реализоваться стимулированная детонация. Отметим, что эта работа вызвала широкий резонанс среди специалистов физиков. По данным исследовательского портала Research Gate ее прочитали более 200 ученых за один только прошедший год.

Настоящая работа является продолжением исследований, начатых ранее [2, 8–13] и посвящена дальнейшему изучению процесса стимулированной детонации ДЭП в зависимости от временно́й задержки t_d между моментами запусков ЭП и MПК, а также поиску оптимального режима такой детонации.

2. Экспериментальная установка

Электрическая схема и общий вид комбинированного разрядника МПК-ЭП представлены на рис. 1. В этой установке на первой стадии с помощью ЭП (1–4) формируется эрозионная плазменная струя (8). При этом она выполняет роль плазменного анода МПК, срабатывание которого происходит на второй стадии разряда с некоторой задержкой t_d относительно момента запуска ЭП. Катодами МПК служат шесть медных стержней (7), расположенных на окружности радиуса 16 мм и смонтированных на катодном фланце (6). Эрозионная плазменная струя, формируемая ЭП, по существу, представляет собой ДЭП с заданным химическим составом. Типичные значения концентрации и температуры электронов в ДЭП, соответственно, составляют n_e ≈ 2 ∙ 10¹⁷ см^-3 и T_e ≈ 2–3 эВ [8, 10]. Плазмохимический состав ДЭП зависит от эродирующего рабочего материала, используемого в разрядном промежутке ЭП (2), и материала эродирующих электродов (1, 4). В качестве испытуемых рабочих материалов использовали полиметилметакрилат (ПММА), из которого изготовлен капилляр ЭП (2 на рис. 1), а также гидрид титана (TiH_x) и гидрид никеля (NiH_x), которые в виде порошка или предварительно спресованных шайб могли размещаться непосредственно за выходным отверстием капилляра ЭП. В качестве материала внутреннего электрода ЭП (анода, 1 на рис. 1) использовали никель. Наружный электрод (катод) ЭП (он же является анодом МПК, 4 на рис. 1), а также катоды МПК (7) были изготовлены из меди.

 

Рис. 1. Электрическая схема и общий вид комбинированного разрядника МПК-ЭП: 1 – внутренний электрод (анод) ЭП; 2 – капиллярный разрядный канал ЭП; 3 – корпус разрядника; 4 – катод ЭП / анод МПК; 5 – изолятор; 6 – катодный фланец МПК, 7 – катодные стержни МПК; 8 – гетерогенная плазменная струя (ДЭП).

 

Вторая стадия комбинированного разряда включает в себя сжатие и разогрев плазмы ДЭП с помощью разряда MПК, инициируемого с определенной временной задержкой (t_d ~ 0.1–3 мс) относительно момента зажигания разряда ЭП. В этом эксперименте реализуется направленная стимулированная детонация ДЭП. Отметим, что направленный взрыв ДЭП при оптимальном значении t_d был реализован и изучен в наших экспериментах впервые. В данной работе изучаются параметры ударных волн, создаваемых направленным взрывом ДЭП.

3. Ударная волна созданная с помощью МПК-ЭП. Режим оптимальных времен задержки t_d ~ 2000 мкс

Общий вид лабораторного стенда представлен на рис. 2. Для изучения параметров ударных волн использовались датчики давления (2), размещаемые на заданных расстояниях от комбинированного разрядника МПК-ЭП (1). В ходе экспериментов измерены распределение давления P₂(X) за фронтом ударной волны (УВ), создаваемой MПК-ЭП, и средняя скорость УВ V_УВ(X).

 

Рис. 2. Общий вид лабораторного стенда: 1 – комбинированный разрядник МПК-ЭП; 2 – датчики давления; 3 – высоковольтный пробник P6015; 4 – емкостной накопитель.

 

Для изучения структуры, а также пространственной и временно́й эволюции комбинированного разряда МПК-ЭП использовали высокоскоростную видеокамеру Photron Fastcam Nova S9 (Photron, USA), (рис. 3). В ходе экспериментов было обнаружено, что в определенном диапазоне времен задержки включения МПК возникает направленное движение ДЭП вдоль оси разрядника, которое можно охарактеризовать как движение “плазменного поршня”, форма которого близка к цилиндрической (см. рис. 3). Измерения, проведенные с помощью датчиков давления, выявили сильную анизотропию распределения давления на фронте УВ вблизи границы “плазменного поршня”, что принципиально отличается от картины распределения давления, измеренной в работе [2] для случая сферической стимулированной детонации ДЭП. Этот результат был также подтвержден с помощью оптического теневого метода. При оптимальном времени задержки включения МПК t_d ~ 2000 мкс средняя скорость переднего фронта плазменной струи (“плазменного поршня”) достигает V_p2 ~ 1000– 1200 м/с (здесь и далее индекс “p” означает, что переменная относится к плазменному поршню). Эта величина значительно превышает скорость переднего фронта плазменной струи V_p1 ~ 450–600 м/с, зарегистрированной в работе [2] при малых временах задержки t_d ~ 50 мкс.

 

Рис. 3. Кадры высокоскоростной видеосъемки эволюции “плазменного поршня”, созданного МПК-ЭП: время задержки между включением ЭП и МПК - td~ 2000 мкс, частота кадров – 125 000 кадр/с, время экспозиции кадра – 0.2 мкс. Кадр 1 соответствует состоянию плазменной струи ЭП до момента включения МПК; кадры 2–4 эволюция плазменной струи после включения МПК. Моменты времени t относительно начала разряда ЭП: 1 – 1512 мкс, 2 – 2024 мкс, 3 – 2040 мкс, 4 – 2056 мкс.

 

Установлено, что при использовании в качестве рабочего тела ЭП одних лишь продуктов эрозии ПММА число Маха, определенная на расстоянии X₁ = 30 см от выходной плоскости МПК-ЭП, (где расположены торцы катодных стержней (7 на рис. 1), не превышает величины, равной M_УВ ~ 1.46. Таким образом, на расстояниях X > 30 см формировалась и распространялась довольно слабая УВ. Этот результат был получен как путем измерения амплитуды УВ с помощью калиброванного пьезодатчика давления, так и путем измерения скорости ее распространения (по времени прихода УВ к измерительному датчику давления). Разница в определении чисел Маха перечисленными методами не превышает 3%.

Как указывалось выше, средняя скорость “плазменного поршня” достигает значений V_p2 ~ ~ 1000–1200 м/с. Ее величина была оценена в результате обработки отдельных кадров высокоскоростной видеосъемки (рис. 3). Из проведенного анализа была получена также величина максимального объема “плазменного поршня”, которая составила W_p ~ 130 см³.

Чтобы оценить величину давления P₂ за фронтом УВ с числом Маха М_УВ ~ 1.46 на расстоянии Х₁ = 30 см, воспользуемся известным соотношением на фронте УВ:

$P_2=P_1\left(\frac{2\gamma }{\gamma +1}{M}^2+\frac{\gamma -1}{\gamma +1}\right)$. (1)

Здесь индексы “1” и “2” соответствуют параметрам перед и за ударной волной. Из выражения (1) получаем, что P₂ = 2.5P₁ (при g = 1.4), а перепад давления на фронте УВ составляет DP₂ = P₂ – P₁ = 1.5P₁ = 1.5 бар.

В рамках приближения слабой ударной волны можно оценить перепад давления на фронте УВ вблизи границы “плазменного поршня” для Х₂ ~ 10 см (см. рис. 3):

 $\Delta P_2\approx {\left(\frac{30}{10}\right)}^2\cdot 1.5=13.5$бар. (2)

Тогда детонационная энергия, запасенная в “плазменном поршне”, может быть определена как произведение перепада давлений (2) в УВ на объем плазменного поршня W_p ~ 130 см³:

$E_d=\Delta P_2\cdot W_p=175$ Дж. (3)

Близкие значения величин перепада давления DР₂^* и энергии детонации Е_d^* получаются на основе данных измерений скорости “плазменного поршня” V_p ~ 1100 м/с (см. выше) при использовании известной формулы для УВ:

$V_p=M_{УВ}{C}_s\left(1-{\rho }_1/{\rho }_2\right)$, (4)

где С_s – скорость звука, ρ₁, ρ₂ – соответственно плотность газа перед и за фронтом УВ.

Из формулы (4) можно получить искомое число Маха М_УВ ~ 3.8, а отношение давлений достигает величины (Р₂/Р₁)^* ~ 17 на фронте УВ при ее положении, близком к границе “плазменного поршня”. Тогда перепад давления DР₂^* = P₂^* - P₁^* составляет величину порядка DР₂^* ~ 16 бар, что достаточно близко к величине DР₂ = 13.5 бар, полученной по формуле (2).

Также было обнаружено, что интенсивность УВ в значительной мере зависит от состава рабочей смеси. В случае, когда состав рабочей смеси определяется исключительно продуктами абляции стенки капилляра (ПММА), перепад давления на фронте УВ оказывается минимальным. Добавление к этой смеси примесей TiH_x или NiH_x приводит к росту давления за фронтом УВ примерно в P₂^**/P₂^* ≈ 1.3 раза (рис. 4). Предположим, что дополнительная величина давления связана с дополнительным выделением тепловой энергии dЕ_ch (индекс “ch” означает химический источник энерговыделения), первоначально запасенной во внутренних степенях свободы молекул активированных рабочих химических веществ, за счёт протекания в них специфических плазмохимических реакций [9–13]. Тогда эту величину можно оценить с помощью следующего соотношения:

$\delta E_{ch}=0.3\cdot E_d\approx 0.3\cdot 175 Дж=52 Дж$.

Рис. 4. Временная эволюция давления P₂(t) за фронтом УВ, зарегистрированная датчиком давления: 1 – рабочая смесь ПММА + TiH_x, 2 – рабочая смесь ПММА. Время задержки между включением ЭП и МПК – t_d ~ 2000 мкс.

 

Согласно результатам измерений, масса примеси TiH_x, поступаемая в объем плазменной струи в течение разрядного импульса, составляет dМ_er = 1.2 мг/импульс. Поэтому величина удельной дополнительной энергии может быть оценена с помощью следующей формулы

$q_x=\frac{\delta E_{ch}}{\delta M_{er}}=\frac{52 Дж}{1.2 мг}=43 кДж/г$.

Отметим, что величина q_x превышает величину удельной энергоемкости тротилового эквивалента (эквивалента тринитролуола (TНТ)) в 10 раз:

$K=\frac{q_x}{q_{\text{THT}}}=\frac{43 \text{\hspace{0.17em}кДж/г}}{4.2 \text{\hspace{0.17em}кДж/г}}\approx 10.$

Таким образом, оценки показывают, что энергосодержание ДЭП может достигать больших величин.

4. Оптические и рентгеновские спектры ДЭП

Оптические спектры ДЭП были зарегистрированы волоконно-оптическим спектрометром AvaSpec-ULS 2048 (Avantes BV, Netherlands). В представленных на рис. 5 спектрах излучения наблюдаются линии возбужденных атомов H, K, Ni, Na, Li, а также достаточно интенсивное непрерывное излучение. Наличие последнего обусловлено образованием внутри ДЭП металлических и углеродных нанокластеров [2, 14]. Оценка температуры металлических нанокластеров по непрерывному излучению в приближении Вина приводит к значениям T ~ 3000–4000 К.

 

Рис. 5. Оптические спектры излучения ДЭП: 1 – спектр излучения при инжекции примеси NiH_x, 2 – исходный спектр излучения при отсутствии инжекции примеси.

 

Обнаружено, что дополнительное инжектирование частиц TiH_x в разрядную область МПК-ЭП приводит к появлению в оптических спектрах интенсивных линий Li I: 610.35 нм и 670.78 нм (кривая 1 на рис. 5). Обращает на себя внимание отсутствие названных линий в исходном спектре излучения ДЭП, зарегистрированном без инжекции такой примеси (кривая 2 на рис. 5). Этот результат не совсем понятен и требует детального изучения в будущих экспериментах.

Спектрометром Х-123 было зафиксировано интенсивное мягкое рентгеновское излучение с энергией квантов порядка E_x ~ 1 кэВ (рис. 6). В этом же эксперименте, с помощью радиометра-спектрометра МКС-А03-1 (НПЦ “АСПЕКТ”, Дубна), зарегистрированы сигналы, которые могут трактоваться как поток холодных нейтронов из пространственной области, занимаемой ДЭП (см. также [2, 14]). Этот результат также требует дальнейшего анализа и экспериментальной проверки.

 

Рис. 6. Типичный спектр излучения ДЭП в рентгеновском диапазоне.

 

5. Выводы

1. Впервые был спроектирован, изготовлен и испытан комбинированный разрядник на основе магнитоплазменного компрессора и импульсного эрозионного плазмотрона – МПК-ЭП. Этот МПК-ЭП был использован для изучения физических свойств высокоэнергетического долгоживущего гетерогенного плазменного образования в широких диапазонах давлений и температур.
2. Определены давление P₂(t) за фронтом ударной волны, создаваемой МПК-ЭП, и средняя скорость ударной волны V_УВ(t), возникающей в результате стимулированной детонации ДЭП. Обнаружено, что при оптимальной временной задержке t_d ~ 2000–4000 мкс между моментами зажигания разрядов ЭП и МПК возможна реализация режима направленного взрыва ДЭП. Измерения выявили сильную анизотропию распределения давления за фронтом УВ. Оптическим теневым методом было подтверждено, что в этом режиме формируется искривленный фронт УВ, близкий к цилиндрическому.
3. Обнаружено, что в диапазоне оптимальных времен задержки срабатывания МПК средняя скорость фронта “плазменного поршня” составляет V_p2 ~ 1000–1200 м/с, что значительно превышает значения V_p1 ~ 450–500 м/с, зарегистрированные в режиме малых временных задержек (t_d ~ 50 мкс) [2].
4. Выявлена зависимость перепада давления на фронте УВ от состава тестируемых эродирующих материалов (таких как, C₅H₈O₂, TiH_x, NiH_x), заполняющих разрядный промежуток МПК-ЭП при прочих равных параметрах электрического разряда. Предполагая, что дополнительное выделение энергии за фронтом УВ связано высокопороговыми плазмохимическими реакциями с участием электронов внутренних электронных оболочек, протекающими внутри ДЭП, можно определить величину удельного выделения энергии реакции q_x ~ 43 кДж/г. Такое предположение подтверждается спектрами излучения ДЭП, зарегистрированными в оптическом и рентгеновском диапазонах длин волн. Отметим, что эта выделенная в результате детонации ДЭП удельная дополнительная энергия q_x значительно превышает удельную энергию тротила более чем в 10 раз: K = q_x /q_ТНТ ≈ 10. При этом значение К значительно превышает таковое, измеренное в работе [2] при малых временах задержки (K ^* = 2–4 при t_d ~ 50 мкс).
5. Авторы предполагают, что полученные в работе экспериментальные результаты будут способствовать развитию представлений о природе электрофизических явлений в грозовой атмосфере, нижней ионосфере, торнадо, вулканической активности и связанных с ними появлением природных плазмоидов (таких как шаровые молнии, спрайты, джеты и др.) [15].

Авторы выражают благодарность Н.М. Рязанскому за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (госзадание № 075-01129-23-00). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

Авторлар туралы

A. Klimov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: klimov.anatoly@gmail.com
Ресей, Moscow

V. Brovkin

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

Email: klimov.anatoly@gmail.com
Ресей, Moscow

A. Pashchina

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

Email: klimov.anatoly@gmail.com
Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар