Исследование электрического взрыва проводников и его применение в электрофизических установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, доктор технических наук Седой, Валентин Степанович

Оглавление диссертации доктор технических наук Седой, Валентин Степанович

1 Состояние исследований электрического взрыва

1.1 Феноменология явления

1.1.1 Изменение тока и состояния вещества при взрыве

1.1.2 Поведение сопротивления проводника и введенной в проводник энергии при нагреве и взрыве

1.1.3 Интеграл удельного действия тока

1.2 Неоднородности и неустойчивости при электрическом взрыве

1.2.1 Классификация электрического взрыва

1.2.2 Радиальные неоднородности

1.2.3 Стратообразование при электрическом взрыве

1.3 Образование частиц

1.3.1 Влияние плотности введенной энергии на размер частиц

1.3.2 Влияние плотности окружающей среды на размер частиц

1.3.3 Влияние диаметра проводника на размер частиц

1.4 Гипотезы о механизме электрического взрыва

1.4.1 Модель волны расширения

1.4.2 Волна испарения

1.4.3 Объемное расширение

1.4.4 Магнитогидродинамические неустойчивости

1.5 Состояние физических исследований 49 1.5.1 Фазовая диаграмма, уравнения состояния и электропроводность металлов

1.5.1.1 Уравнения состояния

1.5.2 Численные методы

2 Подобие при электрическом взрыве

2.1 Критерии подобия для стадии нагрева

2.2 Критерии подобия для стадии собственно взрыва

2.3 Методика эксперимента

2.4 Проверка моделирования

3 Физическое моделирование электрического взрыва

3.1 Физическое моделирование электрического взрыва

3.1.1 Критическая длина в воздухе при нормальных условиях

3.1.2 Влияние окружающей среды на критическую длину

3.1.3 Электрический пробой или термическая ионизация - что препятствует отключению тока?

3.2 Введенная энергия

3.3 Ток через проводник и время до взрыва

3.4 Импульс напряжения при электрическом взрыве

3.4.1 Амплитуда напряжения

3.4.2 Длительность импульса напряжения

3.4.3 Радиальная скорость потери проводимости

3.5 Выводы 114 4. Переключение тока в нагрузку 115 4.1 Импульсная зарядка емкости

4.1.1 Количественные оценки

4.1.2 Экспериментальные результаты

4.1.3 Напряженность электрического поля

4.1.4 Подобие и оптимальные условия 123 4.2 Выводы

5 Поведение вещества при высоких скоростях нагрева

5.1 Условия однородного нагрева

5.1.1 Границы применимости одно-температурного приближения

5.1.2 Условия быстрого электрического взрыва

5.2 Результаты исследований

5.2.1 Методика измерений

5.2.2 Аномалии сопротивления и энергии

5.3 Начальная точка электрического взрыва

5.3.1 Влияние магнитного давления

5.3.1.1 Физический эксперимент по проверке влияния магнитного 140 давления

5.3.1.2 Численный эксперимент

5.3.2 Релаксационные процессы

6 Получение нанопорошков методом электрического взрыва

6.1 Механизм образования частиц при электрическом взрыве

6.2 Прямое получение наноразмерных порошков

6.2.1 Влияние плотности тока на дисперсность порошка

6.2.2 Синтез высокодисперсных порошков в газе пониженного давления

6.2.3 Получение высокодисперсных металлических порошков методом электрического взрыва в азоте пониженного давления

6.2.4 Синтез композиций AI-AI2O3 с регулируемым соотношением

6.3 Электронномикроскопические исследования

6.3.1 Результаты исследований композиций А1- AI2O

6.3.1.1 Сферические частицы

6.3.2 Исследование порошков чистых металлов

6.3.2.1 Порошок алюминия

6.3.2.2 Порошок вольфрама

6.3.2.3 Порошок титана

6.4 Частицы и кристаллиты при электрическом взрыве

6.4.2 Результаты исследования

6.5 Обсуждение и основные результаты главы

6.5.1 Вакуумная область и область однородного нагрева - 181 перспективные направления исследований и применений электрического взрыва

6.5.2 Влияние микроструктуры 182 7 Примеры использования результатов физического моделирования электрического взрыва

7.1 Область применимости полуэмпирических зависимостей

7.2 Примеры использования результатов физического 188 моделирования

7.2.1 Проверка гипотезы Беннета о волнах испарения

7.2.2 Ускоритель электронов с электровзрывным прерывателем 192 тока

7.2.3 Импульсная зарядка водяной линии

7.2.4 Получение наноразмерных порошков 200 7.3 Заключение 203 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 204 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Электрофизика, электрофизические установки», 01.04.13 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электрического взрыва проводников и его применение в электрофизических установках»

Электрический взрыв известен более 200 лет, первая публикация появилась в 1774 году [1] задолго до открытия закона Ома. В этой исторически очаровательной работе Nairrie наблюдал, что проволочка взрывается одинаково в разных участках цепи. Еще одна интересная работа проведена известным физиком Майклом Фарадеем в 1857 году [2]. Он получал очень тонкие металлические пленки на внутренних стенках колбы при разряде лейденской банки через золотую проволочку. В последующем интерес к электрическому взрыву в разных областях науки и техники нарастает лавинообразно. К 1966 году было опубликовано уже более 800 статей [3], охватывающих широкий круг фундаментальных и прикладных исследований.

Под электрическим взрывом понимается комплекс процессов, происходящих при быстром джоулевом нагреве металлического проводника до температур, превышающих температуру начала испарения металла. Эти процессы включают, как правило, фазовые переходы металл - жидкость - пары металла в начальной стадии, формирование плотной металлической плазмы при дальнейшем нагреве, образование мелких частиц при разлете продуктов взрыва и их остывании. Явление сопровождается (или может сопровождаться) обрывом тока в контуре и генерированием импульсов высокого напряжения, мощными ударными волнами, химическими реакциями, яркой вспышкой света. Причем, условия осуществления электрического взрыва весьма разнообразны по энергетике, набору металлов, окружающей среде и т.д. Весьма разнообразны, соответственно, достигаемые при этом физические состояния и получаемые эффекты.

Многогранность и необычность явления стимулировали его детальные исследования с самых различных точек зрения. В первую очередь это относится к изучению теплофизичееких свойств металлов в высокотемпературной области [4-6]. Электрический взрыв используется как источник высокотемпературной плазмы в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу [7], в работах по созданию источников света [8], в исследованиях генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения [9, 10]. Взрывающиеся проволочки изучаются и применяются в качестве мощных быстродействующих прерывателей тока [11-13], предохранителей [14], для создания активной среды импульсных лазеров [15, 16], а также во многих электрофизических установках [17]. Интенсивно исследуется и развивается, раскрывая новые возможности, электровзрывной метод получения микро -и наноразмерных металлических порошков, химических соединений и различных нанофазных материалов [18-21], начиная с упомянутых экспериментов М. Фарадея [2].

Это далеко не полный перечень основных направлений работ по электрическому взрыву. В ходе исследований выяснилось, что электрический взрыв затрагивает мало изученные области взаимодействия между металлами и электрическими и магнитными полями. Электропроводность металлов, например, хорошо изучена только в области конденсированного состояния (в том числе, и с помощью метода импульсного джоулева нагрева [22,23]) и в области идеальной плазмы при температуре Г

104 К и плотности y/yo < 10"2 [24]. Промежуточные состояния, в особенности окрестность критической точки, область плотной пространственно неоднородной плазмоподобной среды, до сих пор являются предметом изучения, происходит накопление экспериментальных данных по поведению металлов при высокоэнергетическом воздействии [25-28] и развиваются различные физические модели для их интерпретации.

Было ясно, что имеется обширное белое пятно между теорией и практической необходимостью в реализации электрического взрыва в новых, в том числе и технологических, установках. Заполнить указанный пробел, свести к минимуму время между исследованиями и использованием взрывающихся проводников можно с помощью физического моделирования явления с применением методов подобия и имеющихся теоретических предпосылок.

Планомерное экспериментальное исследование электрического взрыва, описываемое в предлагаемой диссертации, было начато в Томске в семидесятые годы под руководством академика РАН Г.А. Месяца и чл.-корр. РАН Ю.А. Котова. Работы проводились в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете, в Институте сильноточной электроники СО РАН и позднее - в Институте электрофизики УрО РАН. Начало исследований во многом определялось перспективой использования взрывающихся проволочек для коммутации тока в индуктивных накопителях энергии и в качестве обострителей мощности при создании импульсных источников питания мегавольтного уровня напряжений, необходимых для многих областей физических и инженерных исследований: для формирования сильноточных пучков релятивистских электронов, импульсной накачки лазеров и т.д. Отдельный интерес представляли аэрозоли, образующиеся при электрическом взрыве.

Цель работы состояла в изучении физических механизмов, реализующихся и превалирующих в тех или иных условиях электрического взрыва методами физического моделирования и подобия, поиске и создании полуэмпирических моделей основных характеристик взрывающегося проводника и электрического контура, изучении и оптимизации возможностей их научного и технологического использования.

При достижении поставленной цели решались следующие конкретные задачи:

- разработка методик и схем физического моделирования, установление соотношений подобия на базе имеющихся теоретических представлений и их экспериментальная проверка;

- проведение экспериментальных исследований и изучение основных характеристик электрического взрыва с применением критериев подобия,

- изучение электрического взрыва при высоких плотностях тока,

- выявление наиболее существенных факторов и создание методик расчета взрыва проводников из различных металлов,

- применение результатов моделирования при разработке новых электрофизических установок и технологий, использующих электрический взрыв и, наконец,

- создание феноменологической модели электрического взрыва.

Большинство описанных в работе исследований имеют законченный характер и позволили сделать выводы и обобщения, которые были подтверждены на крупномасштабных установках и на новых металлах. Некоторые результаты дают возможность сформулировать задачи дальнейших исследований, представляющих научный и практический интерес. Все основные результаты были получены впервые. Многие из них использовались при проведении научных исследований и при создании ряда устройств с применением взрывающихся проводников в различных организациях. Это ускорители электронов для Института общей физики РАН, Института прикладной физики РАН. Института сильноточной электроники СО РАН и Московского государственного университета. Это вторичные прерыватели тока во взрывомагнитных генераторах Института гидродинамики СО РАН, быстродействующие предохранители для Научно-исследовательского электромеханического института и Института сильноточной электроники СО РАН. Это также работы по получению высокодисперсных металлических порошков в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете, Институте сильноточной электроники СО РАН, Институте электрофизики УрО РАН, Республиканском инженерно-техническом центре (Томск), Исследовательском центре Карлсруе (Германия), Институте химии нефти СО РАН, Плазменном центре при Инха университете (Южная Корея), Лос Аламосской национальной лаборатории (США). В настоящее время продолжаются совместные исследования с Институтом физики металлов УрО РАН, Институтом химии нефти СО РАН, Институтом физики твердого тела и полупроводников HAH Беларуси, Институтом проблем химической физики РАН, Томским и Московским государственными университетами, The University of Iowa (США), Институтом химической кинетики и горения СО РАН, Politécnico di Milano (Италия), Fraunhofer Institute Fur Chemische Technologie (Германия). Данный перечень свидетельствует, на наш взгляд, об актуальности рассматриваемых задач.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы.