способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы и устройство для его осуществления

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВЫСОКОПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы, включающий сжатие с помощью лайнера в камере взрывного плазменного генератора рабочего газа, получаемого из твердой фазы в процессе движения лайнера, и кумуляцию сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры, отличающийся тем, что рабочий газ получают из твердой фазы взрывчатого вещества, расположенного на внутренней поверхности камеры между поверхностью лайнера и выходным отверстием камеры.

2. Устройство для получения высокотемпературной высокоплотной плазмы, содержащее камеру в форме сферического сегмента с выходным отверстием, заряд взрывчатого вещества, плоский лайнер, расположенный между полостью камеры и зарядом взрывчатого вещества, и твердофазный источник рабочего газа, размещенный в полости камеры, отличающееся тем, что твердофазный источник рабочего газа выполнен из взрывчатого вещества и расположен на внутренней поверхности камеры между поверхностью лайнера и выходным отверстием камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно - к способам получения высокотемпературной высокоплотной плазмы, и может быть использовано при исследованиях в области физики высокоплотной плазмы, газодинамики, в качестве импульсного источника света.

Известен способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы [1], включающий адиабатическое сжатие плоским лайнером рабочего газа, в качестве которого используют воздух, инертные газы или их смеси.

Способ реализуется с помощью устройства - взрывного плазменного генератора (ВПГ), состоящего из взрывной навески, лайнера, замкнутой камеры с отверстием в месте кумуляции, выходной трубки. Плазма, сжатая лайнером, через отверстие в полюсе генератора впрыскивается в трубку, где она служит объектом исследования и прикладного использования.

Известен способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы с помощью взрывного плазменного генератора [2], который включает сжатие рабочего газа с помощью лайнера с кумуляцией сжатого газа вблизи выходного отверстия, при этом рабочий газ получают из твердой фазы в процессе движения лайнера.

Недостатками аналога и прототипа является то, что получаемые плотность плазмы и плотность энергии плазмы недостаточны для проведения некоторых физических исследований (изучение процессов испарения материалов под влиянием воздействия мощных световых импульсов и т.д.). Недостатком ВПГ являются низкий КПД и неоптимальное расположение рабочего вещества в камере, что приводит к невозможности достижения максимальных скоростей и температур, образующейся в процессе сжатия плазмы.

Цель изобретения - повышение получаемых газодинамическим способом параметров плазмы (плотность, плотность энергии).

Актуальность задачи заключается, во-первых, в том, что появляется физический объект с параметрами, превышающими достижимые ранее, что может оказаться полезным для многих физических исследований, во-вторых, в том, что устройство становится работоспособным в течение неограниченного времени, в том числе в условиях вакуума, что позволяет решать ряд практических задач, например, по получению мощного импульсного источника света широкого спектрального диапазона в безгазовой среде; в-третьих, возможность получения в вакууме мощного излучателя, обладающего повышенной кинетической энергией; в-четвертых, в том, что появляется простой элемент в тандемном кумулятивном заряде, располагающийся непосредственно у преграды и позволяющий получать в ней широкие каверны за счет сублимации без образования обратной металлической струи.

Цель достигается тем, что предлагаемый способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы, включающий сжатие с помощью лайнера в камере взрывного плазменного генератора рабочего газа, получаемого из твердой фазы в процессе движения лайнера, и кумуляцию сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры, при этом рабочий газ получают из твердой фазы взрывчатого вещества, симметрично расположенного на внутренней поверхности камеры между поверхностью лайнера и выходным отверстием камеры.

Устройство реализации этого способа, содержащее камеру в форме сферического сегмента с выходным отверстием, заряд взрывчатого вещества, плоский лайнер, расположенный между полостью камеры и зарядом взрывчатого вещества, и твердофазный источник рабочего газа, размещенный в полости камеры, отличается тем, что твердофазный источник рабочего газа выполнен из взрывчатого вещества и симметрично расположен на внутренней поверхности камеры между поверхностью лайнера и выходным отверстием камеры взрывчатого вещества.

Инициируемое скользящим вдоль поверхности лайнером вещество из начального твердого состояния переходит в газообразное и выталкивается из зазора между лайнером и сегментом со скоростью, близкой к фазовой скорости точки стыка. При столкновении этих плазменных струй на оси происходит кумуляция с образованием высокотемпературного высокоплотного плазменного поршня (фокуса), разлетающегося через полюс сегмента в выходную трубку. Наличие рабочего тела в начальной твердой фазе значительно упрощает конструкцию из-за снятия требования газового наполнения и необходимости поддержания давления в камере. Увеличение начальной массы рабочего тела приводит к значительному увеличению плотности образующейся плазмы и плотности ее энергии, что существенно поднимает КПД ВПГ.

Неочевидность изобретения заключается в том, что из двух основных режимов образования плазмы в камере ВПГ: адиабатическое сжатие, столкновение боковых плазменных струй на оси, определяющим является последний. Поэтому, увеличив массу рабочего тела, что, казалось бы, должно было привести к уменьшению скорости в выходной трубке, удалось сконцентрировать массу (что невозможно при заполнении инертным или взрывчатым газом) непосредственно в месте вытеснения из зазора между лайнером и камерой (скорость точки стыка которых возрастает по мере движения лайнера обратно пропорционально синусу угла между прямой на плоскости лайнера и касательной к камере в данной точке стыка), что привело к увеличению скорости. Неочевидность устройства заключается в том, что рабочее тело (твердое взрывчатое вещество) располагается не вдоль всей поверхности камеры, контактирующей с лайнером в процессе движения (как это имеет место в прототипе), а на некоторой ее части, зависящей от начальной скорости лайнера (функция от массы ВВ, скорости детонации, массы лайнера), скорости детонации рабочего тела. Это объясняется тем, что, во-первых, лайнер набирает скорость не мгновенно, а импульсно на начальном участке, а во-вторых, начиная с высоты, где точка стыка лайнер-камера начинает двигаться со скоростью, превышающей скорость детонации рабочего тела, наличие дополнительной массы невыгодно, поскольку это не приводит к дополнительному положительному эффекту.

Реализация данного способа, т.е. когда рабочий газ в ВПГ получается непосредственно в самом ВПГ в режиме работы из начальной твердой фазы, уже позволяет решать ряд задач независимо от основных параметров плазмы, поскольку значительно упрощает как способ получения, так и устройство для работы в режиме ожидания, в любой газовой или безгазовой среде. Однако, кроме этого фактора, достигается повышение плотности струи, температуры, плотности энергии плазмы по сравнению со способом получения плазмы, когда ВПГ заполнен одной газовой (в том числе и взрывчатой) средой или твердым веществом по всему объему камеры.

На чертеже изображено устройство взрывного плазменного генератора (ВПГ), с помощью которого экспериментально показана осуществимость способа.

Устройство включает заряд взрывчатого вещества 1, в котором инициируется плоский детонационный фронт, плоский лайнер 2 в виде металлической пластины, камеру сжатия, образованную лайнером и сферическим сегментом 3, выходную трубку 4. На поверхность камеры сжатия симметрично наносится тонкий слой твердого ВВ 5.

Способ реализуется следующим образом.

Заряд взрывчатого вещества 1, подрываемый таким образом, чтобы фронт детонационной волны, выходящий к лайнеру 2, был плоским, ускоряет лайнер. Выделение химической энергии ВВ происходит из твердой фазы на поверхности камеры. Приобретая скорость в направлении оси за счет выталкивания из зазора сегмент-лайнер, струи сталкиваются, образуя плазменный фокус. Плазма выходит через отверстие, разлетаясь в окружающую среду. Фотохронографическим способом измерялась скорость истечения плазмы.

Реализация способа с помощью ВПГ показала его эффективность. В эксперименте без выходной труби плазма, преодолевая противодавление ударно сжатого воздуха (P 800 атм), разлетаясь, возбуждая в воздухе ударную волну со скоростью, превышающей 50 км/с (в ВПГ, заполняемом обычным газом, эта скорость порядка 40 км/c). Плотность плазмы в струе больше, чем на порядок, по сравнению со случаем, когда ВПГ заполнен газом или невзрывчатым твердым веществом, а скорость превышает скорость в случае обычного газа и примерно та же, что в случае взрывного газа, то есть плотность энергии возрастает примерно на порядок. Соответственно возрастает и КПД ВПГ, что, в частности, позволяет реализовать те же параметры плазмы при меньших весах устройства; расширяются области применения ВПГ и снижаются требования к окружающим условиям при применении ВПГ.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать более высокую плотность струи и плотность энергии плазмы, ранее недостижимую с помощью подобного способа при заполнении камеры ВПГ невзрывчатым веществом, что расширяет область применения подобных устройств и увеличивает КПД при упрощении устройства.