Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов
Патент 1753926
Авторы
Классы МПК
Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов
Реферат
Использование: генерация рентгеновского излучения для рентгенолитографии, устройства плазменного напыления, ускорение микрочастиц, импульсные плазмоэрозионные двигатели. Сущность изобретения: кольцевой плазменный слой с током порядка мегаампер направляют вдоль металлической конической поверхности и вызывают ее кипение в результате воздействия тормозного излучения и электронной теплопроводности. Образующийся конический сверхзвуковой факельный фронт испарения, двигаясь к оси, создает в момент кумуляции плотную плазменную гиперзвуковую струю ионов металла. Найдено выражение для необходимого разрядного тока в зависимости от электрофизических констант испаряемой электродной поверхности. Размеры электродной поверхности, в том числе образующая, диаметры, угол при вершине, определены по соотношению скоростей плазменного слоя и факельного испарения. Повышение скорости металлической плазмы достигнуто за счет перевода в сверхзвуковую область режима испарения электродной поверхности и организации косоугольного течения. Увеличение массы ускоряемой металлической струи происходит в результате существенного повышения температуры испаряемой поверхности за счет увеличения скорости кольцевого плазменного слоя. 1 ил.
Изобретение относится к импульсной плазмодинамике, в частности к кумулятивным процессам при косых симметричных столкновениях, и может найти применение в разработке устройств генерации гиперскоростной металлической плазмы с высокой удельной плотностью энергии. Известен способ получения металлических кумулятивных струй путем соударения металлических пластин облицовки конической или клиновидной выемок в кумулятивном заряде бризантного ВВ в процессе его направленного подрыва, инициируемого плоской детонационной волной, распространяющейся в направлении оси выемки. Недостатком указанного способа является снижение скорости с увеличением массы и длины струи, а также невозможность многоразового использования устройства из-за его полного разрушения при взрыве. Известен способ генерации потока плазмы металла в коаксиальных ускоряющих устройствах путем монтажа в межэлектродном пространстве металлической фольги, разряда конденсаторной батареи на электроды ускорителя, испарения фольги в разряде и ускорения ее металлических паров пондеромоторными силами. Однако малоподвижные тяжелые металлические пары испаренной фольги, оставаясь в тылу токов плазменной оболочки, шунтируют ее передний фронт, препятствуя выносу тока с плазмой и существенно снижая направленную скорость. Кроме того, фольга, взрываясь и испаряясь под действием электрического тока, имеет значительный разлет, что существенно снижает плотность ускоряемой металлической плазмы, Наконец, из-за разрушения фольги применяемые устройства не позволяют использовать их многократно. Известен способ образования металлического плазменного шнура ионов высокой зарядности, при котором неподвижный цилиндр ионизованных паров металла создается путем нагревания токово-плазменной оболочкой (ТАО) конической поверхности электрода, ее факельного испарения и формирования остроугольного течения. Однако описанный способ не обеспечивает генерацию гиперскоростного непрерывного потока плазмы металла. Цель изобретения повышение скорости и массы ускоряемой плазмы металла, а также увеличение ее импульса в условиях неразрушаемости основных элементов конструкции для выполнения устройств многократного действия. Поставленная цель достигается тем, что ток разрядной цепи устанавливают по соотношению I6,8107R()0,5(cT2)0,077/0,54 где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м; - плотность рабочего газа, кг/м3; - теплопроводность электрода, Вт/(мК); с теплоемкость электрода, Дж/(м3К); - относительная атомная масса рабочего газа; Т=U2o(-1)2/4nok- (температура фронта испарения электродной поверхности); U скорость фронта испарения электродной поверхности; o плотность электрода, кг/м3; no число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м-3; k постоянная Больцмана; - коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, профилирование электродов выполняют в соответствии с требованиями создания поверхности усеченного конуса, угол при вершине которого, длина образующей l, радиус r выходного отверстия и межэлектродный зазор удовлетворяют условиям 2 arctg arctg (U/v), R-r1sin[/2+arctg(U/v)] <N>lU/v, где v скорость токово-плазменной оболочки. Технических решений, связанных с наличием перечисленных отличительных признаков и позволяющих достичь поставленную цель, в других областях науки и техники авторами не обнаружено. Установление тока разрядной цели не ниже указанного предела при профилировании электродов согласно перечисленным требованиям обеспечивает нагрев электродной поверхности до необходимой температуры Т и получение соответствующих скоростей токово-плазменной оболочки v и паров металла U испаряющейся электродной поверхности. Принципиальное отличие предложенного способа от используемых в настоящее время состоит в том, что он позволяет осуществить непрерывно действующее устройство, в отличие от одноразовых, полностью разрушаемых (при взрыве) или разрушаемых частично (требующих замены испаряемой фольги). Кроме того, предложенный способ позволяет увеличить полный импульс плазмы металла за счет увеличения скорости и длительности истечения (здесь, конечно, не рассматриваются способы с применением ВВ). На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа. Устройство содержит электроды 1 и 2, причем исходя из требуемого элементного состава ионов гиперзвуковой плазмы подбирают материал собственно электрода 2 или его поверхностного слоя. К электродам через коммутатор Р подключен емкостный накопитель С. Способ осуществляют следующим образом. Кольцевую и однородную ТПО 3 формируют путем заполнения межэлектродного пространства рабочим газом до давления p и разряда на электроды батареи конденсаторов С с током I, определяемым радиусом R внешнего электрода и начальным давлением рабочего газа p, I 2105R, (1) где R измеряется в м, а p в Па. Исключительная важность соблюдения этого соотношения определяется необходимостью однородного распределения плотности тока в кольцевом плазменном слое для однородного и симметричного испарения электродной поверхности. В связи со снижением радиуса внешнего электрода при движении ТПО в коническом коаксиальном электродном устройстве ток в оболочке может снижаться в соответствии с синусоидальным законом для LC-колебаний разрядного контура. Толщина S кольцевой ТПО и время ее теплового воздействия на находящуюся под ней электродную поверхность, равное tS/v, где v скорость оболочки, определяется по формуле для толщины скин-слоя LC-колебаний S I/, (2) где f частота разрядного тока, o магнитная постоянная; - проводимость плазменной оболочки. Формирование кольцевой и однородной ТПО производят в цилиндрической камере 4 на разгонном участке длиной L, где ее скорость изменяется от voдо v. К моменту окончания этого процесса сформированную ТПО толщиной S со скоростью v и током I направляют в ту часть электродного устройства, где происходит тепловая обработка его поверхности. Направление кольцевой ТПО из камеры ее формирования в камеру 5 испарения электродной поверхности выполняют путем профилирования путей скольжения ТПО либо в пределах одной пары электродов, либо нескольких в зависимости от их формы, размеров и конструкции стыковочных узлов. Существуют различные варианты выполнения стыковки электродных устройств и их секций, в которых решаются эти две задачи формирование однородной кольцевой ТПО, а также нагрев до кипения электродной поверхности и ее испарение. В конкретном варианте способа, приведенного на чертеже, показан упрощенный вариант, когда обе секции формирования ТПО и испарения электродной поверхности расположены эквидистантно. Сверхзвуковое факельное испарение 6 конической электродной поверхности создают путем нагревания кольцевой ТПО до температуры Тп с помощью механизма ударно-волнового нагрева. Ударная волна, находящаяся во фронте ТПО, нагревает ее до температуры, определяемой по формуле Тп=1,1410-5v2,К,(3) где - относительная атомная масса рабочего газа; v -cкорость ТПО, м/с; От температуры Тп ТПО зависит интенсивность процессов прогрева находящейся под ней электродной поверхности. Их сравнительный анализ показывает, что главным является механизм электронной теплопроводности. Вызываемый ею поток тепла на электрод Q 89 T3п,5/d ln , Втсм2, (4) где Тп температура ТПО, эВ; d тепловая толщина ТПО, как правило, порядка 10-2 см; - кулоновский логарифм, величина которого близка к 10,0. В условиях воздействия на электрод постоянного теплового потока Q температура поверхности изменяется во времени по закону Т=Q(t/c)0,5,(5) где - теплопроводность, Вт/(мК); с теплоемкость материала электрода, Дж/)см3К)-1 t S/v причем толщина оболочки S обычно порядка 1 см. Полагая величину у нижней границей скорости ТПО, когда начинаются кипение электродной поверхности и ее факельное испарение, найдем из выражений (3-5) требуемое минимальное значение скорости ТПО v8,6103(cT2)0,077/0,54,(6) где все величины измерены в системе СИ. Обычно скорость v ТПО больше скорости U факельного испарения поверхности. Поэтому, если угол при вершине конической электродной поверхности равен , угол схождения конической поверхности факельного испарения уменьшится по сравнению с на величину = 2arctg(U/v) (7) и станет равным =- (8) Cходящаяся под углом воронкообразная факельная поверхность 6 металлических паров электрода генерирует направленную вдоль оси кумулятивную металлическую плазменную струю 7, и при условии (7) 2 arctg (9) На основании выражения (7-9) соотношение скоростей факелов и ТПО должно удовлетворять условию arctg (U/v) /2-arctg , (10) причем скорость факелов U рассчитывается согласно выражению (8) U= [2/-1)] [nokT/o] 0,5, (11) где nо число атомов в единице объема электрода при нормальных условия; o плотность электрода; k постоянная Больцмана; - коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, обычно принимают равным 1,25; Т температура электродной поверхности (фронта испарения). Известна связь между скоростью токово-плазменной оболочки и током в ней в режиме полного сгребания рабочего газа плотностью с границей зоны сгребания R (9) v=I(o/82R2)0,5,(12) где о=410-7 Гн/м (магнитная постоянная). Из уравнений (6) и (12) найдем, что ток в оболочке, требуемый для нагрева электрода до заданной температуры фронта испарения электродной поверхности Т, должен удовлетворять неравенству I6,8107R()0,5(cT2)0,077/0,54.(13) Чтобы кумулятивная струя 7 металла была непрерывна, необходимо, чтобы до момента полного захлопывания конусной воронки факельных паров электродов начало кумулятивной струи, движущейся со скоростью W, находилось внутри воронки. Это условие имеет вид , (14) а так как скорость кумулятивной струи (1) W Uctg( /2), (15) то R-rlsin[/2-arctg(U/v)] (16) где R, r и l максимальный и минимальный радиусы, а также образующая конической электродной поверхности. При соблюдении условия (16) достигается максимальный КПД захлопывания воронки. Чтобы факельное испарение проходило со всей конической электродной поверхности, необходимо выполнение условия (1) в течение времени движения ТПО по всей ее длине l. Для этого разрядный ток источника должен быть сосредоточен во фронте ТПО, что осуществимо лишь при условии отсутствия шунтирования оболочки факелами у нее в тылу. Запишем это условие в виде =l/vU/,(17) где - межэлектродный зазор. Отсюда минимальный межэлектродный зазор в камере формирования ТПО выбирают в соответствии с выражением Ul/x, (18) П р и м е р. Если материал электрода медь, температура испарения меди Т 2868 К, = 3,85102 Вт/м.К), с 3,47106 Дж/(м3К). Для рабочего газа водорода = 1 и согласно уравнению (6) v 1,48105 м/с, а согласно уравнению (11) U104 м/с. На основании уравнений 10, 14 и 16 рассчитываем профиль конической электродной поверхности: угол при вершине 74о, и для длины образующей l 10 см (если требуется кумулятивная струя такой длины) и радиуса выходного отверстия r 0,5 см найдем R6,5 см, причем межэлектродный зазор 7 мм. Для R 6,5 см и начального давления водорода в межэлектродном пространстве р 10 мм рт.ст. найдем по уравнению (13) необходимую величину тока I2,6 МА. Скорость потока ионов меди найдем по уравнению (15) для 70о: W104ctg35o=1,43104м/с. Преимущества предлагаемого способа генерации гиперзвукового потока плазмы металла: возможность создания неразрушающих устройств многоразового действия; генерация спектрально чистой металлической плазмы с ионами требуемой зарядности; по сравнению с другими неразрушающими устройствами существенное увеличение массы ускоряемой плазмы, скорости и импульса. Предложенный способ может быть использован в работах по созданию плазменных источников рентгеновского излучения, устройств плазменного напыления, импульсных плазмоэрозионных двигателей, устройств ускорения макрочастиц.
Формула изобретения
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ МЕТАЛЛОВ включающий подачу рабочего газа в разрядный промежуток между коаксиально размещенными профилированными электродами с межэлектродным зазором , формирование кольцевого плазменного слоя путем генерации в разрядном промежутке импульсного газового разряда и его ускорение на разгонном участке электродов при протекании тока с максимальной величиной I в разрядной цепи, факельное испарение конической поверхности внешнего электрода, содержащего рабочий металл и выполненного в форме усеченного конуса с углом при вершине j, длиной образующей l и малым основанием, равным радиусу r выходного отверстия, путем направленного воздействия на нее плазменным слоем и образование кумулятивной плазменной струи путем сверхзвукового схлопывания ионизированных паров металла, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости и массы ускоряемой плазмы металлов, а также обеспечения многоразового использования электродов при многократной генерации потоков плазмы, величину тока I в разрядной цепи выбирают согласно соотношению I 6,8107R()0,5(cT2)0,077/0,54, где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м; плотность рабочего газа, кг/м3; l теплопроводность электрода, Вт/(м К); c теплоемкость электрода, Дж/(м3 К); m относительная атомная масса рабочего газа; T=U2o(-1)2/4nok (температура фронта испарения электродной поверхности); где V скорость фронта испарения конической электродной поверхности; o плотность электрода, кг/м3; n0 число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м-3; k постоянная Больцмана; коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, при этом размеры конической электродной поверхности выбирают из соотношений R-r lsin[/2+arctg(U/v), lU/v, где V скорость токовоплазменной оболочки, U/=I(o/82R2)0,5; o=410-7 Гн/м -(магнитная постоянная).РИСУНКИ
Рисунок 1