Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов

 

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 I≥6,8˙10⁷R(ρ)^0,5(λ_cT²)^0,077/μ^0,54 где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м; ρ- плотность рабочего газа, кг/м³; λ- теплопроводность электрода, Вт/(м˙К); с теплоемкость электрода, Дж/(м³˙К); μ- относительная атомная масса рабочего газа; Т=U²ρ_o(γ-1)²/4γn_ok- (температура фронта испарения электродной поверхности); U скорость фронта испарения электродной поверхности; ρ_o плотность электрода, кг/м³;
n_o число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м^-3;
k постоянная Больцмана;
γ- коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, профилирование электродов выполняют в соответствии с требованиями создания поверхности усеченного конуса, угол Ψ при вершине которого, длина образующей l, радиус r выходного отверстия и межэлектродный зазор δ удовлетворяют условиям
Ψ ≥ 2 arctg arctg (U/v),
R-r≥1sin[Ψ/2+arctg(U/v)]
δ≥<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≥ 2·10⁵R, (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,
μ_o магнитная постоянная;
σ- проводимость плазменной оболочки. Формирование кольцевой и однородной ТПО производят в цилиндрической камере 4 на разгонном участке длиной L, где ее скорость изменяется от v_oдо 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 Т_п с помощью механизма ударно-волнового нагрева. Ударная волна, находящаяся во фронте ТПО, нагревает ее до температуры, определяемой по формуле
Т_п=1,14˙10^-5μv²,К,(3) где μ- относительная атомная масса рабочего газа;
v -cкорость ТПО, м/с;
От температуры Т_п 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 T³_п^,5/d ln , Вт·см², (4) где Т_п 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/λ_c)^0,5,(5) где λ- теплопроводность, Вт/(м˙К);
с теплоемкость материала электрода, Дж/)см³˙К)^-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
v≥8,6˙10³(λ_cT²)^0,077/μ^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 Ψ, угол α схождения конической поверхности факельного испарения уменьшится по сравнению с Ψ на величину
ϕ= 2arctg(U/v) (7) и станет равным
α=Ψ-ϕ (8)
Cходящаяся под углом α воронкообразная факельная поверхность 6 металлических паров электрода генерирует направленную вдоль оси кумулятивную металлическую плазменную струю 7, и при условии (7)
α≥ 2 arctg (9)
На основании выражения (7-9) соотношение скоростей факелов и ТПО должно удовлетворять условию
arctg (U/v) ≅ Ψ/2-arctg , (10) причем скорость факелов U рассчитывается согласно выражению (8)
U= [2/γ-1)] [γn_okT/ρ_o] ^0,5, (11) где n_о число атомов в единице объема электрода при нормальных условия;
ρ_o плотность электрода;
k постоянная Больцмана;
γ- 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 ρ с границей зоны сгребания R (9)
v=I(μ_o/8π²R²ρ)^0,5,(12) где μ_о=4π˙10^-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
I≥6,8˙10⁷R(ρ)^0,5(λ_cT²)^0,077/μ^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( α/2), (15) то
R-r≥lsin[Ψ/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 τ 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
τ=l/v≅U/δ,(17) где δ- межэлектродный зазор. Отсюда минимальный межэлектродный зазор в камере формирования ТПО выбирают в соответствии с выражением
δ≥Ul/x, (18)
П р и м е р. Если материал электрода медь, температура испарения меди Т 2868 К, λ= 3,85˙10² Вт/м.К), с 3,47˙10⁶ Дж/(м³˙К). Для рабочего газа водорода μ= 1 и согласно уравнению (6)
v ≥1,48˙10⁵ м/с, а согласно уравнению (11)
U≈10⁴ м/с. На основании уравнений 10, 14 и 16 рассчитываем профиль конической электродной поверхности: угол при вершине Ψ≅74^о, и для длины образующей l 10 см (если требуется кумулятивная струя такой длины) и радиуса выходного отверстия r 0,5 см найдем R≅6,5 см, причем межэлектродный зазор δ≥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
I≥2,6 МА. Скорость потока ионов меди найдем по уравнению (15) для α 70^о:
W10⁴˙ctg35^o=1,43˙10⁴м/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 δ, 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≥ 6,8·10⁷R(ρ)^0,5(λcT²)^0,077/μ^0,54,
где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м;
ρ плотность рабочего газа, кг/м³;
l теплопроводность электрода, Вт/(м · К);
c теплоемкость электрода, Дж/(м³ · К);
m относительная атомная масса рабочего газа;
T=U²ρ_o(γ-1)²/4γn_ok
(температура фронта испарения электродной поверхности);
где V скорость фронта испарения конической электродной поверхности;
ρ_o плотность электрода, кг/м³;
n₀ число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м^-3;
k постоянная Больцмана;
γ коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла,
при этом размеры конической электродной поверхности выбирают из соотношений


R-r≥ lsin[Ψ/2+arctg(U/v),
δ≥ lU/v,
где V скорость токовоплазменной оболочки,
U/=I(μ_o/8π²R²ρ)^0,5;
μ_o=4π·10^-7 Гн/м -(магнитная постоянная).

РИСУНКИ

Рисунок 1