УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СЖАТИЯ ГАЗА СХОДЯЩИМСЯ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМ ЛАЙНЕРОМ

Полезная модель относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений.
Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний изотопов водорода, как одного из элементов энергетики будущего, является сегодня основным источником информации о поведении сильно сжатой плазмы в области высоких температур и давлений мегабарного уровня.
Существующие цилиндрические устройства и сферические устройства для квазиизэнтропического сжатия содержат заряд мощного взрывчатого вещества (ВВ), и металлическую камеру высокого давления с газовой полостью. Для повышения уровня достигаемых давлений и чистоты исследуемого газа при снижении его необратимого нагрева такие камеры выполняют многокаскадными, а между камерой и зарядом ВВ могут располагаться оболочки из материалов с низким динамическим импедансом - оргстекло, полиэтилен или газ. При этом верификация уравнений состояния исследуемых газов и их смесей осуществляется сравнением расчетной и экспериментально измеренной диаграммой сжатия газовой полости. Критерием корректности проводимых расчетов является воспроизведение динамики движения ударных волн, лайнеров и сжатия полости с газом на всех стадиях работы устройства вплоть до момента, когда происходит остановка и последующий разлет после его торможения на исследуемом газе. Однако, измерение только одних кинематических параметров в газе недостаточно для тестирования его уравнений состояния. Для полного определения уравнения состояния газа необходимо измерение, как минимум, еще одного термодинамического параметра. В патенте №2657353 «Способ определения термодинамических характеристик газообразных веществ при квазиизэнтропических условиях нагружения в мегабарной области давлений» показана такая возможность путем измерения давления. В данной полезной модели предлагается измерение другого независимого термодинамического параметра - яркостной температуры и оценка термодинамической температуры.
Известно устройство для регистрации движения ударной волны по элементам конструкции (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., «Измерение квазиизэнтропической сжимаемости гелия и дейтерия при давлениях 1500-2000 ГПа», ЖЭТФ 142, стр. 696-709, 2012 г.), содержащее полусферический заряд ВВ, установленный на стальном основании в виде диска, в полости которого осесимметрично установлена полусферическая оболочка из оргстекла (материала с низким динамическим импедансом). На наружной и внутренней границах оболочки установлены электроконтактные датчики. В указанном устройстве регистрируют время и разновременность выхода детонационной и ударной волн на наружную и внутреннюю границы прокладки из оргстекла соответственно.
Недостатком такого устройства является ограниченная применимость получаемых результатов ввиду отсутствия в его конструкции камеры высокого давления.
Известно устройство для регистрации динамики движения стальной оболочки - лайнероболочки (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., «Исследование квазиизэнтропической сжимаемости дейтерия и гелия при давлениях 1500-5000 ГПа», ЖЭТФ 146, стр. 169-185, 2014 г.), содержащее размещенные на основании в виде кольца полусферический заряд ВВ, в полости которого осесимметрично последовательно установлены полусферические прокладка (оболочка) из материала с низким динамическим импедансом и стальной лайнер, электроконтактные датчики, размещенные на внутренней границе лайнера, измерительный приемник с датчиками-коллиматорами лазерной доплеровской диагностики (PDV-датчиками), установленными симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин-интерферометра.
Недостатком такого устройства является его низкая информативность: недоступны для регистрации времена выхода ударных волн на границы оболочки из оргстекла и отсутствует газовое наполнение.
Известно устройство для измерения температуры сжатого газа (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., «Термодинамические параметры гелия при ударно-волновом и квазиизэнтропическом сжатиях в области давлений до 4800 ГПа и при степенях сжатий до 900», ЖЭТФ 152, стр. 1113-1130, 2017 г.) содержащее размещенные на основании в виде кольца полусферический заряд ВВ, в полости которого осесимметрично установлены полусферические стальной ударник и корпус камеры, в которой в результате воздействия ударника образуется ударная волна, последовательно передающаяся в алюминиевый экран и газ. Для исключения влияния воздушной ударной волны на результаты эксперимента воздух из полости между ударником и капсулой откачивался до остаточного давления не выше 1350 Па.
Недостатком этого устройства является отсутствие прямого измерения скорости лайнера и невозможность достижения высоких степеней сжатия.
Известно устройство для регистрации состояния, симметрии и динамики движения лайнеров в газовой среде (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., «Квазиизэнтропическая сжимаемость дейтерия в области давлений ~12 ТПа», Письма в ЖЭТФ 107, стр. 173-179, 2018 г.), содержащее основание, выполненное в виде диска, на котором размещены полусферический заряд ВВ, в полости которого осесимметрично установлены полусферические оболочка из материала с низким динамическим импедансом и первый стальной лайнер, электроконтактные датчики, размещенные на одной из границ лайнера первого каскада, измерительный приемник с датчиками-коллиматорами, установленными симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин-интерферометра. Устройство снабжено вторым, установленным осесимметрично в полости лайнера первого каскада, полусферическим стальным лайнером с отверстиями для регистрации скорости движения лайнера первого каскада, с помощью датчиков гетеродин-интерферометра, электроконтактные датчики дополнительно установлены на наружной границе оболочки, основание выполнено из стали сплошным, на его поверхности под лайнером второго каскада симметрично относительно оси устройства выполнена полость, в которой герметично закреплен полусферический сегмент из кварцевого стекла, центр которого расположен внутри полости образованной внутренней поверхностью второго каскада и основанием. Образованная полость предназначена для напуска в нее газа под высоким начальным давлением, при этом датчики измерительного приемника установлены в основании по нормали и без зазора к поверхности сегмента кварцевого стекла. В устройстве регистрируют время и разновременность выхода ударной волны на поверхности оболочки из материала с низким динамическим импедансом, состояние, симметрию и динамику движения внутренних границ обоих металлических лайнеров. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатком известного устройства является низкая информативность проводимых измерений из-за отсутствия измерений яркостной температуры на фронте ударной волны в газе и ограниченности регистрации датчиками PDV, вызванных ионизацией газа в полости между лайнерами.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении информативности измерений при проведении эксперимента, в частности в измерении температуры газа.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении информативности за счет получения в одном эксперименте всей совокупности данных, необходимых для калибровки газодинамических расчетов.
Данный технический результат достигается тем, что в устройстве для регистрации параметров сжатия газа сходящимся полусферическим лайнером, содержащем основание в виде стального диска, на котором симметрично относительно оси устройства установлен полусферический заряд взрывчатого вещества, в полости которого и осесимметрично ему на основании установлен стальной лайнер, между лайнером и зарядом взрывчатого вещества установлена оболочка, выполненная из материала с низким динамическим импедансом, на внутренней и/или наружной поверхностях лайнера и/или оболочки установлены электроконтактные датчики, в основании под лайнером образована полость для напуска газа, в которой герметично закреплен полусферический сегмент кварцевого стекла, в основании под выполненной полостью расположены датчики-коллиматоры гетеродин-интерферометра, которые установлены симметрично относительно оси устройства по нормали и без зазора к поверхности сегмента кварцевого стекла, новым является то, что дополнительно введены световоды для пирометра, которые установлены в основании по нормали и без зазора к поверхности сегмента кварцевого стекла.
Использование всей совокупности признаков заявляемого устройства позволяет наиболее близким образом смоделировать устройство квазиизэнтропического сжатия: осуществить наполнение полости между лайнером и основанием газом с заданными начальными параметрами.
Установка электроконтактных датчиков на внутренней и/или наружной поверхностях лайнера и/или оболочки, датчиков-коллиматоров и световодов пирометра в основании по нормали к поверхности полусферического сегмента кварцевого стекла, герметично закрепленного в основании, без зазора к нему симметрично относительно оси устройства, позволяет в эксперименте измерять время и разновременность начала движения оболочки и лайнера, регистрировать диаграмму скорости W(t) движения внутренней границы металлического лайнера и дополнительно непрерывно регистрировать яркостную температуру газа на фронте ударной волны. По W(t) диаграммам можно сделать заключение о состоянии лайнера (наличие откола, «пыления»), степени чистоты исследуемого газа, симметрии и динамике его движения. Кроме того, факт обрыва регистрации датчиками PDV можно использовать для оценки термодинамической температуры газа на фронте ударной волны в предположении, что плазменная частота совпадает с частотой зондирующего излучения. Указанное значение температуры зависит от начальных условий и типа используемого газа, а значит, позволяет провести верификацию используемых уравнений состояния газов и, в совокупности с пирометрическими, данными определить коэффициент серости ударной волны в плазме.
Таким образом, конструкция заявляемого устройства позволяет регистрировать следующую информацию: время и разновременность выхода детонационной и ударной волн на границы оболочки из материала с низким динамическим импедансом и металлического лайнера, яркостную температуру газа в области полюса, симметрию и динамику движения внутренней границы металлического лайнера, проводить оценки термодинамической температуры и коэффициента серости на фронте ударной волны в газе.
Полезная модель поясняется фигурой, на которой схематично изображен вариант реализации заявляемого устройства.
Устройство для регистрации параметров сжатия газа сходящимся полусферическим лайнером содержит основание 1 в виде стального диска, полусферический заряд ВВ 2, полусферическую оболочку 3, стальной лайнер 4, полусферический сегмент из кварцевого стекла 5, датчики-коллиматоры 6, световоды 7 и электроконтактные датчики 8.
Полусферическая оболочка 3 выполнена из материала с низким динамическим импедансом (например, оргстекла, полиэтилена).
На основании 1 симметрично относительно оси устройства установлен полусферический заряд ВВ 2, в полости которого и осесимметрично ему на основании установлен лайнер 4, между лайнером 4 и зарядом ВВ 2 установлена оболочка 3. На наружной поверхности оболочки 3 и внутренней поверхности лайнера 4 установлены электроконтактные датчики 8. В основании 1 под лайнером 4 выполнена полость для напуска исследуемого газа 9, в которой герметично закреплен полусферический сегмент кварцевого стекла 5 (далее - сегмент 5). Под выполненной полостью в основании 1 установлены датчики-коллиматоры 6 симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин-интерферометра, при этом датчики-коллиматоры 6 установлены по нормали и без зазора к поверхности сегмента 5. Световоды 7, предназначенные для подключения к пирометру, установлены в основании по нормали и без зазора к поверхности сегмента 5.
В качестве датчиков-коллиматоров 6 могут применятся PDV-датчики.
В качестве световодов 7 могут применяться кварц-волоконные датчики, которые устанавливают симметрично относительно оси устройства.
Устройство для регистрации параметров сжатия газа сходящимся полусферическим лайнером работает следующим образом.
Предварительно на заряд ВВ 2 устанавливают систему инициирования 10. В полость, образованную лайнером 4 и основанием 1 через систему наполнения закачивается исследуемый газ 9.
После срабатывания системы инициирования 10 происходит детонация заряда ВВ 2 и образуется полусферическая детонационная волна, которая при подлете к наружной границе оболочки 3 создает в ней ударную волну, распространяющуюся последовательно через материал оболочки 3, лайнера 4 и исследуемый газ 9. При выходе ударной волны на границы оболочки 3 и лайнера 4 с установленными электроконтактными датчиками 8 происходит их замыкание. После начала движения лайнера 4 регистрируется скорость движения его внутренней границы датчиками-коллиматорами 6. Сходящаяся ударная волна приводит к нагреву, свечению и ионизации исследуемого газа 9. Яркостная температура исследуемого газа 9 на фронте ударной волны регистрируется с помощью кварц-волоконных датчиков 5 пирометра. При достижении определенных значений температуры и степени ионизации газа происходит исчезновение сигнала, регистрируемого датчиками-коллиматорами 6, по которому проводится оценка термодинамической температуры.