Влияние скорости ввода энергии (индуктивности контура) на генерацию ударной волны и импульса перенапряжения при электрическом взрыве фольги

9. Кимерлинг Л. Точечные дефекты в твердых телах. - М.: Мир, 1979. - 238 с.

10. Карпов В.Г., Клингер М.И. Ионизационный механизм усиления диффузии в полупроводниках // Письма в ЖТФ. - 1980. -Т 6. - № 23. - С. 1436-1442.

11. Винецкий В.Л., Чайка ГЕ. Теория рекомбинационно-стимулированных атомных скачков в кристаллах // Физика твердого тела. - 1986 - Т. 28. - № 11. - С. 3489-3495.

12. Ленченко В.М. Об активации смещений при релаксации электронных возбуждений в твердых телах // Физика твердого тела.

- 1969. - Т. 11. - № 3. - С. 799-805.

13. Степанов В.А. Радиационно-стимулированная диффузия в твердых телах // Журнал технической физики. - 1998. - Т. 68.

- № 8. - С. 67-72.

14. Инденбом В.Л. Новая гипотеза о механизме радиационно-стимулированных процессов // Письма в ЖЭТФ. - 1979. - Т. 5. -№ 6. - С. 489-492.

15. Алукер Э.Д., Гаврилов В.В., Дейч Р.Г., Чернов С.А. Быстропро-текающие радиационно-стимулированные процессы в щелочно-галоидных кристаллах. - Рига: Зинатне, 1987. - 186 с.

16. Оксенгендлер Б.Л. Инверсон-дефектон нового типа // Письма в ЖЭТФ. - 1976. - Т. 24. - № 1. - С. 1215-1218.

17. Мак Б.Т. Радиационная перезарядка примесей в полупроводниках // Журнал технической физики. - 1993. - Т. 63. - № 3. -С. 173-176.

18. Лущик Ч.Б., Лущик А.Ч. Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых телах. - М.: Наука, 1989. -264 с.

19. Лидьярд А. Ионная проводимость кристаллов. - М.: Иностранная литература, 1962. - 222 с.

20. Beniere F. Diffusion in ionic crystals / In: Defects in Insulating Crystals. Proc. of the Intern. Conf. - Riga: Zinatne, 1981. -Р. 657-674.

21. Физика электролитов / Под ред. Дж. Хладик. - М.: Мир, 1978.

- 555 с.

22. Анненков Ю.М., Франгульян ТС., Возняк А.В. Радиационноускоренное спекание порошков // Порошковая металлургия. -1991. - № 8. - С. 15-17.

23. Анненков Ю.М., Франгульян ТС., Столяренко В.Ф. Разрушение радиационных дефектов при электронном облучении KBr // Журнал технической физики. - 1986. - Т 56. - № 6. - C. 1206.

24. Бакий А.С., Лазарев В.А. О влиянии звука на диффузию в твердых телах // Физика твердого тела. - 1984. - Т. 26. - № 8. -С. 2504-2508.

УДК 533.9

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВВОДА ЭНЕРГИИ (ИНДУКТИВНОСТИ КОНТУРА) НА ГЕНЕРАЦИЮ УДАРНОЙ ВОЛНЫ И ИМПУЛЬСА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВЗРЫВЕ ФОЛЬГИ

А.Н. Григорьев*,**, А.В. Павленко*

*РФЯЦ - Всероссийский НИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, г. Снежинск **НИИ высоких напряжений при ТПУ E-mail: alex nick@mail.ru

Экспериментально исследовалось влияние скорости ввода энергии (за счет изменения индуктивности контура) в электрически взрываемую фольгу на профиль (амплитуда, фронт, длительность) генерируемой ударной волны и импульса перенапряжения. Обнаружен физический (Рт=1,17 ГПа) предел для роста импульса давления: при уменьшении индуктивности контура, начиная с -91 нГн, профиль импульса давления остается постоянным. Для импульса перенапряжения данной закономерности обнаружено не было. Выявлено наличие связи между импульсами давления и перенапряжения.

Введение

Явление электрического взрыва проводников (ЭВП) известно уже более 230 лет [1]. Многогранность и необычность явления стимулировали в ХХ в. его детальные исследования с самых различных точек зрения. В настоящее время ЭВП представляет значительный интерес для физики конденсированного состояния, физики плазмы, высокотемпературной теплофизики, высоковольтной электротехники и смежных областей науки [2, 3]. Это обусловлено тем, что вещество проводника успевает пройти все фазовые состояния - от твердого до плазменного за короткий промежуток времени. При этом процессы, которыми сопровождается взрывообразное разрушение проводника (быстрая потеря проводимости, импульс перенапряжения, ударные волны, диспергирование проводника в на-

нопорошок) и последующая стадия разряда по продуктам взрыва (пинч-эффект, импульс рентгеновского излучения) позволяют широко использовать ЭВП в различных областях науки и техники [2-9].

До настоящего времени физическая интерпретация электрического взрыва проводников, несмотря на усилия многих исследователей, является приближенной, и многие процессы, сопровождающие явление ЭВП не могут найти достаточного объяснения в рамках известных физических моделей. В этой связи экспериментальные исследования различных процессов, сопровождающих ЭВП при различных режимах взрыва (различных параметрах RLC-контура), являются актуальными как с научной (для установления физики процессов), так и с практической (для оптимального управления процессами) точек зрения. Одним из таких процессов является генерация ударной волны при ЭВП.

Ударные волны (УВ), инициируемые ЭВП в газовых и, особенно, в конденсированных средах, находят широкое применение в технике и технологии благодаря возможности целенаправленно управлять их характеристиками в широких диапазонах путем изменения как параметров ЯЬС-кон-тура, так и размеров и материала взрываемого проводника. Для примера можно отметить работы по формообразованию различных материалов, сварке металлов, разрушению горных пород, исследованию динамических характеристик материалов и изделий, дефектоскопии и т.д. [2, 7]. Для создания УВ плоской или сложной формы в конденсированных средах используется электрический взрыв фольги (ЭВФ) [9]. Достоинством данного метода является формирование ударной волны с равномерно-распределенным профилем давления по поверхности объекта. При этом сам образец может иметь сложную геометрическую форму.

Влияние параметров ^С-контура (параметров, определяющих скорость ввода в проводник энергии) на генерацию УВ экспериментально практически не изучено. Определенные попытки были предприняты авторами монографий [6-8], но постановка решаемых ими практических задач не предполагала записи профиля ударной волны и изучения влияния на него скорости ввода энергии. Следует указать на работы [9, 10], в которых по экспериментальным измерениям величины удельного импульса давления при различных условиях ЭВФ, рассчитывался профиль и импульс давления. Задача решалась в одномерном магнитогидродинамическом приближении. Наличие большого разброса и погрешности в экспериментальных результатах по измерению удельного импульса давления (+25...40 %), а также сам расчет по этим данным профиля и импульса давления снижает достоверность полученных количественных результатов.

Целью данной работы является экспериментальное изучение влияния индуктивности контура (состоящей из индуктивности фольги и балластной индуктивности) на профиль ударной волны и на импульс перенапряжения при электрическом взрыве фольги.

Методики и описание эксперимента

Для изучения влияния скорости ввода энергии во взрываемую фольгу использовался ^С-контур (рис. 1) [11]. Схематическое изображение экспериментального стенда для измерения профиля УВ приведено на рис. 2. Емкость конденсаторной батареи С0 составляла 79 мкФ (ИК-50-3). Скорость ввода энергии во взрываемую фольгу изменяли путем увеличения или уменьшения индуктивности контура Ьс. Варьирование индуктивности контура Цс осуществлялось за счет изменения индуктивности нагрузки (ЭВФ) Ц и за счет включения в контур дополнительной балластной индуктивности Ьь (ЬС=Ь+Ь,) (рис. 1). Под балластной индуктивностью понималась сумма индуктивностей, состоя-

щая из индуктивности контура без нагрузки (индуктивность кабелей, коллектора, токопроводов, конденсаторной батареи) и дополнительно включенной индуктивности. В случае отсутствия дополнительной индуктивности, под балластной индуктивностью понималась только оставшаяся индуктивность контура без нагрузки. Для коммутации электрической цепи использовался коммутатор со скользящим разрядом по поверхности твердого диэлектрика в воздухе (рис. 2) [11].

Рис. 1. RLC-контур при электрическом взрыве фольги

Эксперименты проводились при зарядном напряжении накопителя 30 кВ. Индуктивность фольги - 5 варьировалась за счет изменения расстояния до обратного токопровода - 8 (рис. 2). Медная фольга -5 толщиной 18 мкм имела размеры 100x100 мм. Расстояние от ЭВФ до обратного токопровода - 8 изменялось в диапазоне 15...40 мм (соответственно, индуктивность фольги Lf составляла 19.76 нГн). Дополнительная индуктивность включалась между коллектором - 4 и взрываемой фольгой - 5 (на рис. 3 дополнительная индуктивность не показана). Величина балластной индуктивности Lb составляла 16, 190, 500 и 1530 нГн. Считалось, что индуктивность Lf фольги не зависит от времени t до момента собственно взрыва. Расчетная величина индуктивности фольги практически полностью совпала с экспериментально измеренной (по результатам опыта короткого замыкания с эквивалентной медной пластиной [11]). Коллектор - 4 представляет собой стальную плиту с канавкой, в которой размещали самоинте-грирующий пояс Роговского - 9 для измерения тока в контуре. Падение напряжения на фольге U(t) измерялось с помощью омического делителя напряжения. Регистрация сигналов проводилась с помощью четырехканального осциллографа Tektronix TDS 2024. Погрешность измерений составляла 10 %.

Рис. 2. Схематическое изображение экспериментального стенда для измерения профиля УВ: 1) емкостной накопитель энергии, 2) высоковольтный электрод, 3) управляющий электрод, 4) коллектор, 5) ЭВФ, 6)диэлектрик, 7) изоляция, 8) обратный токопровод, 9) пояс Роговского, 10) пластина (подложка) из поли-метилметакрилата, 11) датчик давления

Для регистрации импульса давления использовался цилиндрический кварцевый датчик давления в режиме дифференцирования [12]. Для этого на фольгу с одной стороны наклеивалась пластина (подложка) из полиметилметакрилата - 10 толщиной 3 мм, на свободную поверхность которой крепился датчик давления - 11. Диаметр датчика давления составлял 30 мм, толщина (высота) - 5 мм. Время регистрации датчиком импульса давления составляло 0,85 мкс.

Результаты экспериментов

На рис. 3 приведены профили генерируемой при электрическом взрыве фольги ударной волны при различных индуктивностях контура Ьс. Для наглядности начала волн давления сведены в одну точку - к моменту времени 2,45 мкс. Зависимость амплитуды генерируемой УВ от индуктивности контура Ьс=Ь+Ьь приведена на рис. 4, а. Как видно из рис. 3 и 4, а амплитуда УВ с уменьшением Ьс растет до определенного предела Рт= 1,17 ГПа. Длительность фронта импульса давления также сохраняется неизменной (рис. 3 и 4, б). Полученное «насыщение» по амплитуде и форме ударной волны при значениях индуктивности контура Ц,=35,5...91 нГн (рис. 3), очевидно, свидетельствует о реализации предельно возможной скорости физических процессов разрушения проводника (физическое ограничение роста УВ).

------ 1_с = 35,5 .91 нГн

* • * 1_с = 120 нГн

------- Ьс = 220 нГн

------ 1_с = 530 нГн

------- 1_с = 1560 нГн

I

Рис. 3. Профиль волны давления при различных индуктивностях контура Lc

По иному ведет себя импульс перенапряжения (ПН) (рис. 4). В диапазоне варьируемых индуктивностей не удалось обнаружить насыщения по амплитуде импульса ПН (рис. 4, а). При увеличении индуктивности контура за счет Ц (первые четыре точки - Цс=35,5; 40; 91; 120 нГн) и Ц (остальные точки - Хс=220; 530; 1560 нГн), амплитуда импульса ПН, в отличие от импульса давления, изменяется неоднозначно. При увеличении Ц за счет включения в контур дополнительной балластной индуктивности Ц=190 нГн (при Ьс=220 нГн) происходило увеличение импульса ПН (рис. 4, а). Таким об-

разом, импульс ПН неоднозначно связан с индуктивностью контура и зависит, помимо Ци Ьь, еще и от их соотношения. Тем не менее, из рис. 4 следует, что в случае изменения только Ц или только Ьь между импульсами давления и перенапряжения существует корреляция.

Из рис. 4, б, видно, что зависимости длительностей фронтов импульсов давления ¡Гф и перенапряжения ¡щ от индуктивности контура также коррелируют между собой - с ростом индуктивности контура Ьс их длительности увеличиваются.

Рт (ГПа),

а)

1рф (мкс),

б)

Рис. 4. Влияние индуктивности контура на: а) амплитуды и б) длительности фронтов импульсов давления и перенапряжения

Следует отметить, что в работе [13] при измерении импульсов давления и перенапряжения для цилиндрических проводников обнаружена линейная зависимость между амплитудой ударной волны и амплитудой импульса перенапряжения. При изменении материала проводника, его длины и диаметра изменяется только угол наклона линейной зависимости Рт=/(ит).

Наличие связи между амплитудами давления и перенапряжения, а также между длительностями их фронтов свидетельствует о протекании единого процесса разрушения, который определяет как импульс перенапряжения, так и импульс давления.

Выводы

1. Для создания ударной волны плоской или

сложной формы используется электрический

взрыв фольги. Использование электрического взрыва как генератора ударной волны требует знания его оптимальных режимов. С увеличением индуктивности Ьс разрядного ^С-конту-ра, начиная с определенного значения Ь = 100 нГн, происходит значительное снижение амплитуды генерируемой ударной волны.

2. Амплитуда ударной волны с уменьшением Ц растет до определенного предела Рт= 1,17 ГПа. Длительность фронта импульса давления ¡щ также сохраняется неизменной. Полученное «насыщение» по амплитуде и форме ударной волны при значениях индуктивности контура

Ц=35,5...91 нГн свидетельствует о реализации предельно возможной скорости физических процессов разрушения проводника (физическое ограничение роста параметров ударной волны).

3. Минимальная длительность фронта импульса давления составляет ~50 нс, а длительность импульса на полувысоте ~230 нс.

4. Связи между амплитудами давления и перенапряжения, а также между длительностями их фронтов свидетельствуют о протекании единого процесса разрушения, который определяет как импульс перенапряжения, так и импульс давления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nairne E. Electrical experiments by Mr. Edward Nairne // Phil. Trans. Roy. Soc. London. - 1774. - V. 6. - P. 79-89.

2. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 289 с.

3. Асиновский Э.И., Кириллин А.В. Нетрадиционные методы исследования термодинамических свойств веществ при высоких температурах. - М.: Янус-К, 1997. - 158 с.

4. Cho C., Murai K. e. a. Enhancement of energy deposition in pulsed wire discharge for synthesis of nanosized powders // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2004. - V. 32. - № 5. - P. 2062-2067.

5. Волков Г.С., Грабовский Е.В. и др. Методика рентгеновского зондирования излучением X-пинча плазмы многопроволочных сжимающихся лайнеров на установке “Ангара-5-1” // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - № 3. -С. 110-124.

6. Наугольных К.А., Рой Н.А. Электрический разряды в воде. -М.: Наука, 1971. - 155 с.

7. Столович Н.Н. Электровзрывные преобразователи энергии. -Минск: Наука и техника, 1983. - 151 с.

8. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. - 208 с.

9. Острик А.В., Петровский В.П. Особенности откольного разрушения полимерных цилиндрических тел при неосесимметричном импульсном нагружении // Прикладная механика и техническая физика. - 1993. - № 1. - С. 133-137.

10. Зайцев А.Д., Петровский В.П., Сасиновский Ю.К., Холод С.В. Экспериментально-теоретические исследования параметров механических нагрузок, инициируемых электрическим взрывом фольг / http://skh.chat.ru/science

11. Григорьев А.Н., Павленко А.В., Ильин А.П., Карнаухов Е.И. Электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика.

Ч. 2. Исследование сильноточного коммутатора // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. -№ 2. - С. 79-82.

12. Graham R.A., Neilson F.W. Piezoelectric Current from Shock-Loaded Quartz - a Submicrosecond Stress Gauge // J. Appl. Phys. -1965. - V. 36. - № 5. - P. 1775-1783.

13. Lee W.M., Ford R.D. Pressure measurements correlated with electrical explosion of metals in water // J. Appl. Phys. - 1988. - V. 64.

- № 8. - P. 3851-3854.

УДК 621.039.55.001.4:621.3.014.6

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ СИСТЕМ

Ю.В. Бабушкин, В.П. Зимин, Е.А. Хомяков

Томский политехнический университет E-mail: zimin@ido.tpu.edu.ru

Представлена структура программного комплекса для исследования характеристик термоэмиссионных систем. Описан процесс расчета характеристик электрогенерирующей сборки, состоящий из трех этапов: подготовительный, расчетный и визуализации результатов. В качестве иллюстрации возможностей программного комплекса приведены результаты расчета аномальных характеристик электрогенерирующих сборок.

Практическая реализация технологии вычислительного эксперимента базируется на трех составляющих: модели, алгоритмы и программы. Во многих случаях для проведения вычислительных экспериментов достаточно использовать современные математические пакеты, в которых реализованы эффективные и проверенные временем численные методы решения типовых задач. При модели-

ровании сложных физических установок, к которым, безусловно, относятся термоэмиссионные системы, на этапе создания математического описания производится декомпозиция взаимосвязанных процессов по различным критериям, что приводит к созданию множества иерархических моделей [1] и алгоритмов [2] разной степени сложности. Необходимость учета влияния на исследуемые процессы