ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ ГАЗОВ ДО МЕГАБАРНЫХ ДАВЛЕНИЙ
CYLINDRICAL DEVICE TO COMPRESS GASES TO MEGABAR PRESSURES

Изобретение относится к области исследовании квазиизэнтропическои сжимаемости газов, например водорода, дейтерия, гелия и т.д., в мегабарной области давлений.
Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний вещества является сегодня основным источником информации о поведении сильносжатой плазмы газов в области рекордно высоких температур и давлений мегабарного-гигабарного диапазона. Будучи экзотическими для земных условий, эти ультраэкстремальные состояния вполне характерны для большинства астрофизических объектов. Кроме того, с плазмой ультрамегабарного диапазона связываются перспективные энергетические проекты по управляемому термоядерному синтезу с инерционным удержанием плазмы и реализации высокотемпературных состояний в сжатом водороде.
Эти обстоятельства являются постоянно действующим стимулирующим фактором по экспериментальному изучению свойств сильносжатой неидеальной плазмы водорода, дейтерия и инертных газов мощными ударными волнами. Существенно бóльшие давления, превышающие почти на порядок значения давлений однократного ударно-волнового сжатия, при значительном снижении эффектов необратимого нагрева реализуются при квазиизэнтропическом сжатии веществ последовательностью падающих и отраженных ударных волн в устройствах плоской, цилиндрической и сферической геометрии.
Использованное в работе V.E.Fortov, R.I.Ilkaev, V.A.Arinin, V.V.Burtzev, V.A.Golubev, I.L.Iosilevskiy, V.V.Khrustalev, A.L.Mikhailov, M.A.Mochalov, V.Ya.Ternovoi, M.V.Zhernokletov. Phase Transition in Strongly Non-ideal Deutherium Plasma, Generated by Quasiisentropical Compression at Megabars. Phys. Rev. Lett. 99, 185001 (2007) устройство сжатия, выбранное в качестве прототипа, содержит заряд взрывчатого вещества (ВВ), охватывающий цилиндрический корпус с полостью для исследуемых газов, внутри которой коаксиально расположена дополнительная цилиндрическая оболочка. Сжатие газа в данной конструкции осуществляется под действием цилиндрических ударных волн и стальных оболочек, сходящихся к оси устройства. В некоторый момент времени, когда наступает равенство давления внутри сжатого газа и в оболочке, последняя останавливается, а затем разлетается. Такая конструкция позволяет получить высокие (в 10-50 раз) степени сжатия при существенном снижении температуры (примерно в 10 раз) по сравнению со сжатием вещества однократной ударной волной.
Подобные устройства сжатия используются для измерения средней плотности исследуемого газа. В серии экспериментов с помощью жесткого рентгеновского излучения регистрируется движение оболочки, сжимающей исследуемый газ. Из полученной экспериментально R(t) траектории движения находится радиус внутренней границы оболочки со сжатым газом в момент ее "остановки", что позволяет определить среднюю плотность сжатого газа из выражения
О
0
t
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
O
3
3
3
3
где ρ - начальная плотность вещества, R и R- внутренний радиус оболочки в исходном состоянии и в момент ее «остановки» соответственно, n=2 для устройства цилиндрической геометрии. Точность измерения положения границ оболочки, а следовательно, и плотности сжатого газа определяется качеством рентгеновского изображения, а именно контрастом границы газ-оболочка, зависящим от разницы в коэффициентах поглощения рентгеновского излучения газом µ и материалом оболочки µ: (µ-µ)~(ρZ -ρZ )λ. В этом выражении: ρ и ρ - плотности газа и материала оболочки соответственно; Z и Z - атомный номер газа и материала оболочки соответственно, λ - длина волны излучения. Поэтому при исследовании сжимаемости, например, водорода, дейтерия или гелия оправдано применение в устройстве оболочек из стали (ρ=7,8 г/см; Z=26).
Измеренная в эксперименте плотность ρ является одним из параметров, который используется для построения полуэмпирического уравнения состояния (УРС) F=F(ρ, Р), связывающего плотность и давление в исследуемом газе. Вторым параметром такого УРС является давление Р в сжатом газе. Ввиду трудностей прямого измерения давления в ударно-сжатой плазме газов в опыте с устройством сжатия, выбранном в качестве прототипа, давление в плазме определяется из газодинамических расчетов с учетом уравнений состояния, реальных термодинамических и прочностных свойств всех элементов экспериментального устройства.
cp
t
Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является возрастание давления в исследуемом газе при схождении ударной волны к оси устройства, т.е. возникновение геометрической кумуляции энергии волны в газе. В связи с этим среднее значение давления в конечном объеме сжатого газа определяется с большим разбросом. Так, для одного из устройств реализации прототипа, рассчитанная зависимость давления в полости сжатого газа от радиуса показана на фиг.1. Видно, что отклонение рассчитанного профиля давления (кривая 1) от его среднего значения Р (линия 2) в диапазоне, где сосредоточено до 95% массы сжатого газа [R≈0,2 см÷R≈0,8 см], может достигать ~30%. Это слишком большая неопределенность, особенно, если исследуется область теоретически предполагаемого фазового перехода первого рода со скачком плотности в узком интервале давлений.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании устройства сжатия, с помощью которого можно получить зависимость давления в сжатом газе от радиуса полости оболочки на момент ее «остановки», отклонение которого от его среднего значения составляет не более 6%.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в снижении геометрической кумуляции энергии вблизи оси устройства и достижении практически равномерного распределения давления в области сжатого газа на момент его максимального сжатия (момент «остановки» оболочки).
Указанный технический результат достигается тем, что в цилиндрическом устройстве для сжатия газов до мегабарных давлений, содержащем заряд взрывчатого вещества, охватывающий корпус с полостью для исследуемого газа, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная оболочка, новым является то, что вдоль оси устройства расположен цилиндрический металлический стержень.
Для получения возможности одновременно с определением средней плотности на основе рентгенографического измерения радиуса остановившейся оболочки регистрировать электропроводность квазиизэнтропически сжатого газа, концы металлического стержня электрически изолированы от корпуса.
На фиг.1 приведен график рассчитанной зависимости давления в сжатом газе от радиуса полости для устройства прототипа. На фиг.2 схематично изображено цилиндрическое устройство для сжатия газов до мегабарных давлений. На фиг.3 приведен график рассчитанной зависимости давления в сжатом газе от радиуса полости для заявляемого устройства.
Устройство содержит блок цилиндрического ВВ 1, охватывающий корпус 2 с полостью 3, внутри которой коаксиально корпусу размещена дополнительная цилиндрическая оболочка 4. Таким образом, в устройстве конструктивно образованы две коаксиальные полости А и Б для их заполнения исследуемым газом. Корпус 2 устройства изготовлен из высокопрочной стали, способной выдерживать высокое начальное давление газа, деформируясь в упругой области, без разрушения. Оболочка 4 также изготовлена из стали. Требования к ее прочности не предъявляются. Для изменения степени сжатия газа часть ВВ может заменяться прокладкой из диэлектрика 5. Стальные фланцы 6 и гайки 7 используются для герметизации полостей A и Б с исследуемым газом.
Для снижения кумуляции энергии в области газа в полости Б, приводящей к росту давления сжатого газа вблизи оси устройства прототипа, в предлагаемой конструкции вдоль оси закреплен металлический цилиндрический стержень 8, концы которого электрически изолированы от элементов корпуса 2 устройства прокладками 9. Размеры стержня выбираются, исходя из получения заданной величины неопределенности давления с учетом всех конструктивных параметров устройства. Материал стержня выбирается с учетом получения высокого контраста границы стержень (медь или сталь) - газ для данной рентгеновской установки.
Заявленное устройство работает следующим образом. После детонации ВВ возникает цилиндрическая ударная волна, которая, последовательно проходя по элементам устройства, транслируется в газ, находящийся в полости Б, сжимая и нагревая его. При схождении волны к оси устройства в полости Б формируется отраженная от металлического стержня 8 ударная волна, проходящая по уже сжатому и нагретому газу. Этот процесс оказывается близким к квазиизэнтропическому, т.к. после прохождения первой ударной волны дальнейшее сжатие газа в полости Б происходит практически без заметного набора энтропии газа. Таким образом, сжатие газа Б в полости 3 осуществляется системой цилиндрических ударных волн, циркулирующих в его объеме, и стальными лайнерами - корпусом 2 и оболочкой 4, сходящимися под действием продуктов взрыва ВВ к стержню 8.
Введение в устройство цилиндрического металлического стержня 8, размещенного в полости Б, устраняет «особую» область на оси цилиндрического устройства (R=0), где происходит фокусировка ударных волн. При наличии стержня отраженная волна формируется не в «особой» области при R=0, а на границе R*, где R* - радиус стержня. Тем самым снижается геометрическая кумуляция энергии, уменьшается амплитуда отраженной ударной волны и выравнивается распределение давления по радиусу полости со сжатым газом.
Рассчитанная зависимость распределения давления в полости сжатого газа для заявляемого устройства со стержнем приведена на фиг.3. Видно, что в заявляемом устройстве отклонение профиля рассчитанной зависимости давления (кривая 1) от его среднего значения (линия 2) не превышает величины ±4%.
O
Начальные параметры газа, плотность ВВ и фактические размеры экспериментальных устройств контролируются в каждом эксперименте. Температура газа измеряется термопарой Т, закрепленной на трубопроводе на входе в камеру высокого давления. Для контроля давления газа в заполняемом объекте в реальном времени используется тензометрический датчик давления. По измеренным начальным параметрам газа определяется его начальная плотность - ρ.
Для теневой регистрации изображения внутренней границы дополнительной оболочки 4, по которой определяется размер полости со сжатым газом в момент максимального сжатия (момент «остановки»), используется генератор мощных импульсов тормозного излучения. В эксперименте, где исследуемое вещество окружено металлическими оболочками и зарядом ВВ, эта методика измерения средней плотности сжатого газа является единственно возможной.
Введение металлического стержня, изолированного от элементов устройства, позволяет в одном эксперименте, кроме средней плотности, регистрировать электропроводность квазиизэнтропически сжатого газа, что повышает информативность опыта.