УСТРОЙСТВО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖИМАЕМОСТИ ГАЗОВ В ОБЛАСТИ СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ
SPHERICAL DEVICE FOR STUDY OF GASES COMPRESSIBILITY IN HIGH PRESSURE RANGE

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической 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 мегабарно-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 неидеальной плазмы водорода, дейтерия и инертных газов, сжатой мощными ударными волнами. Существенно большие 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 от геометрического центра устройства ударных волн.
Использованное в работе В.П. Копышев, В.Д. Урлин. Изэнтропическая сжимаемость и уравнение состояния водорода до давления 1 ТПа. В монографии: Ударные волны и экстремальные состояния вещества. Под ред. В.Е. Фортова, Л.В. Альтшулера, Р.Ф. Трунина, А.И. Фунтикова. М.: «Наука», 2000, с. 297-314 - устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит сферический заряд взрывчатого вещества (ВВ), охватывающий металлическую оболочку с полостью для исследуемых газов. Сжатие газа в полости оболочки осуществляется серией сферически сходящихся и отраженных от центра устройства ударных волн, циркулирующих в объеме газа, и под действием стальной оболочки, сходящейся к центру. Этот процесс близок к изэнтропическому, так как после прохождения первой ударной волны дальнейшее сжатие газа происходит практически без заметного набора энтропии. Напуск газа в полость сферической оболочки производится посредством системы наполнения через металлический трубопровод, который проходит через заряд ВВ и оболочку.
Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является нежелательное струйное течение из области расположения трубопровода, образующееся при детонации заряда ВВ. Это течение было выявлено в ходе экспериментов с полусферическим макетом устройства-прототипа, в котором в полости металлической оболочки размещали индикаторную оболочку (фиг. 1). На фиг. 2 отчетливо видно возмущение на индикаторной оболочке (показано стрелкой), вызванное струей из области расположения трубопровода. Такая струя засоряет полость с исследуемым газом и существенно ухудшает точность эксперимента.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности проводимого эксперимента.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в обеспечении высокой чистоты сжимаемого газа за счет ликвидации образования газометаллической струи из трубопровода.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, содержащем заряд ВВ, охватывающий металлическую оболочку с полостью для напуска газа посредством трубопровода, проходящего через указанные заряд и оболочку, новым является то, что трубопровод выполнен расходящимся под заданным углом к оси трубопровода с образованием в оболочке отверстий, вдоль трубопровода установлен металлический стержень.
Выполнение трубопровода указанным образом с одновременным размещением стержня вдоль его оси позволяет при схлопывании стенок трубопровода под действием заряда ВВ снизить геометрическую кумуляцию энергии на оси трубопровода, где происходит фокусировка ударных волн. При этом не создаются условия для образования газо-металлической кумулятивной струи, т.е. обеспечивается высокая чистота сжимаемого газа. Наличие отверстий, расходящихся под заданным углом от оси трубопровода, позволяет заполнить полость оболочки исследуемым газом.
Установка внутри металлического стержня термопары позволяет измерить начальную температуру газа в эксперименте.
На фиг. 1 приведена конструкция полусферического макета устройства-прототипа, на фиг. 2 - рентгенограмма опыта с указанным макетом, на фиг. 3 - конструкция заявляемого устройства, на фиг. 4 - рентгенограмма опыта с заявляемым устройством.
Устройство состоит из заряда ВВ 1 сферической формы, охватывающего металлическую оболочку 2 с полостью 3 для напуска газа от системы наполнения через трубопровод 4, проходящий через заряд ВВ 1 и оболочку 2. Вдоль оси трубопровода 4 установлен полый металлический стержень 5, внутри которого размещена термопара 6. Со стороны полости 3 трубопровод 4 выполнен расходящимся под заданным углом к оси трубопровода, например ~45°, с образованием в оболочке 2 отверстий 7, через которые в полость 3 поступает исследуемый газ. Количество отверстий 7 и угол их расхождения выбираются исходя из геометрических размеров устройства. На фиг. 3 показан наиболее технологичный вариант выполнения конца трубопровода 4 в виде усеченного конуса. Допускается выполнять конец трубопровода 4 цилиндрическим.
Заявленное устройство работает следующим образом. При подрыве заряда ВВ 1 детонационная волна создает серию сферически сходящихся и отраженных от центра устройства ударных волн, циркулирующих в объеме газа и сжимающих его. Сжатие газа дополнительно осуществляется под действием оболочки 2, сходящейся к центру. Одновременно с этим детонационная волна скользит вдоль стенок трубопровода 4 и последовательно обжимает его стенки по направлению к металлической оболочке 2. При этом конструкция трубопровода 4 устраняет образование газометаллической струи из него, что обеспечивает чистоту исследуемого газа и, как следствие, повышение точности проводимого эксперимента.
Представленная на фиг. 4 рентгенограмма эксперимента, проведенного с заявляемым устройством, свидетельствует об отсутствии струйного течения из области трубопровода 4.