УСТРОЙСТВО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖИМАЕМОСТИ ГАЗОВ В ОБЛАСТИ МЕГАБАРНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов 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.
Известно устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений (М.А.Мочалов, Р.И.Илькаев, В.Е.Фортов и др. Термодинамические свойства неидеальной плазмы гелия при квазиизэнтропическом сжатии в 575 раз давлением 3000 ГПа, 2015, письма в ЖЭТФ, т. 101, вып. 8, с. 575-582), выбранное в качестве наиболее близкого аналога, содержащее сферический заряд взрывчатого вещества (ВВ), охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку с полостями для исследуемых газов. Сжатие газа в полости внутренней оболочки осуществляется серией сферически сходящихся и отраженных от центра устройства ударных волн, циркулирующих в объеме газа, и под действием стальных оболочек, сходящихся 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 полости сферических оболочек производится посредством системы наполнения по коаксиальному трубопроводу, который проходит через заряд ВВ и оболочку. Металлическая оболочка каждого каскада включает две полуоболочки, соединенные между собой посредством электронно-лучевой сварки.
Недостатком устройства, выбранного в качестве наиболее близкого аналога, является низкая прочность сварного шва полуоболочек, который при электронно-лучевой сварке имеет «игольчатую» структуру, наиболее подверженную охрупчиванию при воздействии на него изотопов водорода. Кроме того, технологически невозможно выполнить сварной шов на всю толщину материала. В таком случае высока вероятность разрушения сварного шва при напуске изотопов водорода высокого давления во внутренние полости устройства.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении несущей способности (прочности) двухкаскадного сферического экспериментального устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, содержащем заряд ВВ, охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку с полостями для напуска газа посредством коаксиального трубопровода, проходящего через указанные заряд и оболочку, при этом каждый каскад металлической оболочки включает две соединенные между собой полуоболочки, новым является то, что соединение полуоболочек осуществляют посредством пайки медью в вакууме по цилиндрической поверхности большой протяженности.
Применение пайки позволяет сохранить однородную структуру материала оболочек вблизи шва, менее подверженную водородному охрупчиванию. Ширина паяного шва в заявляемом устройстве 5-7 раз превышает толщину сварного шва в устройстве-аналоге. Тангенциальное расположение паяного соединения позволяет добиться его прочности, сравнимой с прочностью сплошного материала. Все в совокупности повышает прочность двухкаскадного сферического экспериментального устройства.
На фиг. 1 приведено устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений (в плоскости поперечного сечения). На фиг. 2 и 3 представлены рентгенограммы эксперимента, где пунктиром обозначена наружная граница сжатой полости с изотопом водорода - дейтерием.
Устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений (фиг. 1) содержит заряд ВВ 1 сферической формы, охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку 2, 3 с полостями 4, 5 для напуска газа, коаксиальный трубопровод 6.
Каждый каскад 2 (3) металлической оболочки включает две соединенные между собой соответствующие полуоболочки 7 и 8 (9 и 10).
Полуоболочки 7 и 8 (9 и 10) соединяют посредством пайки медью в вакууме по цилиндрической поверхности большой протяженности. При пайке внутреннего сферического каскада в качестве припоя применяется медная фольга толщиной 0.05 мм, которая закладывается в зазор между полуоболочками. Для наружного каскада используется медно-германиевый припой в виде фольги толщиной 0,05 мм, имеющий температуру плавления ниже, чем температура плавления чистой меди. Пайка обеих полостей оболочек осуществляется в вакууме.
Коаксиальный трубопровод 6 проходит через заряд ВВ 1 сферической формы и предназначен для напуска газа в полости 4 и 5. При этом внешний трубопровод соединен с оболочкой 2, а внутренний удлинен в полость 4 и соединен с оболочкой 3. Такое расположение трубопровода обеспечивает возможность заполнения полостей 4 и 5 разными газами или исследуемым газом при различных начальных давлениях, что повышает информативность эксперимента.
Предварительно изготовленная оболочка 3 отдельно проверяется на прочность и герметичность. Окончательное испытание всего устройства осуществляется после размещения оболочки 3 в полости оболочки 2.
Заявленное устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений работает следующим образом. Предварительно полости 4 и 5 заполняют дейтерием при давлении 400 и 40 атм соответственно. При подрыве заряда ВВ 1 детонационная волна проходит оболочку 2 и формирует в ней ударную волну, последовательно сжимающую газ в полостях 4 и 5. При отражении ударной волны от геометрического центра в полости 5 формируется серия сферически сходящихся и отраженных ударных волн, циркулирующих в объеме газа и сжимающих его. Дополнительное сжатие газа осуществляется под действием оболочек 2 и 3, сходящихся к центру. При этом коаксиальная конструкция трубопровода 6 устраняет образование газометаллической струи из него, что обеспечивает чистоту исследуемого газа в полости 4 и, как следствие, повышение точности проводимого эксперимента.
Начальные параметры газа - давление и температура - фиксируются в реальном времени.
Заявляемое устройство позволило в два раза увеличить (с 250 до 500 атм) начальное давление изотопов водорода в полостях металлических оболочек. Представленные на фиг. 2 рентгенограммы эксперимента, проведенного с заявляемым устройством, свидетельствует о надежной регистрации газовой полости.