УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ ВЕЩЕСТВА
DEVICE FOR COMPRESSING SUBSTANCE

Изобретение относится к области физики сверхсильных импульсных магнитных полей, давление которых может быть использовано для изучения свойств вещества при сжатии импульсным давлением и получения веществ с новыми свойствами.
Традиционно для создания сильных импульсных давлений в веществе используется взрыв заряда взрывчатого вещества ВВ, в том числе, сохраняя сжимаемый образец в специальной ампуле сохранения. Известно устройство для реализации изобретения по патенту РФ №2122050 «Способ получения искусственных алмазов» авторов О.Б.Дреннова и др., кл. МПК С30В 29/04, В01J 3/08, опубликовано в бюл. №32, 1998 г. Подготовленный образец размещают в герметичную ампулу сохранения, а импульсное воздействие осуществляют ударной волной взрыва внешнего заряда взрывчатого вещества ВВ (либо при непосредственном контакте ВВ с корпусом ампулы, либо при торможении лайнера, разгоняемого продуктами взрыва о корпус ампулы). Параметры заряда ВВ выбирают из условия получения давления и температуры ударной волны в образце, достаточных для реализации фазового перехода графита в алмаз. Основные недостатки данного устройства - микроскопические размеры образца трансформируемого вещества и присущий самому методу сжатия сильный разогрев сжимаемого вещества под действием ударной волны, что, в частности, не позволяет достичь необходимых для получения новых неизвестных фаз сильных сжатий легкосжимаемых веществ.
Наиболее близким к заявляемому устройству является изобретение по авторскому свидетельству №1588243 «Устройство для сжатия вещества» авторов А.И.Павловского и др., кл. МПК Н01N 11/00, опубликовано в бюл. №4, 1995 г. Устройство по прототипу содержит источник импульсного магнитного поля и, по меньшей мере, один образец вещества. Источником импульсного магнитного поля является магнитокумулятивный генератор сверхсильных магнитных полей МК-1, состоящий из проволочного многозаходного, многослойного соленоида с изолирующим слоем и обратным выводом и кольцевого заряда ВВ с системой инициирования сходящейся цилиндрической волны детонации. Внутри источника расположена проводящая оболочка с образцом сжимаемого вещества. Оболочка выполнена двухслойной с внутренним слоем толщиной 0,3-0,6 общей толщины, причем внутренний слой выполнен из материала с общей плотностью и меньшей проводимостью, чем материал внешнего слоя. Недостатком данного устройства является ограничения, связанные с сохранением исследуемого образца после снятия нагрузки, т.е. после взрыва заряда ВВ массой в несколько кг. Если даже расположенный внутри взрываемого кольца ВВ образец сохранился после взрыва, то направление, в котором он вылетает из зоны взрыва, совершенно неизвестно, поэтому неизвестно где расположить улавливатели образца или его частей.
При создании данного изобретения решалась задача сохранения образца в эксперименте с устройством изэнтропического сжатия.
Техническим результатом при решении данной задачи является создание устройства с направленным вдоль оси движением образца, что позволяет определить место установки улавливателей образца.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для сжатия вещества, которое содержит источник импульсного магнитного поля с зарядом ВВ и, по меньшей мере, один образец вещества, в заявляемом устройстве на его оси расположен токопроводящий стержень с каналами для размещения образцов, а в центральной части стержня выполнено кольцевое сужение, образованное конусами, вершины которых обращены друг к другу. Кроме того, длина кольцевого сужения выполнена равной диаметру стержня. Толщина стенки над каналом в стержне в месте расположения образца выполнена больше толщины скин-слоя. Длина стержня выполнена больше длины заряда ВВ импульсного источника магнитного поля.
Для того чтобы на вещество в магнитном поле действовало давление поля, образец вещества помещается в проводящую оболочку (трубку), экранирующую объем образца от магнитного поля. Сжатие вещества давлением импульсного сверхсильного магнитного поля обладает рядом преимуществ перед другими импульсными способами создания давлений мегабарного диапазона. Процесс сжатия образца в существенной степени изэнтропический: доля теплового давления в полном давлении порядка процента и менее, что особенно важно при сжатии легкосжимаемых веществ. Размеры образцов существенно макроскопические - сантиметрового масштаба. Микросекундный масштаб времени процесса сжатия позволяет надеяться на успешное завершение процессов фазовых переходов в сжимаемом веществе и при наличии соответствующих диагностик зарегистрировать переход и измерить параметры новой фазы. В заявляемом устройстве амплитуда импульса давления достигает 5 Мбар.
Для того чтобы при любом режиме нагружения гарантировать сохранность центральной части оболочки с образцом от разрушения магнитным полем и взрывом, образец помещают в трубку сжатия с увеличенной толщиной стенки, т.е. в качестве трубки используют стержень с каналами для образцов. Толщина стенки над каналом выбирается больше толщины скин-слоя тока, экранирующего магнитное поле в стержне, чтобы полностью заэкранировать объем образца и достичь максимального давления в образце. При этом гарантируется сохранение какого-то слоя стенки над каналом и тем более образца от плавления и испарения. Длина стержня выбирается больше длины заряда ВВ (фактически больше длины объема сжимаемого магнитного поля генератора МК-1) - это позволяет увеличить инертную массу и соответственно уменьшить скорость вылетающих частей стержня с образцом и упростить задачу их улавливания.
В центральной, т.е. в средней по длине части стержня выполняется локальное уменьшение диаметра в виде обращенных вершинами друг к другу конусов. Следствием этого локального уменьшения диаметра стержня, во первых, будет изменение распределения магнитного поля в области сужения: однородно распределенное прежде магнитное поле проникает в область сужения, искривляется и давление магнитного поля приобретает направленную вдоль оси составляющую. Во вторых, менее прочное место соединения частей разрушится в первую очередь, разделяя обе части стержня. Наконец, само взрывное схлопывание лайнера генератора МК-1 становится неоднородным вдоль оси с образованием движущихся вдоль оси продуктов взрыва. Все это в совокупности приводит к тому, что две разделившиеся части станут двигаться вдоль оси в обе стороны генератора МК-1. Теперь, когда известно направление движения частей с образцами, их можно ловить известными способами, например мешками с сыпучими малоплотными материалами.
Полная длина локального уменьшения - суммарная высота конусов - выбирается порядка начального диаметра стержня. В этом случае разница в величине магнитного поля у оснований и у вершины конусов, определяющая величину осевой составляющей магнитного давления, достаточно велика (30-50%), и в это же время в стержне можно поместить, например, два сжимаемых образца по обе стороны утонченной части, отступив на несколько миллиметров от оснований конусов. Большая (более 11 см) длина однородно сжимаемой части оболочки генератора МК-1 (объема максимального магнитного поля генератора) позволяет разместить и утонченную часть стержня, и образцы длиной в несколько начальных диаметров. В этом случае сжатие образца будет однородным на значительной его длине.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство для сжатия вещества.
На фиг.2 изображено продольное сечение устройства для сжатия без локального утоньшения и заявляемого устройства в момент времени, близкий максимуму давления.
На фиг.3 изображены поперечное сечение стержня с каналами и образцами и сохраненные фрагменты стержня с образцами после эксперимента.
На фиг.1, 2, 3 обозначено:
1 - источник импульсного магнитного поля МК-1;
2 - заряд ВВ;
3 - токопроводящий стержень;
4 - каналы с образцами вещества;
5 - кольцевое сужение;
6 - силовая линия магнитного поля.
Заявляемое устройство для сжатия вещества содержит импульсный источник магнитного поля - магнитокумулятивный генератор МК-1 1, который содержит заряд ВВ 2 и, по меньшей мере, один образец вещества 4. На оси устройства расположен токопроводящий стержень 3 с каналами для размещения образцов 4. В центральной части стержня 3 выполнено кольцевое сужение 5, образованное конусами, вершины которых обращены друг к другу. Длина кольцевого сужения 5 выполнена равной диаметру стержня 3. Толщина стенки над каналом 4 в стержне 3 в месте расположения образца выполнена больше толщины скин-слоя. Длина стержня 3 выполнена больше длины заряда ВВ 2.
В примере реализации заявляемого устройства источником импульсного магнитного поля служил однокаскадный вариант магнитокумулятивного генератора МК-1 магнитных полей 10 мегагауссного диапазона (А.И.Павловский и др. Каскадный магнитокумулятивный генератор сверхсильных магнитных полей. В кн.: Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. М.: Наука, 1984, с.19-22). Начальный внутренний диаметр лайнера генератора 139 мм, длина кольца ВВ 180 мм, масса ВВ 16 кг, начальное магнитное поле 170 кГс. На оси генератора крепился медный стержень диаметром 25 мм и длиной 250 мм. Стержень состоял из двух частей собственно стержня с каналами для образцов вещества - в одном канал по оси диаметром 13 мм и длиной 60 мм, в другом - четыре канала параллельно оси длиной 60 мм: два диаметром 7 мм и два диаметром 5 мм. Таким образом, в половине стержня с одним каналом толщина стенки над каналом 6 мм, а минимальная толщина стенки во второй половине стержня ~3.5 мм, что в 3-5 раз больше толщины скин-слоя тока когда магнитное поле в генераторе более 1 МГс. Эти части стержня соединялись вставкой с усеченными конусами с общей длиной конусов 25 мм и диаметром вершины 2 мм, что обеспечило механическую прочность стержня в целом. В качестве сжимаемого вещества был выбран графит реакторной чистоты. На расстоянии примерно 1 м по обе стороны от генератора МК-1 в области проекции его оси размещались несколько мешков объемом 40-60 л с песком и древесными опилками.
Работает заявляемое устройство следующим образом. В лайнере генератора МК-1 создается начальное магнитное поле, а в заряде ВВ 2 возбуждается сходящаяся цилиндрическая волна детонации так, чтобы она вышла на внутреннюю поверхность лайнера к моменту максимума начального магнитного поля. Под действием давления продуктов детонации ВВ лайнер, схлопываясь к центру, усиливает начальное магнитное поле. Быстрорастущее магнитное поле не проникает в канал с образцом 4, в результате стенки канала и, следовательно, образец сжимаются под действием давления магнитного поля. В процессе усиления магнитного поля, когда оболочка генератора МК-1 достаточно близко подлетает к стержню, обусловленная сужением стержня локальная неоднородность магнитного поля достигает заметной величины, магнитное поле в области сужения искривляется, возникает продольная (вдоль оси) составляющая магнитного давления. Под действием продольной составляющей магнитного давления на стержень обе его части разделяются и движутся в разные стороны вдоль оси генератора. За время работы генератора МК-1 обе половины стержня набирают достаточную скорость вдоль оси, вылетают за пределы генератора и попадают в мешки улавливателя. В двух проведенных демонстрационных экспериментах были сохранены все части стержня - и с каналами с образцами, и без каналов.
Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве созданы условия для направленного разлета образцов исследуемого вещества, что позволило сохранить и исследовать новые фазы вещества после воздействия давлением сверхсильного магнитного поля.