УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНО-СЖАТЫХ ЛЕГКИХ ГАЗОВ ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ

Полезная модель относится к области исследования термодинамических и кинематических параметров ударно-сжатых газов, например, водорода, дейтерия и гелия, в мегабарной области давлений.
Актуальность исследований определяется необходимостью разработки представительных уравнений состояния, адекватно оценивающих влияние сильного межчастичного взаимодействия на свойства веществ в труднодоступной для расчетов области неидеальной плазмы высокого давления, образующейся, например, в перспективных энергетических установках. Практика исследований показывает, что для повышения качества модельных уравнений состояния необходима разработка современных систем генерации и диагностики состояний веществ с высокой плотностью энергии, позволяющих получить надежную экспериментальную информацию о кинематических, термодинамических, оптических и электрофизических свойствах неидеальной плазмы, что естественным образом определяет полную характеристику термодинамического состояния вещества.
Использованное в работе С.К.Гришечкин, С.К.Груздев, В.К.Грязнов, М.В.Жерноклетов, Р.И.Илькаев и др. Экспериментальное измерение сжимаемости, температуры и поглощения света в ударно-сжатом плотном газообразном дейтерии. Письма в ЖЭТФ, 2004, т.80, вып.6, с.452-458 устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит корпус, часть которого выполнена полусферической формы с образованием полости для накачки газообразного дейтерия высокой начальной плотности, близкой к плотности жидкого дейтерия. Высокая начальная плотность газообразного дейтерия, близкая к плотности жидкого дейтерия, получена предварительным сжатием газа до давлений выше 1000 атм. Это позволило исключить использование уничтожаемой в опытах дорогой криогенной техники гелиевых температур и дало возможность оценки начальной плотности газообразного дейтерия, которая является одним из параметров, определяющих ход ударной адиабаты, с высокой достоверностью, поскольку в случае газа начальная плотность полностью определяются его начальными давлением и температурой. Кроме того, применение газообразного дейтерия позволяет легко варьировать его исходную начальную плотность путем предварительного сжатия в герметичных полусферических капсулах до различных давлений. Это дает возможность получения разных ударно-сжатых состояний с использованием одного и того же генератора ударных волн. Путем комбинации методов статического и динамического сжатий в экспериментах с газообразным дейтерием удалось достичь давлений мегабарного диапазона.
Внутри полости корпуса осесимметрично размещены полусферические экран и обойма с закрепленными на ней эталонными образцами из материала экрана. Внутри корпуса также установлено основание, ограничивающее полость с исследуемым газом. Для вывода излучения фронта ударной волны, возникающей в газе при нагружении полусферической части корпуса при взрыве заряда мощного взрывчатого вещества, на регистрирующую аппаратуру в указанном устройстве использованы световоды ⌀ 200 мкм, закрепленные в обойме и основании по всей его толщине в отверстиях ⌀ 1 мм. При таком соотношении диаметров световодов и отверстий в основании не обеспечивается с достаточной степенью надежность герметичности полости, что приводит к невозможности удержать заданное начальное давление исследуемого газа в устройстве. Уменьшение диаметра отверстий в основании, изготовленном из высокопрочной стали, приводит к существенному усложнению технологии изготовления и удорожанию устройства.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании высоконадежной конструкции, выдерживающей начальное давление газа до 3000 атм.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в обеспечении герметичности полости с исследуемым газом при сохранении возможности вывода излучения фронта ударной волны на регистрирующую аппаратуру.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения параметров ударно-сжатых легких газов высокой начальной плотности, содержащем корпус, часть которого выполнена полусферической с образованием полости для накачки исследуемого газа, внутри которой осесимметрично размещены полусферические экран и обойма с эталонными образцами из материала экрана; основание и световоды, закрепленные в обойме и основании, для вывода излучения фронта ударной волны на регистрирующую аппаратуру, новым является то, что на поверхности основания со стороны полости корпуса герметично закреплено оптическое окно, а каждый световод выполнен из двух частей, установленных напротив друг друга по обе стороны от окна.
Введение оптического окна, герметично закрепленного на поверхности основания со стороны полости корпуса, позволяет защитить световоды, закрепленные в основании, от их выдавливания из отверстий высоким начальным давлением газа и тем самым сохранить герметичность конструкции. При этом обеспечивается и вывод излучения фронта ударной волны в исследуемом газе и его передача на регистрирующую аппаратуру.
На приведенной фигуре схематично изображена конструкция заявляемого устройства.
Устройство содержит корпус 1, часть которого выполнена полусферической формы с образованием полости для накачки исследуемого газа, и основание 2, изготовленные из высокопрочной стали. Для герметизации основания 2 в корпусе 1 использована самоуплотняющаяся прокладка 3. Внутри корпуса 1 закреплен диск 4, на котором осесимметрично с основанием 1 установлены полусферическая латунная обойма 5 и полусферический экран 6 из алюминия, введенный в устройство для повышения давления ударного сжатия в газе. С помощью диска 4 экран 6 при сборке устройства плотно прижимается к внутренней полусферической поверхности корпуса 1. В латунной обойме 5 под заданными углами вклеены световоды 7, полированные торцы которых с одной стороны установлены заподлицо с обращенной к экрану 6 внешней поверхностью обоймы 5, а с другой - закреплены в отверстиях диска 4. Кроме того, на латунной обойме 5 закреплены эталонные образцы 8 из алюминия известной толщины для оценки параметров ударного сжатия в экране 6. Фиксированное расстояние от внешней поверхности полусферической латунной обоймы 5 до внутренней полусферической поверхности экрана 6 служит базой для измерения скорости ударной волны в исследуемом газе.
На поверхности основания 2 со стороны полости корпуса 1 установлено оптическое окно 9, закрепленное с помощью тонкого слоя прозрачного в видимой области спектра клея, а каждый световод в устройстве выполнен из двух частей 7 и 10, установленных напротив друг друга по обе стороны от окна 9: световоды 7 вклеены в латунную обойму 5, а световоды 10 - в основание 2.
Для накачки газа в полость корпуса 1 используется трубопровод 11, закрепленный в основании 2.
Заявленное устройство работает следующим образом. Под действием продуктов взрыва мощного взрывчатого вещества разгоняется стальной полусферический ударник (на Фигуре не показаны), формирующий при соударении с полусферической частью корпуса 1 ударную волну в нем, которая далее последовательно передается через экран 6 в исследуемый газ (водород, дейтерий, гелий), сжимая и необратимо нагревая его. Световоды 7, расположенные в обойме 5, фиксируют момент появления свечения фронта ударной волны после ее прохождения экрана 6 и эталонных образцов 8 и момент разрушения их торцевых поверхностей под действием ударной волны. Этот оптический метод используется для измерения скорости ударной волны в исследуемом газе и в эталонных образцах 8.
Излучение с одного из световодов 7, расположенного в центре полости, регистрируется высокоскоростным пирометром видимого диапазона спектра; полученная информация используется для определения спектральных температур на фронте ударной волны в исследуемом газе.
Изготовленные устройства перед проведением экспериментов испытывались на прочность и герметичность. Исследования показали, что устройства выдержали давление газа ≈3000 атм без разрушения и остаточных деформаций.