УСТРОЙСТВО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖИМАЕМОСТИ ГАЗОВ В ОБЛАСТИ МЕГАБАРНЫХ ДАВЛЕНИЙ
SPHERICAL DEVICE FOR RESEARCHING COMPRESSIBILITY OF GASES IN THE MEGABAR PRESSURE RANGE

Изобретение относится к области исследований сжимаемости газов в мегабарной области давлений, в частности для квазиизэнтрогшческого сжатия гелия до давлений выше 200 мегабар.
Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний изотопов водорода, как одного из элементов энергетики будущего, является сегодня основным источником информации о поведении сильно сжатой плазмы в области высоких температур и давлений мегабарного уровня.
Существующие цилиндрические (патент RU 2471545, публик. 10.01.2013) и сферические устройства (RU 2545289, публик. 27.03.2015) для квазиизэнтропического сжатия содержат заряд мощного взрывчатого вещества (ВВ) и металлическую камеру высокого давления с газовой полостью. Для повышения уровня достигаемых давлений при снижении его необратимого нагрева такие камеры выполняют многокаскадными (патент RU 168263, публик. 25.01.2017), а между камерой и зарядом ВВ могут располагаться прокладки из материалов с низким динамическим импедансом - оргстекло, капролон или газ. При этом, верификацию уравнений состояния исследуемых газов и их смесей осуществляют сравнением расчетной и экспериментально измеренной диаграммой сжатия газовой полости (патент RU 2660884, публик. 10.07.2018). Критерием корректности проводимых расчетов является воспроизведение динамики движения ударных волн, лайнеров и сжатия полости с газом на всех стадиях работы устройства вплоть до момента, когда происходит остановка и последующий разлет после его торможения на исследуемом газе.
Известно устройство сферической формы для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов в области мегабарных давлений (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., «Измерение квазиизэнтропической сжимаемости газообразного гелия при давлении - 10 ТПа», Письма в ЖЭТФ 108, стр. 692-696, 2018 г.), выбранное в качестве наиболее близкого аналога. Устройство содержит сферический заряд взрывчатого вещества, охватывающий двухкаскадную металлическую камеру с двумя полостями для исследуемых газов. Каждый каскад включает две стальных полуоболочки, соединенных между собой посредством пайки медью в вакууме. Напуск газа в указанные полости производят посредством системы наполнения по трубопроводу, который проходит через заряд ВВ и оболочку. Сжатие исследуемого газа в полости внутреннего каскада осуществляется серией сферически сходящихся и отраженных от центра устройства ударных волн, циркулирующих в объеме газа, и под действием двух каскадов, сходящихся к центру. Этот процесс близок к изэнтропическому, так как большая часть набора энтропии газа происходит при прохождении первой ударной волны.
Для достижения более высоких давлений в исследуемом газе при использовании ближайшего аналога необходимо повышать мощность ВВ и уменьшать диаметр внутреннего каскада. При этом уменьшается радиус остановки этого каскада до предельных значений, допустимых для их разрешения используемой аппаратурой с возрастанием возмущений, что является недостатком данного устройства.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства для исследования сжимаемости газов путем расширения диапазона термодинамического давления, реализующегося в газовой полости устройства в момент максимального сжатия, при сохранении размеров газовой полости в момент максимального сжатия.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений, содержащем заряд ВВ, охватывающий двухкаскадную металлическую камеру с полостями для напуска газа посредством коаксиального трубопровода, проходящего через заряд и камеру, каждый каскад которой включает две соединенные между собой полуоболочки, новым является то, что двухкаскадная камера содержит внутреннюю оболочку из сплава вольфрама, которая имеет меньшую толщину, чем наружная и окружена демпфирующей оболочкой из капролона, которая одновременно является крепежным элементом внутреннего каскада в полости внешнего каскада, при этом полуоболочки каскадов соединены между собой посредством лазерной сварки в вакууме.
Выполнение оболочки из сплава вольфрама (ВНЖ-95) и окружение внутреннего каскада сферической капролоновой оболочкой, с помощью которой осуществляется крепление вольфрамовой оболочки во внешнем каскаде и обеспечивается дополнительное смягчение при передаче кинетической энергии от первого каскада ко второму, приводит к уменьшению необратимого нагрева исследуемого газа по сравнению с конструкцией без нее, а утоненная вольфрамовая оболочка второго каскада -к увеличению передаваемой ей кинетической энергии. В совокупности это обеспечивает технический результат расширения диапазона реализуемых давлений.
Заявляемое устройство поясняется фигурой, где:
1 - заряд ВВ;
2 и 5 - газовые полости;
3 - внутренний каскад двухкаскадного устройства;
4 - оболочка из капролона;
6 - внешний каскад двухкаскадного устройства;
7 - прокладка из оргстекла;
8 - трубопровод для напуска газа.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить нагружающее устройство для квазиизэнтропического сжатия гелия до давлений выше 200 Мбар
Устройство сферической формы содержит заряд ВВ 1 сферической формы, охватывающий оболочку из оргстекла 7, которая в свою очередь охватывает двухкаскадную металлическую камеру 3, 6 с полостями 2, 5 для напуска газа, трубопровод 8. Второй каскад металлической камеры 3 охватывается оболочкой из капролона 4. Каждый каскад 3 (6) металлической камеры включает две полуоболочки, соединенные между собой посредством лазерной сварки в вакууме. Трубопровод 8 проходит через заряд ВВ 1 сферической формы и предназначен для напуска газа в полости 2 и 5. Испытание всего устройства на прочность и герметичность осуществляется после размещения оболочки 3 в полости оболочки 6.
Заявленное устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений работает следующим образом. Предварительно полости 2 и 5 заполняют исследуемым газом (например, гелием) при давлении 250 атм. При подрыве заряда ВВ 1 детонационная волна проходит оболочку из оргстекла 7 и первый каскад металлической оболочки 6 и формируется в ударную волну, последовательно сжимающую газ в полостях 2 и 5. При отражении ударной волны от геометрического центра в полости 2 формируется серия сферически сходящихся и отраженных ударных волн, циркулирующих в объеме газа и сжимающих его. Дополнительное сжатие газа осуществляется под действием оболочек 3 и 6, сходящихся к центру. Капролоновая оболочка 4 обеспечивает дополнительное смягчение при передаче кинетической энергии от первого каскада металлической оболочки 6 ко второму 3, что приводит к уменьшению необратимого нагрева исследуемого газа 2 по сравнению с конструкцией без подобной оболочки и увеличению кинетической энергии, передаваемой второму каскаду металлической оболочки и, как следствие, увеличению давления, реализующегося в газовой полости 2 в момент максимального сжатия.
Заявляемое устройство позволило расширить диапазон термодинамического давления, реализующегося в газовой полости устройства в момент максимального сжатия, при сохранении размеров газовой полости в момент максимального сжатия. Так, например, в сферическом устройстве из статьи (ЖЭТФ 160, 735-756. 2021) в момент максимального сжатия с радиусом остановки ~ 3,8 мм реализуется давление газа ~ 18000 ГПа. а в предлагаемом изобретении при радиусе остановки ~ 4,2 мм реализуется давление - 22000 ГПа.