УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАЗИИЗЭНТРОПИЧЕСКОЙ СЖИМАЕМОСТИ ГАЗОВ
APPARATUS FOR INVESTIGATING QUASI-ISENTROPIC COMPRESSIBILITY OF GASES

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений.
Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний газов, реализующихся в звездах и атмосферах планет-гигантов, является сегодня основным источником информации о поведении сильно сжатой плазмы в области высоких температур и давлений мегабарного уровня.
Известные цилиндрические и сферические устройства для квазиизэнтропического сжатия содержат заряд мощного взрывчатого вещества (ВВ) и металлическую камеру высокого давления с газовой полостью. Для повышения уровня достигаемых давлений и чистоты исследуемого газа при снижении его необратимого нагрева такие камеры выполняют многокаскадными, а между камерой и зарядом ВВ могут располагаться прокладки из материалов с низким динамическим импедансом - оргстекло, полиэтилен или газ. При этом верификация уравнений состояния исследуемых газов и их смесей осуществляется сравнением расчетной и экспериментально измеренной диаграмм сжатия газовой полости. 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 дальнейший разлет после торможения сжимающего лайнера на исследуемом газе. Однако существующие методики определения положения границ сжимающих оболочек либо носят дискретный характер, либо дают косвенный результат, поскольку применяются в специально спроектированных устройствах, не позволяющих непосредственно измерить сжимаемость вещества.
Известно устройство для регистрации состояния, симметрии и динамики движения лайнеров в газовой среде (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др. «Квазиизэнтропическая сжимаемость дейтерия в области давлений ~ 12 ТПа», Письма в ЖЭТФ 107, стр. 173-179, 2018 г.), содержащее основание, выполненное в виде диска, на котором размещены полусферический заряд ВВ, в полости которого осесимметрично установлены полусферические оболочка из материала с низким акустическим импедансом и первый стальной лайнер, электроконтактные датчики, размещенные на одной из границ лайнера первого каскада, измерительный приемник с датчиками-коллиматорами, установленными симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин-интерферометра. Устройство снабжено вторым, установленным осесимметрично в полости лайнера первого каскада, полусферическим стальным лайнером с отверстиями для регистрации скорости движения лайнера первого каскада, с помощью датчиков гетеродин-интерферометра, электроконтактные датчики дополнительно установлены на наружной границе оболочки, основание выполнено из стали сплошным, на его поверхности под лайнером второго каскада симметрично относительно оси устройства выполнена полость, в которой герметично закреплен полусферический сегмент из кварцевого стекла, центр которого расположен внутри полости, образованной внутренней поверхностью второго каскада и основанием. Образованная полость предназначена для напуска в нее газа под высоким начальным давлением, при этом датчики измерительного приемника установлены в основании по нормали и без зазора к поверхности сегмента кварцевого стекла. В устройстве регистрируют время и разновременность выхода ударной волны на поверхности оболочки из материала с низким динамическим импедансом, состояние, симметрию и динамику движения внутренних границ обоих металлических лайнеров.
Недостатком этого устройства является невозможность измерить сжимаемость исследуемого газа.
Известно устройство для измерения сжимаемости дейтерия в области давлений до 5500 ГПа (Мочалов М.А., Илькаев Р.И., Фортов В.Е„ Михайлов А.Л., Бликов А.О., Огородников В.А., Грязнов В.К., Иосилевский И.Л. «Квазиизэнтропическая сжимаемость сильнонеидеальной плазмы дейтерия при давлениях до 5500 ГПа: эффекты неидеальности и вырождения», ЖЭТФ 151, стр. 592-620, 2017 г.), представляющее собой две цилиндрические оболочки и стержень, пространство между которыми заполняется исследуемым газом, расположенные соосно друг другу, в цилиндрической оболочке из вещества с низким динамическим импедансом (оргстекло) и внутри цилиндрического заряда ВВ, на внутренней и наружной поверхностях оболочки из оргстекла расположены электроконтактные датчики для регистрации времен прихода ударной и детонационной волн соответственно, также на внутренней поверхности внутренней оболочки расположены пьезо- и электроконтактные датчики для регистрации прихода ударной волны на эту поверхность и определения начала ее движения. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатком выбранного аналога является ограниченность получаемой информации о движении внутренней поверхности сжимающей оболочки из-за дискретности срабатывания датчиков и большой погрешности определения момента выхода первой ударной волны (в силу ее малой интенсивности) на внутреннюю поверхность внутренней оболочки.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании устройства для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов повышенной информативности, в частности, обеспечивающего измерение параметров движения внутренней сжимающей оболочки и температуры в газовой полости в одном эксперименте.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении информативности за счет получения в одном эксперименте более полной совокупности данных, необходимых для калибровки газодинамических расчетов.
Данный технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов, содержащем цилиндрический заряд взрывчатого вещества, внутри которого коаксиально последовательно установлены цилиндрические прокладка из материала с низким динамическим импедансом, первая и вторая стальные оболочки, в полости второй стальной оболочки вдоль продольной оси устройства для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов установлен металлический стержень, один конец которого закреплен в первом торцевом фланце, при этом на внутренней и наружной поверхностях прокладки расположены электроконтактные датчики, а один из торцевых фланцев выполнен с возможностью напуска газа, отличающееся тем, что дополнительно введен измерительный приемник, установленный вдоль продольной оси устройства для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов последовательно через зазор с металлическим стержнем, при этом измерительный приемник выполнен в виде стальной трубки, в которой установлены датчики-коллиматоры, расположенные по схеме гетеродин-интерферометра, и световоды пирометра, один конец стальной трубки герметично закреплен во втором торцевом фланце, а на другом конце через прозрачную прокладку установлено зеркало в виде усеченного конуса, при этом датчики-коллиматоры установлены с возможностью обеспечения зондирования внутренней поверхности второй стальной оболочки.
Установка электроконтактных датчиков на внутренней и наружной поверхностях прокладки, выполненной из вещества с низким динамическим импедансом, датчиков-коллиматоров, расположенных по схеме гетеродин-интерферометра, световодов для пирометра и зеркала, перенаправляющего лучи гетеродин-интерферометра по нормали к внутренней поверхности второй стальной оболочки, в измерительном приемнике позволяет в эксперименте измерять время и разновременность начала движения прокладки и второй стальной оболочки, регистрировать диаграмму скорости W(t) движения внутренней границы второй стальной оболочки и дополнительно непрерывно регистрировать яркостную температуру газа на фронте ударной волны. По W(t) диаграммам можно сделать заключение о состоянии второй стальной оболочки (наличие откола, «пыления»), степени чистоты исследуемого газа, симметрии и динамике движения сжимающей второй стальной оболочки. Кроме того, факт обрыва регистрации датчиками-коллиматорами можно использовать для оценки термодинамической температуры газа на фронте ударной волны в предположении, что плазменная частота совпадает с частотой зондирующего излучения. Указанное значение температуры зависит от начальных условий и типа используемого газа, а значит, позволяет провести верификацию используемых уравнений состояния газов и, в совокупности с пирометрическими данными, определить коэффициент серости ударной волны в плазме.
Таким образом, конструкция заявляемого устройства позволяет регистрировать следующую информацию: время и разновременность выхода детонационной и ударной волн на границы оболочки из материала с низким динамическим импедансом и второй стальной оболочки, яркостную температуру газа, симметрию и динамику движения внутренней границы второй стальной оболочки, проводить оценки термодинамической температуры и коэффициента серости на фронте ударной волны в газе.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой схематично изображен вариант реализации заявляемого устройства для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов, и фиг. 2, на которой приведена расчетная диаграмма движения границ оболочек и ударных волн в устройстве, положение приемника и предполагаемый результат измерения датчиками-коллиматорами.
Устройство для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов содержит цилиндрический заряд ВВ 1, прокладку 2, первую стальную оболочку 3, вторую стальную оболочку 4, металлический стержень 5, измерительный приемник (стальная трубка 6, датчики-коллиматоры 7, световоды 8 пирометра, прозрачная прокладка 9, зеркало 10), первый 11 и второй 12 торцевые фланцы, электроконтактные датчики 13.
Внутри заряда ВВ 1 коаксиально последовательно установлены цилиндрические прокладка 2, первая 3 и вторая 4 стальные оболочки. В полости второй стальной оболочки 4 вдоль продольной оси устройства для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов установлен металлический стержень 5, один конец которого закреплен в первом торцевом фланце 11.
Прокладка 2 выполнена из материала с низким динамическим импедансом, например, оргстекла, полиэтилена. На внутренней и наружной поверхностях прокладки 2 расположены электроконтактные датчики 13.
Первый 11 и второй 12 торцевые фланцы выполнены герметизирующими, в одном из которых установлены один или два штуцера, подключаемые к системе газонаполнения.
Измерительный приемник выполнен в виде стальной трубки 6, в которой установлены датчики-коллиматоры 7, расположенные по схеме гетеродин-интерферометра, и световоды 8 пирометра. Один конец стальной трубки 6 герметично закреплен во втором торцевом фланце 12, а на другом конце стальной трубки 6 через прозрачную прокладку 9 установлено зеркало 10 в виде усеченного конуса. Датчики-коллиматоры 7 установлены с возможностью обеспечения зондирования внутренней поверхности второй стальной оболочки 4.
Измерительный приемник (6, 7, 8, 9, 10) установлен вдоль продольной оси устройства для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов последовательно через зазор с металлическим стержнем 5.
Внутренняя поверхность первой стальной оболочки 3 и внешняя поверхность второй стальной оболочки 4 вместе с фланцами 11 и 12 образуют полость 14 для напуска симметризующего газа.
Внутренняя поверхность второй стальной оболочки 4 вместе с фланцами 11 и 12 образует полость 15 для напуска исследуемого газа.
В качестве датчиков-коллиматоров 7 применяются PDV-датчики, Металлический стержень 5 выполняют из стали.
Прозрачная прокладка 9 может быть выполнена из органического или кварцевого стекла.
Световоды 8 пирометра предназначены для подключения к пирометру (на фигуре 1 не показан).
Устройство для исследования квазиизэнтропической сжимаемости газов работает следующим образом.
Предварительно на заряд ВВ 1 устанавливают систему инициирования 16. В полость 14 через торцевой фланец (11 или 12), содержащий штуцеры системы наполнения, закачивают симметризующий газ, а в полость 15 - исследуемый газ.
После срабатывания системы инициирования 15 в заряде ВВ 1 образуется цилиндрическая детонационная волна, которая при подходе к наружной границе прокладки 2 создает в ней ударную волну, распространяющуюся далее последовательно через первую стальную оболочку 3, полость 14 с симметризующим газом, вторую стальную оболочку 4, полость 15 с исследуемым газом, стержень 5 или конструкцию измерительного приемника (6, 7, 8, 9, 10). Затем ударная волна отражается от продольной оси устройства и продолжает процесс распространения. При выходе ударной волны на границы прокладки 2 с установленными электроконтактными датчиками 13 происходит их замыкание. После начала движения внутренней поверхности второй стальной оболочки 4 посредством датчиков-коллиматоров 7 регистрируют скорость ее движения. При схождении оболочек происходит рост давления в исследуемом газе, приводящий к остановке второй стальной оболочки. Яркостную температуру исследуемого газа на фронте ударной волны регистрируют с помощью световодов 8 пирометра. При достижении определенных значений температуры и степени ионизации газа происходит исчезновение сигнала, регистрируемого датчиками-коллиматорами 7, по которому проводится оценка термодинамической температуры исследуемого газа.
На фиг. 2 приведена расчетная диаграмма движения границ оболочек устройства, ход ударных волн, положение приемника и предполагаемый результат измерения датчиками коллиматорами 7.
Анализ фиг. 2 подтверждает, что заявляемое устройство позволяет регистрировать параметры движения сжимающей оболочки 4 непрерывно на протяжении более чем половины всего времени ее движения до момента максимального сжатия, вплоть до прихода первой ударной волны в исследуемом газе к измерительному приемнику (6, 7, 8, 9, 10). Дальнейший ход движения сжимающей оболочки 4 в предложенной постановке можно регистрировать, например, с помощью рентгенографической установки РФЯЦ-ВНИИЭФ, позволяющей проводить измерения вплоть до 9 моментов времени.
В итоге, в одном эксперименте регистрируется информативная совокупность данных, необходимых для калибровки расчетных кодов.