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

Полезная модель относится к области исследования термодинамических и кинематических параметров ударно-сжатых легких 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.
3
Известно устройство для измерения параметров ударно-сжатых легких газов высокой начальной плотности (патент на полезную модель №102806, опубликованный 10.03.2011 в Бюл. №7), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит корпус, часть которого выполнена полусферической формы с образованием полости для накачки исследуемого газа (водород, дейтерий, гелий) с высокой начальной плотностью, близкой к плотности газов в конденсированном состоянии, которая получена предварительным сжатием газов до давлений выше 1000 ат. Внутри полости осесимметрично размещены полусферические экран и обойма с эталонными образцами из материала экрана. Кроме того, устройство содержит металлическое основание и световоды, закрепленные в обойме и основании. 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. Оптическое окно, герметично закрепленное на поверхности основания со стороны полости корпуса, защищает световоды, закрепленные в основании, от их выдавливания из отверстий высоким начальным давлением газа и тем самым сохраняет герметичность конструкции. При этом обеспечивается и вывод излучения фронта ударной волны в исследуемом газе и его передача на регистрирующую аппаратуру. С использованием известного устройства достигнута плотность ударно-сжатых дейтерия и гелия 0,3 и 0,5 г/см при давлениях 90 и 120 ГПа соответственно (С.К.Гришечкин, С.К.Груздев, В.К.Грязнов 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).
3
3
3
О
о
ж
Для получения более высоких плотностей (до 1 г/см) и давлений (выше 120 ГПа) ударно-сжатых легких газов необходимо повышение их начальной плотности, которая может быть достигнута увеличением начального давления газа выше 3000 ат. Однако конструкция известного устройства на такие давления не рассчитана. Заявленные параметры можно получить при допустимом начальном давлении, если охладить исследуемый газ до температуры То≈80 К с помощью жидкого азота. При этом уже при начальном давлении газа, например, дейтерия, Р=2000 ат и указанной выше температуре начальная плотность газа составляет ρ=0,23 г/см, что превышает начальную плотность жидкого дейтерия (ρ=0,17 г/см). Это и позволит в эксперименте получить заявленные параметры ударно-сжатого газа. Однако реализовать данное предложение в известной конструкции не удалось, т.к. при охлаждении указанного устройства до температуры жидкого азота разрушается клеевое соединение стекло-металл из-за различных коэффициентов их линейного расширения.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании высоконадежной конструкции, выдерживающей начальное давление газа до 3000 ат при охлаждении конструкции до температуры жидкого азота (То≈80 К).
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 для вывода излучения фронта ударной волны на регистрирующую аппаратуру, закрепленные в обойме и основании, а каждый световод выполнен из двух частей, установленных напротив друг друга по обе стороны от оптического окна, новым является то, в устройство введено второе окно с отверстиями для прохождения световодов, соединенное с металлическим основанием криогенным клеем, а с первым окном - оптически прозрачным клеем, а для охлаждения устройства в корпусе выполнена полость для жидкого азота.
Введение второго оптического окна с отверстиями для световодов, соединенного с основания криогенным клеем (как правило, непрозрачным), позволяет при охлаждении устройства до температуры жидкого азота устранить разницу в коэффициентах линейного расширения стекла и металлического основания. При этом соединение из двух стекол с одинаковым коэффициентом линейного расширения, выполненное оптически прозрачным клеем, не разрушается при охлаждении и тем самым обеспечивает герметичность конструкции и вывод излучения от фронта ударной волны в исследуемом газе и его передачу 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.
К поверхности основания 2 тонким слоем криогенного клея приклеено оптическое окно 9 с отверстиями для прохождения световодов. Другое окно 10 склеено с окном 9 тонким слоем прозрачного в видимой области спектра клея, а каждый световод в устройстве выполнен из двух частей 7 и 11, установленных напротив друг друга по обе стороны от окна 10: световоды 7 вклеены в латунную обойму 5, а световоды 11 - в основание 2 и окно 9. Для накачки газа в полость корпуса 1 используется трубопровод 12, закрепленный в основании 2. Для охлаждения всего устройства в цилиндрической части корпуса / выполнена полость 13, которая заполняется жидким азотом.
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.
Изготовленное устройство перед проведением экспериментов испытывалось на прочность и герметичность. Исследования показали, что устройство выдержало начальное давление газа ≈3000 атм и охлаждение конструкции до температуры жидкого азота без разрушения и остаточных деформаций.