RU1753926C - Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов - Google Patents
Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов Download PDFInfo
- Publication number
- RU1753926C RU1753926C SU4798633A RU1753926C RU 1753926 C RU1753926 C RU 1753926C SU 4798633 A SU4798633 A SU 4798633A RU 1753926 C RU1753926 C RU 1753926C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- metal
- electrode
- electrode surface
- current
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Использование: генерация рентгеновского излучения для рентгенолитографии, устройства плазменного напыления, ускорение микрочастиц, импульсные плазмоэрозионные двигатели. Сущность изобретения: кольцевой плазменный слой с током порядка мегаампер направляют вдоль металлической конической поверхности и вызывают ее кипение в результате воздействия тормозного излучения и электронной теплопроводности. Образующийся конический сверхзвуковой факельный фронт испарения, двигаясь к оси, создает в момент кумуляции плотную плазменную гиперзвуковую струю ионов металла. Найдено выражение для необходимого разрядного тока в зависимости от электрофизических констант испаряемой электродной поверхности. Размеры электродной поверхности, в том числе образующая, диаметры, угол при вершине, определены по соотношению скоростей плазменного слоя и факельного испарения. Повышение скорости металлической плазмы достигнуто за счет перевода в сверхзвуковую область режима испарения электродной поверхности и организации косоугольного течения. Увеличение массы ускоряемой металлической струи происходит в результате существенного повышения температуры испаряемой поверхности за счет увеличения скорости кольцевого плазменного слоя. 1 ил.
Description
Изобретение относится к импульсной плазмодинамике, в частности к кумулятивным процессам при косых симметричных столкновениях, и может найти применение в разработке устройств генерации гиперскоростной металлической плазмы с высокой удельной плотностью энергии.
Известен способ получения металлических кумулятивных струй путем соударения металлических пластин облицовки конической или клиновидной выемок в кумулятивном заряде бризантного ВВ в процессе его направленного подрыва, инициируемого плоской детонационной волной, распространяющейся в направлении оси выемки.
Недостатком указанного способа является снижение скорости с увеличением массы и длины струи, а также невозможность многоразового использования устройства из-за его полного разрушения при взрыве.
Известен способ генерации потока плазмы металла в коаксиальных ускоряющих устройствах путем монтажа в межэлектродном пространстве металлической фольги, разряда конденсаторной батареи на электроды ускорителя, испарения фольги в разряде и ускорения ее металлических паров пондеромоторными силами.
Однако малоподвижные тяжелые металлические пары испаренной фольги, оставаясь в тылу токов плазменной оболочки, шунтируют ее передний фронт, препятствуя выносу тока с плазмой и существенно снижая направленную скорость. Кроме того, фольга, взрываясь и испаряясь под действием электрического тока, имеет значительный разлет, что существенно снижает плотность ускоряемой металлической плазмы, Наконец, из-за разрушения фольги применяемые устройства не позволяют использовать их многократно.
Известен способ образования металлического плазменного шнура ионов высокой зарядности, при котором неподвижный цилиндр ионизованных паров металла создается путем нагревания токово-плазменной оболочкой (ТАО) конической поверхности электрода, ее факельного испарения и формирования остроугольного течения.
Однако описанный способ не обеспечивает генерацию гиперскоростного непрерывного потока плазмы металла.
Цель изобретения повышение скорости и массы ускоряемой плазмы металла, а также увеличение ее импульса в условиях неразрушаемости основных элементов конструкции для выполнения устройств многократного действия.
Поставленная цель достигается тем, что ток разрядной цепи устанавливают по соотношению
I≥6,8˙107R(ρ)0,5(λcT2)0,077/μ0,54 где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м;
ρ- плотность рабочего газа, кг/м3;
λ- теплопроводность электрода, Вт/(м˙К);
с теплоемкость электрода,
Дж/(м3˙К);
μ- относительная атомная масса рабочего газа;
Т=U2ρo(γ-1)2/4γnok- (температура фронта испарения электродной поверхности);
U скорость фронта испарения электродной поверхности;
ρo плотность электрода, кг/м3;
no число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м-3;
k постоянная Больцмана;
γ- коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, профилирование электродов выполняют в соответствии с требованиями создания поверхности усеченного конуса, угол Ψ при вершине которого, длина образующей l, радиус r выходного отверстия и межэлектродный зазор δ удовлетворяют условиям
Ψ ≥ 2 arctg arctg (U/v),
R-r≥1sin[Ψ/2+arctg(U/v)]
δ≥<N>lU/v, где v скорость токово-плазменной оболочки.
I≥6,8˙107R(ρ)0,5(λcT2)0,077/μ0,54 где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м;
ρ- плотность рабочего газа, кг/м3;
λ- теплопроводность электрода, Вт/(м˙К);
с теплоемкость электрода,
Дж/(м3˙К);
μ- относительная атомная масса рабочего газа;
Т=U2ρo(γ-1)2/4γnok- (температура фронта испарения электродной поверхности);
U скорость фронта испарения электродной поверхности;
ρo плотность электрода, кг/м3;
no число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м-3;
k постоянная Больцмана;
γ- коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, профилирование электродов выполняют в соответствии с требованиями создания поверхности усеченного конуса, угол Ψ при вершине которого, длина образующей l, радиус r выходного отверстия и межэлектродный зазор δ удовлетворяют условиям
Ψ ≥ 2 arctg arctg (U/v),
R-r≥1sin[Ψ/2+arctg(U/v)]
δ≥<N>lU/v, где v скорость токово-плазменной оболочки.
Технических решений, связанных с наличием перечисленных отличительных признаков и позволяющих достичь поставленную цель, в других областях науки и техники авторами не обнаружено.
Установление тока разрядной цели не ниже указанного предела при профилировании электродов согласно перечисленным требованиям обеспечивает нагрев электродной поверхности до необходимой температуры Т и получение соответствующих скоростей токово-плазменной оболочки v и паров металла U испаряющейся электродной поверхности. Принципиальное отличие предложенного способа от используемых в настоящее время состоит в том, что он позволяет осуществить непрерывно действующее устройство, в отличие от одноразовых, полностью разрушаемых (при взрыве) или разрушаемых частично (требующих замены испаряемой фольги). Кроме того, предложенный способ позволяет увеличить полный импульс плазмы металла за счет увеличения скорости и длительности истечения (здесь, конечно, не рассматриваются способы с применением ВВ).
На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа.
Устройство содержит электроды 1 и 2, причем исходя из требуемого элементного состава ионов гиперзвуковой плазмы подбирают материал собственно электрода 2 или его поверхностного слоя. К электродам через коммутатор Р подключен емкостный накопитель С.
Способ осуществляют следующим образом. Кольцевую и однородную ТПО 3 формируют путем заполнения межэлектродного пространства рабочим газом до давления p и разряда на электроды батареи конденсаторов С с током I, определяемым радиусом R внешнего электрода и начальным давлением рабочего газа p,
I≥ 2·105R, (1) где R измеряется в м, а p в Па.
I≥ 2·105R, (1) где R измеряется в м, а p в Па.
Исключительная важность соблюдения этого соотношения определяется необходимостью однородного распределения плотности тока в кольцевом плазменном слое для однородного и симметричного испарения электродной поверхности. В связи со снижением радиуса внешнего электрода при движении ТПО в коническом коаксиальном электродном устройстве ток в оболочке может снижаться в соответствии с синусоидальным законом для LC-колебаний разрядного контура.
Толщина S кольцевой ТПО и время ее теплового воздействия на находящуюся под ней электродную поверхность, равное tS/v, где v скорость оболочки, определяется по формуле для толщины скин-слоя LC-колебаний
S I/, (2) где f частота разрядного тока,
μo магнитная постоянная;
σ- проводимость плазменной оболочки.
S I/, (2) где f частота разрядного тока,
μo магнитная постоянная;
σ- проводимость плазменной оболочки.
Формирование кольцевой и однородной ТПО производят в цилиндрической камере 4 на разгонном участке длиной L, где ее скорость изменяется от voдо v. К моменту окончания этого процесса сформированную ТПО толщиной S со скоростью v и током I направляют в ту часть электродного устройства, где происходит тепловая обработка его поверхности.
Направление кольцевой ТПО из камеры ее формирования в камеру 5 испарения электродной поверхности выполняют путем профилирования путей скольжения ТПО либо в пределах одной пары электродов, либо нескольких в зависимости от их формы, размеров и конструкции стыковочных узлов. Существуют различные варианты выполнения стыковки электродных устройств и их секций, в которых решаются эти две задачи формирование однородной кольцевой ТПО, а также нагрев до кипения электродной поверхности и ее испарение. В конкретном варианте способа, приведенного на чертеже, показан упрощенный вариант, когда обе секции формирования ТПО и испарения электродной поверхности расположены эквидистантно.
Сверхзвуковое факельное испарение 6 конической электродной поверхности создают путем нагревания кольцевой ТПО до температуры Тп с помощью механизма ударно-волнового нагрева. Ударная волна, находящаяся во фронте ТПО, нагревает ее до температуры, определяемой по формуле
Тп=1,14˙10-5μv2,К,(3) где μ- относительная атомная масса рабочего газа;
v -cкорость ТПО, м/с;
От температуры Тп ТПО зависит интенсивность процессов прогрева находящейся под ней электродной поверхности. Их сравнительный анализ показывает, что главным является механизм электронной теплопроводности. Вызываемый ею поток тепла на электрод
Q 89 T ,5/d ln , Вт·см2, (4) где Тп температура ТПО, эВ;
d тепловая толщина ТПО, как правило, порядка 10-2 см;
- кулоновский логарифм, величина которого близка к 10,0.
Тп=1,14˙10-5μv2,К,(3) где μ- относительная атомная масса рабочего газа;
v -cкорость ТПО, м/с;
От температуры Тп ТПО зависит интенсивность процессов прогрева находящейся под ней электродной поверхности. Их сравнительный анализ показывает, что главным является механизм электронной теплопроводности. Вызываемый ею поток тепла на электрод
Q 89 T
d тепловая толщина ТПО, как правило, порядка 10-2 см;
- кулоновский логарифм, величина которого близка к 10,0.
В условиях воздействия на электрод постоянного теплового потока Q температура поверхности изменяется во времени по закону
Т=Q(t/λc)0,5,(5) где λ- теплопроводность, Вт/(м˙К);
с теплоемкость материала электрода, Дж/)см3˙К)-1
t S/v причем толщина оболочки S обычно порядка 1 см.
Т=Q(t/λc)0,5,(5) где λ- теплопроводность, Вт/(м˙К);
с теплоемкость материала электрода, Дж/)см3˙К)-1
t S/v причем толщина оболочки S обычно порядка 1 см.
Полагая величину у нижней границей скорости ТПО, когда начинаются кипение электродной поверхности и ее факельное испарение, найдем из выражений (3-5) требуемое минимальное значение скорости ТПО
v≥8,6˙103(λcT2)0,077/μ0,54,(6) где все величины измерены в системе СИ.
v≥8,6˙103(λcT2)0,077/μ0,54,(6) где все величины измерены в системе СИ.
Обычно скорость v ТПО больше скорости U факельного испарения поверхности. Поэтому, если угол при вершине конической электродной поверхности равен Ψ, угол α схождения конической поверхности факельного испарения уменьшится по сравнению с Ψ на величину
φ= 2arctg(U/v) (7) и станет равным
α=Ψ-φ (8)
Cходящаяся под углом α воронкообразная факельная поверхность 6 металлических паров электрода генерирует направленную вдоль оси кумулятивную металлическую плазменную струю 7, и при условии (7)
α≥ 2 arctg (9)
На основании выражения (7-9) соотношение скоростей факелов и ТПО должно удовлетворять условию
arctg (U/v) ≅ Ψ/2-arctg , (10) причем скорость факелов U рассчитывается согласно выражению (8)
U= [2/γ-1)] [γnokT/ρo] 0,5, (11) где nо число атомов в единице объема электрода при нормальных условия;
ρo плотность электрода;
k постоянная Больцмана;
γ- коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, обычно принимают равным 1,25;
Т температура электродной поверхности (фронта испарения).
φ= 2arctg(U/v) (7) и станет равным
α=Ψ-φ (8)
Cходящаяся под углом α воронкообразная факельная поверхность 6 металлических паров электрода генерирует направленную вдоль оси кумулятивную металлическую плазменную струю 7, и при условии (7)
α≥ 2 arctg (9)
На основании выражения (7-9) соотношение скоростей факелов и ТПО должно удовлетворять условию
arctg (U/v) ≅ Ψ/2-arctg , (10) причем скорость факелов U рассчитывается согласно выражению (8)
U= [2/γ-1)] [γnokT/ρo] 0,5, (11) где nо число атомов в единице объема электрода при нормальных условия;
ρo плотность электрода;
k постоянная Больцмана;
γ- коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла, обычно принимают равным 1,25;
Т температура электродной поверхности (фронта испарения).
Известна связь между скоростью токово-плазменной оболочки и током в ней в режиме полного сгребания рабочего газа плотностью ρ с границей зоны сгребания R (9)
v=I(μo/8π2R2ρ)0,5,(12) где μо=4π˙10-7 Гн/м (магнитная постоянная).
v=I(μo/8π2R2ρ)0,5,(12) где μо=4π˙10-7 Гн/м (магнитная постоянная).
Из уравнений (6) и (12) найдем, что ток в оболочке, требуемый для нагрева электрода до заданной температуры фронта испарения электродной поверхности Т, должен удовлетворять неравенству
I≥6,8˙107R(ρ)0,5(λcT2)0,077/μ0,54.(13)
Чтобы кумулятивная струя 7 металла была непрерывна, необходимо, чтобы до момента полного захлопывания конусной воронки факельных паров электродов начало кумулятивной струи, движущейся со скоростью W, находилось внутри воронки. Это условие имеет вид
≥ , (14) а так как скорость кумулятивной струи (1)
W Uctg( α/2), (15) то
R-r≥lsin[Ψ/2-arctg(U/v)] (16) где R, r и l максимальный и минимальный радиусы, а также образующая конической электродной поверхности.
I≥6,8˙107R(ρ)0,5(λcT2)0,077/μ0,54.(13)
Чтобы кумулятивная струя 7 металла была непрерывна, необходимо, чтобы до момента полного захлопывания конусной воронки факельных паров электродов начало кумулятивной струи, движущейся со скоростью W, находилось внутри воронки. Это условие имеет вид
≥ , (14) а так как скорость кумулятивной струи (1)
W Uctg( α/2), (15) то
R-r≥lsin[Ψ/2-arctg(U/v)] (16) где R, r и l максимальный и минимальный радиусы, а также образующая конической электродной поверхности.
При соблюдении условия (16) достигается максимальный КПД захлопывания воронки.
Чтобы факельное испарение проходило со всей конической электродной поверхности, необходимо выполнение условия (1) в течение времени τ движения ТПО по всей ее длине l. Для этого разрядный ток источника должен быть сосредоточен во фронте ТПО, что осуществимо лишь при условии отсутствия шунтирования оболочки факелами у нее в тылу. Запишем это условие в виде
τ=l/v≅U/δ,(17) где δ- межэлектродный зазор.
τ=l/v≅U/δ,(17) где δ- межэлектродный зазор.
Отсюда минимальный межэлектродный зазор в камере формирования ТПО выбирают в соответствии с выражением
δ≥Ul/x, (18)
П р и м е р. Если материал электрода медь, температура испарения меди Т 2868 К, λ= 3,85˙102 Вт/м.К), с 3,47˙106 Дж/(м3˙К). Для рабочего газа водорода μ= 1 и согласно уравнению (6)
v ≥1,48˙105 м/с, а согласно уравнению (11)
U≈104 м/с.
δ≥Ul/x, (18)
П р и м е р. Если материал электрода медь, температура испарения меди Т 2868 К, λ= 3,85˙102 Вт/м.К), с 3,47˙106 Дж/(м3˙К). Для рабочего газа водорода μ= 1 и согласно уравнению (6)
v ≥1,48˙105 м/с, а согласно уравнению (11)
U≈104 м/с.
На основании уравнений 10, 14 и 16 рассчитываем профиль конической электродной поверхности: угол при вершине Ψ≅74о, и для длины образующей l 10 см (если требуется кумулятивная струя такой длины) и радиуса выходного отверстия r 0,5 см найдем R≅6,5 см, причем межэлектродный зазор δ≥7 мм.
Для R 6,5 см и начального давления водорода в межэлектродном пространстве р 10 мм рт.ст. найдем по уравнению (13) необходимую величину тока
I≥2,6 МА.
I≥2,6 МА.
Преимущества предлагаемого способа генерации гиперзвукового потока плазмы металла:
возможность создания неразрушающих устройств многоразового действия;
генерация спектрально чистой металлической плазмы с ионами требуемой зарядности;
по сравнению с другими неразрушающими устройствами существенное увеличение массы ускоряемой плазмы, скорости и импульса.
возможность создания неразрушающих устройств многоразового действия;
генерация спектрально чистой металлической плазмы с ионами требуемой зарядности;
по сравнению с другими неразрушающими устройствами существенное увеличение массы ускоряемой плазмы, скорости и импульса.
Предложенный способ может быть использован в работах по созданию плазменных источников рентгеновского излучения, устройств плазменного напыления, импульсных плазмоэрозионных двигателей, устройств ускорения макрочастиц.
Claims (1)
- СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ МЕТАЛЛОВ включающий подачу рабочего газа в разрядный промежуток между коаксиально размещенными профилированными электродами с межэлектродным зазором δ, формирование кольцевого плазменного слоя путем генерации в разрядном промежутке импульсного газового разряда и его ускорение на разгонном участке электродов при протекании тока с максимальной величиной I в разрядной цепи, факельное испарение конической поверхности внешнего электрода, содержащего рабочий металл и выполненного в форме усеченного конуса с углом при вершине j, длиной образующей l и малым основанием, равным радиусу r выходного отверстия, путем направленного воздействия на нее плазменным слоем и образование кумулятивной плазменной струи путем сверхзвукового схлопывания ионизированных паров металла, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости и массы ускоряемой плазмы металлов, а также обеспечения многоразового использования электродов при многократной генерации потоков плазмы, величину тока I в разрядной цепи выбирают согласно соотношению
I≥ 6,8·107R(ρ)0,5(λcT2)0,077/μ0,54,
где R максимальный радиус испаряемой электродной поверхности, м;
ρ плотность рабочего газа, кг/м3;
l теплопроводность электрода, Вт/(м · К);
c теплоемкость электрода, Дж/(м3 · К);
m относительная атомная масса рабочего газа;
T=U2ρo(γ-1)2/4γnok
(температура фронта испарения электродной поверхности);
где V скорость фронта испарения конической электродной поверхности;
ρo плотность электрода, кг/м3;
n0 число атомов в единице объема электрода при нормальных условиях, м- 3;
k постоянная Больцмана;
γ коэффициент адиабаты для ионизованных струй металла,
при этом размеры конической электродной поверхности выбирают из соотношений
R-r≥ lsin[Ψ/2+arctg(U/v),
δ≥ lU/v,
где V скорость токовоплазменной оболочки,
U/=I(μo/8π2R2ρ)0,5;
μo=4π·10-7 Гн/м -(магнитная постоянная).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4798633 RU1753926C (ru) | 1990-03-05 | 1990-03-05 | Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4798633 RU1753926C (ru) | 1990-03-05 | 1990-03-05 | Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU1753926C true RU1753926C (ru) | 1995-08-27 |
Family
ID=30441683
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4798633 RU1753926C (ru) | 1990-03-05 | 1990-03-05 | Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU1753926C (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456782C2 (ru) * | 2010-10-20 | 2012-07-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Способ ускорения макрочастиц |
RU2459394C1 (ru) * | 2010-12-06 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель |
-
1990
- 1990-03-05 RU SU4798633 patent/RU1753926C/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 1591745, кл. H 05G 2/00, H 05H 1/00, 1988. * |
Игенбергс, Джекс, Шрайвер. Ракетная техника и космонавтика, т.13, N 8, 1975, с.73. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456782C2 (ru) * | 2010-10-20 | 2012-07-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Способ ускорения макрочастиц |
RU2459394C1 (ru) * | 2010-12-06 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Russell et al. | Joule heating flow control methods for high-speed flows | |
US2728877A (en) | Apparatus for obtaining extremely high temperatures | |
Aden et al. | Laser-induced plasma formation during pulsed laser deposition | |
JPS59158996A (ja) | 発射体の加速方法と装置 | |
Silnikov et al. | Correction thruster development based on high-current surface discharge in vacuum | |
RU2644798C1 (ru) | Импульсный детонационный ракетный двигатель | |
Wei et al. | Effect of processing parameters on plasma jet and in-flight particles characters in supersonic plasma spraying | |
RU1753926C (ru) | Способ генерации гиперзвуковых потоков плазмы металлов | |
Sokolov | Hydrodynamic cumulative processes in plasma physics | |
Turchi et al. | Review of plasma flow switch development | |
Pavlov et al. | Experimental Research of Dynamics and Macrostructure of Light Erosion Radiative Plasmodynamic Discharges | |
Cheng | Application of a deflagration plasma gun as a space propulsion thruster | |
US4179599A (en) | Laser plasmatron | |
Kolyada et al. | Pulse electrothermal plasma accelerators and its application in scientific researches | |
US3154014A (en) | Method of and apparatus for accelerating gases and solids | |
Kolyada et al. | Formation mechanism of the metallic nanostructures using pulsed axial electrothermal plasma accelerator | |
Manzon | Acceleration of macroparticles for controlled thermonuclear fusion | |
Singh et al. | Insight into the evolution of laser-induced plasma during successive deposition of laser energy | |
Takao et al. | Microplasma thruster for ultra-small satellites: Plasma chemical and aerodynamical aspects | |
Burton et al. | Experiments on a repetitively pulsed electrothermal thruster | |
Macheret et al. | External control of plasmas for high-speed aerodynamics | |
Delair et al. | Helmholtz behavior of a nitrogen plasma arc chamber | |
Xuewei et al. | Study of the expansion characteristics of a pulsed plasma jet in air | |
Pascale et al. | Bidirectional vortex stabilization of a supersonic inductively coupled plasma torch | |
Tsventoukh | Spontaneous plasma formation via electrical explosion of nanostructured metal surface layers in plasma–surface interactions |