RU2027328C1

RU2027328C1 - Method of and device for producing high-temperature and high-density plasma

Info

Publication number: RU2027328C1
Authority: RU
Inventors: С.И. Герасимов; М.В. Коротченко; С.А. Холин
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1995-01-20

Abstract

FIELD: impulse light sources. SUBSTANCE: working medium is used in burst plasma generator in initial solid phase. Working medium produced from explosive material is initiated in the course of device operation and, as it is placed along chamber surface between liner and outlet hole, it is pushed out of gap between liner and chamber with accelerating speed towards cumulation zone wherein plasma jets collide to form plasma focus. EFFECT: simplified design of device due to dispensing with chamber pressure maintenance system, improved density of jet, density of formed plasma energy, and device efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно - к способам получения высокотемпературной высокоплотной плазмы, и может быть использовано при исследованиях в области физики высокоплотной плазмы, газодинамики, в качестве импульсного источника света. The invention relates to technical physics, and more specifically to methods for producing high-temperature high-density plasma, and can be used in research in the field of high-density plasma physics, gas dynamics, as a pulsed light source.

Известен способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы [1], включающий адиабатическое сжатие плоским лайнером рабочего газа, в качестве которого используют воздух, инертные газы или их смеси. A known method of producing high-temperature high-density plasma [1], including adiabatic compression by a flat liner of a working gas, which is used as air, inert gases or mixtures thereof.

Способ реализуется с помощью устройства - взрывного плазменного генератора (ВПГ), состоящего из взрывной навески, лайнера, замкнутой камеры с отверстием в месте кумуляции, выходной трубки. Плазма, сжатая лайнером, через отверстие в полюсе генератора впрыскивается в трубку, где она служит объектом исследования и прикладного использования. The method is implemented using a device - an explosive plasma generator (HSV), consisting of an explosive hinge, a liner, a closed chamber with a hole in the place of cumulation, the output tube. The plasma compressed by the liner is injected through a hole in the pole of the generator into the tube, where it serves as an object of research and applied use.

Известен способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы с помощью взрывного плазменного генератора [2], который включает сжатие рабочего газа с помощью лайнера с кумуляцией сжатого газа вблизи выходного отверстия, при этом рабочий газ получают из твердой фазы в процессе движения лайнера. A known method of producing high-temperature high-density plasma using an explosive plasma generator [2], which includes the compression of the working gas using a liner with cumulation of compressed gas near the outlet, while the working gas is obtained from the solid phase during the movement of the liner.

Недостатками аналога и прототипа является то, что получаемые плотность плазмы и плотность энергии плазмы недостаточны для проведения некоторых физических исследований (изучение процессов испарения материалов под влиянием воздействия мощных световых импульсов и т.д.). Недостатком ВПГ являются низкий КПД и неоптимальное расположение рабочего вещества в камере, что приводит к невозможности достижения максимальных скоростей и температур, образующейся в процессе сжатия плазмы. The disadvantages of the analogue and prototype is that the resulting plasma density and plasma energy density are insufficient for some physical studies (studying the evaporation of materials under the influence of powerful light pulses, etc.). The disadvantages of HSV are the low efficiency and the non-optimal arrangement of the working substance in the chamber, which makes it impossible to reach the maximum speeds and temperatures formed during the compression of the plasma.

Цель изобретения - повышение получаемых газодинамическим способом параметров плазмы (плотность, плотность энергии). The purpose of the invention is the increase obtained in a gas-dynamic way plasma parameters (density, energy density).

Актуальность задачи заключается, во-первых, в том, что появляется физический объект с параметрами, превышающими достижимые ранее, что может оказаться полезным для многих физических исследований, во-вторых, в том, что устройство становится работоспособным в течение неограниченного времени, в том числе в условиях вакуума, что позволяет решать ряд практических задач, например, по получению мощного импульсного источника света широкого спектрального диапазона в безгазовой среде; в-третьих, возможность получения в вакууме мощного излучателя, обладающего повышенной кинетической энергией; в-четвертых, в том, что появляется простой элемент в тандемном кумулятивном заряде, располагающийся непосредственно у преграды и позволяющий получать в ней широкие каверны за счет сублимации без образования обратной металлической струи. The relevance of the task lies, firstly, in the fact that a physical object appears with parameters exceeding those previously achievable, which may be useful for many physical studies, and secondly, in that the device becomes operational for an unlimited time, including under vacuum, which allows us to solve a number of practical problems, for example, to obtain a powerful pulsed light source with a wide spectral range in a gas-free medium; thirdly, the possibility of obtaining in vacuum a powerful emitter with increased kinetic energy; fourthly, in the fact that a simple element appears in the tandem cumulative charge, which is located directly at the obstacle and allows one to obtain wide caverns in it due to sublimation without the formation of a reverse metal stream.

Цель достигается тем, что предлагаемый способ получения высокотемпературной высокоплотной плазмы, включающий сжатие с помощью лайнера в камере взрывного плазменного генератора рабочего газа, получаемого из твердой фазы в процессе движения лайнера, и кумуляцию сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры, при этом рабочий газ получают из твердой фазы взрывчатого вещества, симметрично расположенного на внутренней поверхности камеры между поверхностью лайнера и выходным отверстием камеры. The goal is achieved in that the proposed method for producing a high-temperature high-density plasma, comprising compressing using a liner in a chamber an explosive plasma generator of a working gas obtained from the solid phase during the movement of the liner, and cumulating the compressed gas near the outlet of the chamber, while the working gas is obtained from solid phase explosive symmetrically located on the inner surface of the chamber between the surface of the liner and the outlet of the chamber.

Устройство реализации этого способа, содержащее камеру в форме сферического сегмента с выходным отверстием, заряд взрывчатого вещества, плоский лайнер, расположенный между полостью камеры и зарядом взрывчатого вещества, и твердофазный источник рабочего газа, размещенный в полости камеры, отличается тем, что твердофазный источник рабочего газа выполнен из взрывчатого вещества и симметрично расположен на внутренней поверхности камеры между поверхностью лайнера и выходным отверстием камеры взрывчатого вещества. A device for implementing this method, comprising a chamber in the form of a spherical segment with an outlet, an explosive charge, a flat liner located between the chamber cavity and the explosive charge, and a solid-phase working gas source located in the chamber cavity, characterized in that the solid-phase working gas source made of explosive and symmetrically located on the inner surface of the chamber between the surface of the liner and the outlet of the explosive chamber.

Инициируемое скользящим вдоль поверхности лайнером вещество из начального твердого состояния переходит в газообразное и выталкивается из зазора между лайнером и сегментом со скоростью, близкой к фазовой скорости точки стыка. При столкновении этих плазменных струй на оси происходит кумуляция с образованием высокотемпературного высокоплотного плазменного поршня (фокуса), разлетающегося через полюс сегмента в выходную трубку. Наличие рабочего тела в начальной твердой фазе значительно упрощает конструкцию из-за снятия требования газового наполнения и необходимости поддержания давления в камере. Увеличение начальной массы рабочего тела приводит к значительному увеличению плотности образующейся плазмы и плотности ее энергии, что существенно поднимает КПД ВПГ. The substance initiated by the liner sliding along the surface from the initial solid state passes into the gaseous state and is pushed out of the gap between the liner and the segment at a speed close to the phase velocity of the junction point. When these plasma jets collide on the axis, cumulation occurs with the formation of a high-temperature, high-density plasma piston (focus), flying through the segment pole into the outlet tube. The presence of a working fluid in the initial solid phase greatly simplifies the design due to the removal of gas filling requirements and the need to maintain pressure in the chamber. An increase in the initial mass of the working fluid leads to a significant increase in the density of the formed plasma and the density of its energy, which substantially raises the efficiency of HSV.

Неочевидность изобретения заключается в том, что из двух основных режимов образования плазмы в камере ВПГ: адиабатическое сжатие, столкновение боковых плазменных струй на оси, определяющим является последний. Поэтому, увеличив массу рабочего тела, что, казалось бы, должно было привести к уменьшению скорости в выходной трубке, удалось сконцентрировать массу (что невозможно при заполнении инертным или взрывчатым газом) непосредственно в месте вытеснения из зазора между лайнером и камерой (скорость точки стыка которых возрастает по мере движения лайнера обратно пропорционально синусу угла между прямой на плоскости лайнера и касательной к камере в данной точке стыка), что привело к увеличению скорости. Неочевидность устройства заключается в том, что рабочее тело (твердое взрывчатое вещество) располагается не вдоль всей поверхности камеры, контактирующей с лайнером в процессе движения (как это имеет место в прототипе), а на некоторой ее части, зависящей от начальной скорости лайнера (функция от массы ВВ, скорости детонации, массы лайнера), скорости детонации рабочего тела. Это объясняется тем, что, во-первых, лайнер набирает скорость не мгновенно, а импульсно на начальном участке, а во-вторых, начиная с высоты, где точка стыка лайнер-камера начинает двигаться со скоростью, превышающей скорость детонации рабочего тела, наличие дополнительной массы невыгодно, поскольку это не приводит к дополнительному положительному эффекту. The non-obviousness of the invention lies in the fact that of the two main modes of plasma formation in the HSV chamber: adiabatic compression, collision of the side plasma jets on the axis, the latter is decisive. Therefore, by increasing the mass of the working fluid, which, it would seem, should have led to a decrease in speed in the outlet tube, it was possible to concentrate the mass (which is impossible when filling with an inert or explosive gas) directly at the place of displacement from the gap between the liner and the chamber (the speed of the junction of which increases as the liner moves inversely with the sine of the angle between the line on the plane of the liner and tangent to the camera at a given junction), which led to an increase in speed. The non-obviousness of the device is that the working fluid (solid explosive) is not located along the entire surface of the chamber in contact with the liner during movement (as is the case in the prototype), but on some part of it, depending on the initial speed of the liner (function of explosive mass, detonation velocity, liner mass), detonation velocity of the working fluid. This is due to the fact that, firstly, the liner picks up speed not instantly, but pulsed in the initial section, and secondly, starting from the height where the junction of the liner-camera begins to move at a speed exceeding the detonation velocity of the working fluid, there is an additional mass is disadvantageous, since this does not lead to an additional positive effect.

Реализация данного способа, т.е. когда рабочий газ в ВПГ получается непосредственно в самом ВПГ в режиме работы из начальной твердой фазы, уже позволяет решать ряд задач независимо от основных параметров плазмы, поскольку значительно упрощает как способ получения, так и устройство для работы в режиме ожидания, в любой газовой или безгазовой среде. Однако, кроме этого фактора, достигается повышение плотности струи, температуры, плотности энергии плазмы по сравнению со способом получения плазмы, когда ВПГ заполнен одной газовой (в том числе и взрывчатой) средой или твердым веществом по всему объему камеры. The implementation of this method, i.e. when the working gas in HSV is obtained directly in the HSV itself in the operating mode from the initial solid phase, it already allows to solve a number of problems regardless of the main plasma parameters, since it greatly simplifies both the production method and the device for working in standby mode, in any gas or gas-free environment. However, in addition to this factor, an increase in the density of the jet, temperature, and plasma energy density is achieved compared to the method for producing plasma, when the HSV is filled with one gas (including explosive) medium or solid throughout the chamber.

На чертеже изображено устройство взрывного плазменного генератора (ВПГ), с помощью которого экспериментально показана осуществимость способа. The drawing shows the device of an explosive plasma generator (HSV), with which experimentally shown the feasibility of the method.

Устройство включает заряд взрывчатого вещества 1, в котором инициируется плоский детонационный фронт, плоский лайнер 2 в виде металлической пластины, камеру сжатия, образованную лайнером и сферическим сегментом 3, выходную трубку 4. На поверхность камеры сжатия симметрично наносится тонкий слой твердого ВВ 5. The device includes an explosive charge 1, in which a flat detonation front, a flat liner 2 in the form of a metal plate, a compression chamber formed by the liner and a spherical segment 3, an output tube 4 are initiated. A thin layer of solid explosive 5 is symmetrically applied to the surface of the compression chamber.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

Заряд взрывчатого вещества 1, подрываемый таким образом, чтобы фронт детонационной волны, выходящий к лайнеру 2, был плоским, ускоряет лайнер. Выделение химической энергии ВВ происходит из твердой фазы на поверхности камеры. Приобретая скорость в направлении оси за счет выталкивания из зазора сегмент-лайнер, струи сталкиваются, образуя плазменный фокус. Плазма выходит через отверстие, разлетаясь в окружающую среду. Фотохронографическим способом измерялась скорость истечения плазмы. An explosive charge 1, detonated so that the front of the detonation wave exiting to liner 2, is flat, accelerates the liner. The release of chemical energy of explosives occurs from the solid phase on the surface of the chamber. Acquiring speed in the direction of the axis due to expulsion from the gap of the segment-liner, the jets collide, forming a plasma focus. Plasma exits through the hole, scattering into the environment. By the photochronographic method, the plasma flow rate was measured.

Реализация способа с помощью ВПГ показала его эффективность. В эксперименте без выходной труби плазма, преодолевая противодавление ударно сжатого воздуха (P

800 атм), разлетаясь, возбуждая в воздухе ударную волну со скоростью, превышающей 50 км/с (в ВПГ, заполняемом обычным газом, эта скорость порядка 40 км/c). Плотность плазмы в струе больше, чем на порядок, по сравнению со случаем, когда ВПГ заполнен газом или невзрывчатым твердым веществом, а скорость превышает скорость в случае обычного газа и примерно та же, что в случае взрывного газа, то есть плотность энергии возрастает примерно на порядок. Соответственно возрастает и КПД ВПГ, что, в частности, позволяет реализовать те же параметры плазмы при меньших весах устройства; расширяются области применения ВПГ и снижаются требования к окружающим условиям при применении ВПГ.The implementation of the method using HSV has shown its effectiveness. In an experiment without a plasma outlet pipe, overcoming the counterpressure of shock compressed air (P

800 atm), expanding, exciting a shock wave in air at a speed exceeding 50 km / s (in HSV filled with ordinary gas, this speed is about 40 km / s). The plasma density in the jet is more than an order of magnitude compared with the case when the HSV is filled with a gas or non-explosive solid, and the speed exceeds the speed in the case of an ordinary gas and is approximately the same as in the case of an explosive gas, i.e. the energy density increases by approximately order. Accordingly, the efficiency of HSV increases, which, in particular, allows the same plasma parameters to be realized at lower device weights; Areas of application for HSV are expanding and environmental requirements are reduced when using HSV.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать более высокую плотность струи и плотность энергии плазмы, ранее недостижимую с помощью подобного способа при заполнении камеры ВПГ невзрывчатым веществом, что расширяет область применения подобных устройств и увеличивает КПД при упрощении устройства. Thus, the proposed method allows to obtain a higher jet density and plasma energy density, previously unattainable using a similar method when filling the HSV chamber with non-explosive material, which expands the scope of such devices and increases the efficiency while simplifying the device.

Claims

METHOD FOR PRODUCING HIGH-TEMPERATURE HIGH-DENSITY PLASMA AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION.

1. A method of producing a high-temperature high-density plasma, comprising compressing using a liner in a chamber an explosive plasma generator of a working gas obtained from the solid phase during the movement of the liner, and cumulating compressed gas near the outlet of the chamber, characterized in that the working gas is obtained from the solid phase of the explosive substances located on the inner surface of the chamber between the surface of the liner and the outlet of the chamber.

2. A device for producing high-temperature high-density plasma, containing a chamber in the form of a spherical segment with an outlet, an explosive charge, a flat liner located between the chamber cavity and the explosive charge, and a solid-phase working gas source located in the chamber cavity, characterized in that a solid-phase source of working gas is made of explosive and is located on the inner surface of the chamber between the surface of the liner and the outlet of the chamber.