 |
Электрический взрыв проводников
|
|
|
|
Электрическим взрывом проводников (ЭВП) называют явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него импульса тока большой плотности. Явление это сопровождается яркой вспышкой света, резким звуком, ударной волной, распространяющейся в окружающей проводник среде. Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения.
Рисунок 15 - LC-контур установки для электровзрывного получения УДП
Рисунок 16 - Типичные осциллограммы тока (I) и напряжения (U) в LC- контуре
Процесс электрического взрыва проводников делится на следующие стадии:
1. Емкостной накопитель энергии С заряжается от источника питания до напряжения U 0. При замыкании цепи разрядником Р ток вначале определяется волновым сопротивлением контура, поскольку сопротивление проводника мало. Проводник нагревается джоулевым теплом, плавится в точке t 1 (см. рис. 16).
|
3. В момент t 3 ток прекращается, наступает пауза. Во время паузы напряжение конденсатора приложено к продуктам взрыва.
4. В момент t 4 осуществляется пробой газообразных продуктов взрыва, наступает дуговая стадия разряда.
К основным направлениям использования явления ЭВП в науке и технике относятся следующие:
· получение высокодисперсных порошков,
|
|
|
· напыление тонких пленок для нужд микроэлектроники,
· создание мощных импульсных источников излучения для фотографирования скоростных процессов,
· оптическая накачка газовых лазеров,
· получение активных сред для лазеров на парах металлов,
· создание импульсных источников нейтронов и электромагнитного излучения ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов,
· ускорение микрочастиц,
· создание быстродействующих электровзрывных размыкателей тока для высоковольтных и сильноточных электрических цепей,
· сварка металлов,
· развальцовка труб,
· разрушение горных пород,
· моделирование атомных взрывов,
· дефектоскопия и др.
При электрическом взрыве проводников потребляемая электроэнергия преобразуется в работу по нагреву материала проводника в конденсированном состоянии, плавлению, испарению металла, ионизации, образованию новых поверхностей с разрывом химических связей - распаду металла на кластеры, разлету продуктов взрыва в окружающую среду. Процесс энерговыделения можно охарактеризовать следующими характеристиками: разрядным током i, падением напряжения на взрывающемся проводнике u, его активным сопротивлением r, мощностью N, энергией W, введенной в проводник к данному моменту времени t.
Введенная в проводник энергия является одной из важнейших характеристик взрыва, определяющих величину и скорость изменения сопротивления, термодинамическое состояние проводника, скорость расширения продуктов взрыва, размеры образующихся частиц и др. При анализе ЭВП пользуются также такими понятиями как объемная плотность энергии е, равная отношению величины введенной в проводник энергии к начальному объему проводника, и достигаемый перегрев или энергосодержание е / е с – отношение объемной плотности энергии к энергии сублимации материала проводника е с.
Определение энергетических характеристик ЭВП обычно производят из совместной обработки осциллограмм тока и напряжения. Для RLC-контура выражение для расчета энергии W имеет следующий вид:
|
|
|
,
где 
– уменьшение заряда конденсатора, определяемое графическим интегрированием осциллограммы тока; U 0 – начальное напряжение на конденсаторе; С – емкость конденсатора. Индуктивность L и активное сопротивление контура R к находятся из осциллограмм тока короткого замыкания по формулам:
,
где Т – период затухающих колебаний контура, lnΔ – логарифмический декремент затухания колебаний тока в контуре, Δ – отношение соседних амплитудных значений тока одной полярности.
Выражение представляет собой разность между запасаемой энергией и оставшейся в накопителе, в магнитном поле контура и энергией, рассеиваемой на RK.
Удельное энергосодержание определяется по формуле
,
где l и S – длина и сечение взрываемого проводника.
Ударные волны при ЭВП
Явление ЭВП сопровождается генерацией ударных волн в окружающей среде. Ударные волны, инициируемые электрически взрываемым проводником в газах и особенно в конденсированных средах, находят все более широкое применение в технике и технологии благодаря возможности целенаправленно изменять их характеристики в широких диапазонах путем изменения размеров и материала проводника.
На начальной стадии ЭВП джоулев нагрев проводника сопровождается его линейным расширением, происходящим с относительно малой скоростью ~ (1–3)102 см/с. На стадии собственно взрыва, в процессе интенсивного испарения с внешней поверхности проводника после достижения темепратуры кипения, расширение вещества проводника происходит со скоростью (1–5)103 м/с и вызывает в окружающей среде возмущения, формирующие первичную ударную волну. Вторичные ударные волны обусловлены развитием сильноточного разряда в продуктах ЭВП или окружающей среде вследствие резкого возрастания вводимой в разрядный канал энергии и быстрого расширения образующейся плазмы. В характерных условиях на фронте ударных волн температура достигает 104 К, а давление – нескольких сот мегапаскалей (тысяч атмосфер).
Рисунок 17 - Осциллограмма потока (a), напряжение (b), и ударная волна (c) при электрическом взрыве медного проводника в воздухе, d = 0,15 мм
|
|
|
Возникающий при разлете образующихся в процессе ЭВП паров реактивный импульс отдачи может возбудить в неиспарившейся части проводника внутреннюю сходящуюся ударную волну. За фронтом этой ударной волны и в центральной части образуется область с пониженной плотностью, в которой может произойти пробой, приводящий к формированию периферийного дугового разряда.
При ЭВП в жидких средах ударные волны возбуждаются в момент, близкий к моменту прекращения тока, и при возникновении плазменного канала разряда. Энергия первичных ударных волн при взрыве тонких проводников обычно мала по сравнению с энергией вторичных ударных волн. Однако с увеличением диаметра (площади поперечного сечения) взрываемых проводников происходит перераспределение энергии между этими группами ударных волн.
Еще одна особенность ударных волн в жидкостях – это достижение высоких значений температуры и давления в канале разряда и образование пульсирующей во времени газовой полости. К моменту максимального расширения этой полости выделившаяся в процессе ЭВП энергия распределяется примерно следующим образом:
· энергия ударных волн ~ 60 %,
· энергия теплового излучения ~ 10 %,
· энергия, затрачиваемая на образование полости ~ 30 %.
При этом КПД преобразования энергии, запасаемой в первичном накопителе, в энергию гидромеханического импульса, составляет ~ 30÷40 %.
Для достижения высокой эффективности передачи энергии из накопителя в проводник на стадии собственно взрыва и получения ударных волн с максимальными параметрами необходимо согласование параметров электрической цепи, размеров и физических свойств материала проводника. Как было отмечено ранее, при увеличении площади поперечного сечения проводников S (или диаметра) выделяющаяся в них энергия возрастает, а энергия дуговой стадии уменьшается. При этом возрастает и скорость головной ударной волны, что имеет место до некоторого оптимального сечения S опт, которое смещается в область больших значений при увеличении зарядного напряжения. Анализ соответствующих осциллограмм показал, что S опт соответствует токам, близким к максимальным в данной разрядной цепи. При S > S опт скорость ударной волны уменьшается даже при увеличении энергии, приходящейся на единицу длины. Это свидетельствует о том, что преимущественное влияние на гидродинамические характеристики ударных волн при ЭВП имеет объемная плотность выделяющейся в проводнике энергии, более высокие значения которой можно получить на стадии собственно взрыва проводников, параметры которых должны быть согласованы с параметрами накопителя энергии.
|
|
|
|
|
|
