Введение к работе
Актуальность темы
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию особенностей образования плазмы и ее состава, а также протеканию тока в электровзрыве вольфрамовой проволочки в вакууме.
Электрический взрыв проводников (ЭВП) является процессом, весьма богатым на разнообразные физические явления. В зависимости от фазы электровзрыва вещество проводника (проволочка, фольга) пребывает в различных агрегатных состояниях: конденсированном, жидком, газообразном и плазменном. Более того, как правило, в течение некоторого времени проволочка находится во всех четырех состояниях одновременно. Представляется очевидным, что создание детальной физической модели столь сложного процесса является весьма непростой задачей. Электровзрыв металлических проволочек является одним из важных и давно изучаемых направлений в физике низкотемпературной плазмы. Явление ЭВП в различных средах интенсивно изучается на протяжении последних 60 лет, что нашло своё отражение в большом количестве научных публикаций, посвященных этому вопросу. Результаты научных исследований обобщены в ряде сборников статей [1; 2], обзоров [3] и монографий [4; 5]
Явление ЭВП интересно как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. Как объект фундаментальных исследований ЭВП интересен тем, что в веществе взрывающейся проволочки термодинамические параметры, такие как температура и плотность, достигают экстремальных значений. Это обстоятельство позволяет изучать термодинамику фазовых переходов и поведение вещества вблизи критической точки путем модификации уравнения состояния вещества, лежащего в основе численного моделирования [3; 5; 6]. В прикладном и технологическом плане ЭВП интересен как мощный источник мягкого рентгена [7; 8], импульсный нейтронный источник [9], обостритель электрической мощности в высоковольтной импульсной технике [4], способ получения нанопорошков [10] и тугоплавких неметаллических соединений [11].
Но несмотря на значительный масштаб проведенных экспериментальных исследований и существование многочисленных полуэмпирических численных моделей в области ЭВП, ряд принципиальных физических вопросов до сих пор представляется не до конца выясненным. Так, относительно недавно появились теоретические работы [12; 13; 14], в которых обсуждается возможность изменения вероятности протекания слабых ядерных процессов при ЭВП.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью настоящей диссертационной работы является исследование динамики образования и химического состава газовой фазы, возникающей в результате плазменных явлений при электрическом взрыве вольфрамовой проволочки в вакууме.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Рассчитать, сконструировать и построить экспериментальную установку для проведения исследований по ЭВП в вакууме.
-
Разработать комплекс методик, позволяющий качественно и количественно анализировать химический состав и элементный состав плазмы, образованной в результате сильноточного электровзрыва вольфрамовой проволочки.
-
Провести экспериментальное тестирование разработанных методик.
-
Произвести качественные и количественные измерения газовой фазы, образующейся в результате электровзрыва вольфрамовой проволочки в вакууме.
Научная новизна и значимость работы
В эксперименте, описанном в настоящей диссертационной работе, впервые проводилось исследование химического состава плазмы в газовой фазе при сильноточном ЭВП в вакууме. Было выявлено, что в газовой фазе регистрируется концентрация гелия, превышающая фоновое атмосферное значение. Данный факт подтверждает качественные результаты, опубликованные в работе Дж. Вендт и К. Айрон [15].
Теоретически было показано, что при наложении сверхсильного магнитного поля на слабоионизованную плотную вольфрамовую плазму можно ожидать увеличения вероятности протекания слабых ядерных процессов.
Практическая ценность работы
Разработанная методика исследования газовой фазы при ЭВП позволит получать дополнительную информацию о характеристиках, свойствах и особенностях протекания электрического взрыва в вакууме, позволяющую вырабатывать новые критерии эффективности энерговклада в плазму.
Разработанная спектрометрическая методика позволяет определять температуру вольфрамовой плазмы по отношению интенсивностей характеристических линий в эмиссионном спектре.
Положения диссертационной работы, выносимые на защиту
-
-
Системы скоростного фотографирования и видеосъемки позволили установить, что динамика развития плазменного канала зависит от полярности высоковольтного электрода.
-
При электровзрыве вольфрамовых проволочек диаметром больше 100 мкм регистрируется дополнительный максимум интенсивности излучения плазмы.
-
Совокупность разработанных газовых и оптических методик позволяет получить достоверную информацию о химическом составе плазмы, возникающей в результате плазменных явлений при ЭВП.
4. В газовой фазе регистрируется концентрация гелия, превышающая фоновое атмосферное значение.
Достоверность результатов
Выполненные в диссертации теоретические оценки опираются на использование классических подходов, принятых в теоретической физике.
Достоверность представленных в настоящей диссертационной работе экспериментальных результатов обеспечивалась использованием диагностических методик, работа которых основана на разных физических принципах. Для определения химического состава газа, образовавшегося в результате ЭВП, использовались газовые и оптические методики. Газовые методики позволяют судить о химическом составе газа по массе атомов и молекул, а оптические - по их электронной оболочке.
Как в оптических, так и в газовых методиках использовались различные типы приборов, что позволяло измерять один и тот же физический параметр с высокой степенью надежности. Достоверность результатов измерений обеспечивалась тщательными многократными калибровками и тестированиями на эталонных образцах.
Все экспериментальные результаты, представленные в настоящей диссертационной работе, статистически достоверны и обладают надлежащей воспроизводимостью в пределах проставленных экспериментальных погрешностей. Полученные результаты не противоречат опубликованным ранее экспериментальным результатам других исследователей, приведенным в цитируемой литературе.
Апробация результатов работы
Полученные в диссертационной работе результаты прошли апробацию на следующих конференциях: 54 научная конференция МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе» (10-30 ноября 2011 г., Долгопрудный, Россия); XXXIX Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (6-10 февраля 2012 г., Звенигород, Россия); XIX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ЛОМОНОСОВ» (9-13 апреля 2012 г., Москва, Россия); 11th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics (10-12 April 2012, Moscow, Russia). Все доклады были представлены автором диссертации лично.
Публикации по теме диссертации
Автором опубликованы 10 научных работ по теме диссертации, из них 3 статьи в реферируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ, 1 статья в рецензируемом научном издании, из 6 публикаций в трудах международных конференций и сборниках тезисов докладов.
Личный вклад автора в работу
Все представленные в диссертации результаты получены автором лично либо при его определяющем участии. Личный вклад автора в теоретических исследованиях состоял в проведении численных расчетов и обсуждении результатов. Автор участвовал во всех этапах проведения эксперимента: в разработке и строительстве экспериментальной установки, в разработке и калибровке диагностических методик, получении экспериментальных данных, а также в их последующем анализе и интерпретации. На основе экспериментальных исследований, проведенных при непосредственном участии автора, получены основные результаты, представленные в диссертации, и сформулированы основные научные положения и выводы. Все работы, опубликованные в соавторстве, были выполнены при его личном участии.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем работы составляет 138 страниц, включая 62 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 111 наименований.
Похожие диссертации на Особенности электрического взрыва вольфрамовой проволочки в вакууме
-
