Исследование процессов в разрядах высокого и сверхвысокого давления, обусловленных токами мегаамперного диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

Богомаз Александр Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В РАЗРЯДАХ ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ТОКАМИ МЕГААМПЕРНОГО ДИАПАЗОНА

Специальность: 01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

21 Ч0Я 2013

Санкт-Петербург 2013

005538887

Работа выполнена в Институте электрофизики и электроэнергетики Российской

Академии Наук (ИЭЭ РАН)

Научный консультант:

Академик РАН, доктор технических наук, профессор Рутберг Филипп Григорьевич

Официальные оппоненты:

Шнеерсон Герман Абрамович, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, СПбГПУ

Бурцев Владимир Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФТИ им. А.Ф.Иоффе

Усков Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, БГТУ

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), г. Троицк.

Защита состоится 25.12.2013 г. в 14 ч

на заседании диссертационного совета ДМ 002.131.01 при ИЭЭ РАН по адресу: г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18, ИЭЭ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН.

Автореферат разослан_ /4, и. го\ъ

Учёный секретарь диссертационного совета

к.т.н. Александр Александрович Киселёв

Общая характеристика работы Актуальность исследовании. Физика мощных газовых разрядов высокого и сверхвысокого давления является составной частью физики высоких плотностей энергии и экстремальных состояний вещества. Актуальность проведенных исследований и определяется тем, что интерес к этой области физики усилился в последнее время. Современные потребности науки и техники требуют перехода от уже освоенного диапазона генерируемых энергий плазмы (105 - 107) Дж к более высоким значениям. Эта задача требует в свою очередь перехода к разрядам с амплитудой тока ]тах~ (1 ~~ Ю) МА и выше при длительностях разряда > КГ4 с.

Увеличение начального давления рабочего газа, окружающего канал разряда, до десятков и сотен мегапаскалей способствует большей устойчивости разряда, более эффективной передаче энергии от разряда к окружающему газу и, вследствие этого, большей энтальпии нагретого газа. Мощный импульсный разряд является составной частью различных электрофизических устройств с высокой плотностью энергии, и эффективно используется в высокоинтенсивных источниках видимого и ультрафиолетового излучения, которые используются для накачки мощных лазеров, в генераторах высокоэнтальпийных плазменных струй, в различных плазмохимических процессах.

Разряд в водороде и гелии высокой начальной плотности является наиболее перспективным для создания гиперскоростных ускорителей. Разряд в водороде высокой плотности может быть использован для решения ряда астрофизических задач, например, для моделирования переноса энергии излучением из центра звезды к ее периферии, образования ударных волн и изменения их яркости при выходе на поверхность звезды и т.д.

В настоящее время наблюдается усиление интереса к исследованию плотных плазменных состояний. Он связан с достижением экстремальных параметров плазмы в различного рода устройствах, в которых для сжатия энергии в пространстве и во времени используются 2-пинчи. Сюда относятся плазменный фокус, «горячие точки», образованные эволюцией перетяжек г-пинчей быстрых разрядов, Х-пинчи, многопроволочные сборки и т.д.

Однако высокие параметры плазмы при этом в большинстве случаев существуют меньше одной микросекунды в объеме не более нескольких кубических миллиметров и требуют для своей реализации сложной высоковольтной техники. В таких разрядах скорость нарастания тока А]¡ЛЬ составляет, как правило, величину порядка 10й А/с и более.

Плотные плазменные состояния большего объема с концентрацией электронов (1019 - 102о)см_3 и температурой (105 - 106) К могут быть

3

получены в плотных 7-пинчах. Такие пинчи более устойчивы к магнито-гидродинамическим неустойчивостям, чем плазменный канал, находящийся в вакууме. Поэтому для питания таких разрядов можно использовать более медленные и относительно более дешевые конденсаторные батареи. Возрастание плотности газа в канале при одновременном сохранении или увеличении его температуры может привести к увеличению интенсивности рентгеновского излучения. Фокусировка акустических и ударных волн, возникающих при инициировании 7-гшнча в плотной среде, может способствовать дополнительному сжатию канала разряда и увеличению плотности энергии в нем.

Для достижения указанных выше температур и концентраций величина разрядного тока должна находиться на уровне (1 - 10) МА и более.

При этом возникает ряд новых, недостаточно изученных ранее явлений, как в самой дуге, так и при ее теплообмене с окружающим газом:

1. Ввиду высокой плотности энергии, поступающей на торцы электродов, процесс их разрушения приобретает новый характер. Эрозия электродов достигает величины 1(Г2 г/Кл. Поэтому могут возникать новые виды эрозии, а высокая концентрация металла, поступающего с электродов, может приводить к изменению характеристик канала. В первую очередь следует ожидать изменение характеристик приэлектродных зон.

2. Поток энергии на электроды, сравнимый с лазерным потоком умеренной мощности, делает неизбежным образование эрозионных плазменных струй с электродов. Струи способствуют образованию турбулентных зон и заметно влияют на свойства разряда в целом и на его тепломассообмен с окружающим газом, что резко отличает их от разрядов с меньшей плотностью тока, где струи заметной роли не играют. Для разряда в водороде наблюдается резкий рост падений напряжения вблизи электродов, не находивший объяснения до последнего времени. Одной из причин этого явления и могут быть эрозионные струи.

3. При переходе к высокому начальному давлению рабочего газа, достигающему десятков и сотен мегапаскалей, меняются излучательные характеристики канала разряда. Это связано с изменением температуры и плотности в самом канале, вследствие чего меняется его прозрачность, а также с изменением прозрачности переходного слоя между дугой и окружающим газом. Вследствие «запертости» излучения возможно повышение температуры в осевой зоне канала. При дальнейшем повышении температуры и концентрации излучающих ионов возможно сжатие канала, связанное с преобладанием излученной мощности над введенной в канал джоулевой. В этом случае сжатие канала может происходить с увеличением

4

плотности энергии в нем.

4. Из-за высокой начальной плотности рабочего газа в разрядном объеме возникают ударные и звуковые волны. Они могут влиять на нагрев окружающего газа в разрядной камере и изменять свойства самого канала разряда. При фокусировке отраженных ударных волн в центре разрядной камеры возможен дополнительный нагрев газа на оси разряда. Акустические колебания канала разряда могут возникать в связи с выравниванием магнитного и газокинетического давлений в нем. Их взаимодействие с ударными волнами также может приводить к дополнительному увеличению плотности энергии в канале разряда.

Эти, в настоящее время недостаточно изученные, явления могут коренным образом менять характер процессов в электроразрядных устройствах. Изучению указанных выше новых явлений в разрядах мегаамперного диапазона при начальном давлении рабочего газа до 200 МПа и посвящена настоящая работа.

Целью работы являлось исследование явлений, возникающих при переходе к токам мегаамперного диапазона и начальным давлениям рабочего газа до 200 МПа в импульсных электроразрядных устройствах высокого и сверхвысокого давления, которые существенным образом меняют как свойства самой дуги, так и механизм ее теплообмена с окружающим газом. Для ее реализации были поставлены следующие задачи исследования.

1. Исследовать режим горения дуг, связанный с образованием эрозионных струй, и выяснить его связь с аномально высокими приэлектродными падениями напряжений. Установить причины образования зон с высокими падениями напряжения и определить параметры плазмы в них. При этом установить механизмы передачи энергии от дуги к газу, связанные с образованием приэлектродных зон с высоким энерговыделением.

2. Исследовать особенности эрозии электродов, связанные с высокой мощностью, поступающей на торцы электродов в диапазоне (107- 109) Вт/см2.

3. Исследовать поведение канала разряда, связанное с изменением излучательных характеристик разряда из-за наличия плотной окружающей среды. Вследствие высокой начальной плотности рабочего газа из-за «запертости» излучения осевая зона разряда может испытывать дополнительный нагрев и стать источником более интенсивного излучения.

4. Исследовать возможности повышения плотности энергии в канале разряда в мегаамперном диапазоне за счет перехода к сверхвысоким начальным давлениям водорода, достигающим 200 МПа. Такие возможности могут быть обеспечены фокусировкой волн сжатия, отраженных от стенок разрядной

5

камеры. Выяснить влияние акустических и ударных волн на характеристики канала разряда и теплообмен между дугой и окружающим газом в зависимости от скорости нарастания тока и величины начального давления. Кроме того необходимо исследовать возможность повышения плотности энергии в канале за счет взаимодействия колебаний различного типа. Работы по теме проводились на основании:

1. 2006 - 2008 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 9 «Исследования вещества в экстремальных условиях» Подпрограмма 9.4 «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ»

2. 2009 - 2011 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №2 «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества»

Подпрограмма 1: «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий» Раздел «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

3. 2012 - 2014 Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Вещество при высоких плотностях энергии», Подпрограмма «Физика плотной плазмы».

А также были поддержаны Грантами РФФИ:

№ 93-02-17424-а; № 02-02-16770-а; № 04-02-17527-а; № 05-02-16091-а; № 06-08-00339-а; № 08-08-00449-а; № 10-08-00739-а; грантом Президента Российской Федерации МК-2052.2005.8; грантом НШ-885.2003.2. Методы исследования. Выполнение исследований разряда в указанном выше диапазоне параметров стало возможным благодаря использованию новых уникальных установок и методов исследования. Принципиальные трудности исследования дуг в подобных системах с токами в сотни и тысячи килоампер при высоких и сверхвысоких давлениях прежде всего связаны с высокой плотностью плазмы. Такая плазма обладает высоким коэффициентом поглощения излучения. В этом случае возникает ситуация, когда традиционные оптические методы диагностики дают информацию в основном о переходных и внешних областях дуги. Высокие тепловые и радиационные потоки практически исключают возможность контактной диагностики плотной плазмы таких разрядов. Использовались оптические методы исследования, включающие в себя теневой метод, скоростную фотографию, измерение яркостной температуры, рентгеновские методы

исследования, электротехнические методы и измерение импульсного давления.

Автор выносит на защиту. 1. Результаты исследований разрядов с /тах~(0-2 - 1.6) МА и dj/dt~( 10s -10"') А/с, благодаря которым установлены причины образования зон с аномально высокой величиной падения напряжения вблизи электродов и определены параметры плазмы в них.

2. Новую форму эрозии электродов в виде симметричного выброса со всей торцевой поверхности.

3. Переход эрозии электродов от капельной к паровой фазе для разрядов с j > 105 А/см2 в диапазоне потоков энергии на электрод (107 - 10Ч) Вт/см2.

4. Режим сжатия канала разряда с ]тах~(0-5 - 1.6) МА и dj/dt~ 10" А/с при начальном давлении водорода и гелия (5-30) МПа, в заключительной стадии которого температура канала достигает нескольких сотен эВ.

5. Результаты исследований сильноточных разрядов с ]тах~ 0.5 МА и d//dt~10M А/с при начальном давлении (80 - 160) МПа, в результате которых определены параметры канала разряда и установлено, что половина вложенной в канал электрической мощности уходит на нагрев окружающего дугу газа акустическими волнами.

6. Новый метод увеличения плотности энергии в канале разряда, основанный на резонансе акустических колебаний во всем объеме разрядной камеры и колебаний канала разряда, обусловленных выравниванием магнитного и газокинетического давлений.

7. Образование высокотемпературной зоны по оси разряда, существование которой подтверждается оценкой частоты, глубины модуляции и поглощения мягкого рентгеновского излучения.

8. Результаты исследования разряда в гелии при начальном давлении (10 - 15) МПа и dj/dt ~ 6-10" А/с, в результате которых установлено, что нагрев газа в разрядной камере осуществляется в основном за счет энергии ударных волн и полученное при этом совпадение экспериментальных и расчетных кривых импульсных давлений по оси и на стенке разрядной камеры.

Научная новизна. 1. Установлено, что в разрядах с ]тах ~ (0.2 - 1.6) МА и dj/dt ~ (10" - 10'") А/с причиной образования приэлектродных зон с аномально высокими значениями падений напряжения, суммарная величина которых достигает нескольких киловольт, являются приэлектродные эрозионные струи.

2. Для разряда в водороде при начальном давлении 1 МПа и Jmax ~ 3-105 А определены параметры приэлектродной эрозионной плазмы у катода:

Т= 59-Ю3 К, Р = 5.3-Ю18 см~3 . Параметры плазмы у анода близки к этим значениям. Для этих условий определен продольный размер областей у электродов, на которые приходится суммарное падение напряжения ~ 1 кВ при общем падении ~ 1.5 кВ. Он составляет ~ 0.2 см для каждого из электродов.

3. Экспериментально показано, что при dj/dt ~ (108 - 10ч) А/с одной из возможных причин турбулентного теплообмена между дугой и окружающим газом являются приэлектродные эрозионные струи, которые создают вихревое течение газа во всем объеме разрядной камеры.

4. Установлено, что при переходе к разрядам мегаамперного диапазона и увеличении плотности тока свыше 105 А/см2 при отсутствии перемещения дуги по электродам преобладающей в материале эрозии электродов становится не капельная, а паровая фаза.

5. Обнаружена новая форма эрозии в виде одновременного симметричного выброса со всей поверхности торцов электродов.

6. Впервые обнаружен и исследован режим сжатия канала разряда при начальных давлениях водорода и гелия (5 - 30) МПа и ]тах~ (0-5 - 1-6) МА. В районе максимального сжатия температура канала достигает нескольких сотен электронвольт. Зарегистрированное увеличение величины тока, при котором начинается сжатие канала, и рост его температуры с увеличением начального давления связываются с уменьшением его излучательной способности. Это явление было предсказано ранее другими авторами.

7. Впервые исследован разряд при сверхвысоком начальном давлении водорода (80 - 160) МПа, которое создавалось путем адиабатического сжатия. Определены параметры канала, образованного парами инициирующей проволочки. При ]тах ~ 490 кА и начальном давлении 110 МПа Т ~ 1-105 К; п, ~ 2-Ю20 см-3. Зарегистрированы значительные колебания давления на стенке разрядной камеры, величина которых достигает 150 МПа. Из баланса мощности следует, что половина вложенной в канал электрической мощности уходит на нагрев газа акустическими волнами.

8. Впервые наблюдались синхронные колебания диаметра канала разряда, напряжения и интенсивности рентгеновского излучения. Было установлено, что они связаны с выравниванием магнитного и газокинетического давлений. Такие колебания были предсказаны теоретически другими авторами.

9. На основании анализа акустических колебаний, возникающих во всем объеме разрядной камеры, и колебаний самого канала предложен новый способ повышения плотности энергии в канале разряда. Он основан на резонансе обоих типов колебаний и, вследствие этого, дополнительном сжатии канала.

10. Для разрядов в водороде с ]тах ~ 1.6 МА и начальным давлением (5 - 7) МПа из оценок глубины модуляции и частоты колебаний мягкого рентгеновского излучения (МРИ) из канала разряда и его поглощения алюминиевой фольгой разной толщины установлено существование высокотемпературной области по оси разряда с радиусом 0.05 см и температурой несколько сотен электронвольт.

11. Разработан новый помехозащищенный импульсный датчик давления с временным разрешением 0.6 мкс и амплитудой измеряемого давления до 500 МПа. Датчик был использован при исследовании разрядов в гелии и воздухе с йЦйЬ ~ 6-10" А/с. При этом с его помощью проведены измерения импульсного давления по оси разряда на разных диаметрах, которые позволили оценить распределение плотности тока по радиусу, а также проследить динамику нагрева газа во всем объеме разрядной камеры. Для разряда в гелии установлено, что нагрев газа в разрядной камере осуществляется в основном за счет энергии ударных волн. При этом получено совпадение экспериментальных и расчетных кривых импульсных давлений по оси и на стенке разрядной камеры.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов подтверждается всесторонним анализом теоретических и экспериментальных работ, относящихся к проводившимся исследованиям. Совпадением теоретических оценок параметров разряда и его поведения с полученными экспериментальными результатами. Совпадением данных эксперимента с теоретическими предсказаниями, которые были получены ранее другими авторами. Дублированием измерений посредством различных методик. Наличием аналогичных результатов в близких областях физики плазмы.

Практическая ценность и реализация результатов исследования.

Полученные результаты расширяют диапазон токов и начальных давлении, в которых могут разрабатываться новые перспективные электроразрядные установки, что, в свою очередь, позволяет расширить их область применения и генерировать плазму в более широком диапазоне параметров. Время существования и объем такой плазмы больше, чем в большинстве традиционных источников (горячие точки, перетяжки Z-пинчeй, Х-пинч).

Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании различного рода коммутаторов высокого давления на диапазон токов (1 - 10) МА, рассчитанных на высокие напряжения, для создания новых типов электроразрядных устройств.

При исследованиях по созданию устойчивых разрядов с током ~ 10 МА и выше результаты данной работы могут быть использованы при оценке

9

эрозии электродов, которая влияет на характеристики самого разряда. Объяснение режима возникновения турбулентного теплопереноса в разрядах с ¿¿//с/С ~ 108 А/с было использовано для более эффективного нагрева окружающего дугу газа и увеличения КПД генераторов плазмы различного типа, разработанных в ИЭЭ РАН.

Исследование и объяснение нового вида эрозии в виде выброса целого слоя материала электрода дает возможность регулировать поступление примесей в канал разряда. Это представляет практическую ценность как для увеличения срока работы электродов, так и для получения плазмы заданного состава.

Исследования, связанные с переходом эрозии электродов из капельной в паровую фазу при увеличении плотности потока энергии на электроды, могут быть использованы для выбора электродов с теплофизическими свойствами, позволяющими минимизировать их износ. Результаты исследования эрозии электродов в разрядах мегаамперного диапазона могут быть использованы для повышения рабочего ресурса электродов.

Поскольку при высоком давлении окружающего газа сжатие канала разряда происходит в более медленном темпе и в больших объемах, чем в вакуумных разрядах, а температуры канала достигают сотен электронвольт, результаты проделанных исследований могут быть использованы для создания источников рентгеновского излучения с большим энергетическим выходом. Для их питания могут быть использованы относительно более дешевые устройства, не требующие сложной высоковольтной техники, такие как конденсаторные батареи и индуктивные накопители.

На основании проведенных исследований может быть создан источник фотоионизационной плазмы, свободной от примесей. При этом канал разряда с металлической плазмой, являющийся источником мягкого рентгеновского излучения, благодаря высокому начальному давлению рабочего газа и сжатию может быть локализован в небольшом объеме.

Обнаруженное явление резонанса акустических колебаний и колебаний, связанных с выравниванием магнитного и газокинетического давлений в канале разряда, может быть использовано для увеличения энергетического выхода из канала мягкого рентгеновского излучения.

Проведенные исследования показали, что при проектировании электроразрядных установок с начальным давлением выше 10 МПа и А]/Ль > 10" А/с необходимо учитывать уход вложенной джоулевой энергии в энергию ударных волн, поскольку в ряде случаев эта величина превышает 70%, что позволяет увеличить их КПД и ресурс работы.

Высокие значения давлений и температур по оси исследовавшихся

10

разрядов могут быть использованы для получения высокоскоростных, высокоэнтальпийных потоков плазмы по оси разряда. Такие потоки, в свою очередь, могут быть использованы для различных целей (генерация рентгеновского излучения при их столкновении, ускорение тел малой массы и т.д.). Пример такого использования приводится в работе.

Результаты проделанных исследований были использованы при создании импульсных генераторов плазмы с вложенной энергией до 10 МДж. При исследованиях по обеззараживанию воды электрическим разрядом с J max Д° 100 кА ПРИ dj/dt ~ 610" А/с, при разработке электродной системы новых мощных коммутаторов.

Личный вклад автора. Основные результаты исследований получены при непосредственном участии и под руководством автора. Им были сформулированы задачи исследования и намечены пути их решения. Автор принимал участие во всех экспериментальных исследованиях и разработке новых методов диагностики. Автором проведен анализ и обобщение полученных результатов и их теоретическое исследование. Лично автором создан экспериментальный стенд и разрядная камера со скоростью нарастания тока 610" А/с. Автором было показано, что при dj/dt ~ 6-10" А/с и начальном давлении (10 - 15) МПа энергообмен между дугой и окружающим газом в основном идет с помощью ударных волн. Автором разработана методика по измерению импульсных давлений до 500 МПа, с временным разрешением 0.6 мке в условиях сильных электромагнитных, тепловых и акустических помех. Автором дано объяснение новой формы эрозии электродов, наблюдавшейся как выброс в виде полусферы со всей его поверхности; указаны причины высоких приэлектродных падений и определены параметры плазмы в них.

При исследовании динамики канала разряда при токах (0.5 - 1.6) MA автором был обоснован режим его радиационного сжатия и определены параметры канала. При исследовании разрядов при начальном давлении (80 — 160) МПа автором дано объяснение обнаруженного резкого увеличения плотности энергии в канале разряда, связанного с резонансом колебаний канала различного типа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: Всесоюзное совещание по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза, (Ленинград 1974, 1975); Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы, VII (Алма-Ата, 1977), X (Каунас, 1986); Hypervelocity Impact Symposium (Oxford, England, 1995); IEEE Conference on Plasma Science 23"' (Boston, USA, 1996), 24'h (San Diego,

11

California, USA, 1997), 28th (Las Vegas, Nevada, USA, 2001); IEEE Pulsed Power Conference (Albuquerque, New Mexico, USA, 2007); ASME Heat Transfer Division American Society of Mechanical Engineers (New York, USA, 1996); 27lh AIAA Plasma Dynamics and Lasers Conference (New Orleans, USA, 1996); 8th International Conference on Switching Arc Phenomena (Lodz, Poland, 1997); 12lh International Conference on Gas Discharges & Their Applications (Grcifswald,

1997); 9lh EML (Electromagnetic Launch Symposium), (Edinburgh, Scotand UK,

1998); 12th EML Symposium (Utah, USA, 2004); 15lh International EML Symposium (Brussels, Belgium, 2010); Конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-98, (Петрозаводск, 1998); Всероссийская научная конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2001, Петрозаводск, 2001); Всероссийская (с международным участием) конференция, «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2007; 2011); Международная конференция «Уравнения состояния вещества» (XV, Терскол, 2000), (Эльбрус ,XVII - 2002, XIX - 2004, XXI - 2006, XXIII - 2008, XXV - 2010, XXVII - 2012); ТРР-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes, (St.Petersburg, 1998); International Congress on Plasma Physics, (Sydney, Australia, 2002; Nice, France, 2004); Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Эльбрус (XXVIII -2003, XX - 2005, XXII - 2007, XXIV - 2009, XXVI - 2011); International Symposium on High-Current Electronics (SHCE), (15th - 2008; 16lh -2010; Tomsk, Russia); 30th International Conference on Phenomena in Ionized Gases ICPIG - 2011, Queen's University Belfast, Northern Ireland, UK.

Результаты исследований неоднократно докладывались на Научно-координационной сессии «Исследования неидеальной плазмы», (2003 -2011, Москва).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 61 статьях и докладах, в том числе 21 работа опубликована в рецензируемых изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав с выводами, заключения и списка литературы. Ее общий объем составляет 237 страниц, включая 87 рисунков и 8 таблиц. Список цитируемой литературы и публикаций автора по теме диссертации содержит 246 наименований.

Содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, отмечаются особенности разрядов сверхвысокого давления мегаамперного диапазона и

формулируются цели и задачи работы, ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проводится обзор литературы по исследованию сильноточных разрядов высокого и сверхвысокого давления. Особое внимание уделяется работам по исследованию электродных струй и эрозии электродов в разрядах высокого давления. Рассмотрены также разряды, в которых наблюдалась генерация мягкого и жесткого рентгеновского излучения, и возможности повышения устойчивости канала разряда. Указывается на возможность повышения плотности энергии в канале разряда, которая может осуществляться как за счет радиационного сжатия канала, так и за счет взаимодействия ударных волн, возникающих в разряде высокого и сверхвысокого давления. Глава заканчивается постановкой задач исследования, которые сформулированы на основе анализа литературных данных.

Во второй главе диссертации дано описание установок, на которых проводились исследования. Поставленные задачи исследования тесно связаны между собой, поэтому по ходу изложения работы при описании того или иного физического явления приводятся результаты, полученные на различных установках, при разной величине начального давления газа и различных амплитудах тока. Для удобства номера установок и их краткие характеристики сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Краткая характеристика установок, на которых проводились исследования.

№ Обозначение в тексте (Ш/Г, Л/с кЛ Запасенная энергия, МДж Т/2, мке />„„„ МПа Рабочий газ Основные физические результаты, полученные на установке

1 ИМПП-1 - 10* 200 0.1 - 10 2000 0.1-4 водород гати а'»от аргон Турбулентным режим нагревам высокие при электродные падения напряжения на Н2. Скорости расширения канала.

2 Диагностическая камера - ю" 500 0.2 400 0.1-4 водород воздух Распространение фронта фотоиожпацип. Образование струи. Причины турбулентного нагрева газа. Исследование при электродных зон к новых форм зро'лш.

за Камера с предварительным адиабатическим сжатием. - 10'" 200 0.3 700 350 водород Напряженность поля при сверхвысоких давлениях. Приэлектродные падения.

Таблица 2.1.Продолжение.

№ Обозначение в тексте iU/ch, А/с л,«»-. кА Запасенная энергия, МДж Г/2, МКС Р,и,„ МПа Рабочий газ Основные физические результаты, полученные на установке

36 Камера с предварительным адиабатическим сжатием. ~ 10" 500 0.3 100 5 - 200 водород Колебания диаметра канала, связанные с выравниванием магнитного и газо к и н ст и ч е с ко го д а в л с н и й. Увеличение плотности энергии в канале.

4 Камера с - 2 МА. - К)" 2000 0.6 100 5 - 30 водород гелии Сжатие канала разряда. МРИ из канала. Образование высокотемпературной зоны по оси.

5 Малоиндуктивная разрядная камера. - К)12 600 0.03 4 0.1 - 15 гелии азот воздух Нагрев газа ударными волнами. Измерение давления по осп разряда п его раепределения по радиусу.

Последовательность описания установок приводится по мере увеличения скорости нарастания тока. Эта величина наряду с амплитудой тока и начальным давлением рабочего газа является одним из основных параметров, определяющих физику процессов в разрядной камере. Использование приведенных оригинальных установок различной конструкции, разработанных в ИЭЭ РАН, позволило провести исследование импульсных сильноточных разрядов в широком диапазоне параметров: й]¡дХ~ (108 -1012) А/с; ]тах~ (0.2 - 1.6) МА; Рнач ~ (0.1 - 200) МПа. При этом на каждой из установок были получены оригинальные физические результаты, которые вместе с параметрами установок кратко перечислены в таблице 2.1.

Установка ИМПП-1 (№1). Разряд инициировался взрывом

вольфрамовой проволочки, натянутой между набивным цилиндрическим вольфрамовым катодом и анодной вставкой из меди. Внутренний диаметр разрядной камеры ~ 100 мм. Конструктивно камера состояла из цилиндрических секций с фланцами. В процессе работы секции герметично соединялись между собой при

Рис. 2.1. Импульсный плазмотрон ИМПП-1: 1 -катод, 2 - инициирующая проволока. 3 — изоляция. 4 - анод. 5 - диафрагма.

помощи шпилек или гидродомкрата.

Измерительная секция для оптической диагностики с двумя окнами (кварц или плексиглас), не показанная на схеме, вставлялась между анодом и кольцом изоляционного стакана. Максимальный энерговклад в дугу составлял 107 Дж, наибольшее давление - 1500 атм.

Диагностическая камера (№2). Диагностическая разрядная камера представляет собой сборную конструкцию, состоящую из корпуса разрядной камеры, электродной системы, газовой арматуры и диагностических окон.

Рис. 2.2.а: Диагностическая разрядная камера: 1 — анод. 2 - диагностическое окно. 3 - датчик давления, 4 — инициирующая проволочка. 5 - катод; б: Общий вид диагностической камеры со снятой боковой крышкой: 1.2- диагностическое окно: 5 — переходная гаюотводящая трубка к ресиверу: 4 - газоподвод; 5 — датчики давления; 6 —

катод: 7 — токосборник.

Расстояние между вольфрамовыми электродами диаметром 6 мм или медными электродами диаметром 10 мм менялось от 5 до 40 мм. Разряд инициировался взрывом медной или стальной проволочки диаметром 0.15 мм. Свободный разрядный объем - (1600 ± 50) см3 в зависимости от межэлектродного расстояния с поправкой на каналы датчиков давления. Камера рассчитана на максимальное статическое давление 4 МПа и импульсное давление 40 МПа. Питание диагностической камеры осуществлялось от конденсаторной батареи. Конденсаторная батарея собрана из 6 одинаковых секций, расположенных на стеллажах. Система рассчитана на рабочее напряжение до 10 кВ. В экспериментах зарядное напряжение менялось от 1.0 до 5.5 кВ. Полная электроемкость 0.11 Ф. Наибольшая энергоемкость системы 3.8-106 Дж. Общая индуктивность собранной системы составила 3 • 10 7 Гн. Для питания разрядной камеры использовалась одна секция батареи емкостью 0.018 Ф. Энергия, вложенная в дугу до 200 кДж, }тах ~ 500 к А.

Камеры с предварительным адиабатическим сжатием (№3а и №36). Обе установки состояли из ступени поршневого адиабатического сжатия и разрядной камеры (рис. 2.3, 2.4).

6 — токоввод, 7 — катод. 8 — газоподвод с обратным клапаном, 9 — диафрагма, 10 — выхлопной узел, 11 - датчик давления. 12 — инициирующая проволочка,

13 - анод.

Перед пуском разрядная камера и канал сжатия накачиваются водородом до давления (10 - 20) МПа. В первой ступени происходит адиабатическое сжатие газа поршнем под воздействием порохового заряда. В конце сжатия давление газа в разрядной камере достигает (250 - 350) МПа при концентрации частиц (2 - 3.3)-1022 см"3. Инициирующая медная проволочка диаметром (0.3 - 0.6) мм устанавливалась между катодом и анодом, которым являлся корпус камеры. В конце сжатия газа происходит запуск емкостного накопителя энергии. Конструкция установок позволяет изменять начальные условия эксперимента в следующем диапазоне: максимальную степень сжатия (5 — 10), межэлектродное расстояние (2 - 20) мм, импульсное

Рис. 2.4. Установка для исследования разряда в сверхплотном газе. Р„ = (60 - 200) атм. Р' = (¡500 - 3500) атм, п = (I 4) 1022 см 3, ] = (НО - 500) кА. I - канал сжатия, 2 - поршень. 3 - пороховой заряд. 4 камера, 5 - газоподвод, 6 -токовый коллектор. 7 - катод. 8 - анод. 9 - датчик давления, ¡0 диафрагма, 11 окно.

Отличие установки №36 состоит в том, что она имеет меньшую индуктивность, так как разрядная камера имеет геометрию Z-пинча (рис. 2.4). Камера с максимальным током 2 МА (№4). Разрядная камера рассчитана на работу при начальном давлении газа до 100 МПа, импульсном давлении до 1000 МПа и среднемассовой температуре до 4000 К (рис. 2.5). Корпус камеры 1 представляет собой толстостенный сосуд, выполненный из стали ОХНЗМФА, термообработанной до нормального напряжения текучести [аТ] = 1350 МПа. Внутренний цилиндр путем горячей посадки скреплен бандажом 2 из той же стали.

9 8 7 6 5 4 ^

10 11 2 1 а

Рис. 2.5.(1.' схема разрядной камеры. I — корпус, 2 - бандаж. 3 - токосоорник, 4 - токоввод, 5 - изоляция. 6 - катод. 7 — анод. Н - диафрагма. 9 - сопло.

10- датчик давления, 11 - диагностическое' окно; в: общий вид разрядной камеры.

Источником питания служила конденсаторная батарея с напряжением Цшр = (В - 16) кВ, энергией (0.5 - 2.0) МДж. Длительность импульса тока составляла около 100 мке, Jmax - до 2 МА. Падение напряжения на дуге было в пределах (3 - 5) кВ. Энерговклад в дугу составлял (150 — 500) кДж. Индуктивность разрядного контура, включающего в себя разрядную камеру, составляет ~ 200 нГн.

Мало индуктивная разрядная камера (№5). Камера предназначалась для исследования разрядов в гелии при начальном давлении (10 - 15) МПа и воздухе при амплитуде тока до 600 кА при скорости нарастания 610" А/с. Разрядная камера (рис. 2.6) крепится к верхней плите токосборника и является обратным токопроводом. Внутренний диаметр разрядной камеры без изоляции 4 см, расстояние между электродами (1— 5) см. В ряде случаев стенки разрядной камеры закрывались оргстеклом или полиэтиленом. При этом диаметр разрядной камеры составлял 2 или 3 см. Для инициирования разряда в гелии при начальных концентрациях (1.4 - 4)-1021 см"3 была разработана конструкция плазменного инжектора, который размещался в аноде (рис. 2.7). Система питания представляет собой емкостной накопитель

с плоской ошиновкой.

Зарядное напряжение накопителя 50 кВ, запасенная энергия при трех модулях 28 кДж. Конденсаторы КМК-50-4

объединены в модули по два конденсатора. Емкость одного модуля 7.4 мкФ. Края шин крепятся в квадратной плите токосборника, на которой установлена разрядная камера. Общая индуктивность системы питания с нагрузкой определялась в основном индуктивностью разрядной камеры и нГн. Изменение ]тах в

+50 кВ

Рис. 2.6. Схема конструкции разрядной камеры. 1 — канал для ускорения или датчик давления, 2 — диафрагма, 3 -катод. 4 - анод с инжектором. 5 -изоляция. 6 - пояс Роговского.

1-,

составляла

диапазоне (50 - 600) кА достигалось изменением числа подключенных к нагрузке модулей (1 — 3) и изменением величины зарядного напряжения (10 - 50) кВ. Третьи глава диссертации посвящена методам диагностики. Отмечается, что принципиальные трудности исследования дуг в подобных системах с токами в сотни и тысячи килоампер при высоких и 2-----сверхвысоких давлениях прежде всего связаны с высокой плотностью плазмы. Такая плазма обладает высоким коэффициентом поглощения излучения. В этом случае возникает ситуация, когда традиционные оптические методы диагностики дают информацию в основном о переходных и внешних областях дуги. Высокие тепловые и радиационные потоки практически исключают возможность контактной диагностики плотной плазмы таких разрядов. Кроме того, значительные технические требования к методам диагностики предъявляются в связи с высоким уровнем электромагнитных, акустических и тепловых помех, сопровождающих такие эксперименты. Ряд важных сведений, таких как введенная в разрядный объем энергия, динамика движения токового канала, образование ударных и акустических волн, может быть получен при использовании импульсных датчиков давления. Импульсное давление является одной из основных величин, определяющих параметры плазмы разряда. Его измерению было уделено повышенное

18

Рис. 2.7. Cxe.ua конструкции инжектора плазмы:1 — основной электрод (анод): 2 — камера инжектора: 3 — электрод поджига: 4 - изоляция.

5 3 3 3

внимание. Большинство описанных в литературе датчиков, удовлетворяющих указанным выше требованиям, относятся к датчикам пьезоэлектрического типа и предназначены для измерений импульсных давлений в диапазоне (1 - 10)МПа. Нам же было необходимо измерять давление выше предела прочности существующих

пьезоэлементов. Такой возможностью и хорошим временным разрешением обладают пленочные диэлектрические и

тензометрические датчики. Однако они не могут работать в условиях сильных тепловых, электромагнитных и акустических помех.

„ г г „ Рис. 3.1. Схема конструкции

Поэтому оыл разработан специальным , , ,

г 1 импульсного датчика давления. 1 -

пьезоэлектрический датчик с акустическим турмалиновый пьезомемеит. 2 -

п уплотнение, 3 -

стержнем с временным разрешением 0.6 мке, „

1 г г г шукопогпотители,4 — изоляция. 5—

позволяющий измерять импульсное давление кабельный разъем. 6-керамический

до 500 МПа (рис. 3.1). Его разработка и стержень, частично

* металлизированный со стороны

методы калибровки подробно описаны в пьезоэлемента. Постоянная

работе. Он использовался при исследовании «Р^ечи 0.6мкс. амплитуда сигнала к * до 500 МПа.

разряда в малоиндуктивной разрядной камере с

й]/(И ~ 10" А/с, поскольку обладал достаточным быстродействием и помехозащищенностью. Для измерения давления при меньших (I]/с/Г использовались серийные

пьезоэлектрические датчики Т-500 и Т-6000.

При оптических исследованиях применялось скоростное

фотографирование канала разряда как в покадровом режиме, так и в режиме фоторазвертки. Определялась

яркостная температура канала разряда (рис. 3.2), фотографировался его спектр. Просвечиванием плазмы определялся коэффициент ее оптического поглощения. Для осуществления скоростной фотосъемки

Рис. 3.2. С.гема фоторегистрации измерений яркостной температуры: 1 - скоростная кинокамера ЖЛВ-2: 2 - нейтральные фильтры, широкополосный зеленый фильтр.

интерференционный фильтр 5500 А; 3 — зеркало; 4,8- окна: 5 - дуга; 6- катод; 7— анод; 9 - эталонный капиллярный источник.

разряда, спектрометрических и пирометрических измерений на установках №36 и №4 была разработана специальная конструкция оптического окна из органического материала с высокой ударной прочностью, способная выдержать условия эксперимента, при которых импульсное давление достигало ~(400 - 600) МПа.

Теневая съемка процессов в разрядной камере производилась на установке №2 по схеме на рис. 3.3.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 11 12 13 14 15

Рис. 3.3. Схема теневой установки: 1 - скоростная фотокамера ЖЛВ-2, 11 — согласующий объектив. 111— приемная часть теневой установки, IV—разрядная камера, V — колпиматорпая часть теневой установки. VI - источник подсветки: 1 - скоростная фотокамера ЖЛВ-2, 2 -светофильтры. 3 - второй компонент согласующего объектива. 4 - визуализирунпцая диафрагма,

5 - первый компонент согласующего объектива. 6 - приемный объектив, 7 - диагностические окна. 8 —дуга, 9 —катод, 10-аиод, 11 — коллиматориый объектив, 12 -устройство чистки пучка,

13- конденсор, 14- электродинамический затвор, 15- аргоновый лазер ЛГН-402. Был реализован метод визуализирующей диафрагмы в фокусе. Выбор этого метода связан с тем, что он позволяет сильно ослабить собственное излучение разряда и, вместе с тем, выделить необходимый интервал отклонения лучей в пучке света, просвечивающего источника.

Ввиду непрозрачности оптически плотной плазмы, характерной для исследуемых разрядов, важное место для их диагностики принадлежало рентгеновским методам исследования. При регистрации собственного рентгеновского излучения канала разряда (рис. 3.4) сложность исследования заключалась в высокой плотности окружающего канал газа и большой толщине окон, через которые проводилась регистрация. Детектор рентгеновского излучения помещался

Рис. 3.4. Схема измерений МРИ: 1

- датчик излучения: 2 — буферная камера: 3 — измерительный канал;

4 -корпус разрядной камеры; 5 — изолятор; б - разрядный объем; 7

— катод; 8 - анод; 9 — диафрагма; 10- инициирующая проволочка.

в специальную буферную камеру, которая обеспечивала его защиту от воздействия высокого давления, температуры и ударных волн.

Для определения распределения концентрации паров металла эродированных электродов и инициирующей проволочки применялась разработанная система рентгеновского просвечивания (рис. 3.5). Она состояла из импульсного рентгеновского источника в области спектра (20 -50) кэВ и рентгеновской п. з. с.-камеры. Достаточное поглощение рентгеновского излучения, оптимальное для измерения характерной для наших условий концентрации паров металла от К)14 до 10:| см 3 на фоне поглощения в диагностических окнах и в объеме, заполненном водородом при давлении ~ 10 МПа, обеспечивается в диапазоне энергий квантов ~ (30 -40) кэВ.

ь.

I

I

I

U/2I

Рис. 3.S. Схема рентгеновского просвечивания

разряда: I — рентгеновская трубка: 2 -диагностические окна: 3 - анод: 4 - катод: 5-

рентгеиовская п. i.e. — камера: 6 — инициирующая проволочка: 7- область горения

дуги: 8 - изоляция. L/ = 13 ем - область, заполненная водородом под высоким давлением: L2 — область с парами металла; Lj/2 = 1.25 см -толщина диагностического окна из поликарбоната.

Рис. 3.6. Схема конструкции делителя напряжения: 1 - высоковольтная обкладка токосборника: 2 - заземленная обкладка токосборника:3 - корпус делителя: 4 - крышка делителя: 5 — конденсаторы низковольтного плеча (типа КМ5. КМ6>: 6 - низковольтная обкладка высоковольтного конденсатора: 7 — дополнительная изоляция: 8— основная изоляция токосборника (диэлектрик в высоковольтном конденсаторе); 9 - сигнал с низковольтного плеча делителя.

Измерение токов и напряжений осуществлялось по стандартной методике. При измерении напряжения на установке №5 с малой индуктивностью была разработана конструкция емкостного делителя напряжения (рис. 3.6), диэлектриком высоковольтного плеча которого являлась многослойная полиэтиленовая изоляция между пластинами токосборника разрядной камеры. Такая конструкция резко повысила надежность измерительного тракта и позволила устранить пробой по изоляции делителя напряжения, величина которого достигала 50 кВ.

ЩЩ

шшмжш

Четвертая глава диссертации

посвящена исследованию

эрозионных струй и эрозии электродов, которые в основном проводились на установках №2 и №4. Общая картина эволюции разряда при 1тах~ (ЮО - 400) кА приведена на рис. 4.1 и 4.3. (установка №2). При совместном анализе рис. 4.1 - 4.3 наблюдается взрыв инициирующей проволочки и следующее за ним расширение полупрозрачного канала

разряда (рис. 4.4). При этом впервые внутри

Рис. 4.2. Осциллограммы тока (а) и напряжения (Ь) на разрядном промежутке. Начальное давление водорода 1 МПа, диаметр вольфрамовых электродов 6 мм.

Это так называемые струи первого типа. Позднее наблюдается образование мощных эрозионных струй второго типа, истекающих из общей ванны расплава, которая образуется после его прогрева. Как это видно из рис. 4.5 возможно существование двух типов струй одновременно. Параметры эрозионной плазмы определялись вблизи торца электродов для струи второго типа на основании измеренных значений яркостной температуры Т и

22

расширяющегося полупрозрачного канала

наблюдается образование

сначала катодной и затем анодной струй. Образование этих струй связано со слиянием струй, вызванных быстроперемещающимися пятнами.

Рис. 4.1. Теневые фотографии с неполной фильтрацией собственного излучения эволюции разряда в водороде (вольфрамовые электроды диаметром 6 мм, межэлектродное расстояние 10 мм, амплитуда тока ~ 125 кА. начальное давление 1 МПа, анод слева, катод справа).

давления Р. Яркостная температура Т считалась соответствующей равновесной, а величина Р оценивалась по положению скачка уплотнения, вызванного взаимодействием мощной катодной струи с окружающим газом, а также в предположении равенства

магнитного и газокинетического давлений у основания струи. Значения концентрации ионов металла п ионов г определялась из

¡Щ ШЯЯЯШ и шШж&ШШш

4 мке 8 мке 16 мке

У ■г ВнншиВ

20 же

24 мке

2S мке

Рис. 4.3. Образование катодной и анодной струй И Среднего заряда первого mima при расширении полупрозрачного канала разряда в водороде (катод слева, анод справа). Вольфрамовые электроды диаметром 6 мм, системы уравнений [1 J: межэлектродное расстояние 17 мм. амплитуда тока

/

(z + i) = kTln

= 5.3-1019 см"3

для

дТз/2\ ~ 380 кА, начальное давление I МПа. Фотографии

~ I г сняты в видимом свете через нейтральные фильтры с I „ , Л , , _ оптической плотностью 2.

(. Р = п(1 + г)кТ, здесь I - среднее значение потенциала ионизации для вольфрама в точке

(г + 1), А = 6 ■ 1021 см~3эВ~3/2. Система при Т= 59 103 К и Р= 177 МПа для вольфрамовой плазмы имеет решение: т. = 3.1 прикатодной плазмы через 70 мм от у, м'с начала. Яркостная температура у анода к моменту времени 90 мке составляет 52-103 К, а давление Р = 190 МПа. Средний заряд иона г и концентрация ионов анодной плазмы и, определенные по той же методике, что и у катода, составляют

соответственно: z = 2.6, п — 7.4-1019 см"3.

2 3 4

РаМПа

Рис. 4.4. Скорость расширения полупрозрачного канала разряда в зависимости от величины начального давления водорода.

Более высокие значения п на аноде соответствуют большему эрозионному износу анода. На основании определения параметров плазмы вблизи торцов анода и катода в работе делаются оценки протяженности зон вблизи электродов, в которых выделяется наибольшая энергия, что является причиной высоких приэлектродных падений. При у'~10г>А/см2, /~300 кА и ^/(И~\09 А/с протяженность этих зон у анода и катода ~ 0.2 см при длине разрядного промежутка ~ 2 см. На фотографиях в МРИ, взятых из работы [2], эти зоны

имеют близкие размеры. Одной из причин высоких падений напряжения

23

может быть взаимодействие струй между собой или с поверхностью противоположного электрода. В последнем случае взаимодействие должно происходить вблизи одного из электродов. В пользу этой гипотезы говорит зависимость напряжения на разрядном промежутке от его длины, приведенная на рис. 4.6. Из графика видно, что напряжение на дуге максимально на длине ~ 15 мм. Эта длина соответствует наиболее эффективному взаимодействию катодной струи с анодом (для медных электродов диаметром 10 мм анодная струя не образуется).

При исследовании разрядов в водороде, гелии, азоте и аргоне на установке №1 при й]/йЬ ~ (1 — 3)-108 А/с и начальных давлениях (0.1 - 4) МПа были определены температуры канала разряда, скорости его расширения и эффективность нагрева газа во всей камере. При этом было установлено, что основная доля энергии, переданная от дуги к газу, передается путем турбулентной теплопроводности. В диссертации показано, что ответственным и за этот механизм, возникающий также и при ¿¿//(Й ~ Ю'А/с, являются электродные струи. При их столкновении происходит более интенсивное перемешивание газа в камере. Кроме того, на установке №2 теневым методом было установлено, что в разрядной камере формируется мощное вихревое течение основания струи.

Появление эрозионных струй связано с эрозией электродов. Ее исследование велось при Утаа:~(100 - 1500) кА, начальном давлении газа (0.1 - 35) МПа, стальных и вольфрамовых электродах диаметром 20 и 6 мм соответственно, при длине межэлектродного промежутка (5 - 50) мм. Обнаружена новая форма эрозии в виде одновременного симметричного выброса вещества со всей поверхности торца электрода, как со стороны катода, так и со стороны анода (рис. 4.7). При этом установлено, что

24

Рис. 4.5. Струя металла второго типа (2) с анода па фоне более яркого излучения струи первого типа (1).

V. кВ Р. МПа

0 5 10 15 20 25 30

1. мм

Рис. 4.6. Зависимости падения напряжения на разрядном промежутке и установившегося давления в камере от расстояния между электродами. Ток — 300 кА, начальное давление водорода

1 МПа. медные электроды диаметром

10 мм.

из-за подсоса рабочего газа у

наблюдаемый выброс связан с нарушением равенства между магнитной силой У х В и градиентом газокинетического давления у основания электрода, которое было вблизи максимума разрядного тока.

До начала выброса происходит нагрев электрода и образование общей ванны расплава на его поверхности. При уменьшении разрядного тока магнитная сила и уравновешивающее ее газокинетическое давление у поверхности электрода спадают быстрее, чем давление внутри жидкого расплава. Результатом этого и является выброс расплава с поверхности электрода, который в процессе разлета, как показано в работе, превращается в пар. Выброс со всей поверхности торца электрода оболочки существует в ограниченном диапазоне

304 МКС 320 МКС

Рис. 4.7. Теневые фотографии симметричного выброса вольфрама с поверхности катода в разряде с начальным давлением водорода I МПа и после максимума тока при токе ~ 120 к Л в момент начала выброса (вольфрамовые электроды диаметром 6 мм, межэлектродное расстояние 10 мм, амплитуда тока 125 кА; 1 - торец катода, 2 - зона выброса металла, 3 - контур катода. 4 - контур анода).

амплитуд и плотностей разрядного тока. Нижняя граница обусловлена возникновением пинч-эффекта, верхняя граница связана с преобладанием эрозии в паровой фазе, при этом 10 < у < 106 А/см:; 100 < у <400 кА. Критическая плотность потока энергии на электрод Ц = где и3 - величина вольтова эквивалента, который близок к величине приэлектродного падения, необходимая для появления эрозионной струи, оценивалась из соотношений [3]:

0.085ГА _ /ач1/2 _ цх+ц2

Rx =

<12

-О

{атУ2

где Т - температура кипения [°С], X - теплопроводность [Вт/(см-град)], а - температуропроводность [см"/с], L - удельная теплота испарения [Дж/г], р - плотность [г/см3], г - время действия теплового потока [с].

Для экспериментов с Jmax = 380 кА и Jmax = 1.5 MA, в которых экспериментально было определено время появления интенсивной эрозионной струи г, величина щ составила 20 В и 8.2 В соответственно. При этом величина о ~(3 -5)-106 Вт/см2.

Для оценки соотношения между эрозией в жидкой и паровой фазе величины скорости движения фазовой границы между жидкостью и паром V

(рис.4.8) и температуры поверхности испарения Т(, определялись из системы уравнений [4]:

с?

V =

V = с ■ ехр

\ ЯТ0)'

где Я - универсальная газовая постоянная; А - атомный вес металла; ц -средняя плотность потока энергии на электрод за время существования эрозионной струи; с - скорость звука в материале электрода. Толщина слоя расплавленного

металла х2 определялась по ......., ,, ... ,, , ,,

движению изотермы с 2— - / , /

.......|...........Г.....

ч. ^

I/

температуре плавления материала Рис. 4.8. Состояние электрода под действием па его

торец теплового потока мощностью </. 1 — паровая фаш толщиной X/, 2 - жидкая фаза толщиной х,; V-задается решением уравнения скорость движения фазовой границы между

жидкостью и парам.

температурой Т„(х,0, равной _Х1

температуре плавления материала электрода, которая в свою очередь задается решение теплопроводности:

Тц(х2> О = Т0 • ехр

где а - температуропроводность. Результаты расчетов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Расчетная зависимость толщины испаренного X; и расплавленного слоя х? для вольфрамового электрода от плотности потока энергии ц (время действия с/

на электрод 160 мке)

<7, Вт/см" Т„, кК V/, см/с .V/, см Д-1, см

10м 30 7.9-103 1.3 8.2-ю"*

10х 19 1.0-103 1.6-10"' 9.2-10"4

2.2-10' 14 I.2-10- 1.9 10 - 5.2-10"3

ю' 13 1.0-10- 1.6-10- 6.5-10"3

5-Ю" 12 3.2-10' 5.1-10"' 2-10 ^

10" 10 1.0-10' 1.6-10"' 5.8-102

Для д = 2.2-107 Вт/см2 расчетное значение испаренной массы вольфрама составило т = р.чх/ = 0.11 г, а удельная эрозия т/(2 = 3.8-10"3 г/Кл, что соответствует экспериментальным данным.

Результаты этих оценочных расчетов и проведенных экспериментов дают основание утверждать, что при переходе к разрядам мегаамперного

диапазона и увеличении ) до 106 А/ем2 и выше при отсутствии перемещения дуги по электродам преобладающей в материале эрозии электродов становится паровая фаза. Жидкая фаза, в частности, характерна для разрядов в рельсотронах и электроразрядных ускорителях, а паровая - при наличии пинч-эффекта в разрядах с током } ~ (105 - 106) А и выше. Для объяснения эрозии электродов с преобладанием жидкой фазы достаточно величины падений напряжения у электродов и, ~ (10 - 20) В при ) < 105 А/см"; при ]> 105 А/см2 происходит эрозия в паровой фазе, при этом и, возрастает на два порядка. Это относится к разрядам с длительностью ~ 104 сек. В пятой главе приводятся результаты исследования сжатия канала разряда и образование горячей центральной зоны при /гпаЛ:~(0.5 - 1.6) МА, длительности первого полупериода (100 - 150)мкс и начальном давлении водорода и гелия ~ (5 - 30) МПа. При этом обоснована возможность достижения режима радиационного сжатия при высоком начальном давлении окружающего газа, которым является водород или гелий. Рассматривались два предельных случая. В случае разряда с амплитудой тока 500 кА и вольфрамовыми электродами (установка №36), считалось, что проводимость и излучательные характеристики плазмы канала определяются в основном водородом (рис. 5.1). В этом случае для качественной оценки поведения канала использовалась система уравнений:

Г I2

2щкТ = 1.6- Ю-3 Ч;,

V

1.5 ■ 10~*Т2Е _ ] 1пЛ пг2'

JE = тгг2(1.39 • 10-34Т1/'2 + 5.35 ■ Ю^Т-^п? = <?г + <2рек = <2изл ] - А, Е - В/см, Р - дин/см2, Т-К, г - см, - см"3, к - постоянная Больцмана, (2т и (21Н_.К - излученная на единицу длины канала мощность тормозного и рекомбинационного излучения. Комбинируя уравнения системы получаем стационарное решение только при одном при значении тока у = Укр.

Укр = 3.9 ■ ЮУЫЛ/К [А], (1)

где + (}рек)/(2т. Этот результат аналогичен результату, впервые

полученному Брагинским для полностью замагниченной водородной плазмы с чисто тормозным излучением Укр 1.6 МА, т.е., для случая К= 1и 1п Л ~ 15 [5]. По данным эксперимента (рис. 5.1) для момента максимального сжатия г = 0.1см и Е = 1600 В/см. Оценочные значения укр по формуле (1), следующие из уравнений системы, ~ 700 кА из-за уменьшения 1пЛ и увеличения К.

Из системы уравнений также следует, что

<2изл/(?Дж = (У//кр)2. (2)

поэтому при / > /кр канал разряда начнет сжиматься, и, наоборот, при / < /кр канал разряда должен расширяться, поскольку при / > /кр газокинетическое давление падает, а магнитное остается прежним и наоборот. Выражение (2) является более общим. Поэтому оно было использовано для более точной оценки величины критического тока. Для более точного определения Т и я, с учетом поправок на неидеальность вместо первых двух уравнений системы на основании экспериментальных значений проводимости и давления использовались расчеты параметров водородной плазмы из работы [6]. При оценке ]кр по формуле (2) величина (?изл определялась по третьему уравнению системы.

Рис. 5./. Разряд при начальном давлении водорода перед разрядом 5 МПа. Фоторазвертка в центре межэлектродного промежутка, поперечные фотометрические сечения яркости канала в различные моменты времени, зависимости от времени диаметра каната (О), яркости (В) в центре канала, ток (Л и напряжение (V).

В таблице 5.1 приводятся расчетные параметры канала разряда и его поведения в моменты времени, близкие к максимальному сжатию. Таким образом, поведение канала разряда, по-видимому, можно трактовать как радиационное сжатие, поскольку качественное изменение радиуса канала со временем соответствует расчетному.

Для разряда с амплитудой тока 1.6 МА и стальными электродами (установка №4) проводимость и излучательные характеристики канала определялись парами инициирующей проволочки и эрозионной плазмой с электродов (рис. 5.2).

В, let- units

r( mm

Таблица 5.1.

Значения критических токов и параметров канала разрядов в моменты времени близкие к максимальному сжатию.

Время от макс, сжатия г, см У. кА Е, В/см а, (Омсм) 1 Р. ГПа Т, К П;, -.4 СМ 1,„ см Вт/см е„» Вт/см кА Поведение канала

-1.4 МКС ^ 0.15 470 1200 5.6-10' 1.6 2.2-105 2.6-10м 6 5.6-10* 8.5-10* 380 7>Лр сжатие

0 1, 0.10 480 1600 9.5-Ю3 3.7 4105 7.7102" 26 7.7-10* 7.4-10* 490 У ~7кР равновесие

+6 МКС ь 0.15 500 300 2.4-10+ 1.7 9105 7 ■ 10" 2.2104 1.5-10* 6.5-107 760 У<Лр расширение

>

-¡Тег, К 40000

20000

На фоторазвертке свечения канала наблюдается устойчивое состояние в течение ~ 20 мкс с постоянным диаметром - 11 мм, равным диаметру эрозионного кратера на электроде, и затем сжатие канала. Сжатие канала наблюдалось также и в гелии при начальном давлении 25 МПа.

На реальность сжатия указывает появление «особенностей» на токе и напряжении в момент максимального сжатия (рис. 5.1) и 500■ (рис.5.4), а также в момент начала 1000 сжатия (рис. 5.2, 5.3). Кроме того, j кд моменту максимального сжатия соответствует максимальный сигнал с рентгеновского датчика (рис. 5.4).

Для вакуумных разрядов с металлической плазмой величина критического тока согласно [7]:

¡УДУ

Рис. 5.2. Разряд в водороде при начальном давлении

32 МПа. Фоторазвертка в центре межэлектродпого промежутка, зависимости от времени диаметра канала (й), яркостной температуры (Таг) в центре канала, тока и напряжения (V).

/Кр = 2.7 ■ 10 V 1пА/К [А].

(3)

Из-за высокой излучательной способности паров металла величина К ~ 100, что соответствует ]кр ~ 103 А. Любое уменьшение К приводит к увеличению /кр [8, 9]. Одной из причин уменьшения К может быть поглощение излучения в переходной зоне разряда, вызванное высоким начальным давлением в момент времени, соответствующий началу сжатия (рис. 5.2) Е - 1100 В/см, г = 0.45 см, ] = 1.2-106А. По проводимости и давлению, согласно [10], это соответствует параметрам разряда п ~ 1.7-10|9см~3, Т ~ 40 эВ, длина пробега излучения по Планку /„ ~ 13 см. Последнее означает, что плазма канала прозрачна, и излученная мощность с единицы длины, без учета поглощения в переходной зоне, 0„„, = 4коТ,г2(1^' = 5.2-1010 Вт/см, при этом Одж = 1.3-109 Вт/см. С учетом поглощения излучения в переходной зоне длиной / излученная каналом разряда энергия выражается как Сизл = (?изл ' е~Щг°11. Величина п„. = 2.1-1020 см"3 равна числу нейтральных атомов водорода в переходной зоне и определяется из экспериментальной яркостной температуры Т ~ 1 эВ, которая равна газокинетической, и давления в переходной зоне 32 МПа. При этом предполагается, что основная доля энергии для металлической плазмы излучается из канала разряда квантами с энергией /IV ~ 1.5кТ[ 11 ], имеющими сечение фотоионизационного поглощения = 5.42 ■ 1О~17(/гуо//п03'5, где ИV/) = 13.6 эВ - потенциал ионизации водорода. Тогда а, = 3-10 14 см2. Согласно [12], где I = 6-10"2 см, что близко к значению /, определяемому из сопоставления по фоторазверткам размеров токовой и светящейся области. Учет поглощения излучения дает 0.'тп= 1.2-10Ч Вт/см. Так как при этом @иЗЛ~<2дж значение тока ] = 1.2-106 А, соответствующее началу сжатия, согласно (2), можно считать критическим.

40 60 80 100 120 "Пте (цв)

Рис. 53. Эксперимент еМА21. Разряд в

гелии. Начальное давление 25 МПа. Стальные электроды диаметром 20 мм. Межэлектродное расстояние 20 мм. Фоторазвертка в центре межэлектродного промежутка синхронизованная с током (3), напряжением (II). Зависимость диаметра капала разряда от времени при различных уровнях плотности почернения фоторазвертки.

Действительно при дальнейшем . , .20.,. уменьшении радиуса канала выполняется условие > <2,)Ж,

необходимое для радиационного сжатия. Так при сжатии до г = 0.16 см из значений проводимости и давления следует, что Т= 260 эВ, Е = 1200 В/см, п, = 101 см"3, 1Р — 17 см. Излученная мощность при этом больше введенной

джоулевой: (З^зл = 8.5Т012-ех/? (~п„хтц1)

»

40

J, kA 8001 600; i-""* i w 1

i 0.4 j 0.2 i m i .хгзу-ЮЙт

У, kV

40 40,

V, kV

<2д»

1.410 Вт/см. Учет

поглощения в переходной зоне дает вместо (3):

j<ra|-18fim

Г-Ч4 Ú

Укр = 2.7-10:

(n/1

[Л].

В нашем случае exp(—n„a¡l) ~ 2.3-10 ", и критический ток увеличивается

0.5 0.-t

I Кехр(-П1Г010

Рис. 5.4. Фрагменты осциллограмм тока,

напряжения и сигнала рентгеновского датчика в относительных единицах вблизи момента максимального сжатия разряда. приблизительно на порядок ПО Водород Р„ = 7 МП а; (а) - и0 = 12 кВ; (б) -

сравнению с вакуумными разрядами. !1п = 16 кВ-

Для определения характерной энергии квантов, испускаемых каналом

разряда в момент максимального сжатия при начальном давлении водорода

7 МПа и амплитуде тока 1.2 МА

(рис. 5.4), был проделан расчет

отношения интенсивностей МРИ,

прошедшего через фильтры А1 Юмкми | 03

А1 18 мкм и слой водорода длиной 25 см 1 02

при давлении 7 МПа (таблица 5.2). 0.1

Зарегистрированное отношение о

сигналов МРИ соответствует

характерной энергии квантов в

диапазоне (1000 - 1200) эВ. На рис. 5.5

представлена зависимость

эффективности передачи энергии от

дуги к газу, г], от величины начального

давления Р0, которая имеет растущий

характер. При вычислении средней энергии рентгеновских квантов

предполагалось, что нагрев газа идет за счет поглощения МРИ. Средняя

3

2

„.»■*■■ i ?

.......... Я *

iw-ätoev hv»1050eV '

О 10 20 30 40

initial Prassuta (MPa)

Рис. 5.5. Зависимость эффективности передачи энергии от дуги к газу ц от начального давления Pt,: кривая 1 и сплошные символы - ц при вложенной в

дугу энергии > 300 кДж; кривая 2 и пустые символы - < 300 кДж; кривая 3 -

при остающейся постоянной энергии квантов, осуществляющих прогрев газа.

величина энергии кванта, ответственного за нагрев газа, при Р0= 5 МПа составляет ~ 840 эВ, а при Р0= 35 МПа - ~ 1050 эВ. Поскольку для металлической плазмы йу ~ 1.5кТ, видно, что с ростом давления увеличивается и температура центральной части канала. Наглядным подтверждением существования высокотемпературной осевой области разряда служит представленное на рис. 5.6 фото поверхности электрода, на котором хорошо видна вспученность в центре эрозионного кратера. Причиной ее образования является более сильный прогрев этой области электродной поверхности. Наличие высокотемпературной зоны по оси разряда следует также из анализа колебаний интенсивности МРИ, который проделан в главе 7, и расчетов, приведенных в таблице 5.2.

Таблица 5.2.

Отношение сигналов МРИ, прошедших через фильтры А1 Юмкм и А1 18мкм и водород, в зависимости от энергии квантов. Начальное давление водорода

Р0 = 7 МПа, расстояние до приемника 25 см.

hv эВ Пропускание А1 10|д + Н2 Пропускание А1 18ц + Н2 Уюц/У 18ц

400 < 10'18 МО"34 ю'6

600 1.9-10'* 6.2-10'13 3-1 о4

700 5-10" 6-ю-" 800

800 1.5-10'4 1.210"6 130

900 1.1-103 3.4-10"5 33

1000 4-10'3 3.1-10"4 13

1200 5-10"2 6-10'3 8

В шестой главе диссертации приводятся результаты исследования разрядов с амплитудой тока до 500 кА при начальных давлениях водорода (80 - 350) МПа, которые создавались путем адиабатического сжатия на установках №3а и №36 (рис. 6.1). С ростом начального давления наблюдается

значительное увеличение амплитуды колебаний давления на стенке разрядной камеры, величина которой достигает 150 МПа. Синхронно с колебаниями давления возникают колебания напряжения, амплитуда которых достигает 7 кВ (рис. 6.2, 6.3). Эти колебания связываются с изменением радиуса канала разряда.

Рис. 5.6. Поверхность электрода после эксперимента.

Р. МРа 300

205 1Щ С.

1

¡\ о

д 1,118 —__

о 3000 0

\с.,„,____

50 100 150 200 Рис. 6.1. Разряд при начальном давлении водорода перед разрядам ПО МПа (опыт№34). Фоторазвертка в центре межэлектродного промежутка; зависимости от времени диаметра канала (О), яркости (В) и давления (Р). Вольфрамовые электроды диаметром б мм. Межэлектродное расстояние 12 мм.

соответствует

проводимости

и, КВ

8

: 6

Оценка параметров канала разряда при начальном давлении водорода ПОМПа (рис. 6.1) проводилась по давлению и проводимости на основании расчетов для плазмы паров меди, образованной инициирующей проволочкой [13]. В максимуме разрядного тока 490 кА радиус канала, определенный по

фоторазвертке, 0.35 см, и напряженность поля 1.3-103В/см. Это 960 (Ом-см) . При этом давление в I кд канале разряда, которое

уравновешивает внешнее давление, равное сумме магнитного давления и давления в камере, составляет 610 МПа. Этим значениям с точностью до 10% соответствует концентрация ионов п, = 102" см"3 и температура 9.0104 К при среднем заряде ионов г = 2.6. При таких параметрах средняя длина пробега квантов по Росселанду ~ 10"2, и канал излучает как абсолютно черное тело. Введенная в канал разряда электрическая мощность (где / — длина дуги) составляет 7.6- 10х Вт, мощность излучения, испущенная квантами И\> < 13.6 эВ через окно прозрачности водорода, /V, составляет 1.6-10К Вт, акустическая мощность на стенке камеры N1 = 4.2-10*8^ акустическая мощность, обусловленная сходящейся к оси ударной волной за счет сжатия канала, N3 составляет 1.5-10* Вт. Как показано в главе 7, мощность N3 преобразуется в мощность МРИ, причем частота колебаний МРИ равна частоте колебаний диаметра канала. Суммарная мощность, отданная каналом Ы/ + N2 + N3 = 7.3 • 10* Вт, и баланс мощности соблюдается с точностью ~ 5%, причем значительная часть вложенной в канал разряда энергии преобразуется в энергию акустических колебаний.

33

-50;

50

100 г, мкс

Рис. 6.2. Разряд при начальном давлении водорода 104 МПа (опыт №23).

В седьмой главе диссертации рассмотрены типы колебаний, возникающие как в канале разряда, так и во всем объеме разрядной камеры. Были

зарегистрированы коррелированные

колебания напряжения яркости канала, интенсивности рентгеновского излучения и давления на стенке разрядной камеры, которые связываются с изменением радиуса канала разряда. Установлено два типа колебаний: это акустические волны во всем объеме разрядной камеры, которые генерируются каналом разряда (таблица 7.1), и колебания, связанные с выравниванием магнитного и

газокинетического давлений в канале разряда. Колебания первого типа характерны для больших начальных давлений (80 - 160) МПа; колебания второго типа преобладают при начальных давлениях (5 - 30) МПа.

Таблица 7.1.

Экспериментальные и расчетные периоды акустических колебаний в разрядной камере в начальный момент времени Г„ив момент наибольшей

температуры Тм.

Рис. 6.3. Разряд при начальном давлении водорода 157 МПа (опыт №27).

№ опыта Вт ■10' Р„„,„ МПа Р, г/см3 • 102 С,„,„ см/с-• 105 Т„ МКС т„ МКС МПа с,„„, см/с Ю5 Т„ МКС Т„ МКС Примечание, по каким величинам определять

расч экс II расч эксп

№5 28.11.200 5г. - 30 2.3 1.58 15.6 16 180 3.76 8.5 5.9 По напряжению

№28 (рис.6.3) - 84 3.47 2.12 15 15 - 3.67 8.7 7.7 По напряжению и давлению

№23 (рис. 6.6) 1.71 104 4.22 2.19 15 14 360 4.07 7.8 6.9 По напряжению

№34 (рис. 6.1) 1.69 110 4.16 2.68 12 - 310 4.49 7.1 6.7 По давлению

№7 (рис. 6.4) - 132 4.85 - - - 500 5.29 6.0 4.7 По напряжению

9.03. 2004г. 1.65 157 5.65 - - - 360 4.16 7.7 7.0 По напряжению

Наличие колебаний первого типа подтверждается осциллограммами главы 6 и рис. 7.1, на котором отчетливо видно уменьшение периода колебаний

давления по мере нагрева газа в разрядной камере. Близкие значения рассчитанных и измеренных периодов колебаний напряжения и давления, а также оценки давления на стенке камеры, подтверждают наличие акустических колебаний, связанных с отражением волн сжатия от стенок разрядной камеры. Для оценки связи между радиусом канала г и измерением напряженности поля в канале Е использовались соотношения:

У т2'2 .. к _ .. У

Е =—; <т~ ———; откуда Е

а I г

2 .'

Если считать сжатие канала адиабатическим, то связь между его параметрами до и после сжатия, Еп, г„, Тп, и Е/, г/, Т/ соответственно, выражается как

Г~1 Е- ,.2Т ч4-2у

Т!=Т0

чТ0 /г0\

Так как металлическая плазма канала в

диапазоне концентрации -

10

см и

температур ~ 10 К имеет у ~ 1.1, то

£1 = /7о\18

Е0 \п) '

Для опыта 23 (рис. 6.2) амплитуда смещения А канала при Еп = 1.9 кВ/см и ЕI = 5.1 кВ/см при г(I = 0.35 см соответствует А = 0.15 см. Такое смещение соответствует амплитуде давления в волне сжатия Р,„ = Агоре. С учетом ослабления при

распространении цилиндрической волны Рпшг ~ 80 МПа, что с точностью ~ 20% совпадает с амплитудой колебаний давления,

зарегистрированной на стенке разрядной камеры.

Появление колебаний канала, связанных с выравниванием магнитного и газокинетического давлений, предсказано в работах [14, 15]. Согласно [15] в случае однородной плотности тока движение границы канала происходит с частотой, соответствующей периоду Т:

56 г2 '

Рис. 7.1. Уменьшение периода колебаний давления по мере нагрева газа во всем объеме рабочей камеры (опыт №9).

Т = ■

тп

где г

У ^г-1'

радиус канала разряда [см], ] - величина тока [А], т — масса атома

t,fistw

Рис. 7.2. Колебания МРИ с частотой 200— 150 кГif после максимального сжатия. Рентгеновское излучение из канала разряда. Рентгеновский сигнал (X-Ray), ток (J), напряжение (U). Фильтр - Юлией, А1 фольга. Рентгеновский диод установлен в 160 м м от оси разряда. Начачьное давление водорода 5 МПа. Стальные электроды 20 мм в диаметре. Межэлектродный промежуток 20 мм. tj - время максиматьного сжатия.

металла в канале [г], п -концентрация металла в канале [см-3]. Для опыта 34 (рис. 6.1) Т = 105 К и п = 1.6- 10м см'3. Период

колебаний Т для этого случая, определенный по

предыдущей формуле для г = 0.35 см, / = 4.9-105 А, п = 1.6-1020 см""3, от =

63.5-1.67-10"24 г, составляет 5.8 мке, что близко к экспериментальному значению 6.7 мкс. Близкие значения двух типов частот колебаний канала разряда позволяют объяснить резкое возрастание амплитуды колебаний напряженности электрического поля в канале. При совпадении момента прихода одной из отраженных волн сжатия от стенок разрядной камеры в ее центр с моментом сжатия канала собственным магнитным полем разряда его диаметр резко уменьшается. Это приводит к увеличению напряженности поля и увеличению плотности энергии в канале. Дополнительный нагрев по оси канала в самой металлической плазме возможен вследствие столкновения сходящейся акустической волны, вызванной сжатием канала, распространяющейся по металлической плазме. По-видимому, в результате такого столкновения по оси разряда возникает МРИ. Его частота, которая была зарегистрирована в эксперименте при начальном давлении (5 - 7) МПа и амплитудах тока (1 -1.5) МА, менялась синхронно с изменением напряженности электрического поля в канале разряда (рис. 7.2). Исходя из экспериментальных данных, в работе показано, что энергии акустических колебаний достаточно для заметной модуляции интенсивности рентгеновского излучения. В восьмой главе диссертации приводятся результаты исследования атмосферного разряда в воздухе и разряда в гелии при начальном давлении (1 - 15) МПа, амплитуде разрядного тока до 600 кА и скорости нарастания 6-10" А/с (установка №5). Для измерения импульсного давления по оси разряда вводится специально разработанный импульсный датчик давления (рис. 3.1). С помощью насадки на торец приемного стержня датчика давления измерялось среднее давление Р на различных радиусах г/ и г>. Для пинча

36

радиусом гп с равномерной плотностью тока среднее давление, измеренное на радиусе соответствующем радиусу зонда, выражается как

Pi = Pm

2 г02

= 3.2-10

-ю

;2

2г2 ¿'о

Pi

, тогда =:

2г02 - г{ 2r02-rf

Для разряда в воздухе (рис. 8.1) при Jmax = 144 кА по измеренному значению средних значений Рг и Р2 на радиусах r¡ и г? был определенен радиус пинча гп. С точностью ~ 10% его значение совпало с экспериментальным, что свидетельствует о равномерном распределении плотности тока по радиусу. Параметры канала разряда в воздухе были определены для момента времени, соответствующего максимуму разрядного тока, по его проводимости а и измеренному по оси давлению Р, пользуясь расчетами из работы [16]. При токе 144 кА и значениях а = 200 (Ом-см)"1 и Р = 77 МПа, и, = 1.М019см~3и Т= 1.0-105 К, средний заряд иона Z = 3.2. При увеличении }тах до 290 кА из проделанных измерений Р1/Р1>2, чего не может быть при постоянной по i.tss радиусу плотности тока. Наблюдаемое увеличение отношения средних давлений более чем в два раза при мпа переходе от разряда с ]тах 91 144 кА к разряду с }тах 290 кА означает, что во втором случае на меньшем диаметре r¡ плотность разрядного тока больше, чем на г>. Для разряда в гелии (рис.8.2) на фоторазвертке свечения канала разряда, полученной при начальном давлении в камере 10 МПа и амплитуде тока 570 кА, видно изменение

Рис. 8.1. Осциллограммы и фоторазвертка свечения разряда в воздухе при атмосферном давлении.

Радиус камеры 1.5 см, зарядное напряжение 20 кВ, емкость батареи 7.4 мкФ, расстояние между электродами I см.

Р,

t, МК£

Рис. 8.2. Осциллограммы и фоторазвертка свечения разряда в гелии. Радиус камеры 1.5 см. Начальное давление гелия 1 МПа (а), 10 МПа (б); зарядное напряжение 35 кВ (а), 50 кВ (б); емкость батареи 7.4 мкФ (а), 22.2 мкФ (б); расстояние между электродами 4.2 см (а) и 3 см (б); и -инициирование самопробоем по оси, б — инициирование плазмеппым инжекторам.

скорости расширения канала разряда с 2-Ю5 до 5.7-10 см/с, которое по времени соответствует началу уменьшения разрядного тока после его максимума.

Зарегистрированное датчиком среднее давление по оси на радиусе г = 0.2 см - 436 МПа близко к расчетному для пинча с равномерной плотностью тока и радиусом г = 0.5 см, определенным по фоторазвертке. Динамика нагрева газа исследовалась датчиками давления, расположенными по оси и на стенке камеры при ее различных радиусах и энерговкладах. На стенке камеры зарегистрированы ударные волны, которые имели максимальное число Маха ~ 5 и при радиусе разрядной камеры ~ (1 - 2) см за счет многократных отражений от стенок вызывали основной нагрев окружающего дугу газа (рис.8.4). Усредненные температура и плотность в разрядном канале в момент времени, соответствующий максимуму тока, были определены по скорости распространения ударной волны и по измеренному в максимуме тока давлению. Из соотношения:

- 2п

Р4 2угМ? — (уг — 1) (у4-1)-в1

(П + 1)

1 -

(П + 1)

(Г4-1)

Здесь Р4 - давление гелия в канале ^ кг-'/с разряда; Р4 = 400 МПа; Р, - 5 начальное давление гелия в 4 камере; Р: = 10 МПа; = У4= 1-67; о/ = 1.06-105 см/с - скорость звука з в камере; а4 - скорость звука в канале разряда. !

По скоростной фоторазвертке наибольшая скорость

9 11

Р, МПа

15

Рис. 8.3. Зависимость скорости ударной волны. ударной определенной по показаниям датчиков, от величины

волны 5.7-10 см/с, что для гелия

начального давления гелия. Емкость батареи 7.4 мкФ. Зарядное напряжение 30 кВ (1), 50 кВ (2); соответствует значению М, = 5.38. амплитуда разрядного тока 240 кА (1), 390 кА (2).

Из приведенного выше соотношения можно найти скорость звука в горячей

зоне разряда а4, а по ней температуру канала, считая гелий идеальным газом,

который полностью ионизован.

Для скорости звука в горячей зоне

у ■ (1 + Т) ■ кТ

я4 =

N

учитывая, что 2 = 2 и а4 = 64.2-105 см/с, А = 4-1.67-10 24 г, из последней

формулы имеем

Т

3.4-10-

К,

из

соотношения

Р =(] + г)пкТ = 4-109 [дин/см2], П; = 2.4-1019 см " 3. Оценки доли энергии, заключенной в ударной волне, дают значения ~ (70 - 80)% от энергии, вложенной в канал разряда. Таким образом, основным механизмом передачи энергии от дуги к газу, для указанных выше условий, является нагрев ударными волнами. Это подтверждено расчетами, проделанными по результатам наших экспериментов в работе [17]. На рисунке 8.4, взятом из этой работы, приводятся временные зависимости давления на стенке и по оси разрядной камеры.

Рис. 8.4. Расчетные, временные зависимости давления по оси разряда (сплошная кривая) и на стенке разрядной камеры для радиусов камеры 1.5 см (а) и 1 с.м (б), взятые из работы [17].

Видно, что эффективность нагрева газа ударными волнами растет с уменьшением диаметра разрядной камеры. Наблюдается совпадение расчетных и измеренных значений давления на оси и на стенке разрядной камеры.

Заключение.

Проведено комплексное исследование разрядов высокого и сверхвысокого давления с током (0.2 - 1.6) МА в водороде, гелии и воздухе при начальном давлении (0.1 — 200) МПа и скорости нарастания тока й] ¡йХ ~ (10е — 10'2) А/с. Выявлены особенности разрядов, обусловленные высоким давлением окружающего канал газа и высокой плотностью энергии в самом канале, которые или отсутствуют или слабо выражены в разрядах более низкого давления.

Проведение таких исследований стало возможным благодаря использованию новых уникальных установок и методов исследования. При этом установлено:

1. При исследовании разрядов в водороде при начальном давлении (1-5) МПа, амплитуде разрядного тока (0.2 - 0.5) МА и с///сЛ ~ (108 - 109) А/с

установлено, что причиной образования приэлектродных зон с аномально высокими значениями падений напряжения являются приэлектродные струи.

Для разряда в водороде при начальном давлении 1 МПа и разрядном токе ~ 3-105 А определены параметры приэлектродной эрозионной плазмы у катода: Т = 59-103 К, Р = 5.3-Ю18 см"3 . Параметры плазмы у анода близки к этим значениям.

Для этих условий определен продольный размер областей у электродов, на которые приходится суммарное падение напряжения ~ 1 кВ при общем падении ~ 1.5 кВ. Он составляет ~ 0.2 см для каждого из электродов.

Установлено, что при с)]/Л ~ (108 - 109) А/с одной из возможных причин турбулентной передачи энергии от дуги к окружающему газу являются электродные струи, которые создают вихревое течение газа во всем объеме разрядной камеры.

2. Исследована эрозия электродов в разрядах в водороде и воздухе с амплитудой разрядного тока (0.2 - 1.6) МА при плотностях тока (Ю5 - 5-106) А/см2 и мощности, поступающей на электрод (107 - 109) Вт/см2 . При этом установлено, что при переходе к разрядам мегаамперного диапазона и увеличении / выше 105 А/см2 при отсутствии перемещения дуги по электродам преобладающей в материале эрозии электродов становится паровая фаза. Жидкая фаза, в частности, характерна для разрядов в рельсотронах и электроразрядных ускорителях, а паровая - при наличии пинч-эффекта - в разрядах с током У ~ (105 - 106) А и выше.

Обнаружена новая форма эрозии в виде одновременного симметричного выброса вещества со всей поверхности каждого из торцов электродов как со стороны катода, так и со стороны анода. Это подтверждает гипотезу о едином механизме такого выброса для катода и анода, который связан с интенсивным прогревом материала электрода и нарушением баланса давлений в расплавленном слое электрода и над его поверхностью. Выброс со всей поверхности торца электрода оболочки существует в ограниченном диапазоне амплитуд и плотностей разрядного тока. Нижняя граница обусловлена возникновением пинч-эффекта, верхняя граница связана с преобладанием эрозии в паровой фазе, при этом у ~ Ю5 А/см"; 100 < У < 400 кА.

3. При исследовании разрядов в водороде и гелии при начальном давлении (5 - 30) МПа, амплитуде разрядного тока (0.5 - 1.6) МА и йУ/йГ ~ (Ю9 - Ю10) А/с обнаружен режим сжатия канала разряда, который начинается при превышении мощности радиационных потерь над

вложенной в канал мощностью.

Для разряда с вольфрамовыми электродами при начальном давлении водорода 5 МПа и амплитуде разрядного тока 480 кА оценочный расчет режима сжатия согласуется с экспериментом, если считать, что разряд происходит преимущественно в водородной среде. В стадии максимального сжатия температура канала Т ~ 3-105 К, концентрация электронов п ~ 3.4-1020 см-3 и радиус канала г ~ 0.1 см.

В экспериментах со стальными электродами при начальном давлении водорода 7 МПа и амплитуде разрядного тока 1.6 МА разряд горит в парах металла эродировавших электродов, в момент максимального сжатия излучаются кванты МРИ с энергией свыше 1 кэВ.

В экспериментах со стальными электродами при начальном давлении водорода 30 МПа, амплитуде разрядного тока 1.6 МА разряд также горит в парах металла эродировавших электродов. Наблюдается устойчивая фаза ~ 20 мкс, с Т ~ 1.1-105 К, пi ~ 4 1020 см 3 и г = 0.5 см. Началу сжатия соответствует температура ~ 30 эВ. Для двух последних случаев температура канала разряда, определенная тремя различными методами, в районе максимального сжатия достигает нескольких сотен электронвольт.

Установлено, что с увеличением начального давления водорода с 5 МПа до 35 МПа величина критического тока, при которой начинается сжатие, увеличивается до ~ 1 МА. При этом так же растет температура осевой области канала разряда. Увеличение на порядок экспериментального критического тока по сравнению с общепринятым значением критического тока для разряда в металлической плазме вакуумных разрядов может быть объяснено поглощением излучения в переходном слое вследствие высокой плотности окружающего канал газа.

4. При переходе к начальным давлениям (80 - 160) МПа, которые создаются путем адиабатического сжатия рабочего газа, наблюдается рост амплитуды колебаний акустического давления на стенку разрядной камеры и синхронный с ним рост колебаний напряжения на разрядном промежутке. Амплитуда колебаний давления на стенке достигает 150 МПа, а амплитуда колебаний напряжения ~ 3 кВ. По оценкам это соответствует изменению радиуса канала разряда с 0.35 см до 0.20 см, что в несколько раз превышает амплитуду колебаний канала при (5 -7) МПа. При амплитуде тока 490 кА и начальном давлении водорода в камере 110 МПа Т~ 105 К, /г, ~ 2-1020 см"3 и средний заряд ионов z = 2.6.

5. При исследовании разрядов с амплитудой разрядного тока до 1.5 МА и давлении водорода (5 - 200) МПа было обнаружено два типа

колебаний канала разряда. Один из них обусловлен акустическими колебаниями, связанными с отражением волн сжатия от стенок разрядной камеры. Второй тип колебаний связан с выравниванием магнитного и газокинетического давления в канале разряда. Близкие значения частот двух типов колебаний вследствие их резонанса вызывают резкое увеличение их амплитуды. Это приводит к увеличению напряженности поля, которая, в свою очередь, ведет к дополнительному увеличению плотности энергии в канале разряда. Дополнительный нагрев плазмы в осевой области канала разряда происходит также вследствие схождения в центре акустической волны. Энергия акустических колебаний при схождении на оси преобразуется в энергию МРИ той же частоты. Проделана оценка энергии акустических колебаний и показано, что ее достаточно для того, чтобы значительно менять интенсивность МРИ, которая меняется синхронно с напряженностью электрического поля в канале разряда. Таким образом, анализ колебаний интенсивности МРИ при начальных давлениях водорода (5 - 7) МПа показал, что оно вызвано периодическим изменением диаметра канала разряда.

6. При = 6-Ю11 А/с исследованы разряды в воздухе при

атмосферном давлении и гелии с амплитудой разрядного тока (0.1 - 0.6) МА при начальном давлении (10 - 15) МПа. Для их исследования разработан новый помехозащищенный импульсный датчик давления с временным разрешением 0.6 мкс и амплитудой измеряемого давления до 500 МПа. Для разряда в гелии при амплитудах разрядного тока 570 кА оценка температуры по скорости фронта ударной волны дает величину 7'= 3.4-105 К.

С помощью разработанных датчиков давления, расположенных по оси разряда и на стенке разрядной камеры, прослежена динамика нагрева газа во всем объеме разрядной камеры. Она соответствует расчетной. Установлено, что при (¡¡ЛИ — 6-Ю" А/с и начальном давлении гелия (10 - 15) МПа энергообмен между дугой и окружающим газом идет в основном с помощью ударных волн.

Данные, полученные в ходе работы, были использованы для увеличения КПД и ресурса работы мощных генераторов плазмы с вложенной в импульсе энергией до 10 МДж.

В результате проведенных исследований заложены основы для проектирования электрофизических установок нового поколения с током мегаамперного диапазона.

Основные публикации по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Рутберг Ф.Г., Богомаз А.А., Бородин B.C., Левченко Б.П. Исследование сильноточного разряда в генераторах плотной плазмы//Журнал технической физики.-1977 -Том 47.-№ 1 -С. 121 -133.

2. Азизов Э.А., Богомаз А.А., Левченко Б.П., Рутберг Ф.Г., Ягнов В.А. Сильноточный разряд в азоте при питании от индуктивного накопителя//Журнал технической физики.-1979.-Том 49.-№2.-С.441-443.

3. Рутберг Ф.Г., Андреев Д.А., Богомаз А.А., Шакиров A.M. Сильноточный разряд типа Z-пинч в плотных средах//Журнал технической физики.-1992.-Том 62,-Вып. 6.-С.74-82.

4. Рутберг Ф.Г., Андреев Д.А., Богомаз А.А., Шакиров A.M. Ускорение тел малой массы сильноточным разрядом типа 7-пинч//Журнал технической физики.-1993.-Том 63.-Вып. 1.-С.203-205.

5. Rutberg Ph.G., Bogomaz А.А., Budin A.V., Kolikov V.A. Powerful Pulse Generator of Dense Plasma with High Concentration of Metals Vapor//International Journal of Impact Engineering.-1995.-Vol. 17.-P.93-98.

6. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Budin A.V., Kolikov V.A., Kuprin A.G., Pozubenkov A. A. Experimental Study of Hydrogen Heating in Discharge Chamber of Powerful Electric Discharge Launcher//Journal of Propulsion and Power.-September-October, 1997.-Vol. I3.-№5.-P.659-664.

7. Rutberg Ph.G., Budin A.V., Kolikov V.A., Makarevich I.P., Bogomaz A.A. Hypervelocity electric discharge accelerator//IEEE Transactions on Magnetics-January, 1997-Vol. 33 .-№1, part 1.-P.305-309.

8. Богомаз А.А., Будин А.В., Захаренков С.В., Коликов В.А., Кулишевич А.И., Макаревич И.П., Рутберг Ф.Г., Савватеев А.Ф. Применение импульсных генераторов плазмы для гиперскоростного ускорения тел//Известия Академии Наук, ЭНЕРГЕТИКА,- 1998.-№1.-С.64-79.

9. Рутберг Ф.Г., Богомаз А.А., Будин А.В., Коликов В.А., Куприн А.Г Нагрев газа высокой начальной плотности мощной электрической дугой//Известия Академии Наук, ЭНЕРГЕТИКА.-1998.-№1.-С.100-106.

10. Budin А.V., Bogomaz A.A., Kolikov V.A., Rutberg Ph.G., Savvateev A.F. Multipulse discharge in the chamber of electric discharge launcher//IEEE Transactions on Magnetics.-January, 1999.-Vol. 35.-№l.-P.l89-191.

11. Рутберг Ф.Г., Богомаз А.А., Будин А.В., Коликов B.A., Пинчук М.Э., Позубенков A.A. Исследование влияния катодной и анодной струй на свойства сильноточной электрической дуги//Журнал технической физики.-2002,- Том 72.-Вып. 1.-С.28-35.

12. Богомаз А.А., Будин А.В., Коликов В.А., Пинчук М.Э., Позубенков А.А.,

43

Рутберг Ф.Г. Особенности эрозии анода при амплитуде разрядного тока свыше 105 А//Доклады Академии наук.-2003.-Том 388.-№1.-С.37-40.

13. Рутберг Ф.Г., Савватеев А.Ф., Богомаз А.А., Будин А.В., Коликов В.А. Исследование электрического разряда в газе сверхвысокой плотности с предварительным адиабатическим сжатием/УТеплофизика высоких температур.-2003.-Том 41 ,-№5.-С.664-669.

14. Rutberg Ph.G., Bogomaz А.А., Budin A.V., Kolikov V.A., Pozubenkov A.A. Investigation of Anode and Cathode Jets Influence on Electric Arc Properties with Current up to 500 kA//IEEE Transaction on Plasma Science.-April, 2003 -Vol. 31.-№2.-P.201-206.

15. Savvateev A.F., Bogomaz A.A., Budin A.V., Pinchuk M.E., Rutberg Ph.G. High-temperature arc in dense gas//TTP8 2004, 26-28 May 2004, Strasbourg, France/ Journal of High Temperature Material Processes, An International Quarterly of High Technology Plasma Processes.-2004.-Vol. 8.-issue4.-P.617-625.

16. Богомаз А.А., Будин A.B., Забродский В.В., Кузнецова И.В., Лосев С.Ю., Петренко М.В., Пинчук М.Э., Рутберг Ф.Г. Регистрация рентгеновского излучения сильноточного разряда в плотной газовой среде//Приборы и техника эксперимента.-2008.-№5.—С. 114-117.

17. Богомаз А.А., Будин А.В., Лосев С.Ю., Пинчук М.Э., Позубенков А.А., Рутберг Ф.Г., Савватеев А.Ф.Достижение критического тока Пиза-Брагинского в разряде сверхвысокого давления//Физика плазмы.-2008.-Том 34,- №5.-С.404-413.

18. Bogomaz А.А., Budin A.V., Losev S.Y., Petrenko M.V., Pinchuk M.E., Pozubenkov A. A., Rutberg Ph.G. Soft X-ray radiation from the high-current pulsed discharge initiated by wire explosion in high-density hydrogen//Journal of High Temperature Material Processes.-2009.-Vol. 13,-Issue 3.-P.299-308.

19. Пинчук М.Э., Богомаз А.А., Будин А.В., Широчин Л.А., Поляков M.A., Леке А.Г., Лосев С.Ю., Рутберг Ф.Г.Рентгеновское просвечивание сильноточного разряда в плотном газе//Приборы и техника эксперимента,—2010.—№4.-С. 1-6.

20. Rutberg Ph.G., Budin A.V., Pinchuk M.E., Bogomaz A.A., Shirochin L.A., Polyakov M.A., Leks A.G., Losev S.Y. X-ray Flash Radiography System for High Pressure Arc Diagnostic//IEEE Transactions on Plasma Science, Special issue on selected papers from EML Symposium.-January, 2011.-Vol. 39.-№l.-P.394-398.

21. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Pinchuk M.E., Budin A.V., Leks A.G., Pozubenkov A.A. High-current discharge channel contraction in high density gas//Physics ofPlasmas.-2011.-Vol. 18.-P. 122702-1 - 122702-9.

44

Статьи в журналах и сборниках

22. Рутберг Ф.Г, Богомаз А.А., Бородин B.C. О колебаниях давления в камере, вызванных сильноточным разрядом в водороде при высокой плотности//Теоретические проблемы электрофизики высоких напряжений, АН СССР, отделение физико-технических проблем энергетики, научный совет по теоретическим и электрофизическим проблемам электроэнергетики.-1976.-С.98-100.

23. Богомаз А.А. Измерение импульсных давлений в генераторах плотной плазмы//Могцные генераторы низкотемпературной плазмы и методы исследования их параметров: Сб. науч. тр./ Ленинград: ВНИИэлектромаш/ Отв. ред. Ф.Г. Рутберг- 1977,- С.27-39.

24. Рутберг Ф.Г., Богомаз А.А., Бородин B.C., Левченко Б.П., Метелкин А.В. О турбулентном нагреве рабочего газа в мощном импульсном плазмотроне// Материалы VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы, т. 1.-Алма-Ата, 1977,-С.134-136.

25. Рутберг Ф.Г, Андреев Д.А., Богомаз А.А., Шакиров A.M. Малоиндуктивный емкостной накопитель энергии и разрядная камера для получения плотной плазмы сверхвысокого давления//Источники питания кратковременного и импульсного действия для физических установок: Сб. науч. тр./ Ленинград: ВНИИэлектромаш, 1985.- С.113-124.

26. Андреев Д.А., Богомаз А.А., Рутберг Ф.Г, Шакиров A.M. Импульсный генератор плотной плазмы сверхвысокого давления//Генераторы низкотемпературной плазмы: Тезисы докладов X Всесоюзной конференции (Каунас, 16-18 сентября 1986 г.), ч. 2/ Генераторы низкотемпературной плазмы. Автоматизация и обработка эксперимента при исследовании электрической дуги.-Минск, 1986.- С.74-75.

27. Андреев Д.А., Богомаз А.А., Шакиров A.M. Характеристики канала сильноточного разряда в плотных средах при скорости нарастания тока более 10" А/с //Генераторы плазмы и системы электропитания: Сб. науч. тр.-Ленинград: ВНИИЭлектромаш, 1987.-С.5-16.

28. Rutberg Ph.G., Budin A.V., Bogomaz A.A., Kolikov V.A., Kuprin A.G., Leontiev V.V., Shirokov N.A. Investigation of Heavy Current Discharges with High Initial Gas Density//Shock Compression of Condensed Matter: Proceeding of the Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter, part 2.-Woodberry, New York, 1995.-P.937-939.

29. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A, Budin A.V., Kolikov V.A., Kuprin A.G., Pozubenkov A.A. Estimation of some parameters of the discharge chamber of powerful electric discharge launchers//27th AIAA Plasmadynamic and Laser

45

Conference, AIAA-96-2328.-New Orlean, L.A., USA.-June 17-20, 1996.-P.1-9.

30. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Kolikov V.A. Pulse Plasma Generators Possible Applications//Preceedings of the 4"1 European Conference on Thermal Plasma Processes-Athens, Greece.-July 15-18, 1996.

31. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Kuprin A.G. Formation of Electrodes Jets in High Pressure Arc in Hydrogen//Proceedings of the 12th International Conference on Gas Discharges & Their Applications.-Greifswald, 1997.-Vol. 1.-P.82-85.

32. Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов B.A., Рутберг Ф.Г. Исследование влияния электродных струй на теплообмен в камере электроразрядного ускорителя и его рабочие характеристики//Материалы конференции ФНТП-98, часть I.—Петрозаводск,—1998,—С. 193— 198.

33. Bogomaz A.A., Budin A.V., Kolikov V.A., Kuprin A.G., Rutberg Ph.G. Investigation of High Initial Density Gas Heating by Powerful Electric Arc//TPP-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes.-St.Petersburg, 13-16 July, 1998.-P.37.

34. Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов В.А., Пинчук М.Э., Позубенков A.A., Рутберг Ф.Г. Генерация ударных волн сильноточным импульсным разрядом в плотной газовой среде//Материалы XV Международной конференции «Уравнения состояния вещества: Тезисы.-Терскол, 1-7 марта, 2000.-С.99-100.

35. Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов В.А., Пинчук М.Э., Позубенков A.A., Рутберг Ф.Г. Исследование электродных струй в разрядах в водороде и воздухе с силой тока до 500 кА//Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001, т. 2,— Петрозаводск, 1-7 июля, 2001.- С.23-27.

36. Рутберг Ф.Г., Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов В.А., Пинчук М.Э., Позубенков A.A. Особенности эрозии анода при амплитуде разрядного тока свыше 105 А//Физика экстремальных состояний вещества-2002.-Эльбрус, 2002.-С.126-128.

37. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Savvateev A.F., Budin A.V., Kolikov V.A. Investigation of Megaampere Discharge in Superdense Gas Media in Order to Obtain a Forplasma Source for Thermonuclear Researches//11 International Congress on Plasma Physics: Program and Abstracts-Sydney, Australia, 2002 - P.49.

38. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Budin A.V., Kolikov V.A. Parameters of Electric Discharge in Gas of High Density//1 llh EML Symposium.-Saint-Louis, France, May 14-17, 2002.

39. Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов В.А., Пинчук М.Э., Позубенков A.A., Рутберг Ф.Г. Эрозия электродов в импульсной дуге с амплитудой тока выше

46

100 кА//Физика экстремальных состояний вещества -2003/под ред. Фортова В.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В., Султанова В.Г., Темрокова А.И., Канеля Г.И., Минцева В.Б., Савинцева А.П.-Черноголовка, 2003,- С.161.

40. Рутберг Ф.Г., Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов В.А., Савватеев А.Ф. Импульсный разряд в сверхплотном газе//Физика экстремальных состояний вещества-2003/под ред. Фортова В.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В., Султанова В.Г., Темрокова А.И., Канеля Г.И., Минцева В.Б., Савинцева

A.П.- Черноголовка, 2003,- С.163-164.

41. Рутберг Ф.Г., Богомаз A.A., Будин A.B., Коликов В.А., Пинчук М.Э., Позубенков A.A. Влияние окружающего дугу газа на величину падений напряжения у электродов//Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Материалы XI Международной научной школы-семинара (август,

2003).-Николаев: Атолл, 2003,- С.79-81.

42. Богомаз A.A., Будин A.B., Пинчук М.Э., Рутберг Ф.Г., Савватеев А.Ф. Электрический разряд в газе сверхвысокой плотности при амплитуде тока до 5-105 А//Физика экстремальных состояний вещества-2004/под ред. Фортова

B.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В., Султанова В.Г., Темрокова А.И., Карамурзова Б.С., Канеля Г.И., Минцева В.Б., Савинцева А.П.-Черноголовка, 2004.-С.188-189.

43. Богомаз A.A. Физика разряда в мощных импульсных генераторах плотной плазмы//Материалы семинаров-школ молодых ученых, студентов и аспирантов.-Петрозаводск.-2004.-С.224-241.

44. Savvateev A.F., Bogomaz A.A., Budín A.V., Pinchuk M.E., Rutberg Ph.G. High-temperature arc in dense gas//TTP8 2004, 26-28 May 2004, Strasbourg, France/Journal of High Temperature Material Processes, An international Quarterly of High Technology Plasma Processes.-2004.-Vol. 8.- issue 4,- P. 617625.

45. Rutberg Ph.G., Bogomaz A.A., Budin A.V., Kolikov V.A., Pinchuk M.E., Savvateev A.F. The Electric Discharge in Superhigh Pressure Gas at Current Amplitude Up to 5xl05 A//12lh International Congress on Plasma Physics (ICPP-

2004): Book of Abstracts-Nice, France, 28-29 October, 2004.-P.190.

46. Богомаз A.A., Будин A.B., Пинчук М.Э., Рутберг Ф.Г., Савватеев А.Ф. Электрический разряд в газе сверхвысокой плотности при амплитуде тока свыше 1 МА //Физика экстремальных состояний вещества - 2005. -Черноголовка, 2005,- С. 214-216.

47. Богомаз A.A., Будин A.B., Пинчук М.Э., Позубенков A.A., Лосев

C.Ю., Рутберг Ф.Г. Радиальные колебания канала разряда в газе сверхвысокой плотности// Тезисы XXI международ. Конф. "Уравнения состояния вещества" (1-6 марта 2006).-Эльбрус, 2006.-С.147.

47

48. Pinchuk M.E., Bogomaz A.A., Budin A.V., Losev S.Yu., Pozubenkov A.A., Rutberg Ph.G. Radiation Characteristics of High Current Pulsed Discharge Initiated by Wire Explosion in High Density Hydrogen//9lh International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9lh CMM): Proceedings-Tomsk, Russia, 21-26 September, 2008.-P.7-10.

49. Rutberg Ph.G., Budin A.V., Pinchuk M.E., Bogomaz A.A, Shirochin L.A., Polyakov M.A., Leks A.G., Losev S.Y. X-Ray Flash Radiography System for High-Pressure Arc Diagnostic//IEEE Transactions on Plasma Science. Special Issue-Selected Papers from EML Symposium 2010.-Vol. 39.-issue 1, part 1-P. 394-398.

50. Pinchuk M.E., Bogomaz A.A., Budin A.V., Losev S.Yu., Leks A.G., Pozubenkov A.A., Rutberg Ph.G. Radial oscillations of high-current discharge channel in high-density gas//30th International Conference on Phenomena in Ionized Gases ICPIG-2011.-Queen's University Belfast, Northern Ireland, UK, 28 August-2 September 201 l.-D 17-078.

51. Pinchuk M.E., Bogomaz A.A., Budin A.V., Rutberg Ph.G., Losev S.Yu., Pozubenkov A.A., Svetova V.Yu. Z-pinch in helium at inictial pressure 10-25 MPa//Physics of Extreme States of Matter-2012/Edited by Fortov V.E. et al.-Chernogolovka, 2012.-P. 118-120.

Список цитируемой литературы

[1]Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений.-М.:Наука, 1966.-688 с.

[2]Chuaqui Н., Favre М., Saavedra R., Wyndham E.S., Choi P., Dumitrescu-Zoita С., Soto L., Aliaga Rossel R., Mitchell I.H. Observations of the plasma dynamics of a vacuum spark from its soft x-ray emission//Phys. Plasmas.-1997.-Vol. 4(10), October.-P.3696-3702.

[3]Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора A.H. Лазерная обработка материалов.-М.: Машиностроение, 1975.-296 с.

[4]Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы.-М.: Наука, 1970.-272 с.

[5]Брагинский С.И. О поведении полностью ионизированной плазмы в сильном магнитном поле//Журнал экспериментальной и теоретической физики-1957-Том ЗЗ.-Вып. 3(9).-С.645-654.

[6]Корышев О.В., Ноготков Д.О., Протасов Ю.Ю.,Телех В.Д. Термодинамические, оптические и транспортные свойства рабочих веществ плазменных и фотонных установок, Часть I.-M.: МГТУ им. Баумана, 1998 - 642 с .

[7]Вихрев В.В., Иванов В.В., Кошелев К.Н. Формирование и развитие микропинчевой области в вакуумной искре//Физика

48

плазмы,-1982.-Том 8.-№6.-С.1211-1219.

[8]Shearer J.W. Contraction of Z-pinches actuated by radiation losses//The Physics of Fluids -1976.-Vol. 19.-№9.-P. 1426-1428.

[9]Robson A.E. Radiative collapse of a Z pinch in hydrogen and helium//The Physics of Fluids B.-September, 1989,-Vol. 1(9).-P. 1834-1842.

[10]3амышляев Б.В., Ступицкий E.Jl., Гузь A.A., Жуков В.Н. Состав и термодинамические функции плазмы.-М.: Энергоатомиздат, 1984.—144 с.

[11] Аглицкий Е.В., Вихрев В.В., Гулов А.В. и др. Спектроскопия многозарядных ионов в горячей плазме.-М.: Наука, 1991.-206 с.

[12]Онуфриев А.Т., Севастьяненко В.Г. Расчет цилиндрической электрической дуги в водороде с учетом переноса энергии излучением. Дуга в водороде при давлении 100 атм//Журнал прикладной механики и технической физики.-1968.-№2.-С. 17-22.

[13]Калиткин Н.Н., Кузьмина Л.В., Рогов B.C. Таблицы термодинамических функций и транспортных коэффициентов плазмы//Препринт ИПМ.-1972-С.66-68.

[14]Felber F.S. Self-similar oscillation of a Z-pinch//The Physics of Fluids-April, 1982.-Vol. 25(4).-P.643-645.

[15]Соловьев Л.С. О динамике цилиндрического 2-пинча//Физика плазмы-1984-Том 10.-№5.-С. 1045-1050.

[16]Кузнецов Н.М. Термодинамические функции и ударные адиабаты воздуха при высоких температурах.-М.: Машиностроение, 1965.^464 с.

[17]Дубовенко К. В. Взаимодействие ударных волн с плазмой канала сильноточного разряда в камере высокого давления//Журнал технической физики.—1992.—Том 62.- Вып. 6.-С.83-93.

Подписано в печать 24.09.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ Н027Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

(ИЭЭ РАН)

УДК 621.3:621.039.637

На правах рукописи

05201450372

Богомаз Александр Алексеевич

Исследование процессов в разрядах высокого и сверхвысокого давления, обусловленных токами мегаамперного диапазона

Специальность: 01.04.13 — Электрофизика, электрофизические установки

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант, академик РАН, д.т.н., проф. Ф.Г. Рутберг

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................................................5

Глава 1. Обзор состояния проблемы................................................19

1.1. Краткий обзор исследований разрядов мегаампернош диапазона и особенности перехода к высоким и сверхвысоким давлениям...........19

1.2. Задачи работы, вытекающие из современного состояния проблемы... .33 Глава 2. Установки......................................................................34

2.1. Установка ИМПП-1. (№ 1).......................................................34

2.2. Диагностическая камера (№ 2)...................................................37

2.3.1. Камера с предварительным адиабатическим сжатием с

(1]/(И~ Ю10 Л/с(№За)......................................................41

2.3.2. Камера с предварительным адиабатическим сжатием с

Щ/сИ- 10й А/с (№36)......................................................42

2.4. Камера с максимальным током 2 МА (№ 4)...................................43

2.5. Малоиндуктивная разрядная камера (№ 5)....................................46

2.6. Выводы................................................................................52

Глава 3. Методы диагностики.......................................................53

3.1. Измерение импульсных давлений...............................................54

3.1.1. Стержневой пьезоэлектрический датчик...................................56

3.1.2. Стержневой оптический датчик.............................................59

3.1.3. Задачи по разработке конструкции импульсного датчика давления.........................................................................63

3.1.4. Разработка конструкции датчика............................................64

3.2. Оптические измерения.............................................................73

3.2.1. Теневой метод...................................................................73

3.2.2. Скоростная фотография.......................................................75

3.2.3. Измерение яркостной температуры.........................................77

3.3. Рентгеновская диагностика.......................................................77

3.3.1. Регистрация собственного мягкого рентгеновского излучения (МРИ) разряда....................................................................78

3.3.2. Рентгеновское просвечивание................................................80

3.4. Электротехнические измерения..................................................81

3.5 Выводы................................................................................83

Глава 4. Исследование эрозионных струй и эрозии электродов............85

4.1. Исследование эрозионных струй................................................85

4.1.1. Общая картина эволюции разряда...........................................85

4.1.2. Определение параметров плазмы вблизи торцов электродов.........91

4.1.3. Причины высоких приэлектродных падений............................94

4.1.4. Влияние электродных струй на теплообмен между дугой и окружающим газом...........................................................100

4.2. Исследование эрозии электродов..............................................108

4.2.1. Описание новой формы эрозии электродов, наблюдавшейся как выброс в виде полукольца...................................................108

4.2.2. Зависимость величины эрозии от амплитуды разрядного

тока...............................................................................112

4.2.3. Оценки соотношения жидкой и паровой форм эрозии от плотности потока энергии на торец электрода.........................114

4.3. Выводы..............................................................................125

Глава §. Исследование сжатия канала разряда................................127

5.1. Результаты экспериментов.......................................................128

5.2. Обсуждение результатов экспериментов......................................136

5.2.1. Разряд с амплитудой тока до 500 кА и вольфрамовыми электродами....................................................................139

5.2.2. Разряд с амплитудой тока до 1.6 МА со стальными электродами...................................................................145

5.2.3. Мягкое рентгеновское излучение..........................................150

5.2.4. Образование высокотемпературной области разряда...................152

5.2.5. Уменьшение яркости канала при его сжатии...........................154

5.3. Выводы.............................................................................156

Глава 6. Разряд с предварительным адиабатическим сжатием..........157

6.1. Результаты экспериментов.......................................................157

6.2. Оценка параметров канала разряда...........................................165

6.3. Баланс энергии в разряде.........................................................166

6.4. Выводы..............................................................................169

Глава 7. Колебания канала разряда...............................................171

7.1. Акустические типы колебаний, возникающие в разрядной камере.....171

7.2. Оценка величины сжатия канала разряда по изменению напряженности электрического поля..........................................174

7.3. Колебания канала разряда, связанные с выравниванием магнитного и газокинетического давлений...................................176

7.4. Колебания интенсивности мягкого рентгеновского излучения............178

7.5. Выводы...............................................................................185

Глава 8. Нагрев газа ударными волнами........................................187

8.1. Разряд в воздухе....................................................................188

8.2. Разряд в гелии......................................................................191

8.3. Определение доли энергии, выделившейся в ударной волне.............195

8.4. Ускорение тел малой массы......................................................198

8.5. Выводы..............................................................................202

Заключение...................................................................................203

Литература....................................................................................209

Введение.

Актуальность исследований.

Физика мощных газовых разрядов высокого и сверхвысокого давления является составной частью физики высоких плотностей энергии и экстремальных состояний вещества. Актуальность проведенных исследований и определяется тем, что интерес к этой области физики усилился в последнее время. Современные потребности науки и техники требуют перехода от уже

5 7

освоенного диапазона генерируемых энергий плазмы (10 - 10 ) Дж к более высоким значениям. Эта задача требует в свою очередь перехода к разрядам с токами (1 — 10) МА и выше при длительностях разряда > Ю-4 с.

Увеличение начального давления рабочего газа, окружающего канал разряда, до десятков и сотен мегапаскалей способствует большей устойчивости разряда, более эффективной передаче энергии от разряда к окружающему газу и, вследствие этого, большей энтальпии нагретого газа. Мощный импульсный разряд является составной частью различных электрофизических устройств с высокой плотностью энергии, и эффективно используется в высокоинтенсивных источниках видимого и ультрафиолетового излучения, которые используются для накачки мощных лазеров, в генераторах высокоэнтальпийных плазменных струй, в различных плазмохимических процессах.

Разряд в водороде и гелии высокой начальной плотности является наиболее перспективным для создания гиперскоростных ускорителей. Разряд в водороде высокой плотности может быть использован для решения ряда астрофизических задач, например, для моделирования переноса энергии излучением из центра звезды к ее периферии, образования ударных волн и изменения их яркости при выходе на поверхность звезды и т.д.

В настоящее время наблюдается усиление интереса к исследованию плотных плазменных состояний. Он связан с достижением экстремальных

параметров плазмы в различного рода устройствах, в которых для сжатия энергии в пространстве и во времени используются 2-пинчи. Сюда относятся плазменный фокус, «горячие точки», образованные эволюцией перетяжек 2-пинчей быстрых разрядов, Х-пинчи, многопроволочные сборки и т.д.

Однако высокие параметры плазмы при этом в большинстве случаев существуют меньше одной микросекунды в объеме не более нескольких кубических миллиметров и требуют для своей реализации сложной высоковольтной техники. В таких разрядах скорость нарастания тока (1]/сИ составляет, как правило, величину порядка 1014 А/с и более.

Плотные плазменные состояния большего объема с концентрацией электронов (1019 — Ю20) см 3 и температурой (105 — 106) К можно попытаться получить в плотных 7-пинчах. Такие пинчи более устойчивы к магнито-гидродинамическим неустойчивостям, чем плазменный канал, находящийся в вакууме. Поэтому для питания таких разрядов можно использовать более медленные и дешевые конденсаторные батареи. Возрастание плотности газа в канале при одновременном сохранении или увеличении его температуры может привести к увеличению интенсивности рентгеновского излучения. Фокусировка акустических и ударных волн, возникающих при инициировании Z-пинчa в плотной среде, может способствовать дополнительному сжатию канала разряда и увеличению плотности энергии в нем.

Для достижения указанных выше температур и концентраций величина разрядного тока должна находиться на уровне (1 - 10) МА и более.

При этом возникает ряд новых, недостаточно изученных ранее явлений, как в самой дуге, так и при ее теплообмене с окружающим газом. 1. Ввиду высокой плотности энергии, поступающей на торцы электродов,

процесс их разрушения приобретает новый характер. Эрозия электродов

_2

достигает величины 10 г/Кл. Поэтому могут возникать новые виды эрозии, а высокая концентрация металла, поступающего с электродов, может приводить к

изменению характеристик канала. В первую очередь следует ожидать изменение характеристик приэлектродных зон.

2. Поток энергии на электроды, сравнимый с лазерным потоком умеренной мощности, делает неизбежным образование эрозионных плазменных струй с электродов. Струи способствуют образованию турбулентных зон и заметно влияют на свойства разряда в целом и на его тепломассообмен с окружающим газом, что резко отличает их от разрядов с меньшей плотностью тока, где струи заметной роли не играют.

Для разряда в водороде наблюдается резкий рост падений напряжения вблизи электродов, не находивший объяснения до последнего времени. Одной из причин этого явления и могут быть эрозионные струи.

3. При переходе к высокому начальному давлению рабочего газа, достигающему десятков и сотен мегапаскалей, меняются излучательные характеристики канала разряда. Это связано с изменением температуры и плотности в самом канале, вследствие чего меняется его прозрачность, а также с изменением прозрачности переходного слоя между дугой и окружающим газом. Вследствие «запертости» излучения возможно повышение температуры в осевой зоне канала. При дальнейшем повыше нии температуры и концентрации излучающих ионов, возможно сжатие канала, связанное с преобладанием излученной мощности над введенной в канал джоулевой. В этом случае сжатие канала происходит с увеличением плотности энергии в нем.

4. Из-за высокой начальной плотности рабочего газа в разрядном объеме возникают ударные и звуковые волны. Они могут влиять на нагрев окружающего газа в разрядной камере и изменять свойства самого канала разряда. При фокусировке отраженных ударных волн в центре разрядной камеры возможен дополнительный нагрев газа на оси разряда. Акустические колебания канала разряда могут возникать в связи с выравниванием магнитного

и газокинетического давлений в нем. Их взаимодействие с ударными волнами также может приводить к дополнительному увеличению плотности энергии в канале разряда. Они могут коренным образом менять характер процессов в электроразрядных устройствах. Исследованию этих явлений, до сих пор недостаточно изученных, в разрядах мегаамперного диапазона при начальном давлении рабочего газа до 200 МПа и посвящена настоящая работа. Целью работы являлось исследование явлений, возникающих при переходе к разрядам с токами мегаамперного диапазона и начальным давлениям рабочего газа до 200 МПа в импульсных электроразрядных устройствах высокого и сверхвысокого давления, которые существенным образом меняют как свойства самой дуги, так и механизм ее теплообмена с окружающим газом. Такие исследования необходимы для создания электрофизических установок нового поколения.

Для ее реализации были поставлены следующие задачи исследования.

1. Исследовать режим горения дуг, связанный с образованием эрозионных струй, и выяснить его связь с аномально высокими приэлектродными падениями напряжений. Установить причины образования зон с высокими падениями напряжения и определить параметры плазмы в них. При этом установить механизмы передачи энергии от дуги к газу, связанные с образованием приэлектродных зон с высоким энерговыделением.

2. Исследовать особенности эрозии электродов, связанные с высокой

,, 7 9 2

мощностью поступающей на торцы электродов в диапазоне (10 - 10 ) Вт/см .

3. Исследовать поведение канала разряда, связанное с изменением излучательных характеристик разряда из-за наличия плотной окружающей среды. Вследствие высокой начальной плотности рабочего газа из-за «заперто сти» излучения осевая зона разряда может испытывать дополнительный нагрев и стать источником более интенсивного излучения.

4. Исследовать возможности повышения плотности энергии в канале разряда в

мегаамперном диапазоне за счет перехода к сверхвысоким начальным давлениям водорода, достигающим 200 МПа. Такие возможности могут быть обеспечены фокусировкой волн сжатия, отраженных от стенок разрядной камеры. Выяснить влияние акустических и ударных волн на характеристики канала разряда и теплообмен между дугой и окружающим газом в зависимости от скорости нарастания тока и величины начального давления. Кроме того необходимо исследовать возможность повышения плотности энергии в канале за счет взаимодействия колебаний различного типа. Работы по теме проводились на основании:

1. 2006 - 2008 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН

№ 9 «Исследования вещества в экстремальных условиях» Подпрограмма 9.4 «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ»

2. 2009 - 2011 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №2 «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества»

Подпрограмма 1: «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий» Раздел «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛОТНОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

3. 2012 - 2014 Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Вещество при высоких плотностях энергии», Подпрограмма «Физика плотной плазмы».

А также были поддержаны Грантами РФФИ:

№ 93-02-17424-а; № 02-02-16770-а; № 04-02-17527-а; № 05-02-16091-а; № 06-08-00339-а; № 08-08-00449-а; № 10-08-00739-а; грантом Президента Российской Федерации МК-2052.2005.8; грантом НШ-885.2003.2.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты исследований разрядов, благодаря которым установлены

причины образования зон с аномально высокой величиной падения напряжения вблизи электродов и определены параметры плазмы в них.

2. Новую форму эрозии электродов в виде симметричного выброса со всей торцевой поверхности.

3. Переход эрозии электродов от капельной к паровой фазе для разрядов с У > 105 А/см2 в диапазоне потоков энергии на электрод (107 - 109) Вт/см2.

4. Режим сжатия канала разряда при начальном давлении водорода и гелия (5-30) МПа, в заключительной стадии которого температура канала достигает нескольких сотен эВ.

5. Результаты исследований сильноточных разрядов с начальным давлением (80 - 160) МПа, в результате которых определены параметры канала разряда и установлено, что половина вложенной в канал электрической мощности уходит на нагрев окружающего дугу газа акустическими волнами.

6. Новый метод увеличения плотности энергии в канале разряда, основанный на резонансе акустических колебаний во всем объеме разрядной камеры и колебаний канала разряда, обусловленных выравниванием магнитного и газокинетического давлений.

7. Образование высокотемпературной зоны по оси разряда, существование которой подтверждается оценкой частоты, глубины модуляции и поглощения мягкого рентгеновского излучения.

8. Результаты исследования разряда в гелии при начальном давлении (10 — 15) МПа и (1]/(И ~ 6-1011 А/с, в результате которых установлено, что нагрев газа в разрядной камере осуществляется в основном за счет энергии ударных волн и полученное при этом совпадение экспериментальных и расчетных кривых импульсных давлений по оси и на стенке разрядной камеры.

Научная новизна.

1. Установлено, что в разрядах с ]А ~ (0.2 - 1.6) МА и &]/сИ ~ (108 - Ю10) А/с причиной образования приэлектродных зон с аномально высокими значениями падений напряжения, суммарная величина которых достигает нескольких киловольт, являются приэлектродные эрозионные струи.

2. Для разряда в водороде при начальном давлении 1 МПа и ]А ~ 3-105 А определены параметры приэлектродной эрозионной плазмы у катода: Т = 59-103 К, Р = 5.3Т018 см . Параметры плазмы у анода близки к этим значениям. Для этих условий определен продольный размер областей у электродов, на которые приходится суммарное падение напряжения ~ 1 кВ при общем падении ~1.5 кВ. Он составляет ~ 0.2 см для каждого из электродов.

3. Экспериментально показ�