Взрывной кумулятивный источник излучения

 

Использование: импульсные источники света, теневое фотографирование, фотографирование. Сущность изобретения: взрывной комулятивный источник излучения содержит газонаполненную камеру сжатия с полостью в форме шарового сегмента, выполненную с отверстием в вершине сегмента. С торца камера закрыта лайнером в виде диска со взрывной навеской. В отверстии камеры установлена выходная трубка с отверстием в стенке, в котором установлен световод. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть отнесено к методам получения коротких и сверхкоротких точечных световых импульсов, в основном для целей теневого фотографирования.

Для ряда практических задач теневого фотографирования протяженных высокоскоростных моделей необходимо иметь яркий точечный источник излучения широкого спектрального диапазона длительностью менее 1 мкс.

Известно устройство, принимаемое за аналог, использующее электрический разряд в газах (1), состоящее из источника питания, электрической системы, замкнутого прозрачного объема, заполненного инертным газом. В устройстве электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газ. К недостаткам таких устройств относятся большая длительность светового импульса (τ >> 1 мкс), что приводит при больших скоростях модели при фотографировании к "смазу" изображения.

За прототип принимается устройство, которым является взрывной плазменный генератор (ВПГ), позволяющий генерировать мощные световые импульсы (2), состоящий из взрывной линзы, заряда ВВ, лайнера, камеры-сегмента и выходной трубки в месте кумуляции, заполненных газом. В результате адиабатического сжатия в камере образуется плотная плазма, разлетающаяся через выходную трубку и генерирующая сильную ударную волну в газе.

Недостатками, приводящими к невозможности использования этого устройства для целей теневого фотографирования, являются следующие: большая длительность светового импульса (τ > 20 мкс) из выходной трубки; невозможность обеспечения точечности из-за наличия разлетающихся продуктов взрыва, вызывающих ионизацию воздуха, что приводит к дополнительной протяженной подсветке; недостаточная яркостная температура (малая плотность мощности излучения) из-за наличия эффекта экранировки излучения оптического диапазона прогревным слоем перед фронтом ударной волны в выходной трубке.

Таким образом, выбор источника излучения для ряда задач теневого фотографирования связан с необходимостью одновременного достижения ряда технических результатов: источник должен быть точечным; источник должен генерировать короткие (τ < 1 мкс) импульсы; источник должен обладать широкой апертурой; источник должен иметь высокую яркостную температуру (Т_яр > 50000 К), что для оптического диапазона соответствует плотности мощности 5х10⁶ Вт/см²; источник должен генерировать световые импульсы во всем оптическом диапазоне.

Создание источника одновременно удовлетворяющего перечисленным требованиям позволит фиксировать процессы при более высоких скоростях, позволит усовершенствовать ряд методик покадровой съемки в технике регистрации быстропротекающих процессов.

Ожидаемый технический результат состоит в получении точечного светового импульса короткой длительности, большой яркостной температуры (плотности мощности излучения), излучения спектрального диапазона в пределах 0,2-4 мкм.

Это достигается тем, что используется взрывной кумулятивный источник излучения, содержащий газонаполненную камеру сжатия с полостью в форме шарового сегмента, выполненную с отверстием в вершине сегмента, в котором установлена выходная трубка, лайнер, выполненный в виде диска, закрывающего камеру с торца, и взрывную навеску, установленную на внешней стороне указанного диска, отличающейся тем, что в стенке выходной трубки вблизи отверстия камеры сжатия выполнено по крайней мере, одно отверстие, в котором установлен дополнительно введенный световод.

Сущность изобретения заключается в возможности получения на выходном торце световода короткого мощного светового импульса широкого спектрального диапазона заданной апертуры за счет ввода излучения ударно сжатого газа через входной торец световода и последующего испарения торца с потерей прозрачности.

Световод (световоды) располагается на определенном расстоянии от места кумуляции (в зависимости от геометрических размеров ВПГ, состава газа и его начального давления), что отвечает следующим требованиям: световод не должен фиксировать процессы, связанные со схлопыванием газа в камере при образовании плазменного слоя; ударная волна успевает стать оптически плотной (ширина ударно сжатого слоя не меньше трех длин пробега квантов оптического диапазона); не успевает развиться пристеночное ускорение фронта ударной волны, приводящее к тому, что в световод попадает излучение малой плотности мощности, соответствующее низкой Т_яр, при одновременном уширении импульса.

Эти требования определяют высоту расположения световода.

Световод позволяет передавать излучение по криволинейной траектории к требуемому месту расположения точечного источника. При этом автоматически отсекается любая сопутствующая подсветка (от продуктов ВВ, от ударной волны в трубке). Количество световодов может превышать один, поскольку на требуемой высоте может располагаться одновременно несколько световодов в зависимости от внутреннего диаметра выходной трубки и диаметров световодов (например, кольцевое расположение). При этом также могут решаться некоторые иные прикладные задачи технической физики, требующие одновременного получения нескольких мощных световых импульсов с малой разновременностью. Точечность источника достигается выбором диаметра световода для конкретной геометрии задачи (диаметр может варьироваться от десятка мкм до нескольких мм). Диаметром световода, скоростью ударной волны в выходной трубке, ионизационной температурой за фронтом ударной волны и диаметром выходной трубки определяется длительность светового импульса. Для получения сверхкоротких импульсов выбираются световоды с минимально допустимой для геометрии задачи апертурой и минимально допустимой длиной (для уменьшения уширения импульса при распространении по световоду). При использовании малых взрывных навесок это достигается экранировкой продуктов взрыва в защитном кожухе, что позволяет свести длину световода к минимуму и генерировать импульсы длительностью до 1 нс (на практике требуются τ< 1 мкс). Требуемая апертура задается подбором показателей преломления сердцевины и оболочки. Заданный спектральный диапазон излучения достигается подбором сорта стекла для материала сердцевины световода. Поскольку в ВПГ возможно получение амплитуд ударных волн до 80 км/с в зависимости от рабочего газа, то температура ударно сжатого газа может превышать 10⁵ К. Плотность мощности излучения в оптическом диапазоне (включая ближний ультрафиолет) при данных температурах 10⁷-10⁸Вт/см². При прохождении ударно сжатого газа вдоль поверхности входного торца световода излучение такой плотности мощности вводится в световод и распространяется по нему за счет полных внутренних отражений. Длительность импульса определяется началом испарения торца световода t_исп х₀/v, где х₀ а/v; v F/ρλ; х₀ фронт волны испарения; v скорость; а коэффициент температуропроводности; ρ плотность световода; λ удельная теплота испарений; F плотность мощности излучения, поглощаемого световодом. Для кварца (а 3^.10^-3 см²/с, ρ 2,2 г/см³) при F 10⁸ Вт/см² время испарения соответствует экспериментальному значению t_исп 10^-7-10^-8 с.

На чертеже изображено описываемое устройство в разрезе.

Устройство содержит систему формирования ударной волны в виде взрывной навески 1, лайнера 2, замкнутой камеры в виде сегмента 3, выходную трубку в месте кумуляции 4, а также по крайней мере одно отверстие в стенке со вставленным световодом 5.

Устройство работает следующим образом.

В результате задействования взрывной навески 1, образующаяся детонационная волна сообщает импульс лайнеру 2, вдвигаемому в замкнутую камеру 3. В результате схлопывания плазменных струй в месте кумуляции образуется плазменный поршень, генерирующий ударную волну в выходной трубке 4. Газ за фронтом ударной волны ионизован и интенсивно излучает. Распространяясь вдоль стенки, где вставлен световод, ударно сжатый газ вводит в него через входной торец излучение, часть которого распространяется по световоду за счет полных внутренних отражений (спектральный диапазон λ 0,2-4 мкм), а часть поглощается (λ < 0,2 мкм), что приводит к испарению торца световода и потери прозрачности. Распространяемый световой импульс передается по криволинейной траектории в требуемое место расположения точечного источника. Непосредственно источником служит выходной торец световода требуемого диаметра и апертуры.

Применение устройства со световодом из обычного стекла диаметром 2 мм позволило получать мощные световые импульсы длительностью менее 100 нс в спектральном диапазоне λ 0,4-4 мкм с апертурным углом 11^о, что позволило впервые изучать характер динамики образования пристеночного ускорения в непрозрачных каналах. Замена стекла кварцем позволила получить в коротких световодах короткие световые импульсы с плотностью мощности на выходе до 10⁷ Вт/см².

Применение устройства позволяет существенно увеличить информативность задач, связанных с теневым фотографи- рованием протяженных высокоскоростных моделей путем расширения регистрации параметров моделей недостижимых ранее. Кроме того, указанное устройство целесообразно использовать в задачах, где требуется одновременное получение нескольких световых импульсов с малой разновременностью.

Формула изобретения

ВЗРЫВНОЙ КУМУЛЯТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий газонаполненную камеру сжатия с полостью в форме шарового сегмента, выполненную с отверстием в вершине сегмента, в котором установлена выходная трубка, лайнер, выполненный в виде диска, закрывающего камеру с торца, и взрывную навеску, установленную на внешней стороне указанного диска, отличающийся тем, что в стенке выходной трубки вблизи отверстия камеры сжатия выполнено по крайней мере одно отверстие, в котором установлен дополнительно введенный световод.

РИСУНКИ

Рисунок 1