Взрывной кумулятивный источник излучения

 

Использование: в импульсных источниках света, в фотохимии, фотометрии. Сущность изобретения: источник излучения содержит газонаполненную камеру сжатия с полостью в виде шарового сегмента, в вершине которого установлена выходная трубка. Камера закрыта с торца лайнером в виде диска с взрывной навеской. Диаметр D лайнера выбран в 1,2 1,6 раз большим радиуса кривизны R камеры сжатия. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно к созданию устройств взрывных излучателей для целей фотохимии и фотометрии.

В технике фотометрии применяются источники света с телом накаливания в качестве излучателя. Примером служит измерительная лампа с лентой из вольфрама или равномерно нагретая полость с отверстием, имитирующая абсолютно черное тело. Температура таких излучателей не превышает 3000 К, тогда как при исследовании многих явлений сталкиваются с яркостными температурами до 10⁵ К. Большое различие яркостей исследуемого объема и эталона сравнения затрудняет калибровку приемников излучения. Для этого требуется высокотемпературный эталон.

Исторически первыми мощными импульсными источниками явились устройства, использующие электрический разряд в газах. Импульсный источник ЭВ-39 (ЭВ-45) излучает как черное тело с температурой 41000 К в диапазоне λ200-600 нм (Цикулин М. А. Попов Е.Г. Излучательные свойства ударных волн в газах. М. Наука, 1977, 124).

Экспериментально известно, что ударные волны в смесях инертных газов при температурах до 50000-60000 К излучают как абсолютно черное тело в широком спектральном диапазоне, захватывающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра.

Известно устройство (Цикулин М.А. Попов Е.Г. Излучательные свойства ударных волн в газах. М. Наука, 1977, 125), принимаемое за аналог, состоящее из заряда взрывчатого вещества с кумулятивным каналом и выходной трубкой. Тщательное измерение скорости ударной волны в воздухе, образующейся при детонации такого заряда, дает значение 13,6 ± 0,1 км/с (Т=24000 ± 700 К). Относительно большой вес заряда, равный 168 г, приводит к низкому (менее 0,1%) КПД.

Основным недостатком такого источника является невозможность получения Т_яр > 40000 К.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство (Войтенко А.Е. ПМТФ, 1966, N 4, с.112), выбираемое за прототип, в котором получают максимальные по амплитуде плоские ударные волны в газе содержащее, взрывной плазменный генератор (ВПГ), состоящий из взрывной линзы, заряда ВВ, лайнера, замкнутой металлической камеры, заполненной газом, с отверстием в месте кумуляции.

В результате адиабатического сжатия в камере образуется плотная плазма, разлетающаяся через отверстие в месте кумуляции и генерирующая сильную ударную волну в газе. КПД такого источника, равный отношению световой энергии к энергии взрыва, порядка 10^-3% Яркостная температура этого источника в оптическом диапазоне невелика (Т_яр < 20000К) из-за эффекта самоэкранировки прогретым слоем газа перед фронтом ударной волны, так как амплитуды волн превышают критические, для которых яркостная температура совпадает с ионизационной температурой за фронтом. Кроме перечисленных к недостаткам следует отнести значительный вес ВВ (до 1 кг), что ограничивает применение этого устройства только лабораторными задачами.

Задача создания малогабаритных взрывных излучателей, использующих для задействования не более нескольких десятков грамм ВВ (от которых сравнительно легко защититься) и обеспечивающих яркостные температуры (основная характеристика излучателя, определяющая плотность мощности) более 50000 К, является актуальной как с точки зрения лабораторно-исследовательских задач, так и для практического применения.

По сравнению с прототипом необходимо увеличить яркостную температуру образующейся ударной волны и КПД при уменьшении веса ВВ, веса камеры, упрощении и удешевлении конструкции.

Это достигается тем, что используется взрывной кумулятивный источник излучения, содержащий газонаполненную камеру сжатия с полостью в виде шарового сегмента, выполненную с отверстием в вершине сегмента, в котором установлена выходная трубка, лайнер, выполненный в виде диска, закрывающего камеру сжатия с торца, и взрывную навеску, установленную на внешней стороне указанного диска, отличающийся тем, что отношение диаметра лайнера D к радиусу кривизны R полости камеры сжатия выбрано в пределах от 1,2 до 1,6, причем камера сжатия выполнена из твердого материала с пределом прочности на растяжение σ_p, выбранным в диапазоне от 10⁷ до 2 ˙ 10⁸ Н/м², и с модулем Юнга Е, выбранным в диапазоне от 10⁹до 15 ˙ 10⁹ Н/м².

Сущность изобретения заключается в возможности получения максимальной яркостной температуры ударной волны в газе при минимуме веса ВВ и веса камеры. Снижение веса ВВ, необходимого для метания лайнера в замкнутую камеру, приводит к уменьшению амплитуды ударной волны и для каждого конкретного газа это приводит к достижению оптимальной амплитуды. Такая зависимость не является очевидной, поскольку экспериментально зафиксировано отсутствие подобия в ВПГ и одно только снижение веса ВВ не решает поставленной задачи из-за того, что режим схлопывания может не реализоваться (лайнер быстро останавливается из-за недостаточной кинетической энергии продуктов ВВ, испытывая противодавление). В качестве источника излучения служит ударно сжатый инертный газ, как правило, ксенон, имеющий наибольший атомный номер среди одноатомных газов и, следовательно, имеющий наименьший потенциал ионизации. В обычном ВПГ в качестве материала взрывной камеры применяется металл и масса ВВ порядка 1 кг. В этом случае в ксеноне в выходной трубке достигается высокое значение амплитуды давления и скорости ударной волны (37 км/с). Однако измеряемое по яркости свечения фронта значение температуры сравнительно невелико из-за экранирования (яркостная температура в оптическом спектре Т_яр < 25000К и значительно меньшем температуры за фронтом волны. В заявляемом устройстве за счет оптимизации веса взрывной навески (ВВ) для метания лайнера с требуемой скоростью u 2-2,5 км/с и подбора материала камеры достигаются оптимальные амплитуды D=13-14 км/с (Т_яр 60000 К), при которых эффект экранирования минимален. В этом случае оказалось, что в отличие от стандартного ВПГ не целесообразно использовать металлическую камеру (σ_p> 9 кг/мм², Е > 6000 кг/мм²) из-за отсутствия подобия в ВПГ. Наличие оптимума в материале камеры связано с влиянием механических свойств при уменьшении начальной кинетической энергии лайнера, так как волны сжатия в материале камеры, определяемые модулем Юнга, для большинства веществ заметно опережают лайнер, повышая предел текучести материала камеры.

Оптимум в отношении среднего диаметра лайнера к среднему радиусу кривизны в сегменте объясняется тем, что переход от полусферы (отношение равно 2) к сегменту выгоден из-за уменьшения времени сжатия и соответственно уменьшения поступления примесей со стенок за счет испарения. Экспериментально фиксируемый в качестве положительного фактора верхний предел отношения равен 1,6 (отличие выше ошибки измерения). Если отношение менее 1,2, то не происходит оптимального схлопывания в месте кумуляции, поскольку боковые струи запаздывают по сравнению с прохождением прямой ударной волны в выходную трубку.

Удовлетворяющее перечисленным требованиям устройство требует для задействования менее 50 г ВВ, имеет замкнутую камеру из материала с плотностью, меньшей плотности металла, и, следовательно, имеющую меньший вес, позволяет получать ударные волны с яркостной температурой Т_яр > 50000 К в оптическом диапазоне и Т 75000 К в ближнем ультрафиолете, имеет КПД, более чем в 100 раз превышающий КПД прототипа.

На чертеже изображен источник излучения.

Он содержит взрывную навеску 1, лайнер 2, замкнутую камеру в виде сегмента 3 и выходную трубку 4 в месте кумуляции, заполненные газом (ксеноном).

Источник излучения работает следующим образом. В результате задействования взрывной навески 1, лайнер 2 метается продуктами взрыва в замкнутую камеру 3. В результате схлопывания плазменных струй в месте кумуляции образуется плазменный поршень, разлетающийся в выходную трубку и генерирующий ударную волну в ксеноне с амплитудой, соответствующей скорости ударной волны 13-14 км/с.

Экспериментальное подтверждение эффективности отличительных признаков устройства получено в экспериментах (ВАНТ, сер. Теоретическая и экспериментальная физика, п.1, 1993). При оптимизации соотношения между D и R при малой массе ВВ в устройстве с камерой из пластика при D 1,5 R получены скорости ударных волн в ксеноне и воздухе (при начальном давлении 1 атм) соответственно 14 и 20 км/с, что позволило получить источник с яркостной температурой Т_яр > 50000 К в оптическом диапазоне (в ближней ультрафиолете Т_яр порядка 75000 К). КПД источника более чем в 10² раз выше, чем у ВПГ и примерно на порядок выше, чем у аналога.

Применение данного устройства позволяет получить излучатель с яркостной температурой более 60000 К и высоким КПД, что позволяет прогнозировать использование таких источников в основном для целей фотометрии, а также в фотохимии и в импульсной светотехнике.

Формула изобретения

ВЗРЫВНОЙ КУМУЛЯТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий газонаполненную камеру сжатия с полостью в виде шарового сегмента, выполненную с отверстием в вершине сегмента, в котором установлена выходная трубка, лайнер, выполненный в виде диска, закрывающего камеру сжатия с торца, и взрывную навеску, установленную на внешней стороне указанного диска, отличающийся тем, что отношение диаметра лайнера к радиусу кривизны полости камеры сжатия выбрано в пределах 1,2 1,6, причем камера сжатия выполнена из твердого материала с пределом прочности на растяжение σ (1 15) · 10⁹ Н/м².

РИСУНКИ

Рисунок 1