Электрический взрыв тонких проводников (смена парадигмы)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

За многие десятилетия изучения электрического взрыва тонких проволочек (ЭВП) в сознании исследователей сложились и прочно закрепились определенные представления об этом процессе. Несмотря на недоказанность некоторых устоявшихся утверждений и даже при их противоречии результатам современных экспериментов, они по-прежнему широко используются для описания и интерпретации новых данных. Прежде всего, это относится к представлению об ЭВП как о быстром испарении металла в результате диссипации в нем джоулевой энергии. Другим принципиальным предположением, используемым при анализе экспериментальных результатов и проведении модельных расчетов, является однородность распределения вещества по сечению проволочного остова в процессе взрыва. До сих пор остается невыясненной природа и механизм образования страт – наблюдаемой во многих экспериментах периодичности на изображениях ЭВП. Использование традиционных представлений об ЭВП, даже при высоком уровне ряда конкретных исследований, не позволяет правильно интерпретировать полученные результаты и в целом не способствует прогрессу в понимании сложной физики взрыва проволочки. Поэтому традиционные концепции ЭВП давно требуют пересмотра. В настоящей работе суммированы результаты современных исследований в данной области и рассмотрено их отношение к предыдущим работам. Предложены новые подходы к исследованиям динамики ЭВП и пониманию процессов преобразования энергии в веществе при его быстром нагреве электрическим током.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. М. Романова

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vmr@inbox.ru
Россия, Москва

И. Н. Тиликин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: vmr@inbox.ru
Россия, Москва

А. Е. Тер-Оганесьян

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: vmr@inbox.ru
Россия, Москва

А. Р. Мингалеев

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: vmr@inbox.ru
Россия, Москва

Т. А. Шелковенко

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: vmr@inbox.ru
Россия, Москва

С. А. Пикуз

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: vmr@inbox.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Bennet F.D. High-Temperature Exploding Wires / In Progress in High Temperature Physics and Chemistry / Ed. by Carl A. Rouse. Pergamon Press, 1968. V. 2. P. 3.
  2. Müller W. / In Exploding Wires / Ed. by W.G. Chace and H.K. Moore. New York: Plenum Press, 1959. V. 1. P. 186.
  3. Pikuz S.A., Shelkovenko T.A., Hoyt C.L., Douglass J.D., Tilikin I.N., Mingaleev A.R., Romanova V.M., and Hammer D.A. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. V. 43. N. 8. 2520. doi: 10.1109/TPS.2015.2440101.
  4. Chace W.G. and Levine M.A. // J. Appl. Phys. 1960. V. 31. P. 1298.
  5. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его использование в электрофизических установках. М.: Энергоатомиздат. 1990. 288 с.
  6. Oreshkin V.I. and Baksht R.B. Wire Explosion in Vacuum. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2020. Vol. 48. № 5. P. 2114.
  7. Лебедев С.В., Хайкин С.Э. // ЖЭТФ. 1954. Т. 26. В. 5. С. 629.
  8. Лебедев С.В. // ЖЭТФ. 1957. Т. 32. В. 2. С. 199.
  9. Лебедев С.В., Савватимский А.И. // Теплофизика высоких температур. 1981. Т. 19. В. 6. С. 1184.
  10. Лебедев С.В., Савватимский А.И. // Теплофизика высоких температур. 1970. Т. 8. В. 3. С. 524–531.
  11. Лебедев С.В., Савватимский А.И. // УФН. 1984. Т. 144. В. 2. С. 215–250.
  12. Wrana J. // Arch. Elektrotechn. 1939. B. 33. H. 10. S. 656.
  13. Bennett F.D., Kahl G.D., Wedemeyer E.H. // In Exploding Wires / Ed. by W.G. Chace and H.K. Moore, New York: Plenum Press, 1964. V. 3. P. 65.
  14. Bennett F.D., Kahl G.D. // In Exploding Wires / Ed. by W.G. Chace and H.K. Moore, New York: Plenum Press, 1968. V. 4. P. 1.
  15. Edelson H.D. and Korneff T. // In Exploding Wires / Ed. by W.G. Chace and H.K. Moore, N. Y.: Plenum Press, 1964. V. 3. P. 267.
  16. Kalantar D.H. and Hammer D.A. // Phys. Rev. Lett. 1993. V. 71. Nо. 23. P. 3806.
  17. Иваненков Г.В., Мингалеев А.Р., Пикуз С.А., Романова В.М., Степневски В., Хаммер Д., Шелковенко Т.А. // ЖЭТФ. 1998. Т. 114. В. 4(10). С. 1216.
  18. Pikuz S.A., Shelkovenko T.A., Mingaleev A.R., Hammer D.A., Neves H.P. // Physics of Plasmas. 1999. V. 6. Nо. 11. P. 4272.
  19. Chace W.G. // Physics of Fluid. 1959. V. 2. N. 2. P. 230.
  20. Мартынюк М.М. Фазовый взрыв в метастабильной жидкости. // Физика горения и взрыва. 1977. Т. 13. В. 2. С. 213.
  21. Воробьев В.С., Малышенко С.П. // ЖЭТФ. 1997. Т. 111. В. 6. С. 2016.
  22. Воробьев В.С., Малышенко С.П., Ткаченко С.И., Фортов В.Е. // Письма в ЖЭТФ. 2002. Т. 75. В. 8. С. 445.
  23. Воробьев В.С., Малышенко С.П. // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. В. 6. С. 1005.
  24. Lebedev S.V., Beg F.N., Bland S.N., Chittenden J.P., Dangor A.E., Haines M.G., Zakaullah M., Pikuz S.A., Shelkovenko T.A., Hammer D.A. // Rev. Sci. Instr. 2001. V. 72. N. 1. P. 671.
  25. Hammer D.A. and Sinars D.B. // Laser and Particle Beams. 2001. V. 19. P. 377.
  26. Грабовский Е.В., Митрофанов К.Н., Олейник Г.М., Порофеев Ю.И. // Физика плазмы. 2004. Т. 30. № 2. С. 139.
  27. Sinars D.B., Cuneo M.E., Yu E.P., Bliss D.E., Nash T.J., Porter J.L., Deeney C., Mazarakis M.G., Sarkisov G.S., and Wenger D.F. // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. Nо. 14. P. 145002.
  28. Cuneo M.E., Waisman E.M., Lebedev S.V. et al. // Phys. Rev. E. 2005. V. 71. P. 046406.
  29. Sinars D.B., Cuneo M.E., Yu E.P., Lebedev S.V., Cochrane K.R., Jones B., MacFarlane J.J., Mehlhorn T.A., Porter J.L., and Wenger D.F. // Phys. of Plasmas. 2006. V. 13. P. 042704.
  30. Грабовский Е.В., Грицук А.Н., Смирнов В.П. и др. // Физика плазмы. 2011. Т. 37. № 11. С. 1023.
  31. Wu J., Wang L.P., Han J.J., Li M., Sheng L., Li Y., Zhang M., Guo N., Lei T.S., Qiu A.C., and Lv M. // Phys. of Plasmas. 2012. V. 19. P. 022702. doi: 10.1063/1.3677777.
  32. Романова В.М., Иваненков Г.В., Мингалеев А.Р., Тер-Оганесьян А.Е., Шелковенко Т.А., Пикуз С.А. // Физика плазмы. 2015. В. 41. С. 671.
  33. Гуськов С.Ю., Иваненков Г.В., Пикуз С.А., Шелковенко Т.А. // Квантовая электроника. 2003. Т. 33. № 11. С. 958.
  34. Koлгатин С.Н., Лев M.Н., Перегуд Б.П., Степанов A.M., Федорова T.A., Фурман A.C., Хачатурьянц A.В. // ЖТФ. 1989.Т. 59. В. 9. С. 123.
  35. Romanova V.M., Ivanenkov G.V., Parkevich E.V., Tilikin I.N., Medvedev M.A., Shelkovenko T.A., Pikuz S.A., and Selyukov A.S. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54. P. 175201. doi: 10.1088/1361-6463/abdce5.
  36. Романова В.М., Тиликин И.Н., Тер-Оганесьян А.Е., Мингалеев А.Р., Шелковенко Т.А., Хирьянова А.И., Пикуз С.А. // Физика плазмы. 2022. Т. 48. № 2. С. 141. doi: 10.31857/S0367292122020135.
  37. Wu Jian, Li Xingwen, Lu Yihan, Lebedev S.V., Yang Zefeng, Jia Shenli, and Qiu Aici. // Physics of Plasmas 23, 112703 (2016).
  38. Sarkisov G.S., Hamilton A., and Sotnikov V. // Phys. Rev. A. 2019. V. 99. 012503.
  39. Sarkisov G.S., Sasorov P.V., Struve K.W., and McDaniel D.H. // Jour. Appl. Phys. 2004. V. 96. P. 1674.
  40. Romanova V.M., Mingaleev A.R., Ter-Oganesyan A.E., Shelkovenko T.A., Pikuz S.A. // ВАНТ. 2013. № 1(83). P. 284.
  41. Zhakhovsky V.V., Pikuz S.A., Tkachenko S.I., Sasorov P.V., Shelkovenko T.A., Knapp P.F., Saylor C.C., and Hammer D.A. // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1426. P. 1207.
  42. Lv F., Liu P., Qi H., Liu J. // Computational Materials Science. 2019. V. 162. P. 88. doi: 10.1016/j.commatsci.2019.02.026.
  43. Romanova V.M., Ivanenkov G.V., Mingaleev A.R., Ter-Oganesyan A.E., Tilikin I.N., Shelkovenko T.A., and Pikuz S.A. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. P. 112704. doi: 10.1063/1.5052549.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. а) Характерные осциллограммы тока и напряжения при электровзрыве в вакууме. Проволочка из золота (Au), диаметр 25 мкм.1 – начало собственно взрыва: спад тока и резкое возрастание сопротивления, 2 – максимум перенапряжения, 3 – коллапс напряжения, конец энерговклада и резистивной стадии взрыва. Далее разрядный ток переносится плазменной короной, и контур работает в режиме закоротки; б) ток и напряжение при ЭВП в воздухе в режиме с пробоем. Материал проволочки медь (Сu), диаметр 25 мкм; в) ток и напряжение при ЭВП в воздухе в режиме с паузой тока. Материал проволочки медь (Сu), диаметр 25 мкм. Прерывание (пауза) тока возникает при низком зарядном напряжении, если в момент коллапса запасенной в конденсаторе энергии (напряжения) не хватает для пробоя разрядного промежутка. По мере расширения продуктов взрыва их плотность снижается, происходит вторичный пробой и ток в цепи возобновляется.

Скачать (154KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структура керн–корона при ЭВП в вакууме. а) Рентгеновское (2.5 < λ < 5 Å) теневое изображение взрыва вольфрамовой проволочки; б) лазерное (λ = 5324 Å) теневое изображение керна при взрыве алюминиевой проволочки; в) плазменная корона на УФ-изображении (ɛ >10 эВ), полученном в одном выстреле с (б).

Скачать (194KB)
Метаданные
4. 3. Рентгеновское (2.5 < λ < 5 Å) теневое изображение взрыва никелевой проволочки на сильноточном генераторе в вакууме.

Скачать (123KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структуры кернов при низкоточных ЭВП в вакууме на поздней стадии разряда. а) Рентгеновское (2.5 < λ < 5 Å) теневое изображение взрыва вольфрамовой проволочки и (б) лазерное (λ = 5324 Å) теневое изображение взрыва медной проволочки.

Скачать (171KB)
Метаданные
6. Рис. 5. а) Лазерные (λ = 5324 Å) интерферометрическое и теневое и (б) радиографическое (2.5 < λ < 5 Å) изображения взрыва 4 медных проволочек; в) наложение одного и того же участка изображений ((а) и (б) –1 и 2, соответственно).

Скачать (162KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Лазерное (λ = 5324 Å) теневое изображение взрыва серебряной проволочки в воздухе.

Скачать (95KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Лазерное теневое изображение взрыва золотой проволочки в вакууме в излучении с длинами волн λ = 532 нм (а) и λ =1064 нм (б).

Скачать (146KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Интерферометрическое изображение взрыва молибденовой проволочки в воздухе в излучении с длинами волн λ = 532 нм (а) и λ =1064 нм (б).

Скачать (233KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Лазерные теневые (а, в) и интерферометрические (б, г) изображения взрыва палладиевой проволочки в воздухе в излучении с λ = 532 нм (а, б) и λ = 1064 нм (в, г).

Скачать (274KB)
Метаданные
11. Рис.10. Рентгеновское изображение взрыва проволочки из золота (а); увеличенные участки изображения трубчатого керна (б); профили денситограмм выделенных фрагментов (в).

Скачать (101KB)
Метаданные
12. Рис.11. Молекулярно-динамическое моделирование взрыва Al проволочки. Снимки карты плотности ρ(x, y), усредненной по длине цилиндра lz = 40.2 нм. Оттенок серого пропорционален плотности. Каждый пиксель представляет собой область размером 1×1 нм2, в которой могут разместиться ~2400 атомов. Пунктирные стрелки указывают на карту плотности бокового обзора ρ(x, z), усредненную по ly =800 нм.

Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024