RU168263U1 - DEVICE FOR SPHERICAL FORM FOR RESEARCH OF GAS COMPRESSIBILITY IN MEGABAR PRESSURE - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений. Устройство содержит заряд взрывчатого вещества, охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку с полостями для напуска газа посредством коаксиального трубопровода, проходящего через указанные заряд и металлическую оболочку. При этом каждый каскад металлической оболочки включает две соединенные между собой полуоболочки. Причем соединение полуоболочек осуществляют посредством пайки медью в вакууме по цилиндрической поверхности большой протяженности. Соединение элементов коаксиального трубопровода с оболочками выполнено лазерной сваркой. Техническим результатом является повышение несущей способности (прочности) паяных швов двухкаскадного сферического экспериментального устройства. 3 ил.The utility model relates to the field of studies of quasi-isentropic compressibility of gases in the megabar pressure range. The device contains an explosive charge, covering a two-stage metal shell with cavities for gas inlet through a coaxial pipeline passing through the specified charge and the metal shell. Moreover, each cascade of the metal shell includes two interconnected half-shells. Moreover, the connection of the half-shells is carried out by soldering with copper in vacuum along a large cylindrical surface. The connection of the elements of the coaxial pipeline with the shells is made by laser welding. The technical result is to increase the bearing capacity (strength) of the soldered seams of a two-stage spherical experimental device. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений.The utility model relates to the field of studies of quasi-isentropic compressibility of gases in the megabar pressure range.

Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний вещества является сегодня основным источником информации о поведении сильносжатой плазмы газов в области рекордно высоких температур и давлений мегабарно-гигабарного диапазона. Будучи экзотическими для земных условий, эти ультраэкстремальные состояния вполне характерны для большинства астрофизических объектов. Кроме того, с плазмой ультрамегабарного диапазона связываются перспективные энергетические проекты по управляемому термоядерному синтезу с инерционным удержанием плазмы и реализации высокотемпературных состояний в сжатом водороде.The use of the experimental technique of powerful shock waves to study extreme states of matter is today the main source of information on the behavior of highly compressed gas plasmas in the region of record high temperatures and pressures of the megabar-gigabyte range. Being exotic for terrestrial conditions, these ultra-extreme states are quite characteristic of most astrophysical objects. In addition, promising energy projects related to controlled thermonuclear fusion with inertial plasma confinement and the implementation of high-temperature states in compressed hydrogen are associated with ultra-megabar plasma.

Эти обстоятельства являются постоянно действующим стимулирующим фактором по экспериментальному изучению свойств неидеальной плазмы водорода, дейтерия и инертных газов, сжатой мощными ударными волнами. Существенно большие давления, превышающие почти на порядок значения давлений однократного ударно-волнового сжатия, при значительном снижении эффектов необратимого нагрева реализуются при квазиизэнтропическом сжатии веществ последовательностью падающих и отраженных от геометрического центра устройства ударных волн.These circumstances are a constantly stimulating factor for the experimental study of the properties of non-ideal plasma of hydrogen, deuterium and inert gases, compressed by powerful shock waves. Significantly high pressures, which are almost an order of magnitude greater than the values of pressures of a single shock-wave compression, with a significant decrease in the effects of irreversible heating, are realized upon quasi-isentropic compression of substances by a sequence of shock waves incident and reflected from the geometric center of the device.

Известно устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений (М.А.Мочалов, Р.И.Илькаев, В.Е.Фортов и др. Термодинамические свойства неидеальной плазмы гелия при квазиизэнтропическом сжатии в 575 раз давлением 3000 ГПа, 2015, письма в ЖЭТФ, т. 101, вып. 8, с. 575-582), выбранное в качестве наиболее близкого аналога, содержащее сферический заряд взрывчатого вещества (ВВ), охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку с полостями для исследуемых газов. Сжатие газа в полости внутренней оболочки осуществляется серией сферически сходящихся и отраженных от центра устройства ударных волн, циркулирующих в объеме газа, и под действием стальных оболочек, сходящихся к центру. Этот процесс близок к изэнтропическому, так как после прохождения первой ударной волны дальнейшее сжатие газа происходит практически без заметного набора энтропии. Напуск газа в полости сферических оболочек производится посредством системы наполнения по коаксиальному трубопроводу, который проходит через заряд ВВ и оболочку. Металлическая оболочка каждого каскада включает две полуоболочки, соединенные между собой посредством электронно-лучевой сварки.A device of a spherical shape is known for studying gas compressibility in the region of megabar pressures (M.A. Mochalov, R.I. Ilkaev, V.E. Fortov and others. Thermodynamic properties of non-ideal helium plasma under quasi-isentropic compression 575 times pressure 3000 GPa, 2015, letters in JETP, vol. 101, issue 8, pp. 575-582), selected as the closest analogue, containing a spherical explosive charge (EX), covering a two-stage metal shell with cavities for the gases under study. Compression of gas in the cavity of the inner shell is carried out by a series of shock waves spherically converging and reflected from the center of the device, circulating in the gas volume, and under the action of steel shells converging to the center. This process is close to isentropic, since after the passage of the first shock wave, further compression of the gas occurs with virtually no appreciable set of entropy. The gas is admitted into the cavity of the spherical shells by means of a filling system through a coaxial pipeline that passes through the explosive charge and the shell. The metal shell of each cascade includes two half-shells interconnected by electron beam welding.

Недостатком устройства, выбранного в качестве наиболее близкого аналога, является низкая прочность сварного шва полуоболочек, который при электронно-лучевой сварке имеет «игольчатую» структуру, наиболее подверженную охрупчиванию при воздействии на него изотопов водорода. Кроме того, технологически невозможно выполнить сварной шов на всю толщину материала. В таком случае высока вероятность разрушения сварного шва при напуске изотопов водорода высокого давления во внутренние полости устройства.The disadvantage of the device selected as the closest analogue is the low strength of the weld seam of the shells, which, when electron beam welding has a “needle” structure, is most susceptible to embrittlement when exposed to hydrogen isotopes. In addition, it is technologically impossible to weld the entire thickness of the material. In this case, the probability of fracture of the weld during the injection of high pressure hydrogen isotopes into the internal cavities of the device is high.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении несущей способности (прочности) двухкаскадного сферического экспериментального устройства.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is to increase the bearing capacity (strength) of a two-stage spherical experimental device.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, содержащем заряд ВВ, охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку с полостями для напуска газа посредством коаксиального трубопровода, проходящего через указанные заряд и оболочку, при этом каждый каскад металлической оболочки включает две соединенные между собой полуоболочки, новым является то, что соединение полуоболочек осуществляют посредством пайки медью в вакууме по цилиндрической поверхности большой протяженности.The specified technical result is achieved by the fact that in the inventive device containing a explosive charge, covering a two-stage metal shell with cavities for gas inlet through a coaxial pipeline passing through the specified charge and shell, each cascade of the metal shell includes two interconnected half-shells, the new one is the fact that the connection of the half-shells is carried out by soldering with copper in vacuum along a large cylindrical surface.

Применение пайки позволяет сохранить однородную структуру материала оболочек вблизи шва, менее подверженную водородному охрупчиванию. Ширина паяного шва в заявляемом устройстве 5-7 раз превышает толщину сварного шва в устройстве-аналоге. Тангенциальное расположение паяного соединения позволяет добиться его прочности, сравнимой с прочностью сплошного материала. Все в совокупности повышает прочность двухкаскадного сферического экспериментального устройства.The use of soldering allows you to maintain a homogeneous structure of the material of the shells near the weld, less susceptible to hydrogen embrittlement. The width of the solder in the inventive device is 5-7 times greater than the thickness of the weld in the analog device. The tangential location of the solder joint allows its strength to be comparable to that of a solid material. All together increases the strength of a two-stage spherical experimental device.

На фиг. 1 приведено устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений (в плоскости поперечного сечения). На фиг. 2 и 3 представлены рентгенограммы эксперимента, где пунктиром обозначена наружная граница сжатой полости с изотопом водорода - дейтерием.In FIG. Figure 1 shows a spherical device for studying the compressibility of gases in the region of megabar pressures (in the plane of the cross section). In FIG. Radiographs of the experiment are shown in Figs. 2 and 3, where the dotted line indicates the outer boundary of the compressed cavity with the hydrogen isotope deuterium.

Устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений (фиг. 1) содержит заряд ВВ 1 сферической формы, охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку 2, 3 с полостями 4, 5 для напуска газа, коаксиальный трубопровод 6.A spherical device for studying the compressibility of gases in the region of megabar pressure (Fig. 1) contains a explosive charge 1 of a spherical shape, covering a two-stage metal shell 2, 3 with cavities 4, 5 for gas inlet, coaxial pipe 6.

Каждый каскад 2 (3) металлической оболочки включает две соединенные между собой соответствующие полуоболочки 7 и 8 (9 и 10).Each cascade 2 (3) of the metal shell includes two interconnected corresponding half-shells 7 and 8 (9 and 10).

Полуоболочки 7 и 8 (9 и 10) соединяют посредством пайки медью в вакууме по цилиндрической поверхности большой протяженности. При пайке внутреннего сферического каскада в качестве припоя применяется медная фольга толщиной 0.05 мм, которая закладывается в зазор между полуоболочками. Для наружного каскада используется медно-германиевый припой в виде фольги толщиной 0,05 мм, имеющий температуру плавления ниже, чем температура плавления чистой меди. Пайка обеих полостей оболочек осуществляется в вакууме.Half-shells 7 and 8 (9 and 10) are connected by soldering with copper in vacuum along a large cylindrical surface. When soldering the inner spherical cascade, 0.05 mm thick copper foil is used as solder, which is laid in the gap between the half-shells. For the external cascade, copper-germanium solder is used in the form of a 0.05 mm thick foil having a melting point lower than the melting temperature of pure copper. Soldering of both shell cavities is carried out in vacuum.

Коаксиальный трубопровод 6 проходит через заряд ВВ 1 сферической формы и предназначен для напуска газа в полости 4 и 5. При этом внешний трубопровод соединен с оболочкой 2, а внутренний удлинен в полость 4 и соединен с оболочкой 3. Такое расположение трубопровода обеспечивает возможность заполнения полостей 4 и 5 разными газами или исследуемым газом при различных начальных давлениях, что повышает информативность эксперимента.Coaxial pipe 6 passes through a spherical explosive charge 1 and is intended for gas inlet in cavities 4 and 5. In this case, the external pipe is connected to the shell 2, and the internal pipe is extended into the cavity 4 and connected to the shell 3. This arrangement of the pipe makes it possible to fill the cavities 4 and 5 different gases or the test gas at different initial pressures, which increases the information content of the experiment.

Предварительно изготовленная оболочка 3 отдельно проверяется на прочность и герметичность. Окончательное испытание всего устройства осуществляется после размещения оболочки 3 в полости оболочки 2.The prefabricated shell 3 is separately tested for strength and tightness. The final test of the entire device is carried out after placing the shell 3 in the cavity of the shell 2.

Заявленное устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений работает следующим образом. Предварительно полости 4 и 5 заполняют дейтерием при давлении 400 и 40 атм соответственно. При подрыве заряда ВВ 1 детонационная волна проходит оболочку 2 и формирует в ней ударную волну, последовательно сжимающую газ в полостях 4 и 5. При отражении ударной волны от геометрического центра в полости 5 формируется серия сферически сходящихся и отраженных ударных волн, циркулирующих в объеме газа и сжимающих его. Дополнительное сжатие газа осуществляется под действием оболочек 2 и 3, сходящихся к центру. При этом коаксиальная конструкция трубопровода 6 устраняет образование газометаллической струи из него, что обеспечивает чистоту исследуемого газа в полости 4 и, как следствие, повышение точности проводимого эксперимента.The claimed device is spherical in shape for studying the compressibility of gases in the field of megabar pressures as follows. Preliminarily, cavities 4 and 5 are filled with deuterium at a pressure of 400 and 40 atm, respectively. When the explosive charge 1 is detonated, the detonation wave passes through the shell 2 and forms a shock wave in it, sequentially compressing the gas in cavities 4 and 5. When the shock wave is reflected from the geometric center in the cavity 5, a series of spherically converging and reflected shock waves circulating in the gas volume is formed and squeezing it. Additional gas compression is carried out under the action of shells 2 and 3, converging to the center. In this case, the coaxial design of the pipeline 6 eliminates the formation of a gas-metal jet from it, which ensures the purity of the test gas in the cavity 4 and, as a result, improves the accuracy of the experiment.

Начальные параметры газа - давление и температура - фиксируются в реальном времени.The initial gas parameters - pressure and temperature - are recorded in real time.

Заявляемое устройство позволило в два раза увеличить (с 250 до 500 атм) начальное давление изотопов водорода в полостях металлических оболочек. Представленные на фиг. 2 рентгенограммы эксперимента, проведенного с заявляемым устройством, свидетельствует о надежной регистрации газовой полости.The inventive device made it possible to double (from 250 to 500 atm) the initial pressure of hydrogen isotopes in the cavities of metal shells. Presented in FIG. 2 radiographs of the experiment conducted with the inventive device, indicates a reliable registration of the gas cavity.

Claims (1)

Устройство сферической формы для исследования сжимаемости газов в области мегабарных давлений, содержащее заряд взрывчатого вещества, охватывающий двухкаскадную металлическую оболочку с полостями для напуска газа посредством коаксиального трубопровода, проходящего через указанные заряд и металлическую оболочку, при этом каждый каскад металлической оболочки включает две соединенные между собой полуоболочки, отличающееся тем, что соединение полуоболочек осуществляют посредством пайки медью в вакууме по цилиндрической поверхности большой протяженности.A spherical device for studying the compressibility of gases in the megabar pressure region, containing an explosive charge, covering a two-stage metal shell with gas inlet cavities by means of a coaxial pipe passing through the indicated charge and a metal shell, each metal shell cascade comprising two interconnected half-shells characterized in that the connection of the half shells is carried out by soldering with copper in vacuum along a cylindrical surface long extent.

Images