Exploding wires lab

ЛАБОРАТОРИЯ № 16 (бывшая лаборатория электровзрывных процессов)

Тематика наших работ

Изучение перехода расширенных жидких металлов (Al, Fe, W, Zr, Hf, Pb) в неметаллическое состояние при высоких давлениях (1 - 10 ГПа) путем измерения удельного сопротивления, давления, удельного объема и удельной внутренней энергии.
Измерение термодинамических функций и удельного сопротивления плотной (сильно-неидеальной) плазмы, образованной при непрерывном переходе образца из жидкого металлического состояния в плазменное.
Теоретическое изучение динамики импульсного нагрева проводников электрическим током для интерпретации экспериментов по электрическому взрыву проводников и решения методических задач (выяснения условий однородного нагрева, оценки погрешности измерений, связанной с неоднородным распределением величин по сечению образца).
Теплофизические измерения свойств тугоплавких металлов и других проводящих веществ (карбиды металлов, углерод) в твердом и жидком состоянии при атмосферном давлении; измеряются удельное сопротивление, энтальпия, плотность, температура, излучательная способность.

Методы ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения исследований мы используем методику нагрева импульсом электрического тока. В экспериментах измеряется ток через исследуемый образец,падение напряжения на образце, изменение объема образца (расширение) и давление. На основе этих данных рассчитывается ряд термодинамических величин, позволяющих построить калорическое уравнение состояния.

Методики(с).pdf

Фотография электроимпульсной установки №2 для изучения свойств проводящих материалов при высоких давления и температурах (построена А. М. Кондратьевым).

Зачем нужны эти исследования?

Теплофизические свойства при высоких давлениях и температурах нужно знать для следующих прикладных задач:

в атомной промышленности для моделирования развития тяжелых аварий, когда происходит плавление внутренних элементов реактора;
для разработки технологий лазерной обработки металлов;
для создания мощных импульсных источников рентгеновского излучения при сжатии каналов тока, образованных путем электрического взрыва проволочных лайнеров собственным магнитным полем (z-пинч);
для генерации ударных волн, создания мелкодисперсных порошков металлов, импульсных источников света и прочих приложений, использующих электрический взрыв проводников;

Измерения теплофизических свойств при высоких давлениях и температурах нужны для решения следующих фундаментальных проблем физики:

термодинамические функции и электропроводность жидких металлов для широкого интервала плотности;
физика плотной (сильно неидеальной) плазмы;
выяснение механизма перехода металл-неметалл;
переход жидкость-пар и его критическая точка для тугоплавких металлов;
соотношение между переходом металл-неметалл и переходом жидкость-пар.

НЕКОТОРЫЕ ЯРКИЕ результаты

Результат №1. Измерена температура плавления графита при давлениях 0,3 - 2,0 ГПа. Определены термодинамические функции и электропроводность графита и жидкого углерода в окрестности линии плавления при указанных выше давлениях.

Результат №2. Для свинца определена характерная плотность перехода расширенной металлической жидкости в неметаллическое состояние. Получены экспериментальные данные по калорическим свойствам (зависимости внутренней энергии от давления и удельного объема) и электропроводности в широком диапазоне значений давления и удельного объема.

Результат №3. Определена характерная плотность перехода в неметаллическое состояние расширенного жидкого железа. Получены экспериментальные данные по калорическим свойствам и электропроводности в широком диапазоне давления и удельного объема.

ИЛЛЮСТРАЦИИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рис. 1. Отрезок линии плавления графита на плоскости (P,T), определенный по результатам наших измерений (синяя толстая линия) сравнивается с литературными данными. Зависимости, измеренные в наших четырех экспериментах показаны тонкими линиями (1,2), которые выходят из нормального состояния (NS). Всего в рамках этой работы было проведено 20 успешных экспериментов с графитом [см. A. M. Kondratyev and A. D. Rakhel, PHYSICAL REVIEW LETTERS 122, 175702 (2019)].

Рис. 2. Температурные зависимости энтальпии (a), удельного сопротивления (b) и плотности (c) графита и жидкого углерода, измеренные в четырех наших экспериментах (черные и красные линии) сравниваются с литературными данными. Серые крестики показывают погрешности наших измерений. Рисунок демонстрирует наличие хорошо выраженных плато плавления на этих зависимостях, которые позволили надежно определить температуру плавления графита и скачки плотности, энтальпии и удельного сопротивления углерода при плавлении [см. A. M. Kondratyev and A. D. Rakhel, PHYSICAL REVIEW LETTERS 122, 175702 (2019)].

Рис. 3. Удельное сопротивление как функция приведенного объема для флюида свинца: линии - зависимости, измеренные в наших экспериментах, значки - литературные данные, два черных крестика - наши погрешности. Вставка показывает эти зависимости в большем масштабе в окрестности перехода металл–неметалл. Рисунок демонстрирует наличие определенной плотности перехода из состояния с положительным температурным коэффициентом сопротивления (изохорическим) в состояние с отрицательным значением этого коэффициента [см. А. М. Кондратьев, В. Н. Коробенко, А. Д. Рахель, ЖЭТФ, 2018, том 154, вып. 6 (12), стр. 1168–1182].

Рис. 4. Коэффициент Грюнайзена флюида свинца как функция приведенного объема: измеренные нами значения (красные квадратики) сравниваются с литературными данными; два черных крестика - наши погрешности [см. А. М. Кондратьев, В. Н. Коробенко, А. Д. Рахель, ЖЭТФ, 2018, том 154, вып. 6 (12), стр. 1168–1182].

Рис. 5. Изэнтропы железа на плоскости давление-приведенный объем, определенные по нашим данным. Закрашенные серым цветом и не закрашенные значки – точки на изэнтропах, красные пунктирные прямые – линейные и кусочно-линейные аппроксимации этих изэнтроп. Две толстые черные линии (1,2) – изэнтропа, рассчитанная по результатам наших измерений другим методом. Синие кружки – точки, где обнаружены изломы изэнтроп, синяя выпуклая кривая – плавная аппроксимация этих точек. Рисунок демонстрирует наличие фазового перехода первого рода с критическим давлением около 4,7 ГПа [см. V. N. Korobenko and A. D. Rakhel, PHYSICAL REVIEW B 85, 014208 (2012)].

Рис. 6. Плотность твердого и жидкого вольфрама как функция удельной энтальпии. Результаты наших измерений плотности с помощью интерферометра представлены красными линиями, результаты, полученные путем измерения давления (используя шкалу давления рубина), показаны серыми линиями. Изобары Р = 0,1 МПа, P = 1,4 ГПа (показаны черными линиями и синей линии соответственно) были построены нами используя эти результаты и литературные данные по скорости звука. Три значения плотности непосредственно измеренные нами на изобаре Р = 1,4 ГПа без использования литературных данных показаны синими кружками. Рисунок демонстрирует хорошее согласие наших результатов на изобаре 0,1 МПа с наиболее точными измерениями в твердой и жидкой фазе, а также существенное отличие от результатов динамических экспериментов Seydel et al, Hixson&Winkler, Berhault et al [см. V N Korobenko and A D Rakhel, J. Phys.: Condens. Matter 26 (2014) 045701].

Google Sites

Report abuse