СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСА СВЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01J61/80 H01J61/30 F21K5/00 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к созданию на основе плазменных генераторов импульсных источников света, и может быть использовано при исследованиях в области физики сильного взрыва для получения световых импульсов и в задачах скоростного фотографирования.

Аналог способа и его критика
Известен способ (выбран за аналог) получения световых импульсов /А. Е. Войтенко, Ж. прикладн. мех. и техн. физ., 1966, 4, 122/, включающий адиабатическое сжатие плоским лайнером рабочего газа, в качестве которого используют воздух, инертные газы или их смеси, с последующим движением высокоскоростного потока плазмы в свободном окружающем пространстве и формированием в нем светящейся области.

Недостаток способа состоит в невозможности создания световых импульсов, обладающих большой силой света и длительностью, реализация которых может быть необходима для решения ряда физических задач (например, изучение процессов испарения материалов под влиянием воздействия мощных световых импульсов). Это обусловлено тем, что ионизированный воздух в свободном пространстве обладает слабыми излучающими свойствами, а также тем, что поток плазмы в свободном пространстве быстро остывает и теряет способность к излучению светового импульса.

Аналог устройства и его критика
Известно устройство (взято за аналог) /А. Е. Войтенко, Ж. прикладн. мех. и техн. физ. , 1966, 4, 122/, при помощи которого реализуется указанный способ - взрывной плазменный генератор (ВПГ). Устройство представляет собой камеру с отверстием в месте кумуляции плазмы, образуемой при сжатии разгоняемым лайнером, ограничивающим камеру, рабочего газа, заполняющего эту камеру. Разгон лайнера производится от драйвера, снабженного узлом инициирования, который следует за лайнером и которым является заряд взрывчатого вещества (ВВ). Плазма, сжатая лайнером, через отверстие в камере впрыскивается в окружающее пространство, где и происходит генерация светового импульса.

Недостаток данного устройства состоит в невозможности организации условий создания импульса света с максимальным свечением и длительностью для данной постановки, что связано с потерями энергии драйвера при разгоне лайнера и потерями энергии плазмы в окружающем пространстве.

Прототип способа и его критика
Известен способ (выбран за прототип) получения световых импульсов с помощью плазменного генератора ПГ, конкретнее генератора, принцип действия которого основан на использовании энергии взрыва - ВПГ /А. Е. Войтенко и др., ПТЭ, 2, 1970, 201/. Способ состоит в разгоне драйвером лайнера в камере ВПГ, последующем сжатии разгоняемым лайнером рабочего газа, которым заполнена камера. В камере ВПГ при кумуляции сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры образуется высокоплотная плазма. Получение импульса света происходит при выведении плазмы через это отверстие в вакуумированный объем.

Недостаток способа состоит в невозможности создания световых импульсов, обладающих большой силой света и длительностью, которые были бы достаточными для ряда физических исследований (теневая подсветка в высокоскоростной фоторегистрации при стандартных развертках от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд и т. д.). Такая ограниченность способа связана прежде всего с неэффективным использованием энергии драйвера при разгоне лайнера.

Прототип устройства и его критика
Известно устройство (взято за прототип) /А. Е. Войтенко и др., ПТЭ, 2, 1970, 201/ плазменного генератора, конкретнее ВПГ, позволяющее реализовать световой импульс по способу, описанному выше. Это устройство представляет собой осесимметричную камеру с выходным отверстием (сферический сегмент с отверстием в полюсе). Камера заполнена рабочим газом, в качестве которого используют воздух, инертные газы или их смеси. Напротив отверстия в камере установлен плоский лайнер (металлическая пластина), ограничивающий ее объем. За лайнером следует исполняющий функцию драйвера заряд ВВ с узлом инициирования. Таким образом, лайнер обращен одной стороной к полости камеры, а другой - к драйверу. Со стороны выходного отверстия за камерой следует вакуумированная замкнутая оболочка, в которой и происходит формирование импульса света.

Недостатком подобного устройства является ограниченность в достижении оптимальных световых параметров, таких как сила света и длительность светового импульса, которые могут быть получены в данной постановке и важны для решения ряда физических задач (изучение воздействия на материалы мощных световых импульсов, имитация условий техногенных катастроф, теневая подсветка в высокоскоростной фоторегистрации при стандартных развертках от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд и т. д.). Причиной является низкий коэффициент преобразования энергии драйвера в световую энергию.

Сущность изобретения
Задача получения мощных световых импульсов с большой силой света и большой длительностью важна с точки зрения появления физического объекта с параметрами, превышающими достижимые ранее, что позволяет расширить область физических исследований, а именно проблем, связанных с прогнозированием радиационного воздействия на окружающую среду естественных и техногенных катастроф и т.п.

Технический результат для способа состоит в увеличении коэффициента преобразования энергии драйвера в световую энергию, что позволит получить импульс света с большой силой света и большой длительностью.

Технический результат для устройства заключается в обеспечении условий оптимального использования энергетических возможностей драйвера и, по сути, увеличении коэффициента преобразования энергии этого драйвера в энергию светового импульса.

Технический результат для способа достижим за счет того, что в отличие от известного способа получения светового импульса с помощью ПГ, включающего разгон драйвером лайнера в камере ПГ, сжатие разгоняемым лайнером рабочего газа, заполняющего камеру, кумуляцию сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры с образованием плазмы, получение импульса света путем выведения плазмы в замкнутый объем, в предлагаемом способе одновременно с разгоном лайнера, в противоположном движению лайнера направлении от того же драйвера разгоняют массив металлических частиц, претерпевающих термохимические превращения в процессе движения.

Для усиления результата рабочий газ может быть получен из твердофазного источника рабочего газа в процессе движения лайнера. Кроме того, до разгона лайнера замкнутый объем может быть заполнен инертным газом для улучшения излучающих свойств плазмы в замкнутом объеме.

Технический результат для устройства достижим за счет того, что в отличие от известного устройства для получения импульса света на основе ПГ, содержащего осесимметричную камеру с осевым выходным отверстием, заполненную рабочим газом, плоский лайнер, установленный в камере напротив выходного отверстия, драйвер с узлом инициирования (например, капсюлем-детонатором, подключенным к подрывной цепи), причем лайнер обращен одной стороной к полости камеры, а другой стороной к драйверу, а также следующую за камерой со стороны выходного отверстия замкнутую оболочку, в предлагаемом устройстве со стороны драйвера, не обращенной к лайнеру, помещен массив металлических частиц, включающий металлические частицы (например, алюминиевую пудру). Кроме того, в качестве конкретного исполнения может быть предложено устройство, где камера выполнена в форме сферического сегмента с отверстием в полюсе, а драйвером служит заряд ВВ. Также возможно заполнение замкнутой оболочки инертным газом, что усилит технический результат. Возможен вариант устройства, в котором для усиления технического результата наряду с металлическими частицами массив содержит активные, и/или инертные добавки, и/или катализаторы. Кроме того, на внутренней поверхности камеры, симметрично ее оси, помещен твердотельный источник рабочего газа, что позволит повысить излучающие характеристики плазмы, генерируемой ПГ. В качестве такого твердотельного источника рабочего газа может быть выбрано взрывчатое вещество.

При разгоне драйвером лайнера в камере ПГ и сжатии этим лайнером рабочего газа, заполняющего камеру, происходит выталкивание газа из зазора между лайнером и внутренней поверхностью камеры со скоростью, близкой к фазовой скорости точки стыка. Таким образом, происходит формирование плазменных струй. При столкновении этих плазменных струй на оси происходит кумуляция у осевого выходного отверстия с образованием высокотемпературного высокоплотного плазменного поршня (фокуса), разлетающегося при выведении через выходное отверстие в замкнутый объем и вызывающего свечение в этом объеме. Таким образом, происходит формирование первой составляющей светового импульса. Однако при этом часть энергии драйвера, не затраченная на разгон лайнера, бесполезно расходится в окружающем пространстве, уменьшая параметры реализуемого светового импульса.

В связи с этим, необходимым является создание условий по оптимальному использованию энергии драйвера и задействованию указанной ее части.

Это становится возможным благодаря тому, что одновременно с разгоном лайнера, в противоположном движению лайнера направлении, от того же драйвера разгоняют массив металлических частиц, претерпевающих термохимические превращения в процессе движения. Таким образом, ранее бесполезная с точки зрения влияния на формируемый импульс света энергия задействуется на разгон массива металлических частиц, скорость которых доводится до значения, достаточного для возбуждения и развития в массиве этих частиц процессов горения и детонации, в силу определенности свойств частиц. Таким образом, за первой составляющей формирующегося импульса света возникает вторая, связанная со свечением, генерируемым разогнанными частицами.

Световая энергия в процессах горения частиц, претерпевающих термохимические превращения при движении, выделяется на протяжении гораздо большего временного интервала, чем время свечения плазменного поршня в замкнутом объеме. Однако их сочетание в подобной постановке позволяет получить импульс света с увеличенной силой и длительностью, что является следствием оптимального использования энергии драйвера, то есть повышением коэффициента преобразования энергии драйвера в световую энергию.

В дополнение, для усиления технического результата рабочий газ получают из твердофазного источника рабочего газа (например, ВВ) в процессе движения лайнера. Данный метод позволяет повысить излучающие свойства плазменного поршня, отвечающего за первую составляющую светового импульса. Также до разгона лайнера замкнутый объем может быть заполнен инертным газом. Это создаст дополнительный эффект - усиление первой составляющей светового импульса за счет высокой излучающей способности ионизированного инертного газа.

Кроме того, существует возможность управления процессом термохимических превращений частиц путем введения в массив частиц активных (например, перхлорат калия), и/или инертных добавок (например, тугоплавкие окислы металлов), и/или катализаторов (например, перманганат калия). Указанные компоненты, оказывая влияние на скорость термохимических превращений, будут влиять на длительность и амплитуду светового импульса.

Кроме того, термохимическими превращениями можно управлять, изменяя относительное расположение массива металлических частиц и драйвера, геометрию драйвера для реализации светового импульса заданной длительности и амплитуды. Так, при использовании драйвера с протяженной наружной поверхностью (например, форма драйвера - лист), граничащей с массивом металлических частиц, в последнем количество частиц, одновременно разгоняемых до скорости воспламенения, гораздо больше, чем при использовании драйвера с компактной наружной поверхностью (например, форма драйвера - полусфера). В первом случае реализуется относительно короткий световой импульс с крутым фронтом нарастания, во втором - относительно протяженный световой импульс с пологим фронтом нарастания.

Влияние особенностей устройства на основе ПГ на достигаемый технический результат таково: формирование плазмы в осесимметричной камере с осевым выходным отверстием возможно благодаря разгону в камере плоского лайнера, установленного в ней напротив выходного отверстия. При этом лайнер сжимает рабочий газ, заполняющий внутреннюю полость камеры. Разгон лайнера производят от следующего за ним в направлении от выходного отверстия драйвера, срабатывающего от узла инициирования. Таким образом, лайнер в данном устройстве обращен одной стороной к полости камеры, а другой стороной к драйверу. За камерой со стороны выходного отверстия следует замкнутая оболочка.

Процессы, происходящие в такой камере, оказывают влияние на формирование первой составляющей импульса света. Однако эта конструкция не является энергетически выгодной с точки зрения энергии драйвера.

Введение в конструкцию массива металлических частиц, включающего металлические частицы, расположенного со стороны драйвера, не обращенной к лайнеру, позволит использовать оптимально эту энергию, то есть направить ее на формирование импульса с более высокими параметрами по силе света и длительности. Это обусловлено способностью массива металлических частиц при разгоне драйвером в направлении, противоположном разгону лайнера, создать при взаимодействии с окружающей средой светящуюся область с большими линейными размерами, отвечающую за вторую составляющую светового импульса. При функционировании драйвера достигаются скорости, достаточные для возбуждения и развития в массиве этих частиц процессов горения и детонации. Массив может представлять собой слой частиц, насыпным образом нанесенный на поверхность драйвера, иначе, массив частиц может быть помещен в отдельный контейнер, который располагается относительно драйвера таким образом, чтобы последний имел возможность разогнать этот массив. Важной особенностью конструкции является содержание в массиве металлических частиц, так как именно металлические частицы, будучи разогнанными, до скорости, превышающей некоторую критическую (например, для алюминиевой пудры значение критической скорости составляет 1,5-2,0 км/с), обладают способностью к самопроизвольному воспламенению и детонации.

В конкретной постановке камера может быть выполнена в форме сферического сегмента, с отверстием в полюсе, драйвером может служить заряд ВВ, а узлом инициирования - капсюль-детонатор, подключенный к подрывной цепи. В таком случае формируется светящаяся область с линейными размерами, в десятки раз превышающими начальный радиус заряда ВВ. Замкнутая оболочка до разгона лайнера может быть заполнена инертным газом (например, ксеноном), который, будучи приведен в ионизированное состояние, способен к созданию светящейся области с яркостной температурой порядка 40 000 К, что, например, вдвое выше температуры плазмы, заполняющей вакуумированный замкнутый объем источника света на основе ВПГ /А. Е. Войтенко и др., ПТЭ, 2, 1970, 201/. Такое конструктивное изменение повышает силу света первой составляющей генерируемого светового импульса.

Кроме того, на внутренней поверхности камеры симметрично относительно ее оси может быть помещен твердофазный источник рабочего газа, что позволит увеличить световые параметры первой составляющей генерируемого светового импульса в результате дополнительно стимулированного плазмообразования. В качестве такого источника может быть использован заряд ВВ (например, пластического ВВ).

Следует заметить, что и в случае способа и в случае устройства драйвером может быть любой источник энергии, способный одновременно оказывать ускоряющее воздействие как на поверхность лайнера, так и на массив металлических частиц, совместимый с данной постановкой, как то: ВВ, взрывающаяся фольга, газовзрывчатая смесь и т.п.

На чертеже схематично изображено устройство импульсного источника света (ИИС), с помощью которого экспериментально показана осуществимость способа.

Сведения, подтверждающие возможность достижения технических результатов способа и устройства
Устройство включает
- камеру в форме сферического сегмента (1) с выходным отверстием в полюсе (2), заполненную рабочим газом (воздух) (3),
- плоский лайнер (4) в виде металлической пластины, установленный в камере напротив отверстия и обращенный одной стороной к полости сферического сегмента, а другой стороной к драйверу,
- источник энергии для разгона лайнера - драйвер (заряд ВВ) (5) с узлом инициирования (капсюль-детонатор, подключенный к подрывной цепи) (6),
- твердофазный источник рабочего газа (пластическое ВВ) (7), установленный симметрично относительно оси на внутренней стенке камеры,
- замкнутую прозрачную оболочку (8) с инертным газом (ксенон) (9),
- массив металлических частиц (алюминиевая пудра) (10), расположенный со стороны драйвера, не обращенной к лайнеру.

Устройство работает следующим образом.

Заряд ВВ (5), подрываемый от узла инициирования (6) таким образом, чтобы фронт детонационной волны, выходящий к лайнеру, был плоским, ускоряет лайнер (4) и одновременно массив металлических частиц (10). Во время движения лайнера происходит выделение рабочего газа из твердофазного источника (7) на внутренней поверхности камеры (1). Приобретая скорость в направлении оси камеры за счет выталкивания из зазора сферический сегмент-лайнер, струи рабочего газа сталкиваются, образуя плазменный фокус. Плазма выходит через отверстие (2), распространяясь в заполняющем оболочку (8) инертном газе (9). При этом в объеме инертного газа формируется светящаяся область. Одновременно с этим, в массиве металлических частиц, разогнанных зарядом ВВ, происходят реакции горения и детонации с образованием второй светящейся области.

Таким образом, формируется световой импульс сложной формы, возникающий от обеих светящихся областей. Сила света в этом импульсе достигает значения порядка 100 Мкд, длительность импульса - порядка 50 мс (при массе ВВ драйвера 20 г и массе алюминиевой пудры 50 г). Генерация такого импульса возможна в результате оптимального использования энергии драйвера.

Реализуемый на этом устройстве способ состоит в том, что
- разгоняют драйвером (заряд ВВ) (5), возбуждаемым от узла инициирования (6), лайнер (металлическую пластину) (4) в камере взрывного плазменного генератора (1),
- производят сжатие лайнером рабочего газа (3), заполняющего камеру (1) с кумуляцией сжатого газа вблизи отверстия камеры (2),
- при этом образуется плазма, в данном случае при участии твердофазного источника рабочего газа (пластическое ВВ) (7),
- импульс света генерируется при выведении плазмы в замкнутый объем (оболочку (8) с инертным газом (ксенон) (9)).

Обязательным при реализации способа является то, что одновременно с разгоном лайнера (4) в противоположном движению лайнера направлении от того же драйвера (заряда ВВ) (5) разгоняется массив частиц (металлические частицы, например алюминиевая пудра) (10), претерпевающих термохимические превращения в процессе движения.

Реализация способа позволяет получить импульс света, в котором за счет оптимального использования энергии драйвера сила света возрастает примерно в 5 раз, а длительность в 10³ раз по сравнению с импульсами света, генерируемыми традиционными лампами вспышками на основе ВПГ /А. Е. Войтенко, Ж. прикладн. мех. и техн. физ., 1966, 4, 122/, /А. Е. Войтенко и др., ПТЭ, 2, 1970, 201/. Это свидетельствует о значительном возрастании коэффициента преобразования энергии драйвера в световую энергию.

Изобретение относится к импульсным источникам света и газодинамике. Способ заключается в том, что в плазменном генераторе драйвер используется как для разгона плоского лайнера, сжимающего в осесимметричной камере рабочий газ, получаемый из твердотельного источника, помещенного на внутренней поверхности камеры, симметрично ее оси, с последующей кумуляцией сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры с образованием плазмы и получением импульса света путем выведения плазмы в замкнутый объем, содержащий инертный газ, так и для одновременного с разгоном лайнера в противоположном движению лайнера направлении разгона массива частиц, претерпевающих термохимические превращения, а именно реакции горения и детонации, что совместно с излучением плазмы в объеме инертного газа обеспечивает увеличение силы света и длительности излучения предложенного импульсного источника света. Процессами термохимических превращений можно управлять, изменяя в массиве частиц относительное содержание металлических частиц, активных, инертных, каталитических добавок, изменяя относительное расположение массива частиц и драйвера, а также геометрию драйвера. Техническим результатом является увеличение коэффициента преобразования энергии драйвера в световую энергию для различных конструкций плазменных генераторов более чем на порядок. Способ осуществляется при помощи устройства. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения импульса света с помощью плазменного генератора, включающий разгон драйвером лайнера в камере плазменного генератора, сжатие разгоняемым лайнером рабочего газа, заполняющего камеру, кумуляцию сжатого газа вблизи выходного отверстия камеры с образованием плазмы, получение импульса света путем выведения плазмы в замкнутый объем, отличающийся тем, что одновременно с разгоном лайнера в противоположном движению лайнера направлении от того же драйвера разгоняют массив металлических частиц, претерпевающих термохимические превращения в процессе движения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочий газ получают из твердофазного источника рабочего газа в процессе движения лайнера. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что до разгона лайнера замкнутый объем заполняют инертным газом. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процессами термохимических превращений металлических частиц управляют, вводя в массив металлических частиц активные и/или инертные добавки и/или катализаторы. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что момент начала термохимических превращений задают относительным расположением массива металлических частиц и драйвера. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что момент начала термохимических превращений задают геометрией драйвера. 7. Устройство для получения импульса света на основе плазменного генератора, содержащее осесимметричную камеру с выходным осевым отверстием, заполненную рабочим газом, драйвер с узлом инициирования, плоский лайнер, установленный в камере напротив выходного отверстия, при этом лайнер обращен одной стороной к полости камеры, а другой стороной к драйверу, замкнутую оболочку, следующую за камерой со стороны выходного отверстия, отличающееся тем, что со стороны драйвера, не обращенной к лайнеру, помещен массив металлических частиц, способных к термохимическим превращениям в процессе движения. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что камера выполнена в форме сферического сегмента, а драйвером служит заряд взрывчатого вещества. 9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что замкнутая оболочка заполнена инертным газом. 10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что массив металлических частиц дополнен активными и/или инертными добавками и/или катализаторами. 11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что на внутренней поверхности камеры, симметрично относительно ее оси, помещен твердофазный источник рабочего газа. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что в качестве твердофазного источника рабочего газа выбрано взрывчатое вещество.