Статья: Экспериментальное обнаружение странного излучения и трансформация химических элементов

РЭКОМ" РНЦ "Курчатовский институт" РНЦ "Курчатовский институт"

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ "СТРАННОГО" ИЗЛУЧЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Л.И. Уруцкоев

В.И. Ликсонов

В.Г. Циноев

В работе описаны эксперименты по исследованию электрического взрыва фольг из особо чистых материалов в воде. Обнаружено появление новых химических элементов, которые детектируются как спектрометрическими измерениями в процессе разряда, так и масс-спектрометрическими анализами осадков, оставшихся после разряда. Зарегистрировано “странное” излучение, которым сопровождается трансформация химических элементов. Высказана гипотеза о наличии магнитного заряда у частиц, составляющих "странное" излучение.

Физике электровзрыва проволочек в воде посвящено большое количество работ, написано много обзоров и монографий ?1-3? . Интерес к электровзрыву проволочек в воде обусловлен в первую очередь возможностью использования этого явления в многочисленных прикладных задачах. Одной из таких задач является дробление бетонных фундаментов. Как правило, используемые для этого установки, выполнены на базе относительно низковольтных конденсаторных батарей (U~5кВ) большой емкости для получения требуемого энергозапаса в несколько десятков килоджоулей. Характерные времена разряда таких батарей составляют несколько сотен микросекунд. Обычно электроразряды осуществляются в узких (d~20мм) шурфах, заполненных жидкостью, а инициирование осуществляется с помощью взрывающихся проволочек.

Особенность такой схемы электровзрыва состоит в том, что в замкнутом объеме на образующийся плазменный канал действуют отраженные волны. Это в свою очередь вызывает резкое торможение движения его границы, расширение канала прекращается и давление на поверхность значительно возрастает. При этом в канале могут быть достигнуты давления, превышающие давление на фронте ударной волны.

Дополнительная возможность увеличения энерговклада в канал может быть достигнута за счет инициирования разрядов проволочками из материалов, реакция которых с окружающей жидкостью обладает большим тепловым эффектом. Такими материалами являются титан, цирконий, бериллий. Исследованию этой возможности были посвящены как самые ранние 1-4 , так и более поздние работы ?5? .

Настоящая работа первоначально была посвящена исследованию эффективности электровзрыва титановой фольги в воде с целью дробления бетона. В ходе экспериментов было установлено, что в результате электровзрыва бетон дробится и его осколки разлетаются со значительными скоростями. Грубая оценка кинетической энергии осколков, сделанная на основе визуальной скоростной киносъемки (скорость кинокамеры 300 кадров в секунду), составила Wкин~8кДж. При этих экспериментах энергозапас конденсаторной батареи составлял всегоWс~22кДж. Желание исследовать механизм столь эффективной трансформации энергии конденсаторной батареи в кинетическую энергию разлетающихся осколков бетона и послужило толчком для проведения экспериментов, результаты которых представлены в настоящей статье.

Схема эксперимента, диагностика, результаты эксперимента.

Схема эксперимента представлена на Рис.1. Конденсаторная батарея разряжалась на фольгу, помещенную в воду. Энергозапас конденсаторной батареи при зарядном напряжении U~4,8кВ составлял W~50 кДж. Коммутация батареи осуществлялась разрядниками тригатронного типа [6]. До нагрузки энергия транспортировалась по кабелям 3, индуктивность которых составляла L=0,4мкГн. В качестве нагрузки служила титановая Ti фольга, которая приваривалась к титановым электродам 5 с помощью контактной электросварки. Электроды укреплялись на полиэтиленовой крышке 6, которая в свою очередь через уплотнения 7 крепилась к взрывной камере 8, изготовленной также из полиэтилена. Взрывная камера представляла собой тор, с восемью отверстиями 9, высверленными равномерно по окружности, в которые заливалась жидкость. В большинстве описываемых экспериментов в качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода. Количество нагрузок в различных экспериментах варьировалось от одной до восьми. В качестве регистраторов электрических сигналов использовались аналоговые осциллографы и быстродействующие аналогово-цифровые преобразователи, совмещенные с компьютерами.

Рис 1.

1 - конденсаторная батарея;

2 - разрядник;

3 - кабель;

4 - фольга;

5 - электрод;

6 - полиэтиленовая крышка;

7 - уплотнение;

8 - взрывная камера;

9 - дистилированная вода.

Типичные осциллограммы тока и напряжения представлены на Рис.2. Поскольку в описываемых экспериментах использовалось много разнообразной диагностики, то, на наш взгляд, целесообразно описывать диагностики и методики по мере изложения экспериментального материала.

Рис. 2.

а. Осциллограмма напряжения;

б. Осциллограмма тока в нагрузке;

в. Сигнал с фотодиода;

г. Сигнал с ФЭУ-35, стоящего за интерференционным фильтром =432нм.

Во время экспериментов по изучению электровзрыва металлических фольг в воде было отмечено интенсивное свечение, возникающее над диэлектрической крышкой. На Рис.2 представлены осциллограммы сигналов с фотодиода (ФД) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ-35), которые были расположены над диэлектрической крышкой. Из осциллограмм видно, что в момент разрыва тока, который отмечается многими авторами [3], над взрывной камерой возникает свечение, длительность которого превышает длительность импульса тока более чем в 10 раз. Поскольку момент возникновения свечения совпадает со скачком напряжения (см. Рис.2), то вполне естественно попытаться объяснить возникновение свечения обычным электрическим пробоем в подводящих высоковольтных вводах. Однако, экспериментальные результаты, изложенные ниже, не могут быть объяснены только электропробоем.

Первый аргумент состоит в том, что при подаче статического напряжения U~10кВ, а именно такая амплитуда напряжения возникает в момент разрыва тока, на силовых высоковольтных вводах мы не наблюдаем электрического пробоя.

Второй аргумент связан со значительным различием длительности импульса тока Tи~0,15мс и длительности свечения Тс~5мс. Однако время рекомбинации плазмы, возникшей в воздухе, ? ~0,1мс, значительно меньше наблюдаемой длительности свечения, что не позволяет объяснить наблюдаемую длительность свечения электрическим пробоем во время импульса тока [7].В экспериментах исследовался спектральный состав свечения, а также динамика шарового плазменного образования (ШПО).

Рис 3.

Схема расположения диагностики.

1. Тор;

2. Высоковольтные вводы;

3. Шаровое плазменное образование;

4. Зеркало;

Для исследования спектрального состава излучения применялось три типа спектрографов - СТЭ-1 (4300A - 2700A ), ИСП-51 (6500A - 4500A ) и ДФС - 452 (4350A - 2950A ), которые позволяли получать интегральный (за время одного выстрела) спектр. Для получения информации о временном ходе узкого фрагмента спектра использовались два ФЭУ-35, расположенных на высоте 1 метр над устройством установки с двумя разными интерференционными фильтрами (? 1 =432нм, ? 2 =457нм) (Рис.3).

Диэлектрическая крышка.

Для регистрации изображения возникающего свечения применялось три методики с различным временным разрешением. Наиболее "быстрая " методика была реализована с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП) [8]. Шесть ЭОПов в кадровом режиме со временем экспозиции Тэ~130мкс и временем задержки между кадрами Тз~1мс позволяли получать 6 кадров в течение одного выстрела. ЭОПы были расположены на расстоянии 2,5 м от оси установки как показано на Рис.3. Над установкой на высоте примерно 1 метр устанавливалось зеркало под углом 45 к вертикали, что позволяло одновременно регистрировать две проекции свечения.

Для регистрации свечения применялась также скоростная промышленная кинокамера марки "IMAGE-300", которая позволяла в цвете регистрировать 300 кадров в секунду со временем экспозиции кадра~2мс. Для синхронизации камеры были разработаны специальные кварцевые часы. Обзорные интегральные фотографии получались с помощью стандартной TV -камеры.

На Рис.4б представлена ЭОПограмма, на которой отчетливо видно, что свечение возникает в центре между электродами над диэлектрической крышкой и имеет шарообразную форму. На основании сигналов, полученных с помощью калориметров, фотодиодов и с учетом результатов спектральных измерений, была сделана оценка световой энергии, излучаемой ШПО Wсв~1кДж.

На основании результатов более чем 100 опытов типичную динамику шарообразного свечения можно описать следующими словами. В момент разрыва тока в канале над установкой появляется очень яркое диффузное свечение (Рис.4а), свечение как бы всего пространства. Затем свечение становится менее ярким и на следующем кадре уже отчетливо видно шарообразное свечение (Рис.4б). На протяжении следующих 3-4мс не наблюдается какой-либо динамики (Рис.4в, г, д.), а затем светящийся шар начинает рассыпаться на много маленьких “шариков”. В ряде опытов замечено, что "шарик" сначала приподнимается на 15-30 см над поверхностью диэлектрической крышки, а затем рассыпается (Рис.4е).

Рис 4.

Изображения, полученные с экранов ЭОПов.

Время экспозиции кадра 130мкс.

Момент экспозиции рис. 4а совпадает с временем импулса тока.

Задержка между кадрами 1мс.

Следует отметить, что характерной чертой шарового плазменного образования (ШПО) является его избирательность по отношению к земляным оплеткам силовых и диагностических кабелей. В экспериментах, когда "земли" высоковольтных кабелей не были тщательно изолированы, шаровое плазменное образование достаточно часто "замыкалось" на оплетку кабеля как видно из ЭОПограмм. Этот факт подтверждался также измерениями тока Iш - шунта, который располагался в оплетке силового кабеля. Как видно из Рис.5. в момент, когда ШПО касается оплетки кабеля, в цепи возникает ток, так называемое "эхо".

Долгоживущие плазменные образования в воздухе наблюдались в ряде экспериментов в различных лабораториях [9, 10]. Отличительной особенностью описываемого эксперимента являются спектральные измерения. И именно результаты спектральных измерений стали ключом к пониманию физики ШПО и во многом определили направления дальнейших исследований.

Рис. 5. Сигнал с шунта, расположенного в оплетке высоковольтного кабеля.

На Рис.6 представлены фрагменты оптических спектров, полученных с помощью спектрографов, располагавшихся как показано на Рис.2. Из Рис.6 видно, что спектры имеют линейчатую структуру во всем регистрируемом диапазоне. Видно также, что помимо линейчатого спектра имеется и непрерывный спектр, особенно заметный в красной части оптического спектра.

Рис. 6.

а). Фрагмент спектра излучения плазмы, снятый спектрометром ИСП-51 (верхний и нижний спектры опорные - Cu и Zn);

б). Фрагмент спектра излучения плазмы (вверху) и опорного спектра железа (внизу) в диапазоне длин волн 3800-4100Ає, снятый спектрометром СТЭ-1.

Идентификация линейчатой части спектра привела к двум неожиданным результатам. Во-первых, не было зарегистрировано наличие азотных и кислородных линий (они очень слабо были выражены лишь в отдельных “выстрелах”), а именно эти линии всегда видны при электроразряде в воздухе. Во-вторых, обилие линий (более 1000 линий в отдельных “выстрелах”), а, соответственно, и значительное количество химических элементов, которым они соответствуют. Из анализа спектров следовало, что основу плазмы составляют Ti, Fe (наблюдаются даже самые слабые линии), Cu, Zn, Cr, Ni, Ca, Na. Если присутствие в спектре линий Cu и Zn можно объяснить скользящим разрядом по конструкционным элементам установки и подводящим силовым кабелям, то присутствие остальных элементов в плазме не поддавалось интерпретации. Изменение условий эксперимента, в частности изменение массы взрывающейся фольги, приводило лишь к перераспределению интенсивности линий спектра, элементный же его состав менялся незначительно.

Так как в экспериментах взрывались титановые фольги, то наличие спектральных линий Ti позволило сделать предположение, что часть материала фольги проникает сквозь уплотнения и оказывается над установкой. Для проверки такого предположения после очередного “выстрела” из каналов была отобрана смесь воды и фольги (в дальнейшем - “проба”) и отдана на масс-спектрометрический анализ. Масс-спектрометрическому анализу была подвергнута также исходная титановая фольга. Результаты этого анализа представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что фольга состоит из 99,7% чистого титана. Изотопный анализ фольги показал, что изотопы Ti находятся в природном соотношении.

Таблица 1.Состав исходной титановой фольги.