Метод взрывающейся проволоки

Метод взрывающейся проволоки или EWM — это способ генерации плазмы , который заключается в отправке достаточно сильного импульса электрического тока через тонкую проволоку из некоторого электропроводящего материала. Резистивный нагрев испаряет проволоку, и электрическая дуга, проходящая через этот пар, создает взрывную ударную волну .

Взрывные проволоки используются в качестве детонаторов , взрывчатых веществ источников мгновенного света высокой интенсивности и при производстве наночастиц металлов .

История

Один из первых задокументированных случаев использования электричества для плавления металла произошел в конце 1700-х годов. ^{[ 1 ]} и приписывается Мартину ван Маруму , который расплавил 70 футов металлической проволоки, используя 64 лейденские банки в качестве конденсатора. Генератор Ван Марума был построен в 1784 году и сейчас находится в музее Тейлера в Нидерландах. Спустя годы Бенджамин Франклин испарил тонкий лист золота, чтобы выжечь изображения на бумаге. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Хотя ни Марум, ни Франклин на самом деле не спровоцировали феномен взрывающейся проволоки, оба они были важными шагами на пути к его открытию.

Эдвард Нэрн был первым, кто отметил существование метода взрывающейся проволоки в 1774 году с использованием серебряной и медной проволоки. Впоследствии Майкл Фарадей использовал EWM для нанесения тонких пленок золота путем затвердевания испаренного металла на прилегающих поверхностях. Затем паровые отложения металлического газа в результате EWM изучал Август Теплер в 1800-х годах. Спектрографическое исследование процесса под руководством Дж. А. Андерсона получило широкое распространение в 1900-х годах. Эксперименты по спектрографии позволили лучше понять это, а затем и первые проблески практического применения. В середине 20 века проводились эксперименты с EWM в качестве источника света и для производства наночастиц в алюминиевых, урановых и плутониевых проводах. Соответственно, Луис Альварес и Лоуренс Х. Джонстон из Манхэттенского проекта нашли применение EWM при разработке ядерных детонаторов. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Современные исследования сосредоточены на использовании EWM для производства наночастиц, а также на лучшем понимании особенностей механизма, таких как влияние системной среды на процесс.

Механизм

Основными компонентами, необходимыми для метода взрывающейся проволоки, являются тонкая проводящая проволока и конденсатор. Проволока обычно изготавливается из золота, алюминия, железа или платины и обычно имеет диаметр менее 0,5 мм. Конденсатор имеет энергопотребление около 25 кВтч/кг и разряжает импульс плотностью тока 10 ⁴ - 10 ⁶ А/мм ², ^{[ 5 ]} приводит к температуре до 100 000 К. что Это явление происходит в течение периода времени всего 10 ⁻⁸ - 10 ⁻⁵ секунды. ^{[ 6 ]}

Процесс выглядит следующим образом:

По проводу течет нарастающий ток, вырабатываемый конденсатором.
Ток нагревает проволоку за счет омического нагрева до тех пор, пока металл не начнет плавиться. Металл плавится, образуя разорванную серию несовершенных сфер, называемых ундулоидами . Ток нарастает настолько быстро, что жидкий металл не успевает сдвинуться с пути.
Ундулоиды испаряются. Пары металла создают путь с более низким сопротивлением, позволяя протекать еще более сильному току.
Образуется электрическая дуга, которая превращает пар в плазму. Также возникает яркая вспышка света.
Плазме позволяют свободно расширяться, создавая ударную волну .
Электромагнитное излучение высвобождается одновременно с ударной волной.
Ударная волна выталкивает жидкий, газообразный и плазменный металл наружу, разрывая цепь и прекращая процесс.

Практическое применение

Исследования EWM предложили возможные применения в возбуждении оптических мазеров , источниках света высокой интенсивности для связи, движении космических кораблей , соединении сложных материалов, таких как кварц, и генерации мощных радиочастотных импульсов. ^{[ 3 ]} Наиболее перспективными применениями EWM являются детонатор, источник света и производство наночастиц.

Детонатор

EWM нашел свое наиболее распространенное применение в качестве детонатора, названного детонатором с взрывающейся проволокой , для ядерных бомб. Детонаторы с мостовой проволокой имеют преимущество перед химическими взрывателями, поскольку взрыв происходит последовательно и происходит всего через несколько микросекунд после подачи тока, с вариацией всего в несколько десятков наносекунд от детонатора к детонатору. ^{[ 7 ]}

Источник света

EWM — это эффективный механизм, с помощью которого можно получить кратковременный источник света высокой интенсивности. Пиковая интенсивность медного провода, например, составляет 9,6·10 ⁸ мощность свечи/см ². ^{[ 8 ]} Дж. А. Андерсон в своих первоначальных исследованиях по спектрографии писал, что свет сравним со светом черного тела при температуре 20 000 К. ^{[ 9 ]} Преимущество вспышки, полученной таким способом, заключается в том, что ее легко воспроизвести с небольшим изменением интенсивности. Линейная природа провода позволяет создавать световые вспышки определенной формы и под углом, а разные типы проводов можно использовать для получения света разных цветов. ^{[ 10 ]} Источник света может использоваться в интерферометрии , флэш-фотолизе , количественной спектроскопии и высокоскоростной фотографии .

Производство наночастиц

Наночастицы создаются EWM, когда окружающий газ системы охлаждает недавно произведенный парообразный металл. ^{[ 11 ]} EWM можно использовать для дешевого и эффективного производства наночастиц со скоростью 50–300 граммов в час и чистотой выше 99%. ^{[ 6 ]}^{[ 5 ]} Этот процесс требует относительно низкого энергопотребления, поскольку при преобразовании электрической энергии в тепловую теряется мало энергии. Воздействие на окружающую среду минимально, поскольку процесс происходит в закрытой системе. Частицы могут иметь размер всего 10 нм, но чаще всего имеют диаметр менее 100 нм. Физические свойства нанопорошка можно изменять в зависимости от параметров взрыва. Например, при повышении напряжения конденсатора диаметр частиц уменьшается. Также давление газовой среды может изменить дисперсность наночастиц. ^{[ 6 ]} Посредством таких манипуляций можно изменить функциональность нанопорошка.

При проведении EWM в стандартной атмосфере, содержащей кислород, образуются оксиды металлов. Наночастицы чистого металла также можно производить с помощью EWM в инертной среде, обычно в аргоне или дистиллированной воде. ^{[ 12 ]} Нанопорошки чистых металлов необходимо хранить в инертной среде, поскольку они воспламеняются при контакте с кислородом воздуха. ^{[ 5 ]} Часто пары металла удерживаются за счет работы механизма в стальном ящике или аналогичном контейнере.

Наночастицы — относительно новый материал, используемый в медицине, производстве, очистке окружающей среды и электротехнике. Оксиды металлов и наночастицы чистых металлов используются в катализе , датчиках, антиоксидантах кислорода, самовосстанавливающемся металле, керамике, защите от ультрафиолетовых лучей , защите от запахов, улучшенных батареях, печатных схемах, оптоэлектронных материалах и восстановлении окружающей среды . ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Спрос на металлические наночастицы и, следовательно, на методы производства увеличился, поскольку интерес к нанотехнологиям продолжает расти. Несмотря на ошеломляющую простоту и эффективность, экспериментальную установку трудно модифицировать для использования в промышленных масштабах. Таким образом, EWM не получил широкого распространения в промышленности по производству материалов из-за проблем с объемом производства. Тем не менее, в течение некоторого времени «Аргонид» предлагал нанопорошки металлов, изготовленные методом взрывающейся проволоки, которые производились в России. ^{[ 15 ]}

Ссылки

^ Дибнер, [автор] Герберт В. Мейер. Предисловие Берна (1972). История электричества и магнетизма . Норуолк, Коннектикут: Библиотека Бернди. п. 32. ISBN 026213070X .
^ Холкомб, Дж.А.; Сакс, Р.Д. (16 марта 1973 г.). «Взрывное возбуждение проволоки для анализа следов Hg, Cd, Pb и Ni с использованием электроосаждения для концентрирования» (PDF) . Спектрохимика Акта . 22Б (12): 451–467. Бибкод : 1973AcSpe..28..451H . дои : 10.1016/0584-8547(73)80051-5 . hdl : 2027.42/33764 . Проверено 2 ноября 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с МакГрат, младший (май 1966 г.). «Исследование взрывающейся проволоки 1774–1963» . Отчет о меморандуме НРЛ : 17. Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 года . Проверено 24 октября 2014 г.
^ Хансен, Стивен (2011). Принципы, устройства и эксперименты по взрывным проводам (PDF) . Белл Джар . Проверено 24 октября 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Котов, Ю (2003). «Электрический взрыв проводов как метод получения нанопорошков» (PDF) . Журнал исследований наночастиц . 5 (5/6): 539–550. Бибкод : 2003JNR.....5..539K . дои : 10.1023/B:NANO.0000006069.45073.0b . S2CID 135540834 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Назатенко О. (16 сентября 2007 г.). «Нанопорошки, полученные электрическим взрывом проводов» (PDF) . Кафедра экзологии Томского политехнического университета . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2014 года . Проверено 6 ноября 2014 г.
^ Купер, Пол В. (1996). «Взрывающиеся детонаторы мостовой проволоки». Взрывоопасная техника . Вайли-ВЧ. стр. 353–367. ISBN 0-471-18636-8 .
^ Конн, Уильям (28 октября 1949 г.). «Использование «взрывающихся проводов» в качестве источника света очень высокой интенсивности и кратковременности» . Журнал Оптического общества Америки . 41 (7): 445–9. дои : 10.1364/josa.41.000445 . ПМИД 14851124 . Проверено 30 октября 2014 г.
^ Андерсон, Дж. А. (22 мая 1922 г.). «Спектральное распределение энергии и непрозрачность паров проволочного взрыва» . Труды Национальной академии наук . 8 (7): 231–232. Бибкод : 1922PNAS....8..231A . дои : 10.1073/pnas.8.7.231 . ПМЦ 1085099 . ПМИД 16586882 .
^ Остер, Гизела К.; Маркус, РА (1957). «Взрывающаяся проволока как источник света при мгновенном фотолизе» (PDF) . Журнал химической физики . 27 (1): 189. Бибкод : 1957ЖЧФ..27..189О . дои : 10.1063/1.1743665 .
^ Матур, Санджай; Спой, Мритьюнджай (2010). «Наноструктурированные материалы и нанотехнологии III» . Керамическая инженерия и научные труды . 30 (7): 92. ISBN 9780470584361 .
^ Алькудами, Абдулла; Аннапурни, С. (2006). «Флуоресценция наночастиц металлического серебра и железа, полученных методом взрыва проволоки». arXiv : cond-mat/0609369 .
^ Бойсен, Эрл. «Применение и использование наночастиц» . пониманиенано . Проверено 2 ноября 2014 г.
^ Оскам, Герко (24 февраля 2006 г.). «Наночастицы оксидов металлов: синтез, характеристика и применение». Журнал золь-гель науки и технологий . 37 (3): 161–164. дои : 10.1007/s10971-005-6621-2 . S2CID 98446250 .
^ Джинли, DS (октябрь 1999 г.). «Контакты на основе наночастиц для фотоэлектрических элементов» (PDF) . НРЭЛ . Проверено 10 июля 2023 г.

Внешние ссылки

видео процесса

[1] Дибнер, [автор] Герберт В. Мейер. Предисловие Берна (1972). История электричества и магнетизма . Норуолк, Коннектикут: Библиотека Бернди. п. 32. ISBN 026213070X .

[Precon-2] Холкомб, Дж.А.; Сакс, Р.Д. (16 марта 1973 г.). «Взрывное возбуждение проволоки для анализа следов Hg, Cd, Pb и Ni с использованием электроосаждения для концентрирования» (PDF) . Спектрохимика Акта . 22Б (12): 451–467. Бибкод : 1973AcSpe..28..451H . дои : 10.1016/0584-8547(73)80051-5 . hdl : 2027.42/33764 . Проверено 2 ноября 2014 г.

[wireresearch-3] Jump up to: ^а ^б ^с МакГрат, младший (май 1966 г.). «Исследование взрывающейся проволоки 1774–1963» . Отчет о меморандуме НРЛ : 17. Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 года . Проверено 24 октября 2014 г.

[4] Хансен, Стивен (2011). Принципы, устройства и эксперименты по взрывным проводам (PDF) . Белл Джар . Проверено 24 октября 2014 г.

[prepnano-5] Jump up to: ^а ^б ^с Котов, Ю (2003). «Электрический взрыв проводов как метод получения нанопорошков» (PDF) . Журнал исследований наночастиц . 5 (5/6): 539–550. Бибкод : 2003JNR.....5..539K . дои : 10.1023/B:NANO.0000006069.45073.0b . S2CID 135540834 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2014 г.

[naz-6] Jump up to: ^а ^б ^с Назатенко О. (16 сентября 2007 г.). «Нанопорошки, полученные электрическим взрывом проводов» (PDF) . Кафедра экзологии Томского политехнического университета . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2014 года . Проверено 6 ноября 2014 г.

[Cooper-7] Купер, Пол В. (1996). «Взрывающиеся детонаторы мостовой проволоки». Взрывоопасная техника . Вайли-ВЧ. стр. 353–367. ISBN 0-471-18636-8 .

[8] Конн, Уильям (28 октября 1949 г.). «Использование «взрывающихся проводов» в качестве источника света очень высокой интенсивности и кратковременности» . Журнал Оптического общества Америки . 41 (7): 445–9. дои : 10.1364/josa.41.000445 . ПМИД 14851124 . Проверено 30 октября 2014 г.

[anderson-9] Андерсон, Дж. А. (22 мая 1922 г.). «Спектральное распределение энергии и непрозрачность паров проволочного взрыва» . Труды Национальной академии наук . 8 (7): 231–232. Бибкод : 1922PNAS....8..231A . дои : 10.1073/pnas.8.7.231 . ПМЦ 1085099 . ПМИД 16586882 .

[10] Остер, Гизела К.; Маркус, РА (1957). «Взрывающаяся проволока как источник света при мгновенном фотолизе» (PDF) . Журнал химической физики . 27 (1): 189. Бибкод : 1957ЖЧФ..27..189О . дои : 10.1063/1.1743665 .

[11] Матур, Санджай; Спой, Мритьюнджай (2010). «Наноструктурированные материалы и нанотехнологии III» . Керамическая инженерия и научные труды . 30 (7): 92. ISBN 9780470584361 .

[flur-12] Алькудами, Абдулла; Аннапурни, С. (2006). «Флуоресценция наночастиц металлического серебра и железа, полученных методом взрыва проволоки». arXiv : cond-mat/0609369 .

[Nanouses-13] Бойсен, Эрл. «Применение и использование наночастиц» . пониманиенано . Проверено 2 ноября 2014 г.

[14] Оскам, Герко (24 февраля 2006 г.). «Наночастицы оксидов металлов: синтез, характеристика и применение». Журнал золь-гель науки и технологий . 37 (3): 161–164. дои : 10.1007/s10971-005-6621-2 . S2CID 98446250 .

[15] Джинли, DS (октябрь 1999 г.). «Контакты на основе наночастиц для фотоэлектрических элементов» (PDF) . НРЭЛ . Проверено 10 июля 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]