Metoda eksplodowania drutu - Exploding wire method

Metoda eksplodującego drutu lub EWM to sposób na generowanie plazmy, który polega na wysłaniu wystarczająco silnego impulsu prądu elektrycznego przez cienki drut z jakiegoś elektrycznie przewodzącego materiału. Rezystancyjne ogrzewanie paruje drut, i łuk elektryczny za pośrednictwem tej pary tworzy wybuchową falę uderzeniową .

Przewody eksplodujące służą jako zapalników dla materiałów wybuchowych jako źródła chwilowych wysokie natężenie światła, oraz w produkcji metalowych nanocząstek .

Historia

Jeden z pierwszych udokumentowanych przypadków użycia elektryczności do stopienia metalu miał miejsce pod koniec XVIII wieku i jest przypisywany Martinowi van Marumowi, który stopił 70 stóp metalowego drutu z 64 słoikami Leyden jako kondensatorem. Generator Van Maruma został zbudowany w 1784 roku i obecnie znajduje się w Muzeum Teylers w Holandii. Wiele lat później Benjamin Franklin odparował cienki płatek złota, aby wypalić obrazy na papierze. Chociaż ani Marum, ani Franklin w rzeczywistości nie wywołali zjawiska wybuchającego drutu, obaj byli ważnymi krokami w kierunku jego odkrycia.

Edward Nairne jako pierwszy odnotował istnienie metody eksplodującego drutu w 1774 r. z użyciem drutu srebrnego i miedzianego. Następnie Michael Faraday użył EWM do osadzania cienkich warstw złota poprzez krzepnięcie odparowanego metalu na sąsiednich powierzchniach. Następnie, w XIX wieku August Toepler badał osady gazowe gazu metalicznego powstałe w wyniku EWM . Badania spektrograficzne tego procesu, prowadzone przez JA Andersona, stały się powszechne w 1900 roku. Eksperymenty spektrograficzne umożliwiły lepsze zrozumienie, a następnie pierwsze przebłyski praktycznego zastosowania. W połowie XX wieku eksperymentowano z EWM jako źródłem światła i produkcją nanocząstek w drutach aluminiowych, uranowych i plutonowych. Zgodnie z tym, Luis Álvarez i Lawrence H. Johnston z Projektu Manhattan znaleźli zastosowanie EWM w rozwoju detonatorów nuklearnych.

Obecne badania koncentrują się na wykorzystaniu EWM do produkcji nanocząstek, a także na lepszym zrozumieniu specyfiki mechanizmu, takich jak wpływ środowiska systemowego na proces.

Mechanizm

Podstawowymi elementami potrzebnymi do metody eksplodującego drutu są cienki drut przewodzący i kondensator. Drut jest zwykle wykonany ze złota, aluminium, żelaza lub platyny i zwykle ma średnicę mniejszą niż 0,5 mm. Kondensator zużywa około 25 kWh/kg i rozładowuje impuls o gęstości prądu 10 4 - 106 A/mm 2 , prowadząc do temperatury do 100 000  K . Zjawisko to trwa przez okres jedynie 10 -8 - 10 -5 s.

Proces wygląda następująco:

  1. Wzrastający prąd, dostarczany przez kondensator, jest przenoszony przez przewód.
  2. Prąd podgrzewa drut przez ogrzewanie omowe, aż metal zacznie się topić. Metal topi się, tworząc pękniętą serię niedoskonałych kulek zwanych unduloidami . Prąd wznosi się tak szybko, że ciekły metal nie ma czasu zejść z drogi.
  3. Unduloidy parują. Para metalu tworzy ścieżkę o niższej rezystancji, umożliwiając przepływ jeszcze większego prądu.
  4. Powstaje łuk elektryczny, który zamienia parę w plazmę. Powstaje również jasny błysk światła.
  5. Plazma może swobodnie się rozszerzać, tworząc falę uderzeniową .
  6. Promieniowanie elektromagnetyczne jest uwalniane wraz z falą uderzeniową.
  7. Fala uderzeniowa wypycha metal płynny, gazowy i plazmowy na zewnątrz, przerywając obwód i kończąc proces.

Praktyczne zastosowanie

Badania EWM zasugerowały możliwe zastosowania w wzbudzaniu maserów optycznych , źródłach światła o wysokim natężeniu w komunikacji, napędzie statków kosmicznych , łączeniu trudnych materiałów, takich jak kwarc, oraz generowaniu impulsów o częstotliwości radiowej o dużej mocy. Najbardziej obiecujące zastosowania EWM to detonator, źródło światła i produkcja nanocząstek.

Detonator

EWM znalazł swoje najczęstsze zastosowanie jako detonator, nazwany detonatorem z eksplodującym drutem mostkowym , do bomb nuklearnych. Detonatory Bridgewire są korzystniejsze w porównaniu z bezpiecznikami chemicznymi, ponieważ eksplozja jest jednolita i następuje zaledwie kilka mikrosekund po przyłożeniu prądu, z wahaniami zaledwie kilkudziesięciu nanosekund od detonatora do detonatora.

Źródło światła

EWM to skuteczny mechanizm, dzięki któremu można uzyskać krótkotrwałe źródło światła o wysokiej intensywności. Intensywność piku drutu miedzianego, na przykład, 9,6 x 10 8 moc świeca / cm 2 . JA Anderson napisał w swoich wstępnych badaniach spektrograficznych, że światło jest porównywalne do ciała doskonale czarnego o temperaturze 20 000 K. Zaletą błysku wytworzonego w ten sposób jest to, że jest on łatwo odtwarzalny przy niewielkich zmianach natężenia. Liniowy charakter drutu pozwala na specjalnie ukształtowane i ustawione pod kątem błyski światła, a różne typy przewodów mogą być używane do wytwarzania różnych kolorów światła. Źródło światła może być stosowane w interferometrii , fotolizie błyskowej , spektroskopii ilościowej i fotografii z dużą szybkością .

Produkcja nanocząstek

Nanocząstki są tworzone przez EWM, gdy gaz otoczenia systemu schładza niedawno wytworzony metal w stanie pary. EWM można wykorzystać do taniego i wydajnego wytwarzania nanocząstek w tempie 50 – 300 gramów na godzinę i o czystości powyżej 99%. Proces wymaga stosunkowo niskiego zużycia energii, ponieważ podczas konwersji energii elektrycznej na energię cieplną tracona jest niewielka ilość energii. Efekty środowiskowe są minimalne ze względu na proces zachodzący w systemie zamkniętym. Cząstki mogą mieć zaledwie 10 nm, ale najczęściej mają średnicę poniżej 100 nm. Właściwości fizyczne nanoproszku można zmieniać w zależności od parametrów wybuchu. Na przykład, gdy napięcie kondensatora wzrasta, średnica cząstek maleje. Również ciśnienie środowiska gazowego może zmienić dyspersyjność nanocząstek. Poprzez takie manipulacje można zmienić funkcjonalność nanoproszku.

Gdy EWM wykonuje się w standardowej atmosferze zawierającej tlen, tworzą się tlenki metali. Nanocząsteczki czystego metalu można również wytwarzać za pomocą EWM w środowisku obojętnym, zwykle w postaci argonu lub wody destylowanej. Nanoproszki czystego metalu muszą być przechowywane w obojętnym środowisku, ponieważ zapalają się pod wpływem tlenu w powietrzu. Często opary metalu są zatrzymywane przez uruchamianie mechanizmu w stalowej skrzynce lub podobnym pojemniku.

Nanocząstki to stosunkowo nowy materiał stosowany w medycynie, produkcji, oczyszczaniu środowiska i obwodach elektrycznych. Nanocząsteczki tlenku metalu i czystego metalu są stosowane w katalizie , czujnikach, przeciwutleniaczu tlenu, samonaprawiającym się metalu, ceramice, ochronie przed promieniowaniem UV, ochronie przed zapachami, ulepszonych bateriach, obwodach drukowanych, materiałach optoelektronicznych i ochronie środowiska . Wraz ze wzrostem zainteresowania nanotechnologią wzrosło zapotrzebowanie na nanocząstki metali, a tym samym na metody produkcji. Pomimo przytłaczającej prostoty i wydajności, trudno jest zmodyfikować aparaturę doświadczalną do zastosowania na skalę przemysłową. W związku z tym EWM nie znalazła szerokiego zastosowania w przemyśle produkcji materiałów ze względu na problemy z wielkością produkcji.

Bibliografia

Zewnętrzne linki