Metoda eksplodującego drutu
Metoda eksplodującego drutu lub EWM to sposób generowania plazmy , który polega na wysłaniu wystarczająco silnego impulsu prądu elektrycznego przez cienki drut z jakiegoś materiału przewodzącego prąd elektryczny . Ogrzewanie rezystancyjne odparowuje drut, a łuk elektryczny przechodzący przez tę parę tworzy wybuchową falę uderzeniową .
Wybuchające druty są używane jako detonatory materiałów wybuchowych , jako chwilowe źródła światła o dużym natężeniu oraz do produkcji nanocząstek metali .
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 cienkie płatki złota, aby wypalić obrazy na papierze. Chociaż ani Marum, ani Franklin tak naprawdę nie wywołali zjawiska eksplodującego drutu, obaj byli ważnymi krokami w kierunku jego odkrycia.
Edward Nairne jako pierwszy zauważył istnienie metody eksplodującego drutu w 1774 roku przy użyciu drutu srebrnego i miedzianego. Następnie Michael Faraday użył EWM do osadzania cienkich warstw złota poprzez zestalenie odparowanego metalu na sąsiednich powierzchniach. Następnie osady oparów gazu metalicznego w wyniku EWM badał August Toepler w XIX wieku. Badania spektrograficzne tego procesu, prowadzone przez JA Andersona, stały się powszechne w XX wieku. Eksperymenty spektrograficzne umożliwiły lepsze zrozumienie, a następnie pierwsze przebłyski praktycznego zastosowania. W połowie XX wieku przeprowadzono eksperymenty z EWM jako źródłem światła oraz do produkcji nanocząstek w przewodach aluminiowych, uranowych i plutonowych. W związku z tym Luis Álvarez i Lawrence H. Johnston z Projektu Manhattan znaleźli zastosowanie dla EWM w opracowywaniu detonatorów jądrowych.
Obecne badania koncentrują się na wykorzystaniu EWM do produkcji nanocząstek, a także na lepszym zrozumieniu specyfiki mechanizmu, takiego 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 ma zwykle mniej niż 0,5 mm średnicy. Kondensator ma zużycie energii około 25 kWh/kg i rozładowuje impuls o gęstości prądu 10 4 - 10 6 A/mm 2 , co prowadzi do temperatur do 100 000 K . Zjawisko to występuje w okresie zaledwie 10-8 - 10-5 sekund .
Proces jest następujący:
- Narastający prąd, dostarczany przez kondensator, jest przenoszony przez drut.
- Prąd nagrzewa drut poprzez ogrzewanie omowe , aż metal zacznie się topić. Metal topi się, tworząc pękniętą serię niedoskonałych kul zwanych unduloidami . Prąd rośnie tak szybko, że ciekły metal nie ma czasu na ujście.
- Unduloidy wyparowują. Opary metalu tworzą ścieżkę o niższym oporze, umożliwiając przepływ jeszcze większego prądu.
- Powstaje łuk elektryczny, który zamienia parę w plazmę. Produkowany jest również jasny błysk światła.
- Plazma może się swobodnie rozszerzać, tworząc falę uderzeniową .
- Wraz z falą uderzeniową uwalniane jest promieniowanie elektromagnetyczne .
- Fala uderzeniowa wypycha ciekły, gazowy i plazmatyczny metal na zewnątrz, przerywając obwód i kończąc proces.
Praktyczne zastosowanie
Badania EWM zasugerowały możliwe zastosowania we wzbudzaniu maserów optycznych , źródłach światła o dużym natężeniu do komunikacji, napędach 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 najpowszechniejsze zastosowanie jako detonator, nazwany eksplodującym detonatorem mostkowym , do bomb atomowych. Detonatory Bridgewire mają przewagę nad zapalnikami chemicznymi, ponieważ eksplozja jest spójna i następuje zaledwie kilka mikrosekund po przyłożeniu prądu, ze zmianami wynoszącymi zaledwie kilkadziesiąt nanosekund od detonatora do detonatora.
Źródło światła
EWM to skuteczny mechanizm, dzięki któremu można uzyskać krótkotrwałe źródło światła o wysokiej intensywności. Szczytowe natężenie dla drutu miedzianego wynosi na przykład 9,6·10 8 mocy świecy/cm 2 . JA Anderson napisał w swoich początkowych badaniach spektrograficznych, że światło było porównywalne z ciałem doskonale czarnym o temperaturze 20 000 K. Zaletą błysku wytwarzanego w ten sposób jest to, że można go łatwo odtworzyć przy niewielkich zmianach intensywności. Liniowy charakter drutu pozwala na specjalnie ukształtowane i ustawione pod kątem błyski światła, a różne typy drutów mogą być używane do wytwarzania różnych kolorów światła. Źródło światła może być wykorzystywane w interferometrii , fotolizie błyskowej , spektroskopii ilościowej i szybkiej fotografii .
Produkcja nanocząstek
Nanocząsteczki są tworzone przez EWM, gdy gaz otaczający system chłodzi niedawno wytworzony metal w postaci pary. EWM można wykorzystać do taniego i wydajnego wytwarzania nanocząstek z szybkością 50 – 300 gramów na godzinę io czystości powyżej 99%. Proces wymaga stosunkowo niskiego zużycia energii, ponieważ podczas konwersji energii elektrycznej na energię cieplną traci się niewiele energii. Efekty środowiskowe są minimalne ze względu na proces zachodzący w układzie zamkniętym. Cząstki mogą być tak małe jak 10 nm, ale najczęściej mają średnicę poniżej 100 nm. Właściwości fizyczne nanoproszku mogą ulec zmianie w zależności od parametrów wybuchu. Na przykład, gdy napięcie kondensatora wzrasta, średnica cząstek maleje. Również ciśnienie środowiska gazowego może zmienić dyspersyjność nanocząstek. Dzięki takim manipulacjom można zmienić funkcjonalność nanoproszku.
Gdy EWM jest wykonywana w standardowej atmosferze zawierającej tlen, tworzą się tlenki metali. Nanocząstki czystego metalu można również wytwarzać za pomocą EWM w środowisku obojętnym, zwykle gazowym argonie lub wodzie destylowanej. Czyste nanoproszki metali muszą być przechowywane w środowisku obojętnym, ponieważ zapalają się pod wpływem tlenu z powietrza. Często opary metalu są zatrzymywane przez działanie mechanizmu w stalowej skrzynce lub podobnym pojemniku.
Nanocząsteczki to stosunkowo nowy materiał stosowany w medycynie, produkcji, oczyszczaniu środowiska i obwodach elektrycznych. Tlenek metalu i nanocząstki czystego metalu są stosowane w katalizie , czujnikach, przeciwtlenku tlenu, samonaprawiającym się metalu, ceramice, ochronie przed promieniowaniem UV , zabezpieczaniu przed zapachami, ulepszonych bateriach, obwodach drukowanych, materiałach optoelektronicznych i środkach zaradczych dla środowiska . Zapotrzebowanie na nanocząsteczki metali, a co za tym idzie metody produkcji, wzrosło wraz ze wzrostem zainteresowania nanotechnologią. Pomimo swojej przytłaczającej prostoty i wydajności trudno jest zmodyfikować aparaturę doświadczalną do zastosowania na skalę przemysłową. W związku z tym EWM nie znalazł szerokiego zastosowania w przemyśle produkcji materiałów ze względu na problemy z ilością produkcji.