ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 114-118
_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _
--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -
УДК 537.528,534.222.2,532.528
МНОГООЧАГОВЫЙ ДИАФРАГМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНЫХ ВОЛН В ЖИДКОСТИ
© 2004 г. Г. Н. Санкин, А. П. Дрожжин, К. А. Ломанович, В. С. Тесленко
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 15 E-mail: sankin@hydro.nsc.ru Поступила в редакцию 27.10.2003 г.
Описано применение электрического разряда на многочисленных отверстиях в диэлектрической диафрагме для генерации сферически фокусируемых ударных волн в растворе соли. В конструкции представленного преобразователя исключена эрозия электродов за счет того, что они вынесены из зоны разряда, и, как следствие, стабилизировано местоположение фокуса. Получены зависимости амплитуды волны давления в фокусе от напряжения разряда, числа и суммарной площади отверстий в диафрагме и концентрации электролита; экстремальные значения составили около 40 МПа в волне сжатия и -12 МПа в волне разрежения. Показана возможность дробления камней массой до 2 г в фокусе излучателя.
В настоящее время компактные генераторы ударных волн находят широкое применение при проведении исследований в области медицины и химических технологий [1]. Известные электрогидродинамические системы (например, лито-триптор Dornier HM3) имеют ряд недостатков, связанных, в частности, с износом электродов и приводящих к невоспроизводимости положения фокуса, изменению амплитуды давления и к уменьшению к.п.д. системы [2]. В многоочаговых генераторах [3-5] удалось устранить многие недостатки, однако, эрозия электродов и связанное с ней загрязнение электролита, ограничивающие ресурс генератора, присущи и этой конструкции. Экранировка электродов от плазмы разряда достигается при диафрагменном разряде [6], суть которого заключается в том, что при протекании тока через отверстие в диафрагме в результате джоулева нагрева в жидкости возникает пузырек пара. При достаточном напряжении в нем возможен между жидкими электродами [7] электрический пробой, который является источником ударных волн.
В данной работе описано использование многоочагового диафрагменного электрического разряда в электролите [8] для генерации сферически сходящейся ударной волны.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Плоский излучатель
По аналогии с многоочаговым генератором разработан генератор плоских ударно-акустических волн [9] на основе диафрагменного разряда. Принципиальная схема генератора приведена на
рис. 1. Электроды 1 и 2 из нержавеющей стали выполнены в виде сетки (размер ячейки 3 х 3 мм). Диафрагма 3 из лавсановой пленки толщиной 0.05 мм расположена между сеточными электродами на поверхности электрода 1 и разделяет кювету на две части. Расстояние между электродами 60 мм. В диафрагме прорезано 100 отверстий (10 рядов по 10 отверстий) диаметром 0.5 ± 0.1 мм, расположенных по центру ячеек сетки. В качестве проводящей среды 4 использовался водный раствор КаС1 с концентрацией соли 5% (по массе). Электроды 1 и 2 подключались к генератору импульсов тока, в котором конденсаторная батарея С емкостью 2 мкФ включалась в цепь через раз-
Рис. 1. Схема многодиафрагменного электрогидро-импульсного преобразователя. 1, 2 - электроды, 3 -диафрагма с отверстиями, 4 - электролит, 5 - кювета из оргстекла; С - конденсатор, Р - управляемый разрядник, ГИТ - генератор импульсов тока (выделен пунктиром).
Рис. 2. а - схема сферического преобразователя: 1,2 -электроды, 3 - диафрагма с отверстиями, 4 - изоляционные кольца из полистирола, 5 - заправочная трубка, А - камера с рабочей жидкостью, Б - камера с электролитом, F - фокус, R - радиус кривизны излучателя; б - фотография собственного свечения диа-фрагменного разряда.
рядное устройство P (РУ-62, ОАО "Плазма", Рязань). Напряжение заряда конденсатора 6 кВ.
Эксперименты проводились в кювете 5 из прозрачного оргстекла при атмосферном давлении и комнатной температуре. Наблюдение разряда и киносъемка велись на установке для съемки свилей (Carl Zeiss, Jena, DDR) методом Теплера с помощью скоростного фоторегистратора с вращающимся зеркалом СФР-1м (Красногорский механический завод) с импульсной подсветкой на основе лампы ИФК-1000. Схема киносъемки приведена в [10].
Сферический излучатель
Для увеличения давления в волне разработан излучатель со сферической фокусировкой. Схема кассетного варианта излучателя приведена на рис. 2. Диафрагма 3, которой придана форма сегмента сферы (радиус кривизны Я = 55 мм, апертура О = 70 мм), разделяет камеру Б на две части. В диафрагме вручную наколоты отверстия диаметром 0.1-0.2 мм в количестве 16, 32 и 64 штук/см2 (всего около 700, 1400 и 2800 отвер-
Рис. 3. Пьезоэлектрический датчик давления. 1 - кристалл турмалина, 2 - электроподвод, 3 - держатель кристалла 01.2 мм, 4 - электроподвод, 5 - эпоксидная смола, 6 - металлическая трубка 03 мм, длиной «200 мм, 7 - кабель РК-50.
стий соответственно). В камере имеется отверстие 5 для заправки электролитом - водным раствором NaCl с концентрацией W = 1-20%.
Электроды 1 и 2 из отожженной медной фольги толщиной 0.2 мм, выполненные в виде сегмента сферы, расположены по разные стороны от диафрагмы на равном удалении d1 = d2 = 7 мм. Электроды подключались к генератору с помощью низкоиндуктивной полосковой линии. Конструкция электрически и герметически изолирована кольцами 4 из полистирола и укреплена клеем БФ-6 так, чтобы ток между электродами мог протекать только через отверстия в диафрагме.
Для характеристики диафрагмы сопротивление R0 заполненного электролитом излучателя, которое пропорционально общей площади отверстий и проводимости электролита, измеряли с помощью мультиметра BM 591 (Tesla, Чехословакия) на частоте 1 кГц при напряжении 1 В.
Вогнутые электроды обеспечивали наиболее равномерное протекание тока через диафрагму. Они также способствовали прохождению акустического импульса в камеру А без искажений геометрии волнового фронта в случае разных жидкостей в камерах А и Б. Таким образом, герметичная конструкция позволяла осуществлять генерацию и фокусировку волны в жидкостях с разной концентрацией соли. Фокусировка волны происходила в камере А, заполненной водой.
Для наблюдения собственного свечения разряда вместо верхнего электрода 1 устанавливали акустически прозрачную сетку из нержавеющей стали (размер ячейки 1 х 1 мм) или медный кольцевой электрод. Это позволяло визуально наблюдать свечение разряда и регистрировать его с использованием цифровой фотокамеры SensiCam Fast Shutter (PCO, Kelheim, Германия). В этом случае фокусировка происходила в электролите.
Давление измеряли в камере А с помощью пьезоэлектрических датчиков давления [11, 12]. Схема конструкции датчика приведена на рис. 3. Пьезоэлемент 1 в форме параллелепипеда изготовлен из природного турмалина (размер 0.7 х 0.7 х х 0.1 мм, минимальный размер вдоль оптической оси кристалла). Он приклеивался с одной сторо-
116
CAHKËH и др.
10 мм
Зб мкс
Рис. 4. Кадры скоростной киносъемки распространения волн от диафрагменного разряда.
ны к внутреннему проводнику 3 с помощью лака ЛК-11З с добавлением серебряной пудры. К другой стороне кристалла аналогичным образом приклеивалась полоска 2 из серебряной фольги, соединенная с наружным электродом б.
Внутренний электрод диаметром 1 мм вставлен в экранирующую латунную трубку с внешним диаметром З мм и электрически изолирован с помощью эпоксидной смолы 5. Для предотвращения регистрации отраженных внутри датчика волн внутренний электрод с противоположной стороны стачивался на конус. Конструкция покрыта несколькими слоями клея БФ-2. Пьезоэлектрические датчики калибровали методом сброса давления [1З], они имели чувствительность около 10 мВ/МПа. Во всех случаях за начало отсчета давления принималось атмосферное давление ратм = 0.101З МПа.
Сигналы записывали с помощью цифрового осциллографа TDS 210 (Tektronix, входные параметры усилителя 20 пФ, 1 МОм; частота оцифровки 1 ГГц, S разрядов) на персональный компьютер. Запуск приборов осуществлялся генера-
P, МПа 15
10
5 0 -5
(a)
4 2 0
-2
20 10 0 -10
10
5 0
-5
(б)
(в)
(г)
S r, мм
З5 40 45 t, мкс
Рис. 5. а - распределение амплитуды давления поперек оси излучателя в фокальной плоскости для разного числа отверстий в диафрагме (W = 2.5%, Uc = 6 кВ): 1, 3, 5 - сжатие; 2, 4, 6 - разрежение; 1, 2 - 700 отверстий (R0 = 4.6 Ом); 3, 4 - 1400 отверстий (R0 = 3.8 Ом); 5, 6 - 2800 отверстий (R0 = 3.1 Ом). б-г - осциллограммы давления в фокусе для соответствующего распределения: б - 1, 2; в - 3, 4; г - 5, 6.
торами запускающих импульсов ГЗИ-6 и Г5-54. Время отсчитывалось от момента начала разряда в генераторе тока.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 4 приведена кинограмма формирования и распространения акустических ударных волн от плоского излучателя в электролите. Из рисунка видно, что ударные волны на отверстиях диафрагмы возникают синхронно. Так же как в [6], разряд на каждом отверстии формирует сферически расходящуюся волну давления. Результатом суперпозиции этих волн является плоская ударная волна (кадры 2-8).
В сферическом излучателе разряд также происходит на всех отверстиях (рис. 26). Аналогично [7] разряд имеет характерный для натрия желтый цвет. Суперпозицией волн давления от отдельных отверстий в данном случае является акустический импульс со сферически сходящимся фронтом. Результирующая волна складывается из указанного импульса сжатия и его отражения от электрода 2, а также краевой волны разрежения из-за дифракции на краях излучателя [14, 15]. Отраженная от электрода 2, являющегося в данном случае "мягким" рефлектором, волна должна регистрироваться с задержкой 2й2]е ~ 10 мкс (с - скорость звука в растворе) относительно волны сжатия. Она оказалась ослабленной, вероятно, из-за экранирования электрода пузырьками на диафрагме (рис. 5б-5г).
На рис. 5 представлено распределение амплитуды импульса давления в фокальной плоскости поперек оси излучателя для разного числа отверстий в диафрагме. Распределение амплитуды вдоль и поперек оси излучателя колоколообраз-но. Здесь же привед
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.