CC BY
65
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАСПАДА ВЕЩЕСТВА ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРЕВЕ ЖИДКОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВЗРЫВЕ ПРОВОДНИКОВ
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лавретьева, 1, инженер, тел.: +7 (923) 182-0897, e-mail: igornt@yandex.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лавретьева, 1, д. ф.-м. наук, зав. отделом, тел.: +7 (383) 3307121, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Владимир Иванович Орешкин
Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, проспект Академический, 2/3, д. ф.-м. наук, с.н.с, тел.: 8 (3822) 492-988, e-mail: oreshkin@ovpe.hcei.tsc.ru
Николай Александрович Ратахин
Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, проспект Академический, 2/3, чл.-корр. РАН, директор, тел.:8 (3822) 491-544, ratakhin@hcei.tsc.ru
Александр Геннадьевич Русских
Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, проспект Академический, 2/3, к.ф.-м.н., с.н.с., тел.: 8 (3822) 490-741, e-mail: rousskikh@ovpe.hcei.tsc.ru
В работе экспериментально установлены закономерности образования и распада мета-стабильного состояния перегретой жидкости, получены закономерности распада вещества при электрическом взрыве проводников. Исследование распада метастабильной жидкости проведено при характерных временах перевода в метастабильное состояние от 1 до 4 мкс, во взрывающихся проводниках до 200 нс. Изучение распада веществ с кардинально различными характерными временами перевода в метастабильное состояние позволило выработать общий подход к описанию этого процесса.
Ключевые слова: микрожидкостная система, МЭМС, кипение, метастабильная жидкость, взрывное вскипание, электрический взрыв проводников.
EXPERIMENTAL STUDY DYNAMICS DECAY OF MATTER DURING PULSE HEATING IN LIQUID AND ELECTRIC EXPLOSION OF THE WIRE
Igor A. Kozulin
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 1, engineer, tel.: +7 (923) 182-0897, e-mail: i gornt@yandex. ru
Vladimir V. Kuznetsov
Thermophysics institute of S. S. Kutateladze of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Lavretyev Avenue, 1, the doctor of physical and mathematical sciences, the head of department, ph.: +7 (383) 3307121, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Vladimir I. Oreshkin
Institute of silnotochny electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634055, Russia, Tomsk, Akademichesky Avenue, 2/3, doctor of physical and mathematical sciences, senior research associate, ph.: 8 (3822) 492-988, e-mail: oreshkin@ovpe.hcei.tsc.ru
Nikolay A. Ratakhin
Institute of silnotochny electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634055, Russia, Tomsk, Akademichesky Avenue, 2/3, member correspondent of the Russian Academy of Sciences, director, bodies.:8 (3822) 491-544, ratakhin@hcei.tsc.ru
Alexander G. Russkikh
Institute of silnotochny electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634055, Russia, Tomsk, Akademichesky Avenue, 2/3, the candidate of the physicist - mathematical sciences, the senior research associate, ph.: 8 (3822) 490-741, e-mail: rousskikh@ovpe.hcei.tsc.ru
In paper the regularities of formation and decomposition of superheated metastable liquid were established experimentally, the decomposition patterns during the electric explosion of wires were obtained. The decomposition of a metastable liquid was studied with characteristic times of transition to a metastable state from 1 to 4 ms, in exploding wires till 200 ns. The study of substance decomposition with radically different characteristic times of transition to a metastable state has allowed develop the approach for description of this phenomenon.
Key words: microfluidic system, MEMS, boiling, metastable liquid. explosive boiling, electric explosion of conductors.
1. Введение
Метастабильное состояние вещества возникает при его быстром нагреве до температур выше температуры фазового перехода в условиях подавления зародышей новой фазы. Управляемый распад метастабильной жидкости широко используется для быстрого изменения фазового состава жидкостей, заполняющих МЭМС систем управления.
Взрывное кипение на плоских микронагревателях исследовано в работах [1, 2]. Хотя отмеченные исследования были направлены на различные аспекты пузырькового распада жидкости, начальная стадия фазового перехода жидкость-пар и характеристики пузырькового распада жидкости при высоких скоростях подвода тепловой мощности остаются слабо изученными. При электрическом взрыве проводников существенным является наличие электрических и магнитных полей, которые определяют режим распада материала проводника при его нагреве и переводе в метастабильное состояние. Электрический взрыв проводника сопровождается возникновением шунтирующего разряда вдоль поверхности проводника еще до того, как в нем полностью произойдет переход вещества в газообразное состояние [3, 4].
Установление закономерностей пузырькового распада при различных временах перевода жидкости в метастабильное состояние и изучение фазовых превращений во взрывающихся плоских проводниках, рассмотренные в данной работе, позволило выработать общий подход к описанию явлений с кардинально различными характерными временами перевода в метастабильное состояние.
2. Экспериментальное исследование динамики распада вещества при импульсном нагреве жидкости и электрическом взрыве
Схема экспериментальной установке для исследования взрывного вскипания жидкости на микронагревателе представлена на рисунке 1. В качестве микронагревателя использован многослойный тонко-плёночный резистор, изготовленный по технологии компании Hewlett Packard. Резистор представляет собой четырехслойную пленку, последовательно напыленную методом PECVD на плоской подложке из стекла. Тепловыделяющий элемент размером 100x110 мкм2 представляет собой тонкую плёнку сплава ТаА1 толщиной 500 нм. Нагреватель изолирован от воды тонкими слоями N3O4 и SiC. Сэндвичевая структура нагревателя обеспечивает возможность получения экстремально высоких скоростей роста температуры слоя воды при импульсном нагреве. Микрочип погружался в рабочую жидкость, на глубину от 0.3 до 2 мм. Плотность теплового потока в жидкость достигала 400 МВт/м2, что дает время нагрева до температуры взрывного вскипания воды меньше 1.4 мкс. Соответствующая скорость роста температуры поверхности микронагревателя составляла около 182 МК/с. Опыты проводились при атмосферном давлении.
Для изучения взрывного кипения была использована оптическая методика регистрации зародышеобразования, вскипания и динамики образующейся паровой полости, основанная на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отраженного от поверхности нагревателя [5]. Методика основана на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от поверхности нагревателя. При возникновении микропузырьков с длиной световой волны лазера (0,6 мкм) интегральный коэффициент зеркального отражения начинает падать и дает динамику покрытой пузырьками доли поверхности нагревателя во времени.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения метаста-бильного состояния перегретых слоев жидкости
Рис. 2. Схема экспериментального стенда для изучения закономерности распада вещества при электрическом взрыве проводников
Для изучения закономерности распада вещества при электрическом взрыве проводников была создана экспериментальная установка, показанная на рисунке 2, которая состоит из двух генераторов тока. Один из генераторов тока ('^ЕО-1) обеспечивал взрыв микропроводников. В качестве взрываемых проводников использовались алюминиевая фольга, длиной 20 мм, шириной 1 мм и толщиной 5 мкм и 7.8 мкм. Второй генератор - радиограф XPG-1 с нагрузкой в виде х-пинча использовался в диагностических целях. Х-пинч представляет
собой четыре скрещенных вольфрамовых проводника диаметром 13 мкм. Высокотемпературная плазма, служащая источником зондирующего излучения образуется в месте перекрещивания проволочек. Для синхронизации генераторов тока XPG-1 и WEG-1 использовался внешний генератор запускающих импульсов ГИ-1. С помощью излучения х-пинча регистрировалось пространственное изображение взрываемого проводника.
3. Динамика распада вещества при импульсном нагреве жидкости и электрическом взрыве
На рисунке 3 сплошной линией приведено нормализованное напряжение на нагревателе, и динамика заполнения карбидо-кремниевой поверхности нагревателя пузырьками водяного пара при приведенной плотности тепловыделения qeff=618 МВт/м2, которая отмечена на рисунке точками. Приведенная плотность тепловыделения определена как полная выделяемая тепловая мощность, деленная на поверхность нагревателя. Относительное время начала кипения хг=0.899 равно отношению времени начала зародышеобразования к времени отключения тепловой мощности. Как видно, пузырьковый распад воды имеет взрывной характер и происходит за время меньше 300 нс.
На рис. 4 приведена зависимость температуры начала пузырькового распада от скорости роста температуры карбидо-кремниевой поверхности нагревателя для воды. Измеренная температура пузырькового распада воды, при скоростях подвода тепла более dT/dt=400 МК/с, достигает температуры спинодаль-ного распада, которая отмечена на рис. 4 сплошной линией. Внизу на рис. 4 представлен вид оптического сигнала при достижении температуры спинодаль-ного распада.
т, тсв
Рис. 3. Зависимость доли поверхности нагревателя, занятой пузырьками воды, от времени при приведенной плотности теплового потока дсп=618.13 МВт/м2
0 100 200 300 400 500 600 700 800
атм, мк/б
Рис. 4. Зависимость температуры вскипания воды на нагревателе в зависимости от скорости роста температуры поверхности
На рисунке 5 приведены типичные осциллограммы протекающего через проводник тока, напряжения на участке цепи, где находится проводник, и кривая вложенной в проводник энергии при электирическом взрыве тонкой фольги. При расчете энерговклада учитывалась индуктивная составляющая напря-
жения. Из рисунка 5 видно, что на момент возникновения шунтирующего пробоя, вложенная в проводник энергия примерно в 12 раз превышает энергию плавления.
Проведено несколько серий экспериментов с различными толщинами взрываемой фольги и с различными напряжениями зарядки и0. В одной из серий использовались алюминиевая фольга длиной 20 мм, шириной 1 мм и толщиной 5 мкм. Напряжение зарядки конденсатора составляло 20 кВ. На рисунке 6 приведены типичные фотографии взорванной фольги, на которой видно, что наблюдается интенсивное образование пузырьков по всей поверхности фольги. Максимальный энерговклад в данном режиме составил 8.9 кДж/г, что в 22 раза превышает энергию плавления и составляет 82% от энергии сублимации.
Рис. 5. Осциллограмма тока и напряжения на взрывающемся проводнике при Ц0 = 25 кВ, и временная зависимость вложенной в проводник энергии.
Рис. 6. Типичные рентгенограммы взорванных фольг (t = 767 ns).
4. Заключение
В результате выполненных работ экспериментально получены закономерности пузырькового распада воды при ее быстром нагреве на микронагревателе. Получено, что в результате гомогенного зародышеобразования наблюдается фазовый взрыв метастабильной жидкости на временах меньше 300 нс.
Проведена серия экспериментов, в которых исследовался электрический взрыв алюминиевой фольги с ее переводом в метастабильное состояние за время меньше 200 нс. Экспериментальные данные показали, что в центре фольги, при плотностях вложенной энергии 7^9 кДж/г, реализуется режим объемного вскипания, вызванный пузырьковым распадом перегретого метастабильного металла.
Работа выполнена при финансовой поддержке Сибирского Отделения РАН (интеграционный проект №74) и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 2 (проект № 2.11).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Skripov V.P. Metastable Liquids. -John Wiley & Sons, New York. - 1974.
2. Pavlov P.A. and Nikitin E.D. Nucleation Kinetics in an Overheated Liquid // Te-plofiz. Vys. Temp. - 1980. - Vol.18. - No. 2. - P. 354-358.1.
3. Sinars D.B. et al. Experiments measuring the initial energy deposition, expansion rates and morphology of exploding wires with about 1 kA/wire // Phys. Plasmas. - 2001. - Vol.8. -№1. -P.216-230.
4. DeSilva A.W., Katsouros J.D. Electrical conductivity of dense copper and aluminum plasmas // Phys. Rev. E. - 1998. - Vol. 57. - №5. - P.5945-5951.
5. Kuznetsov V.V., Vasserman E.S. Explosive vaporization dynamics on a flat microheater // Proc. 3-rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. - 2004. -Pisa. - Paper ven 04.
© И.А. Козулин, В.В. Кузнецов, В.И. Орешкин, Н.А. Ратахин, А.Г. Русских, 2013
