Metoda explodujícího drátu - Exploding wire method - Wikipedia

The metoda explodujícího drátu nebo EWM je způsob generování plazma který spočívá v odeslání dostatečně silného pulzu elektrický proud přes tenkou drát některých elektricky vodivý materiál. The odporové topení odpařuje drát a elektrický oblouk skrz tu páru vytvoří explozivní rázová vlna.

Explodující dráty se používají jako rozbušky pro výbušniny, jako okamžité zdroje vysoké intenzity světla a při výrobě kovů nanočástice.

Dějiny

Jeden z prvních zdokumentovaných případů použití elektřiny k roztavení kovu nastal koncem 17. století [1] a je připsána na Martin van Marum který roztavil 70 stop kovového drátu s 64 Leyden Jars jako kondenzátor. Van Marumův generátor byl postaven v roce 1784 a nyní je umístěn v Teylersovo muzeum V Nizozemsku. O několik let později Benjamin Franklin odpařený tenký zlatý list k vypalování obrázků na papír.[2][3] Ačkoli ani Marum, ani Franklin ve skutečnosti nepodněcovali fenomén explodujícího drátu, oba byli důležitými kroky k jeho objevení.

Edward Nairne jako první zaznamenal existenci metody explodujícího drátu v roce 1774 se stříbrným a měděným drátem. Následně Michael Faraday používal EWM k ukládání tenkých zlatých filmů tuhnutím odpařeného kovu na sousedních površích. Poté byly studovány parní depozity kovového plynu v důsledku EWM August Toepler během 1800. Spektrografie vyšetřování procesu, vedené J.A. Anderson, se rozšířil ve 20. letech 20. století. Spektrografické experimenty umožnily lepší pochopení a následně první záblesky praktické aplikace. V polovině 20. století proběhly experimenty s EWM jako světelným zdrojem a pro výrobu nanočástic v hliníku, uranu a plutoniových drátech. Shodně, Luis Álvarez a Lawrence H. Johnston z Projekt Manhattan našel použití pro EWM při vývoji jaderných rozbušek.[3][4]

Současný výzkum se zaměřuje na využití EWM k výrobě nanočástic a na lepší pochopení specifik mechanismu, jako jsou účinky systémového prostředí na proces.

Mechanismus

Základní součásti potřebné pro metodu explodujícího drátu jsou tenký vodivý drát a kondenzátor. Drát je obvykle zlatý, hliníkový, železný nebo platinový a jeho průměr je obvykle menší než 0,5 mm. Kondenzátor má spotřebu energie asi 25 kWh / kg a vybíjí pulz o proudová hustota 104 - 106 A / mm2,[5] což vede k teplotám až 100 000K.. Tento jev nastává po dobu pouze 10−8 - 10−5 sekundy.[6]

Proces je následující:

  1. Po vodiči je veden vzestupný proud dodávaný kondenzátorem.
  2. Proud ohřívá vodič ohmické vytápění dokud se kov nezačne tát. Kov se roztaví a vytvoří zlomenou sérii tzv. Nedokonalých koulí unduloidy. Proud stoupá tak rychle, že tekutý kov nemá čas se vzdálit z cesty.
  3. Unduloidy se odpařují. Kovová pára vytváří cestu s nižším odporem, což umožňuje proudění ještě vyššího proudu.
  4. Vzniká elektrický oblouk, který mění páru na plazmu. Produkuje se také jasný záblesk světla.
  5. Plazma se může volně rozpínat za vzniku a rázová vlna.
  6. Elektromagnetická radiace se uvolní společně s rázovou vlnou.
  7. Rázová vlna tlačí kapalný, plynný a plazmatický kov ven, rozbije obvod a ukončí proces.

Praktická aplikace

Výzkum EWM navrhl možné aplikace při buzení optické masery, vysoce intenzivní světelné zdroje pro komunikaci, pohon kosmické lodi, spojování obtížných materiálů, jako je křemen, a generování vysokofrekvenčních pulzů.[3] Nejslibnější aplikace EWM jsou jako rozbuška, světelný zdroj a pro výrobu nanočástic.

Rozbuška

EWM našel své nejběžnější použití jako rozbuška, pojmenovaná explodující můstkový rozbuška, pro jaderné bomby. Bridgewire rozbušky jsou výhodné oproti chemickým pojistkám, protože exploze je konzistentní a dochází k ní jen několik mikrosekund po aplikaci proudu, se změnou jen několika desítek nanosekund od rozbušky k rozbušce.[7]

Zdroj světla

EWM je účinný mechanismus, kterým lze získat krátkodobý zdroj vysoké intenzity světla. Například špičková intenzita měděného drátu je 9,6 · 108 síla svíčky / cm2.[8] J.A. Anderson ve svých počátečních spektrografických studiích napsal, že světlo bylo srovnatelné s černým tělesem při 20 000 K.[9] Výhodou takto vyrobeného blesku je, že je snadno reprodukovatelný s malými odchylkami v intenzitě. Lineární povaha drátu umožňuje specificky tvarované a šikmé světelné záblesky a lze použít různé typy vodičů k výrobě různých barev světla.[10] Světelný zdroj lze použít v interferometrie, blesková fotolýza, kvantitativní spektroskopie, a vysokorychlostní fotografie.

Výroba nanočástic

Nanočástice jsou vytvářeny EWM, když okolní plyn systému ochlazuje nedávno vyrobený parní kov.[11] EWM lze použít k levné a efektivní produkci nanočástic rychlostí 50 - 300 gramů za hodinu a při čistotě nad 99%.[6][5] Proces vyžaduje relativně nízkou spotřebu energie, protože při přeměně elektrické na tepelnou energii se ztrácí málo energie. Účinky na životní prostředí jsou minimální kvůli procesu probíhajícímu v uzavřeném systému. Částice mohou být malé až 10 nm, ale nejčastěji mají průměr pod 100 nm. Fyzikální vlastnosti nanoprášku lze změnit v závislosti na parametrech exploze. Například, jak se zvyšuje napětí kondenzátoru, zmenšuje se průměr částic. Tlak prostředí plynu může také změnit disperzivitu nanočástic.[6] Takovými manipulacemi může být změněna funkčnost nanoprášku.

Když se EWM provádí ve standardní atmosféře obsahující kyslík, vznikají oxidy kovů. Čisté kovové nanočástice lze také vyrobit pomocí EWM v inertním prostředí, obvykle v plynném argonu nebo v destilované vodě.[12] Nanoprášky z čistého kovu musí být uchovávány v inertním prostředí, protože se vznítí při působení kyslíku ve vzduchu.[5] Kovové páry jsou často zadržovány ovládáním mechanismu v ocelové krabici nebo podobné nádobě.

Nanočástice jsou relativně novým materiálem používaným v medicíně, výrobě, čištění životního prostředí a v obvodech. Používá se oxid kovu a nanočástice čistého kovu Katalýza, senzory, kyslíkový antioxident, samoopravný kov, keramika, UV paprsek ochrana, ochrana proti zápachu, vylepšené baterie, tisknutelné obvody, optoelektronické materiály, a Sanace životního prostředí.[13][14] Poptávka po nanočásticích kovů, a tedy i výrobních metodách, se zvyšovala s tím, jak stále roste zájem o nanotechnologie. Přes jeho ohromnou jednoduchost a účinnost je obtížné upravit experimentální zařízení, které má být použito v průmyslovém měřítku. Jako takový EWM nezaznamenal široké využití v průmyslu výroby materiálů kvůli problémům s výrobním množstvím.

Reference

  1. ^ Dibner, [autor] Herbert W. Meyer. Předmluva Bern (1972). Historie elektřiny a magnetismu. Norwalk, Conn .: Burndy Library. str. 32. ISBN  026213070X.
  2. ^ Holcombe, J. A.; Sacks, R.D. (16. března 1973). "Explodující drátová excitace pro stopovou analýzu Hg, Cd, Pb a Ni pomocí elektrolytického předkoncentrování" (PDF). Spectrochimica Acta. 22B (12): 451–467. Bibcode:1973AcSpe..28..451H. doi:10.1016/0584-8547(73)80051-5. hdl:2027.42/33764. Citováno 2. listopadu 2014.
  3. ^ A b C McGrath, J. R. (květen 1966). „Exploding Wire Research 1774–1963“. Zpráva o memorandu NRL: 17. Citováno 24. října 2014.
  4. ^ Hansen, Stephen (2011). Principy, přístroje a experimenty s explodujícími dráty (PDF). Bell Jar. Citováno 24. října 2014.
  5. ^ A b C Kotov, Yu (2003). „Elektrická exploze drátů jako metoda přípravy nanoprášků“ (PDF). Journal of Nanoparticle Research. 5 (5/6): 539–550. Bibcode:2003JNR ..... 5..539K. doi:10.1023 / B: NANO.0000006069.45073.0b. S2CID  135540834. Archivovány od originál (PDF) dne 2014-12-15.
  6. ^ A b C Nazatenko, O (16. září 2007). „Nanoprášky vyrobené elektrickým výbuchem drátů“ (PDF). Katedra exologie Tomsk Polytechnic University. Archivovány od originál (PDF) dne 29. listopadu 2014. Citováno 6. listopadu 2014.
  7. ^ Cooper, Paul W. (1996). "Vybuchující rozbušky můstkového drátu". Inženýrství výbušnin. Wiley-VCH. str. 353–367. ISBN  0-471-18636-8.
  8. ^ Conn, William (28. října 1949). „Použití„ explodujících drátů “jako světelného zdroje velmi vysoké intenzity a krátké doby trvání“. Journal of the Optical Society of America. 41 (7): 445–9. doi:10,1364 / josa.41.000445. PMID  14851124. Citováno 30. října 2014.
  9. ^ Anderson, J.A. (22. května 1922). „Spektrální distribuce energie a opacita výparů z drátu“. Mount Wilson Observatory, Carnegie Institution of Washington. 8 (7): 231–232. Bibcode:1922PNAS .... 8..231A. doi:10.1073 / pnas.8.7.231. PMC  1085099. PMID  16586882.
  10. ^ Oster, Gisela K .; Marcus, R. A. (1957). „Explodující drát jako zdroj světla při bleskové fotolýze“ (PDF). The Journal of Chemical Physics. 27 (1): 189. Bibcode:1957JChPh..27..189O. doi:10.1063/1.1743665.
  11. ^ Mathur, Sanjay; Sing, Mrityunjay (2010). „Nanostrukturované materiály a nanotechologie III“. Keramické inženýrství a vědecké sborníky. 30 (7): 92. ISBN  9780470584361.
  12. ^ Alqudami, Abdullah (2006). „Fluorescence z kovového stříbra a nanočástic železa připravených explozivní drátovou technikou“ (PDF). DPT. Fyziky a astrofyziky v Dillí: 15. arXiv:cond-mat / 0609369. Bibcode:2006.mat ...9369A. Citováno 2. listopadu 2014.
  13. ^ Boysen, hrabě. "Aplikace a použití nanočástic". porozumění. Citováno 2. listopadu 2014.
  14. ^ Oskam, Gerko (24. února 2006). "Nanočástice oxidu kovu: syntéza, charakterizace a aplikace". Journal of Sol-Gel Science and Technology. 37 (3): 161–164. doi:10.1007 / s10971-005-6621-2. S2CID  98446250.

externí odkazy