ЖЭТФ, 2019, том 155, вып. 6, стр. 1115-1122

ИССЛЕДОВАНИЕ РАННЕЙ СТАДИИ ВЗРЫВА ТОНКИХ

ПЛОСКИХ ФОЛЬГ В СИЛЬНОТОЧНОМ ДИОДЕ

С ТОКОМ 40-80 кА

И. Н. Тиликин^*, Т. А. Шелковенко, А. Р. Мингалеев, В. М. Романова, С. А. Пикуз

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

119991, Москва, Россия

Поступила в редакцию 9 августа 2018 г.,

после переработки 11 января 2019 г.

Принята к публикации 15 января 2019 г.

Представлены результаты исследования начальной стадии наносекундного взрыва плоских фольг тол-

щиной 1-15 мкм в диоде с током 40-80 кА. Методом проекционной рентгенографии получены изобра-

жения взорванных фольг с пространственным разрешением 3-4 мкм в мягком рентгеновском излучении

(E = 2.5-5 кэВ) гибридного X-пинча и временным разрешением лучше 0.1 нс. Полоски из фольги ши-

риной 0.3-2 мм и длиной 0.5-7 мм включались в цепь обратного тока диода сильноточного генератора

БИН с амплитудой тока 270 кА и временем его нарастания 100 нс, основной нагрузкой которого являлся

X-пинч. Эксперименты показали, что в фольге образуются мелкомасштабные структуры, форма и раз-

мер которых зависят от материала фольги, плотности и распределения тока через нее. Обсуждаются

возможные сценарии образования наблюдавшихся структур.

DOI: 10.1134/S0044451019060166

переходов и сопутствующей им трансформации ве-

щества имеют объемный характер, а само вещество

является труднодоступным для имеющихся диагно-

1. ВВЕДЕНИЕ

стик, так как оно не прозрачно для зондирующе-

Электровзрыв проводников используется при со-

го излучения. При этом такое излучение должно

здании, исследовании и использовании большого ко-

иметь чрезвычайно высокое пространственное (на

личества научных и технологических процессов и

уровне единиц микрометров) и временное (порядка

устройств от электрических предохранителей, раз-

наносекунды) разрешение. Одной из возможностей

мыкателей и детонаторов [1,2] до генераторов сверх-

упростить задачу является использование в иссле-

мощных импульсов рентгеновского излучения [3] и

дованиях тонких фольг при условии, что толщина

производства нанопорошков [4, 5]. Несмотря на то

скин-слоя сравнима с толщиной фольги, а материал

что исследования в этой области ведутся уже мно-

фольги хотя бы частично прозрачен для зондирую-

го десятилетий, некоторые аспекты явлений, связан-

щего излучения.

ные со взрывом вещества под действием электриче-

Для лазерного излучения, в котором требуемые

ского тока, остаются невыясненными. Особенно это

относится к начальной фазе процесса при «быст-

значения пространственного и временного разреше-

ния в принципе достижимы, фольга, по крайней ме-

рых», субмикросекундных и наносекундных, взры-

вах, а именно такие взрывы являются основой со-

ре в исходном состоянии, непрозрачна. Поэтому хо-

рошо разработанные лазерные методы для иссле-

временных технологий создания ультрадисперсных

дований трансформаций структуры фольги в на-

материалов и исследований по управляемому тер-

моядерному синтезу при сжатии лайнеров с замаг-

чальной фазе процесса неприменимы. Использова-

ние «традиционного» рентгеновского излучения с

ниченной плазмой [6,7]. Трудности с исследованием

начальной фазы электровзрыва проводников связа-

жесткостью более 10-15 кэВ, получаемого в рент-

геновских трубках, несмотря на его высокую про-

ны, главным образом, с тем, что процессы фазовых

никающую способность, также встречает серьезные

^* E-mail: ivan.tilikin@gmail.com

трудности. Во-первых, для достижения приемлемо-

1115

И. Н. Тиликин, Т. А. Шелковенко, А. Р. Мингалеев и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

го пространственного разрешения необходимо ис-

лее удобным объектом для исследований. Микрон-

пользовать контактный метод, т.е. помещать при-

ной толщины фольги шириной от долей миллимет-

емник излучения непосредственно за исследуемым

ра до нескольких миллиметров и длиной до десятков

объектом, что практически невозможно при иссле-

миллиметров в некотором приближении можно счи-

довании взрывных процессов. Во-вторых, заметный

тать двумерным объектом. В таком объекте преоб-

контраст изображений может быть получен толь-

разования при электровзрыве видны на его поверх-

ко для материалов с большим зарядом ядра (тан-

ности или над ней, которая уже является большим

тал, вольфрам, золото, свинец) из-за малой толщи-

одномерным объектом, удобным для изучения даже

ны образцов. В-третьих, очень трудно достичь на-

на начальной стадии электровзрыва. В эксперимен-

носекундного временного разрешения.

тах используются фольги из алюминия и меди, для

Очень продуктивным для исследования различ-

которых оценка толщины скин-слоя составляет со-

ных физических объектов и быстропротекающих

ответственно 26 и 21 мкм для тока со временем его

процессов в них оказалось использование мягкого

нарастания 100 нс. Это говорит о том, что в экспе-

рентгеновского излучения горячей точки X-пинчей

риментах с фольгами толщиной до 15 мкм ток про-

[8-10]. В исследованиях врывающихся проволочек

текает по всей толщине фольги. Для такого объекта

были достигнуты рекордные значения по чувстви-

подходят диагностики, использующие для визуали-

тельности, пространственному и временному разре-

зации трансформации объекта излучение от опти-

шениям и получены изображения чрезвычайно вы-

ческого до рентгеновского диапазона, например, ла-

сокого качества. Именно этот метод был использо-

зерные диагностики в оптическом диапазоне и про-

ван в настоящей работе для исследования взрыва-

екционная рентгенография в мягком рентгеновском

ющихся фольг на начальной стадии разряда, когда

диапазоне. К тому же самосвечение фольги на на-

становится наблюдаемым изменение структуры ма-

чальной стадии взрыва в оптическом и УФ-диапа-

териала.

зонах и его динамика дают косвенную информацию

Первоначальной мотивацией представленных

о распределении тока по объекту, что совершенно

исследований было наблюдение мелкомасштабной

невозможно исследовать в случае взрыва проволо-

структуры, образующейся при взрыве алюми-

чек.

ниевого лайнера толщиной

мкм и диаметром

В статье приведены экспериментальные данные,

4 мм на установке COBRA (Cornell beam research

полученные при исследовании ранней стадии взры-

accelerator) с разрядным током 1.2 МА и временем

ва тонких плоских фольг, помещенных в цепь об-

его нарастания 100 нс [11] в экспериментах, прово-

ратного тока генератора БИН.

димых в рамках программы MAGLIF (magnetized

liner inertial fusion) [6, 7]. Специально выполненные

эксперименты на установке БИН по взрыву плоских

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И

фольг той же толщины и из того же материала [12]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

показали, что при плотностях тока, сопоставимых с

плотностью тока через лайнер, в фольге образуются

Начальная стадия электровзрыва плоских фольг

весьма близкие по характеру распределения мате-

была исследована на генераторе БИН

(250

кА,

риала структуры. Значительно меньшая стоимость

100 нс, 300 кВ). В качестве нагрузки генератора ис-

экспериментов на установке БИН по сравнению с

пользовался гибридный X-пинч (ГХП) [13], а в цепь

установкой COBRA позволила провести существен-

обратного тока, вместо одного из стержней устанав-

но более детальные исследования взрыва фольг

ливается исследуемая фольга. На рис. 1 приведе-

и установить зависимости характера взрыва от

на схема нагрузки генератора БИН. ГХП в каче-

условий эксперимента.

стве основной нагрузки генератора является точеч-

Более того, переход от исследований цилиндри-

ным источником мягкого рентгеновского излучения

ческой геометрии (взрывающиеся проволочки) к

(МРИ), с помощью которого получается рентгено-

плоской геометрии (взрывающиеся фольги) позво-

грамма исследуемой фольги [8, 9]. Фольга в первых

лили изучать эволюцию структуры вещества при

экспериментах приклеивалась проводящим клеем, а

электрическом взрыве, не наблюдавшуюся ранее

в последующих припаивалась к электродам для луч-

при взрыве проволочек.

шего контакта с поверхностью, расположенной пер-

С точки зрения исследования начальной стадии

пендикулярно излучению [14]. Проекционная рент-

трансформации металла, тонкие фольги, толщиной

генография является основной диагностикой, ис-

от долей микрона до десятков микрон, являются бо-

пользуемой в данных экспериментах.

1116

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

Исследование ранней стадии взрыва. ..

произошел около 30-й нс (резкий спад напряжения).

Одним из первых встал вопрос о том, какая

структура появляется в начальные моменты време-

ни, а какая образуется в результате дальнейшего на-

грева и расширения вещества. Исследование взры-

вающейся фольги в цепи обратного тока ограничи-

вает возможности получения изображения взрыва

фольги в широких временных пределах из-за невоз-

можности изменять время образования горячей точ-

ки ГХП в таких пределах. Однако это не мешает из-

менять ток, протекающий через фольгу, тем самым

Рис. 1. Схема нагрузки генератора БИН для исследования

изменяя количество энергии, вкладываемой в фоль-

взрыва тонкой фольги 2, помещенной в цепь обратного то-

гу. Для определения зависимости структуры взрыва

ка вместо одного из стержней 3, с помощью МРИ от ГХП 1

фольги от плотности тока, а следовательно, и коли-

чества энергии, вложенной до момента пробоя, мож-

но использовать фольгу, имеющую разную ширину

Для определения тока, протекающего через

на разных участках. Тем самым можно на одном

фольгу, применялся калиброванный пояс Роговс-

изображении наблюдать участки с различной вло-

кого, установленный на электроде, к которому

женной энергией. Такое сравнение будет справедли-

прикреплялась фольга. Напряжение измерялось с

во, так как до момента пробоя ток протекает только

помощью резистивного делителя, установленного

по самой фольге, а значит, в более широкой части

непосредственно около места крепления фольги

фольги плотность тока меньше. При одинаковой на-

к катоду. К сожалению, в данных экспериментах

чальной толщине фольги это сравнение будет вер-

трудно вычесть индуктивную составляющую на-

ным, несмотря на то, что толщина не может быть

пряжения и убрать все наводки, поскольку две

точно определена к моменту получения изображе-

цепи (основная и цепь обратного тока) находятся

ния из-за расширения керна фольги [14].

слишком близко друг к другу, поэтому на данном

На рис.

приведено изображение взрыва

этапе трудно судить о резистивном напряжении на

Al-фольги толщиной 4 мкм и шириной 1.5 мм около

фольге. В настоящее время мы измеряем ток через

электродов и около 0.7 мм в центре. Длина фольги

фольгу, который может изменяться в диапазоне

3.6 мм. В результате взрыва X-пинча образовались

40-80 кА при постоянной скорости нарастания

две вспышки МРИ. В результате наблюдались два

100

нс. Так как фольгу устанавливают в цепи

частично наложенных изображения сравнимого

обратного тока, а параллельно ей помещают допол-

качества (по интенсивности, фоновому излуче-

нительные стержни, по которым также протекает

нию, пространственному разрешению). Этот факт

ток, то, изменяя их количество, можно изменять

позволяет проследить динамику взрыва фольги.

ток, текущий через фольгу. При этом на макси-

Вспышки произошли в различные моменты вре-

мальное значение тока также влияют размер и

мени: через 78 и 90 нс после начала протекания

материал фольги. Излучение ГХП регистрирова-

тока. По развитию разрывов на фольге можно

лось алмазными датчиками с фотопроводимостью

определить, какому времени соответствует каждое

(ФПД).

изображение. На рис. 3а отмечены контуры фольги,

Зарегистрированные в выстреле сигналы, изоб-

соответствующие двум временным кадрам: первый

ражения которых показаны на рис. 3, приведены

кадр обведен белой линией, второй — черной. Ток,

на рис. 2. В данном выстреле в X-пинче образова-

протекающий через фольгу, нарастал и в моменты

лись две горячие точки примерно одинаковой интен-

вспышек МРИ составлял соответственно 41 и 44 кА.

сивности, поэтому были зарегистрированы два пика

На рис. 3г и рис. 3д приведены рентгенограммы

на сигнале ФПД. Видно, что максимум тока через

края фольги в разные моменты времени. На рисун-

фольгу составляет около 55 кА. Изображения фоль-

ках видно, что на краях широких частей фольги

ги получены через 78 и 90 нс от начала протекания

возникают неоднородности, на месте которых затем

тока. Ток к этим моментам времени составлял со-

появляются разрывы. Возможно, эти неоднородно-

ответственно 41 и 44 кА. На рис. 2 также приведен

сти — это очень узкие разрывы, но мы не можем их

сигнал с делителя напряжения, по форме которого

увидеть из-за явления фазового контраста [15]. В то

можно сделать предположение, что пробой фольги

же время в более узкой части фольги, где плотность

1117

И. Н. Тиликин, Т. А. Шелковенко, А. Р. Мингалеев и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

Ток, кА

250

200

150

100

-50

-5

100

120

140

Время, нс

Рис. 2. Характерные сигналы, регистрируемые на генераторе БИН, при взрыве Al-фольги толщиной 4 мкм в обратном

токопроводе: 1 — ток через ГХП; 2 — ток через фольгу; 3 — напряжение на фольге; 4 — сигнал ФПД, регистрирующий

момент времени получения изображения фольги, количество вспышек и интенсивность МРИ

фазового контраста края разрывов видны очень

четко. На рис. 3 представлены два изображения, и

мы можем оценить скорость расширения разрыва

уже после пробоя поверхности фольги. Увеличение

длины разрыва (отмеченного звездочкой на рисун-

ке) составило около 90 мкм за время 12 нс. Таким

образом, скорость развития разрыва составляет

около 7.5 км/с. Эта скорость сравнима со скоростью

звука в Al, которая составляет 6.4 км/с.

На рис. 3 видно, что разрывы возникают перпен-

дикулярно направлению тока. Для подтверждения

данного предположения были проведены экспери-

менты с фольгами различных форм. На рис. 4 пред-

ставлены изображения Al-фольги толщиной 4 мкм,

которая сужена в центре (рис. 4а), фольги с уши-

рением в центре (рис. 4б) и фольги, вырезанной в

форме буквы V (рис. 4в).

Если фольга имеет сужение или уширение, то

Рис.

3. Рентгенограмма взрыва Al-фольги толщиной

распределение тока изменяется. Разрывы при этом

4 мкм, полученная в излучении ГХП с Мо-проволочкой

также возникают перпендикулярно краю фольги, а

диаметром 25 мкм: а — два изображения, полученные на

78 нс (белый контур) и 90 нс (черный контур); протекаю-

значит, и перпендикулярно направлению тока. Ана-

щий ток составлял соответственно 41 кА и 44 кА. Приведе-

логичное поведение наблюдается и в более сложном

ны увеличенные фрагменты кадров с белым контуром (б,г)

случае, когда фольга имеет вид буквы V. В данном

и с черным контуром (в,д). На рисунке отмечены электро-

случае у фольги есть участки, где ток движется под

ды: А — анод; К — катод; звездочками показаны разрывы,

углом к промежутку катод-анод, при этом разрывы

длины которых измерялись

также повторяют это направление, оставаясь пер-

пендикулярными направлению тока. Эти наблюде-

ния позволяют сделать вывод о том, что образова-

тока к моменту пробоя была в два раза выше (так

ние разрывов связано с протеканием тока, и они воз-

как ширина в два раза меньше), уже наблюдается

никают под его воздействием.

большое число разрывов большой длины и уве-

На приведенных выше рис. 3 и 4 наблюдаются

личивающейся ширины. При этом из-за явления

лишь разрывы, перпендикулярные току. При этом

1118

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

Исследование ранней стадии взрыва. ..

Рис. 5. Изображения взрыва Al-фольги толщиной 4 мкм и

шириной 1.8 мм (а) и 1.2 мм (б), полученные соответствен-

но на 40 нс и 45 нс: 1 — разрывы; 2 — пузырьки (по всей

длине фольги в центре). На рисунке отмечены электроды:

А — анод; К — катод

соким сопротивлением, в которые происходит боль-

ший вклад энергии, что приводит к дальнейшему

росту сопротивления. Таким образом, длина тако-

го участка растет в направлении, перпендикуляр-

ном направлению тока, поскольку ток начинает об-

текать данный участок перпендикулярно основному

направлению тока [16,17], что приводит к образова-

нию длинных структур, перпендикулярных направ-

лению тока. Подобное явление было зарегистриро-

вано в экспериментах по исследованию нестабильно-

стей в стержне с током [17], а распределение плотно-

сти тока в направлении, перпендикулярном направ-

лению тока, найдено путем расчета [16].

Далее проведено сравнение взрыва Al-фольг тол-

Рис. 4. Изображения процесса взрыва Al-фольги толщи-

ной 4 мкм различной формы, полученные на 82 нс (а),

щиной 4 мкм при различной ширине фольги. На

80 нс (б), 65 нс (в) от начала протекания тока, который

рис. 5 дано изображение взрыва фольги из Al ши-

составлял к моменту получения изображения 52 кА (а),

риной 1.8 мм (рис. 5а) и 1.2 мм (рис. 5б). Пробой

72 кА (б), 48 кА (в). На рисунке отмечены электроды: А —

по поверхности фольг происходил приблизительно

анод; К — катод

на 28 нс, при этом ток составлял соответственно

40 кА и 41 кА. Изображения получены на 40 и 45 нс.

Несмотря на то что фольги имеют разную шири-

видно, что на некоторых участках фольги разры-

ну, ток к моменту пробоя оказался приблизительно

вы только зарождаются, никаких других структур

одинаковым. Тем самым к моменту пробоя фольги

не наблюдается. Таким образом, можно сделать од-

шириной 1.2 мм (рис. 5б) линейная плотность тока

нозначный вывод о том, что разрывы являются на-

была в 1.5 раза выше по сравнению с плотностью то-

чальной стадией взрыва фольги.

ка, необходимой для пробоя фольги шириной 1.8 мм

Из динамики образования и развития разры-

(рис. 5а). На рис. 5б видно, что начинается закипа-

вов видно, что в металле существуют произволь-

ние расплавленного материала с образованием «пу-

но расположенные небольшие участки с более вы-

зырей» (область в центре фольги, отмеченная циф-

1119

И. Н. Тиликин, Т. А. Шелковенко, А. Р. Мингалеев и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

В экспериментах исследовалась не только алю-

миниевая фольга, но и медная. Чтобы добиться об-

разования пузырьков, была использована медная

фольга толщиной 1 мкм. На рис. 6а приведено изоб-

ражение взрыва медной фольги толщиной 1 мкм и

шириной 1.1 мм, полученное на 62 нс. При этом ток

Пузыри

составлял 72 кА. На рис. 6б показано изображение

взрыва фольги с уширением с одной стороны: ши-

рина фольги изменяется от 2 до 4 мм. Изображение

получено на 50 нс, при этом ток составлял 78 кА.

При взрыве медной фольги толщиной 1 мкм наибо-

лее часто наблюдалось образование пузырей. Раз-

рывы видно лишь по краям фольги, при этом без

четких границ. Возможно, это вызвано тем, что при

большой плотности тока за счет меньших размеров

фольги взрыв медной фольги протекает быстрее, и

Рис. 6. Рентгенограммы взрыва медных фольг толщиной

нам не удается зарегистрировать процесс образова-

1 мкм, имеющих разный профиль, полученные на 62 нс

ния разрывов и начало образования пузырей.

(а) и 50 нс (б) от начала протекания тока. На рисунке от-

мечены электроды: А — анод; К — катод

Однако на рис. 6б видно, что при большей ли-

нейной плотности тока у более узкого края фольги

рой 2), что является продолжением процесса взрыва

наблюдается большее число пузырей, в то время как

фольги. Такой вывод можно сделать на основании

у широкого края пузыри только начинают образо-

того факта, что на рис. 5а, когда плотность тока

вываться. Нечеткие разрывы наблюдаются на краю

меньше, наблюдаются только разрывы, а на рис. 5б,

фольги по всей ее длине. После момента пробоя об-

когда плотность тока, а следовательно, и вложенная

разуется корона [14], на которую должен переклю-

энергия выше, на крае фольги наблюдаются разры-

читься ток, и вклад энергии в керн должен прекра-

вы, а в центре фольги — пузыри.

титься.

Наличие пузырей говорит о том, что наблюда-

В наших экспериментах наблюдались зависимос-

ется начало процесса кипения вещества. Предполо-

ти стадии взрыва от линейной плотности тока на

жить появление пузырей, не вызванное кипением,

разных участках фольги, а также от момента вре-

сложно. В образованиях, названных пузырями (см.

мени, в который получено изображение, если заре-

рис. 6), поглощение рентгеновского излучения зна-

гистрировано несколько изображений в одном вы-

чительно меньше, чем в окружающем их материа-

стреле. Возможно, что, в отличие от взрыва прово-

ле фольги. При этом границы пузырей видны четко

лочек, при взрыве фольг весь ток не уходит в коро-

(см. увеличенный фрагмент рис. 6а) из-за явления

ну при пробое поверхности, по крайней мере, в экс-

фазового контраста. Без фазового контраста пузы-

периментах с токами в десятки килоампер. Пробой

ри трудно было бы четко зафиксировать. Наличие

происходит по краям фольги и затем распространя-

фазового контраста свидетельствует о том, что ис-

ется к центру. Об этом свидетельствует то, что об-

точник излучения имел размер около 1 мкм [15]. На-

разование разрывов начинает зарождаться на кра-

личие пузырей также описано в других работах [18].

ях фольги, затем распространяется к центру. Спу-

На рис. 5б разрывы поверхности видны не очень

стя какое-то время ток переключается на централь-

отчетливо, особенно ближе к центру. Вероятно, рас-

ную область фольги, в которой происходит актив-

плавленный металл выравнивает поверхность фоль-

ное образование пузырей. При этом ток продолжает

ги, а плазма короны взорванной фольги может ча-

протекать по фольге, и чем дальше участок фольги

стично закрывать отдельные детали на поверхно-

от края, тем больше энергии в него вкладывается.

сти керна фольги [14]. Из приведенных в работе [16]

Таким образом, из экспериментальных результатов

расчетов и полученных экспериментальных данных

можно сделать вывод, что если разрывы образуются

можно считать, что разрывы с большой вероятнос-

около края фольги и распространяются к ее центру,

тью представляют собой разрушение поверхности

то пузыри, наоборот, начинают зарождаться в цен-

фольги и сохраняются вплоть до начала кипения

тре, а далее распространяются на периферию. Раз-

материала. Данные результаты были подтверждены

мер пузырей изменяется от 4-6 мкм до 20-40 мкм в

многократным повторением данного эксперимента.

зависимости от времени и материала фольги.

1120

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

Исследование ранней стадии взрыва. ..

ностью тока около катода, при этом в середине плот-

ность тока была еще в 4 раза больше относительно

анодной части. На рис. 7 видны различия в состо-

янии фольги. На анодной части происходит образо-

вание и рост разрывов, а у катода разрывы только

начинают образовываться, тогда как в центральной

части, шириной 0.3 мм, фольга взрывается, прак-

тически как проволочка. На узком участке фольги

наблюдается образование страт, как и на поздней

стадии взрыва проволочек [19]. Стадии образования

разрывов и пузырей при такой плотности тока фоль-

га проходит намного быстрее, или, возможно, неко-

торые стадии такая фольга не проходит совсем.

В дальнейшем нужны более подробные исследо-

вания каждой стадии взрыва фольг с измерением

вклада энергии в фольгу.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В приведенных экспериментах удалось визуали-

зировать начальную стадию взрыва фольг при раз-

Рис. 7. Изображения взрыва Al-фольги толщиной 15 мкм

ных токах и показать наличие нескольких стадий,

различной формы: а — прямой; б — со значительным

которые проходит фольга при протекании тока. За

сужением в центре. Оба изображения зарегистрированы

счет разного вклада энергии и невозможности точно

на 85 нс от начала протекания тока. А — анод; К — катод

настраивать момент времени, в который будет полу-

чено изображение, не всегда удается наблюдать все

стадии взрыва фольги. Вероятно, что при увеличе-

нии вклада энергии некоторые стадии не происхо-

Если в экспериментах использовать более тол-

дят. Это может быть обусловлено тем, что вклад

стую фольгу, тем самым уменьшая плотность про-

энергии в фольгу продолжается только до момента

текающего тока, то удается наблюдать аналогич-

пробоя, после которого ток переключается на окру-

ные структуры, однако их образование происходит

жающую корону.

менее интенсивно. На рис. 7а приведено изображе-

ние взрыва Al-фольги толщиной 15 мкм и шириной

Экспериментально показано, что взрыв фольги

1.1 мм. При этом протекающий ток составлял 42 кА.

начинается с образования разрывов, вытянутых в

На рисунке видно, что разрывы образуются, но их

направлении, перпендикулярном направлению тока.

количество и ширина значительно меньше, чем в

Разрывы появляются на краю фольги и представ-

случае более тонкой фольги.

ляют собой разрушение ее поверхности. Со време-

нем длина и ширина разрывов начинают увеличи-

Однако если взять более узкую фольгу или сде-

ваться. При этом количество таких разрывов также

лать сужение фольги в центре, как на рис. 7б, то

растет. Это приводит к тому, что они покрывают

удается наблюдать принципиально другое поведе-

всю поверхность фольги, после чего в центре начи-

ние. На рис. 7б приведено изображение фольги тол-

нают образовываться пузыри небольшого размера.

щиной 15 мкм и шириной 1.2 мм со стороны ано-

Это говорит о начале процесса закипания фольги.

да и 2 мм со стороны катода, имеющей в середине

При этом на краях фольги все еще наблюдаются

сужение шириной около 300 мкм. Ток через фольгу

разрывы. Таким образом, закипание вещества на-

в данном эксперименте составлял около 70 кА. При

чинается с центра фольги. Вероятнее всего это про-

этом оба изображения (рис. 7а и рис. 7б) получены

исходит из-за того, что пробой начинается с края

на 85 нс от начала протекания тока.

фольги, таким образом, вклад энергии в централь-

ную область оказывается больше. Со временем уве-

Таким образом, за счет сужения плотность тока

личиваются размер и количество пузырей.

у анода была выше в 1.6 раза по сравнению с плот-

1121

ЖЭТФ, вып. 6

И. Н. Тиликин, Т. А. Шелковенко, А. Р. Мингалеев и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 6, 2019

Финансирование. Работа выполнена при под-

9. Т. А. Шелковенко, С. А. Пикуз, Д. А. Хаммер, Фи-

держке Российского фонда фундаментальных ис-

зика плазмы 42, 234 (2016).

следований (грант № 18-02-00631).

10. М. А. Блохина, Рентгеновские лучи, Изд-во

иностр. лит., Москва (1960).

ЛИТЕРАТУРА

11. L. Atoyan, T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz et al., Rev.

Sci. Instr. 88, 113502 (2017).

1. Q. C. Chen, Q. B. Fu, L. Chen et al., Propellants,

Explos., Pyrotech. 39, 558 (2014).

12. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. N. Tilikin et al.,

IEEE Trans. Plasma Sci. 6, 3741 (2018).

2. J. A. Waschl and D. J. Hatt, Int. J. Impact Eng. 14,

785 (1993).

13. С. А. Пикуз, Т. А. Шелковенко, Д. А. Хаммер, Фи-

зика плазмы 41, 319 (2015).

3. M. K. Matzen, Phys. Plasmas 4, 1519 (1997).

14. T. A. Shelkovenko, S. A. Pikuz, I. N. Tilikin et al.,

4. Г. П. Глазунов, В. П. Канцзедал, Л. А. Комиенко и

Plasma Phys. Rep. 44, 236 (2018).

др., в сб. Вопросы атомной науки и техники: ма-

териаловедение и новые материалы, вып. 1 (1978),

15. B. M. Song, S. A. Pikuz, and T. A. Shelkovenko,

с. 21.

Appl. Opt. 44, 2349 (2005).

5. A. Sahaia, N. Goswami, M. Mishra et al., Ceramics

16. J. D. Pecover and J. P. Chittenden, Phys. Plasma 22,

Intern. 44, I. 2, 2478 (2018).

102701 (2015).

6. R. D. McBride, S. A. Slutz, C. A. Jennings et al.,

17. T. J. Awe, E. P. Yu, K. C. Yates et al., IEEE Trans.

Phys. Rev. Lett. 109, 135004 (2012).

Plasma Sci. 45, 584 (2017).

7. T. J. Awe, R. D. McBride, C. A. Jennings et al., Phys.

18. A. Zhigalin, A. Rousskikh, V. Oreshkin et al., J.

Rev. Lett. 111, 235005 (2013).

Phys.: Conf. Ser. 552, 012027 (2014).

8. С. А. Пикуз, Т. А. Шелковенко, Д. А. Хаммер, Фи-

19. В. М. Романова, Г. В. Иваненков, А. Р. Мингалеев

зика плазмы 41, 483 (2015).

и др., Физика плазмы 41, 671 (2015).

1122