Схема эксперимента, диагностика, результаты эксперимента.

Экспериментальное обнаружение "странного" излучения и трансформации химических элементов.

Уруцкоев Л. И., Ликсонов В. И., "РЭКОМ" РНЦ "Курчатовский институт" Москва, ул. Щукинская 12-1 Тел.196-90-90, факс196-16-35,E-mail: [email protected]

Циноев В. Г. РНЦ "Курчатовский институт" 123182, Москва, площадь Курчатова, д.1, тел.196-73-65

Аннотация

В работе описаны эксперименты по исследованию электрического взрыва фольг из особо чистых материалов в воде. Обнаружено появление новых химических элементов, которые детектируются как спектрометрическими измерениями в процессе разряда, так и масс-спектрометрическими анализами осадков, оставшихся после разряда. Зарегистрировано "странное" излучение, которым сопровождается трансформация химических элементов. Высказана гипотеза о наличии магнитного заряда у частиц, составляющих "странное" излучение.

Введение

Физике электровзрыва проволочек в воде посвящено большое количество работ, написано много обзоров и монографий [1-3]. Интерес к электровзрыву проволочек в воде обусловлен в первую очередь возможностью использования этого явления в многочисленных прикладных задачах. Одной из таких задач является дробление бетонных фундаментов. Как правило, используемые для этого установки, выполненные на базе относительно низковольтных конденсаторных батарей (U~5кВ) большой емкости, для получения требуемого энергозапаса в несколько десятков килоджоулей. Характерные времена разряда таких батарей составляют несколько сотен микросекунд. Обычно электроразряды осуществляются в узких (d~20мм) шурфах, заполненных жидкостью, а инициирование осуществляется с помощью взрывающихся проволочек.

Особенность такой схемы электровзрыва состоит в том, что в замкнутом объеме на образующийся плазменный канал действуют отраженные волны. Это в свою очередь вызывает резкое торможение движения его границы, расширение канала прекращается и давление на поверхность значительно возрастает. При этом в канале могут быть достигнуты давления, превышающие давление на фронте ударной волны.

Дополнительная возможность увеличения энерговклада в канал может быть достигнута за счет инициирования разрядов проволочками из материалов, реакция которых с окружающей жидкостью обладает большим тепловым эффектом. Такими материалами являются титан, цирконий, бериллий. Исследованию этой возможности были посвящены как самые ранние [1-4], так и более поздние работы [5].

Настоящая работа первоначально была посвящена исследованию эффективности электровзрыва титановой фольги в воде с целью дробления бетона. В ходе экспериментов было установлено, что в результате электровзрыва бетон дробится и его осколки разлетаются со значительными скоростями. Грубая оценка кинетической энергии осколков, сделанная на основе визуальной скоростной киносъемки (скорость кинокамеры 300 кадров в секунду), составила Wкин~8кДж. При этих экспериментах энергозапас конденсаторной батареи составлял всегоWс~22кДж. Желание исследовать механизм столь эффективной трансформации энергии конденсаторной батареи в кинетическую энергию разлетающихся осколков бетона и послужило толчком для проведения экспериментов, результаты которых представлены в настоящей статье.

Схема эксперимента, диагностика, результаты эксперимента.

Схема эксперимента представлена на Рис.1.

Конденсаторная батарея разряжалась на фольгу, помещенную в воду. Энергозапас конденсаторной батареи при зарядном напряжении U~4,8кВ составлял W~50 кДж. Коммутация батареи осуществлялась разрядниками тригатронного типа [6]. До нагрузки энергия транспортировалась по кабелям 3, индуктивность которых составляла L=0,4мкГн. В качестве нагрузки служила титановая Ti фольга, которая приваривалась к титановым электродам 5 с помощью контактной электросварки. Электроды укреплялись на полиэтиленовой крышке 6, которая в свою очередь через уплотнения 7 крепилась к взрывной камере 8, изготовленной также из полиэтилена. Взрывная камера представляла собой тор, с восемью отверстиями 9, высверленными равномерно по окружности, в которые заливалась жидкость. В большинстве описываемых экспериментов в качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода. Количество нагрузок в различных экспериментах варьировалось от одной до восьми. В качестве регистраторов электрических сигналов использовались аналоговые осциллографы и быстродействующие аналогово-цифровые преобразователи, совмещенные с компьютерами. Типичные осциллограммы тока и напряжения представлены на Рис. 2.

Поскольку в описываемых экспериментах использовалось много разнообразной диагностики, то, на наш взгляд, целесообразно описывать диагностики и методики по мере изложения экспериментального материала. Во время экспериментов по изучению электровзрыва металлических фольг в воде было отмечено интенсивное свечение, возникающее над диэлектрической крышкой. На Рис.2 представлены осциллограммы сигналов с фотодиода (ФД) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ-35), которые были расположены над диэлектрической крышкой. Из осциллограмм видно, что в момент разрыва тока, который отмечается многими авторами [3], над взрывной камерой возникает свечение, длительность которого превышает длительность импульса тока более чем в 10 раз. Поскольку момент возникновения свечения совпадает со скачком напряжения (см. Рис.2), то вполне естественно попытаться объяснить возникновение свечения обычным электрическим пробоем в подводящих высоковольтных вводах. Однако, экспериментальные результаты, изложенные ниже, не могут быть объяснены только электропробоем.

Первый аргумент состоит в том, что при подаче статического напряжения U~10кВ, а именно такая амплитуда напряжения возникает в момент разрыва тока, на силовых высоковольтных вводах мы не наблюдаем электрического пробоя.

Второй аргумент связан со значительным различием длительности импульса тока Tи~0,15мс и длительности свечения Тс~5мс. Однако время рекомбинации плазмы, возникшей в воздухе, (~0,1мс, значительно меньше наблюдаемой длительности свечения, что не позволяет объяснить наблюдаемую длительность свечения электрическим пробоем во время импульса тока [7].В экспериментах исследовался спектральный состав свечения, а также динамика шароaiai плазменного образования (ШПО).

Для исследования спектрального состава излучения применялось три типа спектрографов - СТЭ-1 (4300A - 2700A), ИСП-51 (6500A - 4500A) и ДФС - 452 (4350A- 2950A), которые позволяли получать интегральный (за время одного выстрела) спектр. Для получения информации о временном ходе узкого фрагмента спектра использовались два ФЭУ-35, расположенных на высоте 1 метр над устройством установки с двумя разными интерференционными фильтрами (432нм, 457нм) (Рис.3).

Для регистрации изображения возникающего свечения применялось три методики с различным временным разрешением. Наиболее "быстрая " методика была реализована с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП) [8]. Шесть ЭОПов в кадровом режиме со временем экспозиции Тэ~130мкс и временем задержки между кадрами Тз~1мс позволяли получать 6 кадров в течение одного выстрела. ЭОПы были расположены на расстоянии 2,5 м от оси установки как показано на Рис.3. Над установкой на высоте примерно 1 метр устанавливалось зеркало под углом 45град. к вертикали, что позволяло одновременно регистрировать две проекции свечения.

Для регистрации свечения применялась также скоростная промышленная кинокамера марки "IMAGE-300", которая позволяла в цвете регистрировать 300 кадров в секунду со временем экспозиции кадра~2мс. Для синхронизации камеры были разработаны специальные кварцевые часы. Обзорные интегральные фотографии получались с помощью стандартной TV -камеры.

На Рис.4б представлена ЭОПограмма, на которой отчетливо видно, что свечение возникает в центре между электродами над диэлектрической крышкой и имеет шарообразную форму. На основании сигналов, полученных с помощью калориметров, фотодиодов и с учетом результатов спектральных измерений, была сделана оценка световой энергии, излучаемой ШПО Wсв~1кДж.

На основании результатов более чем 100 опытов типичную динамику шарообразного свечения можно описать следующими словами. В момент разрыва тока в канале над установкой появляется очень яркое диффузное свечение (Рис.4а), свечение как бы всего пространства. Затем свечение становится менее ярким и на следующем кадре уже отчетливо видно шарообразное свечение (Рис.4б). На протяжении следующих 3-4мс не наблюдается какой-либо динамики (Рис.4в, г, д.), а затем светящийся шар начинает рассыпаться на много маленьких "шариков". В ряде опытов замечено, что "шарик" сначала приподнимается на 15-30 см над поверхностью диэлектрической крышки, а затем рассыпается (Рис.4е).

Следует отметить, что характерной чертой шарового плазменного образования (ШПО) является его избирательность по отношению к земляным оплеткам силовых и диагностических кабелей. В экспериментах, когда "земли" высоковольтных кабелей не были тщательно изолированы, шаровое плазменное образование достаточно часто "замыкалось" на оплетку кабеля как видно из ЭОПограмм. Этот факт подтверждался также измерениями тока Iш - шунта, который располагался в оплетке силового кабеля. Как видно из Рис.5. в момент, когда ШПО касается оплетки кабеля, в цепи возникает ток, так называемое "эхо".

Долгоживущие плазменные образования в воздухе наблюдались в ряде экспериментов в различных лабораториях [9, 10]. Отличительной особенностью описываемого эксперимента являются спектральные измерения. И именно результаты спектральных измерений стали ключом к пониманию физики ШПО и во многом определили направления дальнейших исследований. На Рис.6 представлены фрагменты оптических спектров, полученных с помощью спектрографов, располагавшихся как показано на Рис.2. Из Рис.6 видно, что спектры имеют линейчатую структуру во всем регистрируемом диапазоне. Видно также, что помимо линейчатого спектра имеется и непрерывный спектр, особенно заметный в красной части оптического спектра.

Идентификация линейчатой части спектра привела к двум неожиданным результатам. Во-первых, не было зарегистрировано наличие азотных и кислородных линий (они очень слабо были выражены лишь в отдельных "выстрелах"), а именно эти линии всегда видны при электроразряде в воздухе. Во-вторых, обилие линий (более 1000 линий в отдельных "выстрелах"), а, соответственно, и значительное количество химических элементов, которым они соответствуют. Из анализа спектров следовало, что основу плазмы составляют Ti, Fe (наблюдаются даже самые слабые линии), Cu, Zn, Cr, Ni, Ca, Na. Если присутствие в спектре линий Cu и Zn можно объяснить скользящим разрядом по конструкционным элементам установки и подводящим силовым кабелям, то присутствие остальных элементов в плазме не поддавалось интерпретации. Изменение условий эксперимента, в частности изменение массы взрывающейся фольги, приводило лишь к перераспределению интенсивности линий спектра, элементный же его состав менялся незначительно.

Так как в экспериментах взрывались титановые фольги, то наличие спектральных линий Ti позволило сделать предположение, что часть материала фольги проникает сквозь уплотнения и оказывается над установкой. Для проверки такого предположения после очередного "выстрела" из каналов была отобрана смесь воды и фольги (в дальнейшем - "проба") и отдана на масс-спектрометрический анализ. Масс-спектрометрическому анализу была подвергнута также исходная титановая фольга. Результаты этого анализа представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что фольга состоит из 99,7% чистого титана. Изотопный анализ фольги показал, что изотопы Ti находятся в природном соотношении.

Методика исследования "проб" была следующей. "Проба" первоначально выпаривалась до сухого остатка, затем тщательно перемешивалась до однородного состояния и подвергалась масс-спектрометрическому анализу. Использовавшийся масс-спектрометр измерял массы атомов, начиная с углерода. Газы, по вполне очевидным причинам не могли быть измерены с помощью масс-спектрометра. Следует отметить, что так как масса исследуемого порошка составляла примерно 0,5 грамма, то после выпаривания легко было визуально убедиться, что "проба" имеет неоднородный состав.

Неожиданными оказались результаты масс-спектрометрических анализов "проб", типичный из которых представлен на Рис.7а. За 100% взято количество всех атомов, обнаруженных в "пробе". На Рис.7б представлена гистограмма изотопного соотношения титана, обнаруженного в этой же "пробе" и для сравнения в исходной фольге (природное соотношение). В гистограммах Рис.7б за 100% принята общая масса титана. Обращает на себя внимание тот факт, что в титане, оставшемся после "выстрела", сильно изменено изотопное соотношение. Сопоставив гистограммы, не сложно убедиться, что процент "недостачи" Тi48 Рис. 7б совпадает с процентом "недостачи" Тi на Рис.7а.

Были предприняты все меры для обеспечения "чистоты" эксперимента. Все электроды были изготовлены из титана высокой степени чистоты, в каждом "выстреле" использовались одноразовые полиэтиленовые стаканчики. Все использовавшиеся уплотнения были изготовлены также из полиэтилена. Поскольку в камере в момент "выстрела" давление повышается за счет омического нагрева и химической реакции Тi с водой, то в неё извне ничего не может попасть. Таким образом, в "пробе" должен был присутствовать только титан и, возможно, углерод. В масс-спектрах "проб" более чем 200 экспериментов так же как и в оптических спектрах были зарегистрированы линии элементов ("чужие" элементы), которых нет в исходном материале взрывающейся фольги и электродов.

Чтобы избежать возможной ошибки в измерении масс-спектров, некоторые контрольные "пробы" делились на три части и отправлялись на три различных масс-спектрометра в независимые организации. Использовались так же другие методики: электронное зондирование, рентгеноструктурный, рентгенофазовый и рентгенофлюоресцентный анализы. Результаты электронного зондирования для фрагмента одной из "проб" приведены на Рис.8. Конечно, нельзя говорить о количественном совпадении результатов, полученных этими различными методиками, но качественно все методики указывают на присутствие значительного количества "чужих" элементов.

Усредненный результат масс-спектрометрических анализов, выполненных для "проб" различных выстрелов представлен на Рис.9. Средний процент трансформации Ti составил 4%. Из сопоставления гистограмм Рис.7а и Рис.9 можно видеть, что среди "чужих" элементов появляются одни и те же химические элементы, хотя их удельный вес в масс-спектре, конечно же, разный. Эта разница удельного веса объясняется различными условиями проведения экспериментов. В экспериментах менялись следующие параметры: энерговклад в фольгу, количество каналов, масса и размеры фольги, в ряде экспериментов накладывалось внешнее магнитное поле. Таким образом, было установлено, что в опытах, где в качестве нагрузки использовалась титановая фольга, в канале появлялись одни и те же "чужие" элементы. Такой же вывод следовал из результатов спектрометрических измерений.

Как уже отмечалось выше, наблюдалась корреляция между процентным содержанием примесей в "пробе" и "перекосом" изотопного соотношения оставшегося в "пробе" титана. Во всех изотопических анализах остатков наблюдалось увеличение относительной доли изотопов Ti46, Ti47, Ti49,Ti50 и уменьшение доли изотопа Ti48. Этот экспериментальный факт позволил предположить, что вся убыль Ti происходит за счет "исчезновения" изотопа Ti48. График на Рис.10 построен в предположении, что все "исчезновение" (выгорание) Ti нагрузки происходит только за счет выгорания Ti48. На график нанесены только те опыты, где в качестве нагрузки использовалась титановая фольга. Из графика видно, что, точки попали либо на прямую у = x, либо лежат в верхней полуплоскости. Последний факт означает, что из канала установки вылетают преимущественно "чужие" элементы, что качественно согласуется со спектральными измерениями, из которых следует, что процентное содержание "чужих" элементов в плазме весьма значительно.

На Рис.11 приведена гистограмма среднего состава продуктов для экспериментов, где в качестве нагрузки служила фольга из циркония Zr. Исходная циркониевая фольга содержала 1,1% ниобия, который соответственно вычитался из состава продуктов. Из сравнения Рис.9 и Рис.11 можно легко увидеть, что различным исходным нагрузкам соответствует свой спектр получающихся химических элементов. Это утверждение справедливо для других фольг(Fe, Ni, Pb, V, Ta), на которых проводились эксперименты.

Поскольку трансформация элементов должна была бы сопровождаться каким либо радиоактивным излучением, то были предприняты интенсивные поиски (- излучения и нейтронов. Для регистрации (- излучения использовались интегральные дозиметры, рентгеновские пленки и детекторы на основе сцинтиллятора СsI и ФЭУ-30. Никакого значимого потока рентгеновского излучения ни в одном из экспериментов зарегистрировано не было. Хотя, как следовало из результатов масс-спектрометрии, количество актов трансформации составляло 1019-1020 актов за выстрел, то, очевидно, что даже один (- квант на один акт трансформации должен был бы приводить к колоссальному потоку (квантов Р~1020.

Для регистрации нейтронов нами применялись 2 детектора на основе пластикового сцинтиллятора и ФЭУ-30. Детекторы располагались на расстоянии ~0,4м, ~0,8м от оси установки. На Рис.12 представлен типичный сигнал с ФЭУ-30. длительность которого, как видно из Рис.12, составляет Т~100нc. Столь малая длительность явилась большой неожиданностью, так как импульс тока Ти~150мкс. Время задержки импульса относительно начала тока, оно составляло Тз~20мс. Для того, чтобы измерить время прихода частиц был изготовлен специальный преобразователь, который от внешнего сигнала t~10нс формировал стандартный импульс т~10мс. Таким образом, исследуемый импульс от детектора запускал осциллограф, через линию задержки подавался на вход осциллографа и уже потом на преобразователь и АЦП. Задержка по времени запуска двух осциллографов, регистрирующих сигналы от двух пластиковых детекторов, позволила измерить скорость распространения излучения. Она оказалась равной V~20-40м/сек. Столь малая скорость не позволила отнести регистрируемые сигналы к нейтронам, поскольку тогда они оказались бы ультрахолодными и не могли бы долететь до детектора и тем более преодолеть светозащитный кожух, сделанный из алюминия. Чтобы понять природу излучения и получить его "автопортрет" была применена методика, основанная на фотоэмульсиях.

В работе использовались следующие материалы: пленка флюорографическая РФ - ЗМП с чувствительностью 1100 Р-1 по критерию 0,85 над вуалью, пленка радиографическая медицинская РМ - 1МД с чувствительностью 850р-1 по критерию 0,85 над вуалью, ядерные фотопластинки типа Р с толщиной эмульсионного слоя 100 мкм, высокоразрешающие фотоэмульсии с чувствительностью~0,1 ед. ГОСТа и разрешением до 3000 линий/мм. Все материалы после облучения проявлялись в соответствующих проявителях: пленки флюорографические в проявителе Д-19 в течении 6 мин при температуре 200С, пластинки в фенидон - гидрохоновом проявителе изотермическим методом.

При исследовании обработанных фотоматериалов обнаружены микро- и макро-эффекты. Макро эффектами считали те, которые можно рассмотреть невооруженным глазом, а также под лупой при увеличении до 5 раз. Микро эффектами считали те эффекты, которые видны при увеличении от 75 до 2025 раз. Фотопленки и фотопластинки размещались на различных расстояниях от центра электровзрыва (от 20 см до 4 м) и располагались в радиальной и нормальной плоскостях в предположении цилиндрической симметрии эксперимента (Рис.13).

Все фотоматериалы тщательно заворачивались в два слоя черной бумаги, которая предварительно подвергалась контролю на предмет нарушения целостности. После облучения на установке и проявления фотодетекторов бумага подвергалась повторному контролю. Первые же эксперименты показали, что форма треков в эмульсиях очень различна: это и непрерывные прямые треки, гантелеобразные ("гусеничные") треки и длинные треки сложной формы, напоминающие спирали и решетки.

На Рис.14а представлен типичный очень длинный (l~3 мм) трек, напоминающий след гусеницы или протектора автопокрышки. Для этого типа треков характерно наличие второго параллельного следа, отличающегося по интенсивности почернения и длине от основного. След, представленный на Рис.14а, образовался на флюорографической пленке РФ - ЗМП, толщина эмульсии которой составляет 10мкм. На Рис.14б представлен увеличенный фрагмент трека, из которого хорошо видно, что трек имеет затейливый узор. Обращает на себя внимание тот факт, что при размере зерна ~1 мкм, ширина трека составляет ~20 мкм. Оценка энергии частиц, сделанная по площади почернения, в предположении кулоновского механизма торможения составляет Е~700 Мэв. Очевидно, что, учитывая местоположение фотодетектора (указанное на Рис.13) и размер трека, невозможно его объяснить регистрацией альфа,бета и гамма - излучения (напомним, что РФ - пленка завернута в черную бумагу и расположена в атмосфере). Чтобы проверить природу "странного" излучения, из канала установки после электровзрыва были извлечены остатки воды и фольги и помещены в чашку Петри ("проба"), а на расстоянии 10 см как показано на Рис. 15а был установлен фотодетектор. В качестве фотодетектора использовалась пленка РФ, которая была прижата эмульсией к световолоконной шайбе, и весь детектор был упакован в черную бумагу. Стекловолоконная шайба использовалась потому, что в предыдущих экспериментах мы заметили, что "странное" излучение явно проявляет свойства переходного излучения. Время экспозиции составило Т~18 часов. Результат представлен на Рис.15б. Из сравнения рисунков 14 и 15 можно сделать вывод об идентичности причин, вызвавших почернение пленки. А это, в свою очередь, означает, что механизм излучения имеет не ускорительное, а ядерное происхождение. Следует обратить внимание на то, что расположение плоскости фотодетекторов нормально по отношению к вектору радиуса в обоих случаях, что допускает следующую трактовку: наличие угловой составляющей скорости у источника регистрируемого излучения.

Детектирование точно таких же треков с помощью ядерных эмульсий толщиной 100мкм, позволяет утверждать, что источник, вызывающий почернение, летит строго в плоскости фотоэмульсии, так как начало трека отличается по глубине эмульсии от конца трека не более чем на 10-15мкм.

В предположении, что электрический импульс на Рис.12 и трек обусловлены одной и той же причиной, учитывая длину трека и длительность импульса, получаем оценку скорости источника излучения 0,001. Была проведена серия экспериментов по исследованию влияния внешнего магнитного поля на наблюдаемую картину. С помощью магнитной катушки, располагавшейся, как показано на рисунке 13, на место электровзрыва было наложено слабое магнитное поле Н~20Гс.

Фотодетекторы были расположены, как показано на Рис.13(3). Типичные зарегистрированные треки представлены на Рис.16(а, б), в качестве фотодетектора использовалась ядерная фотоэмульсия. Из рисунка видно, что при наложении магнитного поля характер треков сильно изменился, а след стал похож на "комету". Более подробное изучение структуры трека под микроскопом с увеличением в 225 раз, позволило выделить головку круглой формы Рис.16б с плотностью почернения 3 и длинный шлейф с уменьшающейся плотностью почернения, напоминающий "хвост кометы" (Рис.16а). На площади 4см2 было расположено 6 "комет". Размеры их составляли от 300мкм до 1300мкм, а энергия частиц, оцененная по площади почернения, достигала Е~1Гэв. В ряде экспериментов в магнитное поле помещалась не установка, а сам детектор. На Рис. 16в представлены следы, которые получены на фотодетекторе, состоящем из трех РФ-пленок, сложенных вместе и располагавшихся около самарий-кобальтового магнита (В~1,2кг) как показано на Рис.13(6).

Геометрически почернения на Рис.16в совпадают, что не дает возможности отнести почернение к артефактам. Оценка поглощенной энергии в трех пленках с учетом только толщины слоя фотоэмульсии ~10мкм дает величину Е~700 Мэв.

Таким образом видно, что наблюдаемое "странное" излучение реагирует на магнитное поле. Помимо представленных треков, нами зарегистрирован ряд треков, совершенно не похожих на "классические" треки. Часть этих не представленных в данной работе треков очень похожа на царапины и кляксы. Точно такие же треки наблюдались в экспериментах Мацумото [11] на других типах фотодетекторов, в экспериментах по пробою в воде. И это обстоятельство не позволяет их безоговорочно отнести к артефактам. Однако уже сегодня с большой долей уверенности можно сказать, что вряд ли удастся одним или двумя типами частиц объяснить все виды треков, которые возникают при регистрации "странного" излучения.