3.3.5. Поляризационные датчики давления

Переход вещества через фронт ударной волны сопровождается скачкообразным изменением его термодинамических параметров при одновременном скачке энтропии. Вещества, обладающие прочностью и вязкостью, при таком переходе сжимаются негидростатически, вследствие чего состояние вещества за фронтом ударной волны описывается тензором напряжений с главными напряжениями, различающимися на величину предела текучести по Гюгонио. Анизотропия напряжений, создаваемая ударной волной, может привести к анизотропии физических характеристик вещества, например, к нарушению пространственного распределения зарядов - ударной поляризации.

Эйхельбергер и Хаувер обнаружили, что движение ударной волны между обкладками конденсатора, заполненного полярным диэлектриком, сопровождается появлением ЭДС во внешней цепи, содержащей такой конденсатор []. Так как в цепи отсутствуют иные источники ЭДС, а возникающая ЭДС не зависит от материала обкладок конденсатора, то эффект ударной воляризации может быть объяснен поляризацией диэлектрика за фронтом ударной волны.

Эффект ударной поляризации обнаружен на целом ряде веществ: ионнных кристаллах, легированных диэлектриках (кремний, германий), поликристаллических сегнетоэлектриках и пьезоэлектриках, полярных диэлектриках (типа полиметилметакрилата) и др. []

Первые попытки феноменологического описания эффекта ударной поляризации были сделаны Ивановым, Новицким и Лисицыным [], которые получили общее решение и рассмотрели некоторые частные случаи для тока в цепи диэлектрика, помещенного между обкладками плоского конденсатора и подвергнутого воздействию ударной волны, а также Аллисоном [], получившим выражение для амплитуды электрического тока в зависимости от характеристик распространения ударной волны и диэлектрических свойств материала.

Хаувер [] измерил экспериментально поляризационный ток в плексигласе и полистирене и сравнил свои результаты с решением Аллисона. При этом получил удовлетворительное соответствие.

На основе эффекта ударной поляризации разработаны датчики давления ударных волн []. Принцип работы датчиков порогового типа основан на изменении знака начального поляризационного тока при амплитуде давления выше некоторого порогового значения (рис. ).

Рис. Осциллограммы электрических сигналов поляризационных датчиков порогового типа:

а) полиамидная смола, б) бромистый калий, в) дибутилфталат (стрелками указан момент входа и выхода ударной волны в образец и из него).

Датчик представляет собой плоский конденсатор, заполненный диэлектриком. В таблице приведены значения пороговых давлений для различных щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК).

Таблица

ЩГК	RbI	KI	KCl	KBr	NaCl	CsI	NaF
P, кбар	517	6019	855	9416	1088	12527	26270

Поляризационный эффект используется в отметчиках времени прихода фронта ударной волны. Один из таких датчиков, применяющийся вместо контактного, описан в []. Его преимущество - стабильность и вследствие этого более высокая точность.

ЛИТЕРАТУРА к главе 4

1. Альтшулер Л.В. Применение ударных волн в физике высоких давлений // Успехи физических наук, 1965. Т.85. В.2. С.179-258.

2. Graham R.A., Asay J.R. Measurements of wave profiles in shock-loaded solids // High Temperatures – High Pressures. 1978. V.10. P.355.

3. Киллер Н., Росс Е. Ударные волны в конденсированных средах // В сб.Физика высоких плотностей и энергий. Перевод с английского под редакцией Кальдиролы П. и Кнопфеля Г. 1974. М.Мир. С.60-170.

4. Минеев В.Н., Иванов А.Г. ЭДС, возникающая при ударном сжатии вещества // Успехи физ.наук, 1976. Т.119. С.75.

5. Глушак Б.Л., Жарков А.П., Жерноклетов М.В., Терновой В.Я., Филимонов А.С., Фортов В.Е. Экспериментальное изучение термодинамики плотной плазмы металлов при высоких концентрациях энергии // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1989. № 96. В.4. С.1301-1318.

6. Ашаев В.К., Доронин Г.С., Левин А.Д. О структуре детонационного фронта в конденсированных ВВ // Физика горения и взрыва. 1988. Т.24. № 1. С.95-99.

7. Гатилов Л.А., Ибрагимов Р.А., Кудашев А.В. О структуре детонационной волны в литом ТНТ // Физика горения и взрыва. 1989. Т.25. № 2. С.82-84.

8. Свойства конденсированных веществ при высоких давлениях: Сборник статей под ред.Трунина Р.Ф. Арзамас-16, ВНИИЭФ. 1992.

9. Болотов А.А., Ловягин Б.М., Манулов Н.А., Саккеус И.К. 50-канальный генератор световых импульсов // ПТЭ. 1975. № 3. С.198.

10. Куракин Н.И., Даниленко В.В., Козерук Н.П. и др. Электроконтактная методика прегистрации x-t диаграмм // Химическая физика. 1993. № 5.

11. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов // М.: «Наука». 1964. С.341.

12. Канель Г.И., Разоренов С.В, Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах // М.: «Янус-К». 1996.

13. Жерноклетов М.В., Зубарев В.Н., Трунин Р.Ф., Фортов В.Е. Экспериментальные данные по ударной сжимаемости и адиабатическому расширению конденсированных веществ при высоких плотностях энергии // Черноголовка. 1996.

14. Ударные волны и экстремальные состояния вещества. – М.: Наука, 2000. – 425 с. Сборник статей под редакцией В.А.Фортова, Л.В.Альтшулера, Р.Ф.Трунина, А.И.Фунтикова.

15. Комрачков В.А., Ковтун А.Д., Макаров Ю.М. Применение импульсной рентгенографии для исследования ударно-волнового инициирования ТАТБ // Физика горения и взрыва. 1999. Т.35. № 2. С.96.

16. Панов К.Н., Родионов В.А. Рентгенографические исследования ударно-волнового возбуждения детонации в ВВ на большой глубине // Химическая физика процессов горения и взрыва. Материалы XII Симпозиума по горению и взрыву. Ч.III. Черноголовка. 2000. С.12-14.

17. Завада Н.И., Монакова М.А., Цукерман В.А. Регистрация интерференций монокристаллов и поликристаллов с микросекундными экспозициями // Приборы и техника эксперимента. 1966. № 2. С.164.

18. Цукерман В.А., Тарасова Л.В., Лобов С.И. Новые источники рентгеновских лучей // Успехи физических наук. 1971. Т.103 № 2. С.319-332.

19. Дорохин В.В., Зубарев В.Н., Орекин Ю.К. и др. Исследование движения продуктов взрыва за фронтом детонационной волны // Физика горения и взрыва. 1985. № 4. С.100-104.

20. Дорохин В.В., Зубарев В.Н., Орекин Ю.К. и др. Непрерывная регистрация рентгенографическим методом движения продуктов взрыва за фронтом ДВ // Физика горения и взрыва. 1988. № 1. С.118.

21. Болотов А.А., Чернышев В.К. Метод получения световых импульсов калиброванной высокой частоты для нанесения масштаба времени на рабочий кадр сверхскоростных фоторегистраторов. // Техника съемок, ее применение в промышленности и научных исследованиях. Сборник. Вып.2. М. 1966.

22. Болотов А.А., Ловягин Б.М., Ильин Н.В. Датчик времени ДВ-2 к фоторегистратору типа СФР // Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1977. № 6. С.415-419.

23. Иванов А.Г., Новиков С.А. Метод емкостного датчика для регистрации мгновенной скорости движущейся поверхности // Приборы и техника эксперимента. 1963. № 1. С.135-138.

24. Иванов А.Г., Новиков С.А., Синицын В.А. Исследование упруго-пластических волн в железе и стали при взрывном нагружении // Физика твердого тела. 1963. № 5.

25.  Зайцев В.М., Похил П.Ф., Шведов К.К. Электромагнитный метод измерения скорости продуктов взрыва // ДАН СССР. 1960. Т.132. № 6. Ч.1339-1340.

26. Fritz J.N., Morgan J.F. An electromagnetic Technique for Measuring Material Velocity // Rev. Sci. Iustreim. 1973. V.44. № 2. P.215-221.

27. Новиков С.А., Кашинцов В.И., Федоткин А.С. Измерение скорости токопроводящих оболочек датчиком электромагнитного типа // Физика горения и взрыва. 1985. Т.21. № 1. С.71-74.

28. Жугин Ю.Н., Крупников К.К. Индукционный метод непрерывной регистрации скорости конденсированной среды в ударно-волновых процессах // ПМТФ. 1983. № 1. С.102-108.

29. Дремин А.Н., Саврасов С.Д., Трофимов В.С., Шведов К.К. Детонационные волны в конденсированных средах // М.: Наука. 1970.169С.

30. Зубарев В.Н. Движение продуктов взрыва за фронтом детонационной волны // ПМТФ. 1965. № 2. С.54-58.

31. Зайцев В.М., Похил П.Ф., Шведов К.К. // ДАН СССР. 1960. Т.133. № 1. С.155-157.

32. Уртьев П.А., Эриксион Р.М., Хейс Б., Парнер М.Н. Измерение давления и массовой скорости в твердых телах при динамическом нагружении // Физика горения и взрыва. 1986. № 5. С.113-

33. Ко Дж.Ф. // Химическая физика. 1995. № 12. С.68-77.

34. Хейс Б. // Приборы для научных исследований. 1981. № 4. С.92-102.

35. Альтшулер Л.В., Павловский М.Н., Дракин В.П. Особенности фазовых превращений в ударных волнах сжатия и разгрузке // ЖЭТФ. 1967. Т.52. С.400.

36. Астанин В.В., Минеев В.Н., Обухов А.С., Романченко В.И. Электрические измерения параметров ударных волн манометрическими датчиками // Препринт. Киев. 1985.

37. Blacstock A.W., Kratz H.R., Feeny M.B. Piezoelectric Gandes for Measuring Rapidly Varing Pressures ap to Seven Kilobars // RSJ. 1964. V.35. № 1. P.105-110.

38. Calder C.A., Dragnich R.C. Interal Dynamic Stress Measurement with an Embedded Quartz Crystal Transducer // RSJ. 1972. V.43. № 6. P.883-886.

39. Бодренко С.И., Гердюков Н.Н., Новиков С.А. и др. Применение кварцевых датчиков давления для исследования ударно-волновых процессов // Физика горения и взрыва. 1981. № 3. С.

40. Новиков С.А. Крысанов Ю.А., Гердюков Н.Н. Исследование динамического сжатия пенополистирола // Проблемы прочности. 1977. № 3. С.115.

41. Fuller P.J.A., Price J.H. Electrical Conductivity of Manganin and Iron at High Pressures // Nature. 1962. V.193. P.262-268.

42. Христофоров Б.Д., Голлер Е.Э., Сидорин А.Я. и др. Манганиновый датчик для измерения давления ударных волн в твердом теле // ФГВ. 1971. № 4. С.613-615.

43. Канель Г.И. Применение манганиновых датчиков для измерения давления ударного сжатия конденсированных сред // ВИНИТИю № 477-74, Деп. 1974.

44. Дремин А.Н., Канель Г.И. Волны сжатия и разрежения в ударно-сжатых металлах // ПМТФ. 1976. № 2. С.146-153.

45. Батьков Ю.В., Новиков С.А., Синицына Л.М., Чернов А.В. Исследование сдвиговых напряжений в металлах на фронте ударной волны // Проблемы прочности. 1981. № 5. С.56-59.

46. Lyle J.W., Schrever R.L., Mc.Millan A.R. Dynamic Piezoresistive Coetficient of Manganin to 392 kBar // J.Appl.Phys. 1969. V.40. №11. P.4412-4419.

47. Канель Г.И., Вахитова Г.Г., Дремин А.Н. Метрологические характеристики манганиновых датчиков давления в условиях ударного сжатия и разгрузки // Физика горения и взрыва. 1978. № 2. С.130-135.

48. Crady D.E., Ginsberg M.J. Piezoresistivity Effects in Ytterbium Stress Transducers // J.Appl.Phys. 1977. V.48. № 6. P.21-79-21-81.

49. Фот Н.А., Алексеевский В.П., Ярош В.В. Диэлектрический датчик импульсного давления // Приборы и техника эксперимента. 1973. № 2. С.199-200.

50. Степанов Г.В. Упруго-пластическое деформирование материалов под действием импульсных нагрузок // Киев: Наукова думка. 1979. 268С.

51. Батьков Ю.В., Новиков С.А., Пермяков В.В. и др. Некоторые особенности измерения импульсных давлений с помощью диэлектрических датчиков // ПМТФ. 1081. № 2. С.81-86.

52. Тюняев Ю.Н., Минеев В.Н., Лисицын Ю.В. Поляризационный датчик порогового типа для измерения импульсных давлений // В сб. Доклады I Всесоюзного симпозиума по импульсным давлениям. М.: ВНИИФТРИ. 1974. С.53-56.

53. Иванов А.Г., Лисицын Ю.В., Новицкий Е.З. Задача о поляризации диэлектриков при ударном нагружении // ЖЭТФ. 1968. Т.54. Вып.1. С.286-291.

54. Лебедев Н.П., Модель И.Ш., Кузнецов Ф.О. Регистрация скорости сильных ударных волн пьезоэлектрическими датчиками // Приборы и техника эксперимента. 1968. № 3. С.183-186.

8