NAGYFESZÜLTSÉGŰ VILLAMOS ÍV ALKALMAZÁSA ÉS ELŐÁLLÍTÁSÁNAK FELTÉTELEI AZ AKUSZTIKUS FEGYVEREKBEN

SZEKCIÓÜLÉS I. _ ROBOTIKA ÉS ROBOTKUTATÁS

CSUKA ANTAL

NAGYFESZÜLTSÉGŰ VILLAMOS ÍV ALKALMAZÁSA ÉS ELŐÁLLÍTÁSÁNAK FELTÉTELEI AZ AKUSZTIKUS FEGYVEREKBEN

A légköri nyomás alatt előállított villamos ívnek, azaz plazmának kiemelkedő jelentősége van a fegyverként is alkalmazható akusztikus hullámkeltőkben. Cikkemben elemzem a normál feltételek melletti levegőt alkotó gáz atomok és molekulák ionizálásának a lehetőségeit. A levegő atomok ionizálhatók az elektródokra kapcsolt feszültség, nagy intenzitású elektrosztatikus tere, vagy más külső ionizáló hatás által, mint amilyen a lézer. A lézer által indukált ionizációnak a legfőbb előnye, hogy nagyon pontosan ütemezhetők az ívkisülések. Ezzel a megoldással kiküszöbölhetők a gyújtóelektródok, amelyek hatással lehetnek a hullámterjedésre. A bemutatott elméleti módszer figyelembe veszi és elemezi mindazokat a feltételeket, amelyek szükségesek vezérelt plazmaív előállítására alkalmas eszköz továbbfejlesztéséhez. Atmospheric pressure plasmas may have applications in forming an acoustic wave, which one can be applied in acoustic weapons. In this article I would be examine the feasibility of ionizing an air atoms and molecule in a normal conditions. The air molecule will be ionized by the electrical field or laser pulse through field ionization mechanism in intense electrical field applied to the electrode. The laser beam is used to preionize the air, thus creating a preferential higher conductivity path for free charges. Advantage of the laser induced ionisation technique is that the electrical discharge may be preciselly timed in the multi spark gaps arrengement in acoustic pipe. In this technique may eliminate the spark electrode that do not have an influence on the acoustic wave propagation. The described teorethical method take in the consideration and examine all the most condition of creation the controleted plasma channel.

Bevezetés Az ionizált gázokra vonatkozó vizsgálatok az 1920-as évek közepe óta egyre precízebb leírást adnak a plazmajelenségekre, és számos új elmélettel bővítették a plazmafizika örök fiatal tudományát. Ennek a fogalomnak az értelmezési köre idővel kiszélesedett és a megismert jelenségek nem csak a gáz, hanem más halmazállapot leírására is alkalmassá váltak. A sokféle anyagállapoton belül ma még csak egy szűk terület foglalkozik a gázkisü117


lésekkel. Ehhez a részterülethez sorolható a villamos ív fizikája is, ami szoros kapcsolatban áll a nagyfeszültségű és erősáramú technikával és a villamos szigeteléstechnikával. A levegő villamos szigetelő tulajdonságaira vonatkozó adatokból kiindulva a továbbiakban megvizsgálom az elektrosztatikus tér által gerjesztett ionizáció lehetőségét és a villamos ív előállításának körülményeit normál légköri feltételek mellett. Az ionizációs mechanizmus tisztázását követően, a villamos ív által keltett akusztikus hullám létrejöttének folyamatát foglalom össze hullámtani összefüggésekre támaszkodva. A villamos ív és annak nyomán kialakuló akusztikus hullámot hangolható üregrezonátorban előállítva, a feladat ezt követően akusztikai tervezésre egyszerűsödik, és különféle hullámtani jelenségek alkalmazására nyílik lehetőség. Hogy alkalmas-e egy ilyen eszköz irányított energiájú akusztikus fegyvernek, az csak akkor dönthető el, ha a működésének és továbbfejlesztésének minden részlete tisztázott. Az előállított hullám intenzitása, az eszköz hatásfokának ismerete kevés lehet ennek az eldöntéséhez. A továbbiakban bemutatott szabadalmi leírásban szereplő eszköz által előállított „hang impulzus” élettani hatása még nem kellőképpen tisztázott, és fehér foltként szerepel a szakirodalomban. Szükségesnek tartom több szakterületet is átfogó analitikus módszer kidolgozását, amivel számszerűsített formában megfogalmazhatók az eszköz jellemzői. Szükségesnek tartom összefoglalni mindazokat a villamosságtani és hullámtani összefüggéseket, amelyek nem csak feltárják az eszköz működését, hanem alapot is teremtenek egy számítógépes szimuláció elkészítéséhez. Ismertetem az általam elképzelt megoldást, amellyel a gyújtóelektródák kiküszöbölhetők, végül a lézerrel indukált, helyesebben vezérelt plazmaív előállítására alkalmas, továbbfejlesztett eszköz felépítését mutatom be. Szeretném kezdeni egy rövid szakirodalmi forrás vizsgálattal és áttekintéssel, aminek keretében bemutatom azt a szabadalmi bejegyzést, ami közrejátszott az említett akusztikus eszköz méretezésének tudományosabbá tételében és továbbfejlesztésében.

Akusztikus impulzus generátor Ebben a témában fellelhető legkorábbi források, az akusztikus hullám élő szervezetre gyakorolt hatásával, és nem az eszközfejlesztéssel kapcsolatosak. Szinte kideríthetetlen, hogy a hangimpulzus káros hatásának 118


vizsgálatát, amellyel M. Loeb és J.L. Fletcher 1968-ban foglakozott, megelőzte-e valamilyen találmány vagy eszközfejlesztés. Feltehetően igen, csak az idővel valami oknál fogva feledésbe merült és nem került bejegyzésre. Egy igen érdekes forrás, az 1999. május 11.-én bejegyzett 5.903.518 számú U.S. szabadalom, amely Bruce Benwell, Dave De Troye, Harold E. Boesh és Vincent Ellis Catlett feltalálók nevéhez kötődik. A szabadalmi leírás egy részlete az 1. ábrán látható.

1. ábra

A vázolt eszköz egy hangolható rezonátorból áll, amelynek az egyik vége nyitott, és amelyben több, sorba rendezett elektróda pár van elhelyezve. Az elektródok közti ívkisüléshez szükséges villamos energiát 119


egy nagyfeszültségű egyenáramú (HV-DC) feszültségforrás biztosítja. Az ívkisülések pontos időzítését, ütemezését trigger áramkör biztosítja az elektródok közé helyezett gyújtó elektródokon keresztül, nagyfeszültségű impulzusok, kisülések előállításával. A vegyesen alkalmazott villamos ütemezés és mechanikus hangolás egy viszonylag egyszerű konstrukciót eredményez. A dugattyú az első fél hullámra való hangolást biztosítja, oly módon, hogy a reflektált hullám amplitúdó maximumának a helye az első elektródok közt álljon elő. A hullámterjedési adatok ismeretében az elektródra kapcsolt gyújtóimpulzusok ütemezését az időzítő áramkör végzi. Amennyiben az elektródok közti sorrendi ívkisülések a hullám maximum helyén jön létre, akkor ezeken a helyeken nyomás maximumhelyek keletkeznek és a cső nyitott vége felé haladó akusztikus hullám energiája fokozatosan növekszik. A leírás fontos jellemzőjeként említi, hogy az eszköz 170dB erősségű hang impulzus keltésére alkalmas 1 m-en belül. Fegyver1- kategóriába sorolva ezt az eszközt, még akkor is figyelemre méltó, ha netán derűre ad okot az említett hatótáv. Az eszköz továbbfejlesztésének és további elektród párokkal való kiegészítésének elvileg nincsen semmilyen akadálya. Továbbfejlesztve valószínűleg bizonyos határokon belül növelhető a teljesítménye és a hatótáv is. Legkézenfekvőbb megoldásnak az tűnik, ha a villamos ív, vagy ahogy a leírás említi; „plazma képződmény” 2, a levegőben és nem speciális gázelegyben jön létre, amelyet határolni kellene. Ez utóbbiról is lesz szó, de azt megelőzően a villamos ív normál körülmények közti előállításának feltételeit szeretném röviden pontokba szedetten összefoglalni.

Tervezési alapadatok Sok esetben nincsen lehetőség a szigetelő gázhalmazállapotú közeg fizikai jellemzőinek tetszés szerinti megváltoztatására. A készülék tervezéséhez szükséges kiinduló adatokat a levegő villamos átütő szilárdságának figyelembevételével lehet meghatározni. Értéke függ az elektró1

Fegyver: „minden olyan eszköz, amely támadásra vagy védelemre szolgál”, forrás: Új Magyar Lexikon 2 Plasma formation

120


dok távolságától, görbületétől, polaritásától, a gáz hőmérsékletétől és nyomásától, az igénybevétel időtartamától, a gáz nedvességtartalmától, stb. [4] A továbbiakban sorra veszem, és részletesen ismertetem, hogy az egyes tényezők miképpen befolyásolják a villamos ív kialakulását. A méretezésénél az alábbiakat kell figyelembe venni: A levegő  Összetételét;  Nyomását;  Hőmérsékletét;  Nedvességtartalmát;  Vezetőképességét;  külső ionizáló hatását;  szekunder ionizációt;  az elemi töltések felemésztésében közrejátszó folyamatokat;  további jellemzőketA villamos átütő szilárdság függ az  elektródok elrendezésétől,  elektródok távolságától,  elektródok kialakításától,  elektródok anyagától,  a villamos tér homogenitásától,  az elektromos térerőt létrehozó feszültség amplitúdójától, frekvenciájától, hullámformájától és polaritásától. Az ionizáló hatás létrejöttét megelőző állapotban a plazmacsatorna helyét normálállapotú levegő tölti ki. A normál állapot feltételeit az előbbi felsorolás első négy pontja együttesen tartalmazza és meghatározza. Az összefüggések közti szoros kapcsolatot termodinamikai egyenletek írják le. Összetételét tekintve a levegő nem egyéb, mint gázok, vízgőz és szenynyezőanyagok elegye. Közelítő összetétele a következőképpen határozható meg; nitrogén: 78,00 tf%, oxigén: 20,90 tf%, argon: 0,94 tf%, CO2 : 0,03 tf%, H2 : 0,01 tf%, He: 0,01 tf%, Kr: 0,01 tf%, O3 : 0,01 tf%, Ra: 0,01 tf%. A rendkívül sok instabil összetevő, valamint arány nagyon megnehezíti a pontos számítások elvégzését. Sok esetben csak közelítő számításokra van lehetőség, amelyek mérésekkel egészülnek ki. Rendelkezésünkre állnak a levegő normál állapotára vonatkozó, közelítő és kísérleti úton meghatározott adatok és diagramok. 121


Lehetőség van a levegőt más, alacsonyabb ionizációs küszöbbel rendelkező gázzal, (például He) helyettesíteni, ami egyfelől kiegészítő konstrukciós elemeket igényel, másfelől sok más előnnyel is jár. Normál feltételek melletti levegő nyomása 760 Torr, azaz 101,3 x103 N/m2. A nyomás kismértékű változása is hatással van a plazmaív kialakulására, főként annak kezdeti szakaszára. A 2. ábrán látható Paschen görbe alapján, állandó elektródtávolságot feltételezve, követhető a nyomás hatása az ív kialakulására, amelyet az ehhez szükséges feszültség jelképez a diagramon. A számítások egy része a 20oC hőmérsékletű levegőt veszik alapul, más adatok viszont a t=0oC-os gázra vonatkoznak, ami esetenként nehézséget okoz. A hullám terjedésének sebessége és a hőmérséklet közt az alábbi összefüggés van: t v  vo 1  [m/s] , 273 v  331,5  0,607t ahol v- a hullám terjedési sebessége a t- hőmérsékletű közegben. [1] A levegő páratartalma nagyon széles határok közt változhat, ami megnehezíti a számítások elvégzését, ezért csak bizonyos esetekben lehet figyelembe venni. A mérések biztosítják a szükséges korrekciót. A levegő villamos vezetőképessége kicsi, azonban nem zérus, aminek következtében jó szigetelőnek tekinthető, (γ=10-16 1/Ωm). A levegőben és általában a gázokban, az ionizációs hatás hiányában is vannak töltéshordozók, ionok a semleges állapotú atomok és molekulák mellett. Ennek tulajdonítható, hogy egyáltalán beszélhetünk fajlagos vezetésről. Bizonyos körülmények közt a gázban levő töltéshordozók száma állandó és egyensúlyi állapot uralkodik, azaz ahány töltéshordozó pár keletkezik, ugyanannyi meg is szűnik. Ezt az egyensúlyi állapotot, külső energia bevitel felboríthatja, attól függetlenül, hogy az hőhatás, ionizáló sugárzás, vagy valamilyen aerosol. Itt kell figyelembe venni a levegő iontartalmát normál körülmények közt, ami átlagosan: 1000…2000 ion/cm3 Különböző gázok esetében az ionizációs küszöb más és más lehet, és nagymértékben befolyásolja az átütési szilárdságot. Ennek gyakorlati jelentőségéről a későbbiekben lesz még szó, addig is kiinduló adatként szolgáljon a következő:

122


1eV  1,602  10 19 Ws  3,83  10 20 cal H 2  15,4eV O2  17,9eV [1]. N 2  15,8eV Külső ionizáló hatás alatt főként a külső források által keltett hatást kell érteni. Az elektródokra kapcsolt nagyfeszültséghez kényszerű módon és elválaszthatatlanul hozzátartozik az elektródkialakítástól függvényében az esetenként igen nagy elektrosztatikus térerő, ami kiváltja az ionizációt. Ionizáló sugárzás lehet bármilyen elektromágneses sugárzás, aminek energiája elegendően nagy ahhoz, hogy elemi részecskéket tegyen szabaddá, elektronokat szakítson le a gáz atomokról és molekulákról. Ha a gázokat nem éri ionozó sugárzás akkor jó szigetelőknek számítanak. Többletenergiát, azaz ionizációs energiát lehet közölni úgy is, ha a semleges részecskék fotonokkal ütköznek, például lézerrel energiát közlünk a közeggel. Jelen esetben, külső ionizáló hatásként mindenekelőtt az elektrosztatikus tér hatásának van különösen nagy jelentősége. Ebben az esetben nincs gyakorlati jelentősége, mert nem biztonságos, de talán említésre érdemes a radioaktív sugárforrás is, mint külső ionizáló forrás. A levegőt alkotó gáz atomok és molekulák elemi részecskéinek kötési energiája eltérő, aminek következtében preionizációs folyamatok hatásosan közrejátszanak a plazmacsatorna kialakulásában. Az elektródok közti plazmacsatorna kialakulásához szekunder belső folyamatok is hozzájárulnak, amelyeknek az ív fenntartásában van szerepük. Ezek a folyamatok a szekunder emisszió, fotoemisszió, fotóionizáció és ütközési ionizáció. Ezek közül talán a legismertebb az ütközési ionizáció, ami annak a következménye, hogy a villamos térerő által felgyorsított ionok és elemi töltések az atomoknak ütközve újabb töltéshordozókat szakítanak le. Így a töltéshordozók száma fokozatosan növekszik, és nagy energiára tesznek szert. A termikus ionizáció is hatékonyan hozzájárul ehhez csakúgy, mint a fotóionizáció és emisszió, amit a röntgen és nagy energiájú ultraibolya sugárzás válthat ki. Mint minden folyamat esetében, itt is érvényesülnek az egyensúly fenntartását szolgáló folyamatok, az abszorbció, rekombináció és diffúzió. Részletesen ezeket a folyamatokat nem ismerthetem, mert messze 123


túlhaladná a cikkem kereteit. További jellemzők közé sorolhatók mindazok a tulajdonságok, amelyek a korábbi felsorolásból kimaradtak. A gázokra, mint légnemű szigetelő anyagokra általánosan jellemző, hogy a szilárd és folyékony szigetelő anyagokkal ellentétben viszonylag kicsi a villamos szilárdságuk. A következő jellemzőknek a tervezés szempontjából nincsen számottevő jelentőségük, nem szolgálnak kiinduló adatként, mégis egyes összefüggésekben előfordulhatnak. Csupán felsorolásszerűen megemlítve, beszélhetünk a gáz relatív permitivitásáról, mint minden dielektrikum esetében, aminek értéke a levegő esetében gyakorlatilag egy. Dielektromos vesztesége közel zérus. E két jellemzője figyelmen kívül is hagyható. A levegő ionizációs igénybevételének lehetőségét az alacsony értékű villamos szilárdsága teremti meg. A levegő is, mint általában a gázoknak korlátlan regenerálódó képessége , ami nagyon jól hasznosítható tulajdonságuk. A regeneráló képesség hatásosan hozzájárul az eredeti állapotok helyreállásához.[4] Az átütés utáni rekombináció és a lehűlés következtében a levegő szigetelőképessége teljesen helyreáll. Ez azonban önmagában nem elegendő az ív megszakadásához, mert a folyamat önfenntartóvá válhat, ezért a villamos térerőnek is, egy meghatározott érték alá kell csökkennie. A gázok kis hőkapacitása miatt a termikus folyamat jelentéktelen módon járul hozzá az ionizált állapot fenntartásához. Az elektródok elrendezésének nagyon nagy szerepe van a tervezésben. A csúcs, legömbölyített végű csúcs, rúd és sík elektródok kombinációja alkalmazható. Átütő feszültség szempontjából a rúd-sík elektródaelrendezés a legkedvezőtlenebb, míg a legkedvezőbbnek a csúcs-csúcs elrendezés bizonyul. A csúcs-csúcs elrendezés alatt nem tűhegyes elektródokat kell érteni, az nem csak a gyakorlatban nem válna be az ív erodáló hatása miatt, hanem a számítások elvégzését is lehetetlenné tenné. Az elektródok távolsága alapvetően meghatározza az ív létrehozásához szükséges gyújtófeszültség nagyságát. Az átütő feszültség meghatározására szolgáló összefüggésekből következik az elektródatávolság. Kissugarú gömbelrendezést választva az alábbi összefüggésből meghatározhatók az elektródok távolsága az átütési szilárdság U és az Emax térerő ismeretében: 124


a  E max ; Emax  21,1KV / cm , 1ar r     2 r ar abban az esetben ha a  2cm feltétel is egyidejűleg teljesül. U

a  10 feltér telnek, ahol a az elektródok közti távolság és r az elektróda csúcsának legömbölyítési sugara. A tényezők mindegyike szoros összefüggésben van a másikkal, aminek következtében több feltétel egyidejű teljesülése is szükséges ahhoz, hogy használni lehessen a fenti összefüggést. Az egyenlet U  4 KV -ra teljesül!!! Az elektródok kialakításának szintén nagy szerepe van ezért a tervezésénél a korábbi összefüggés szerint figyelembe kellett vennem a csúcshatást, ami a térerőt helyileg megtöbbszörözi, elősegítve a villamos ív kialakulását. Az elektródok anyagának a megválasztása úgyszintén fontos, mert hozzájárul az átütési szilárdság csökkentéséhez, és azáltal nagyobb elektróda távolság is alkalmazható. A vörösréz nemcsak a legolcsóbb, hanem egyben a legkedvezőbb tulajdonsággal rendelkező fém is egyben, amihez szintén több tényező befolyásol nem csak a viszonylag alacsony fajlagos ellenállása. Ezeknek az ismertetésétől eltekintek. Homogén villamos teret csak az úgynevezett Rogowsky-féle kialakítású elektródákkal lehet előállítani, ami viszont ebben az esetben nem felel meg a követelményeknek, ezért meg kell alkudni az erősen inhomogén villamos erőtérrel, főként a nagy elektródatávolság miatt. Váltakozó feszültég esetén, ha az elektródák távolsága; a  20cm és f  50 Hz , akkor az átütéshez szükséges feszültség; U Üeff  3,5a  10 KV összefüggéssel számolható. Egyenfeszültség esetén: pozitív rúd és negatív sík esetén; U Ücsúcs  5a  40 KVcs összefüggés alkalmazható. Negatív rúd és pozitív sík esetén; U Ücsúcs  6,5a  215 KV cs [4].

A kissugarú gömbelrendezés esetén teljesülnie kell az

Homogén vagy közel homogén villamos tér esetén a levegő átütőfeszültségét a következő képlet adja meg; U Üt  24,5  7 a KVcs . 125


Az átívelést megelőzi a felületi kisülés, amihez szükséges feszültséget a Toepler-Kapeller összefüggés szolgáltatja. Itt is meg kell különböztetni inhomogén és homogén térre érvényes összefüggéseket. Csak az erősen inhomogén térre vonatkozó összefüggést ismertetem: k  U   c

0 , 45

KV , ahol k levegő  1,06  10 5 ,

F . cm 2 Az elektródákra kapcsolt feszültség frekvenciájának különösen nagy jelentősége van az átütési szilárdság csökkentésében. Megállapítható és kísérletileg is viszonylag egyszerűen igazolható, hogy az elektródokra kapcsolt feszültség növekvő frekvenciájával az átütési szilárdság rohamosan csökken. Az1/50 „lökőfeszültséget” kapcsolva az elektródokra a=10cm elektródatávolság esetén az átütési szilárdság Uüt-= 52,2 kV, a= 30cm esetén Uüt-= 122,5kV. Látható, hogy az összefüggés nem lineáris. Ezt az összefüggést a Paschen görbe írja le, amely a 2. ábrán látható. A görbe a villamos ív előállításához szükséges feszültség változását mutatja be a nyomás és az elektródtávolság szorzatának a függvényében.

ebből , c -a felületegységre eső kapacitás,

2. ábra

Termikus gázexpanzió A levegőben és általában a gázokban előállított villamos ív akusztikus hullám forrásaként szolgálhat. A villamos ív hőenergiájának közlésével 126


a gázban egy gyors térfogatváltozás következik be. Ennek értéke közel azonos minden gáz esetében és értéke;   0,00367 / oC , A levegő termikus gázexpanziós együtthatója 0-100C hőmérséklet tartományban Regnault (1842) szerint 760Hgmm nyomáson: 0,003670 1/C, Chappuis (1903) szerint, ugyanilyen hőmérséklet tartományban, de 1001 Hgmm nyomáson 0,0036728 1/C [2] Ahhoz, hogy a hullámfront tovaterjedjen, az előtte levő nagyobb sűrűségű térben állandó túlnyomást kell fenntartania. Terjedési sebessége függ a gáz sűrűségétől. Ez a levegő esetében adott és kiinduló adatként szolgálhat. Ha a levegő hőmérséklete t=0C°, p0= 1014000 dyne/cm2**, ρ0 = 0,00129 g/cm3 és γ=1,41 a hanghullám terjedési sebessége c=333 m/s-ra adódik, t=20C esetén ez az érték: c=344 m/s. [1][2] A gáz nyomása és sűrűsége közt jól meghatározott összefüggés áll fenn, amit a termodinamikai egyenletek írnak le. [2] Termodinamikai oldalról vizsgálva a folyamatot, megállapítható, hogy az ideális gázok esetében a nyomás csak akkor arányos a sűrűséggel, ha a hőmérséklet is állandó, azaz, ha izotermikus a folyamat. Hullám keletkezésének alapfeltétele, hogy a gázban a nyomás olyan gyorsan változzon meg, hogy a folyamat ne lehessen izotermikus. A feltétel a levegő esetében csak azért is teljesül, mert a villamos ív hőt közöl a gázzal, ami hirtelen kitágul. Következésképpen a folyamat sokkal inkább adiabatikus.[3] De mi történik egy olyan adiabatikus folyamat esetében, amelyben a gáz hevítése vagy hűtése következtében a nyomáskülönbség nagyobb, mint a sűrítése vagy tágulása folyamán? A kérdés valahogy ugyanígy merülhetett fel Newtonban, amikor szerette volna meghatározni a hanghullám terjedésének a sebességet. A rejtélyt végül Laplace fejtette meg, mint tudjuk. A létrejövő túlnyomás, ami az adiabatikus folyamat esetében állandó, felelős a hullám tovaterjedéséért a rugalmas közegben. A túlnyomás a következőképpen írható le:     0 p   . p0 .s ahol az s    x 0 a kondenzációs együttható, ρ-ρ0 a gáz sűrűségváltozása. Az 1. ábrán látható, kör keresztmetszetű csőben előállított sugárirányú villamos ív tengelyirányú hullámfrontja, bizonyos x útszakasz megtétele után köze**

1 dyne/cm2 = 1bar

127


lítően síkhullámmá alakul. A hengeres hullámfront, ami az ív körül kialakul, axiális és radiális nyomáseloszlása eltérő módon változik, éppen ezért nem alaktartó. Tengelyirányú eloszlását vizsgálva bármelyik hosszirányú szelvényen a cső falához közelebb nagyobb nyomás alakul ki, mint a cső középvonalában. Nagyobb nyomás sűrűbb közeg kialakulását eredményezi, amiben a hullám gyorsabban terjed, annak dacára, hogy hosszabb utat kell megtennie. A sugárirányú nyomáseloszlás ezzel szemben a hosszirányú metszet síkjára, az ív tengelyére merőlegesen szimmetrikus, ami eltorzítja az ív közelében még hengeres hullámfrontot. A cső hossztengelye mentén a hullám két ellentétes irányba terjed, közelítően síkhullám formájában hagyja el a cső végét. Vizsgálatomat kizárólag térbeli harmonikus változással leírható e  jkr alakú síkhullámra korlátozom, ahol a k =ω/c, kr =d-ct az állandó fázisú hullámfrontot leíró egyenlet. A hullámfront alakjának a megváltozása a cső keresztmetszetében bonyolult hullámegyenletekkel leírható folyamat, amelyek nem részletezek. Folyamatában nagyon nagy szerepe van a hullám visszaverődésnek, a hullámtörésnek és a cső falában az energia részleges elnyelődésének.[5] A levegő nedvességtartalma csillapító hatásként csökkenti a hullám terjedését. Néhány adat erre vonatkozóan; 100Hz-es rezgés esetében 1,67dB/km, száraz levegő esetében, 0,38dB/km 50% nedvességtartalom esetében és 0,22dB/km 100% nedvességtartalom esetén. x p1 p2

p1>p2

3. ábra

Abban az esetben, ha két különböző forrás kelt térbeli hullámot, a kezdőfázisuk függvényében, az interferenciájuk révén amplitúdó maximum, vagyis erősítés jön létre. A Gauss féle komplex függvényt alkalmazva, a két forrás komplex hullámegyenlete egyenként legyen: 128


1  A1 .e j (t 1 )  2  A2 .e j (t 2 ) Összegzésük folytán a komplex számsíkon:  R  AR .e jR e jt [2], egyenletet kapjuk, ahol AR =f( ø1,ø2). Az interferencia egy fázishelyes szuperpozíció esetén az eredő hullám amplitúdójának növekedését biztosítja. Az előállított akusztikus hullám nyomása, vagyis a hanghullám intenzitásának meghatározására az alábbi összefüggés szolgál: E  2 2 dn 2 a 2

ahol

dyne , [1] cm 2

1dyne  1ergs , és 1J  10 7 ergs , 2 cm

d= a levegő sűrűsége [g/cm3 ], n = a hanghullám frekvenciája [Hz], a = a hullám amplitúdója [cm]. A csövet elhagyó hanghullám fázissebessége az alábbiak szerint alakul: c 

po , ahol o

c= a hullám fázissebessége, p= a nyomás, ρ= a közeg sűrűsége, γ = a gáz állandó térfogaton és nyomáson mért hőkapacitásának a viszonya. A maximális hatásfok csak akkor érhető el, ha az eszköz és a közeg egymáshoz megfelelőképpen illesztett. Ez akkor valósul meg, ha a cső saját hullámimpedanciája megegyezik a közeg saját hullámellenállásával. Ezt a gyakorlatban nagyon nehéz megvalóstani, de ettől függetlenül törekedni kell rá. r 

po , c

Levegő esetében r = 42,6 dyne-sec/cm3 [8],

129


  1, 41  o  0,00129 gm / cm 3 dyne po  1014000 2 cm o t 0 C c  333m / s

A hullám fázissebességére c  331,46m / s érték adódik, ha 0,03% CO2 tartalmat veszünk figyelembe. Ennél pontosabb értékek meghatározására nem lehet törekedni, mert nehéz figyelembe venni minden összetevő hatását. A levegőben, nagy mennyiségben van jelen vízgőz és a vízgőzben levő oxigén molekulák relaxációs oszcillációja nagymértékben befolyásolja a hullám terjedési sebességét. Csak megjegyzem, hogy a vízben a hanghullám terjedési sebessége nem kevesebb, mint négyszer nagyobb, mint a száraznak feltételezett levegőben.

Gyújtóelektródok kiküszöbölése Ha a korábban ismertetett eszköz továbbfejlesztésének gondolata merül fel és további elektród párok kerülnek beépítésre, akkor számolni kell azzal, hogy a csőben terjedő hullámfront zavart szenved. A benyúló elektródok torzítják a hullámot és zavart idéznek elő benne, ami jelentős mértékű hatásfokromláshoz vezet. A gyújtóelektródok számának csökkentésével, vagy jobb esetben teljes kiküszöbölésükkel csökkenthetők ezek a zavarok. A gyújtóelektródok kiküszöbölésének egyik formája a 4. ábrán látható. Megjegyzem, hogy ez csupán egy elvi megoldás és szó nincs arról, hogy az ábrán látható diódák valós félvezetők lennének, noha kaphatók nagy teljesítményű egyenirányító, mi több vezérelhető eszközök is. Működését a következőképpen kell elképzelni. A HV1, HV2 kis áramú, de nagyfeszültségű források vezérelt generátorok, amelyek villamos ívet állítanak elő az elektródok közt. A V1 jelű alacsonyabb feszültségű, ellenben nagy tárolókapacitású forrás által feltöltött kondenzátorok szekvenciálisan kisülnek a kis energiájú ív által vezetővé tett közegben. A V1 forrás feszültsége az ionizációs küszöb alatt kell maradjon azért, hogy az eszköz vezérelt legyen. 130


4. ábra

Lézerrel indukált villamos Ív A másik megoldás valamivel elegánsabb. Itt nem kis teljesítményű és nagyfeszültségű vezérelt források ionizálják a közeget, utat nyitva a nagy energiájú villamos kisülésnek, hanem lézernyaláb. A lézer, mint külső ionizáló energiaforrás rendelkezik jó néhány figyelemreméltó tulajdonsággal. A többi mellett biztosítja a csaknem tökéletes villamos szigetelést a vezérlő és a vezérelt áramkörök között, és alacsony feszültséggel működtethető. Mindemellett nagyon pontos időzítés valósítható, mert késedelem nélkül reagál, egyszóval kényelmes megoldást kínál, megfelelő tervezés és kivitelezés esetén. Egy ilyen lézerforrással vezérelt akusztikus impulzusgenerátorra láthatunk példát az 5. ábrán. Az ív előállításához szükséges forrás egyszerűbb kivitelben készülhet. A működési elv azonos a korábban megismertekkel. Az 1-es jelű V1 nagyenergiájú forrás feltölti az elektródákhoz tartozó tárolókat, amelyeket egy-egy kondenzátor jelképez. A 2-es jelű lézerforrások egyik a másik után, balról jobbra haladva, megfelelő időzítéssel, ionizálják a közeget biztosítva a kondenzátorok kisülését. Itt ugyanúgy megtalálható a mechanikus hangolás, mint a 131


szabadalmi leírásban. Ebben az esetben a 3-as gázbevezető csonkok szerepe egészen más. Míg a szabadalomban megfogalmazottak szerint ott az ionizált „elhasznált” gáz kifújására szolgál a 3-as jelű (1. ábra) palackban levő feltehetően sűrített levegő, addig itt alacsonyabb ionizációs küszöbbel jellemezhető gáz bevezetésére szolgál. Az ionizációt elősegítő, H2, vagy He-ból csak éppen szükséges mennyiséget kell bejuttatni a fúvókákon keresztül. Hangsúlyozom ez szintén egy elvi megoldás, amiből akkor lehet prototípus, ha a lézerforrás a megfelelő műszaki paraméterekkel rendelkezik. Ezeknek a paramétereknek a feltárásához szeretnék hozzájárulni a következőkkel:

5. ábra

A lézer ionizációs hatása függ annak az impulzus szélességétől és hullámhosszától. A levegő fotó ionizációs küszöbértéke 1014 W/cm2, ami egy nagyon magas érték. Azonban tudni kell, hogy a fotóionizáció mértékét, nem a lézerforrás teljesítménye határozza meg, hanem a foton nyaláb intenzitása. Az intenzitás a következő összefüggéssel határozható meg: 2  2  peff It  , ahol  p  peff Peff- impulzusmomentum, τp- impulzusszéllesség, ω- körfrekvencia



132




peff   n, p , amiből megállapítható, hogy peff arányos és nő a semleges molekulák számával (ρn ) és a gáz nyomásával (p). Ezek az összefüggések a kaszkád foton ionizációra vonatkoznak. Az úgynevezett „multifoton” ionizáció esetében az ionizált molekulák száma annál nagyobb lesz, minél kisebb a lézerfény hullámhossza. Ezt a következő összefüggés írja le: U I n , ahol h  h – Plank állandó, U- a gáz ionizációs potenciálja, n- az ionizációhoz szükséges fotonok száma. Egy infralézer (CO2 lézer), amelynek a hullámhossza 10,6μm, foton energiája 01173 eV. Ezzel szemben egy UV lézer, pl. KrF lézer, amelynek a hullámhossza; 248nm, foton energiája; 5,013 eV. Megvizsgálva az egyes gázok ionizációs potenciálját, arra a következtetésre jutunk, hogy pl. a N2 gáz ionizációjához nUV= 4 ütköző foton elégséges UV lézer esetében, míg az infralézer alkalmazása esetén nINFRA=133 fotonra van szükség. Mindebből arra a következtetésre jutunk, hogy egy impulzus üzemű, femtoszekundum impulzus szélességű UV lézerre van szükség ebben az esetben, és nem a lézerforrás teljesítménye lesz a meghatározó. Kis teljesítményű, akár néhány Watt teljesítményű UV lézer is megfelelőnek bizonyulhat, ha impulzusüzemű és nagyon rövid impulzusok előállítására alkalmas. Az impulzus szélessége elég nagy kell legyen ahhoz, hogy létrehozza a „multifoton” ionizációt, de elég rövid kell legyen ahhoz, hogy a ne jöjjön létre a kaszkád ionizáció.

Összegzés A cikkben bemutatott szabadalom, abban a formában, ahogy megjelenik a leírásban, nem alkalmas akusztikus fegyvernek és továbbfejlesztése sem célravezető. Ahhoz, hogy megfelelő hatótávú eszköz prototípusává váljon át kell alakítani, majd ezt követően lehet foglalkozni a továbbfejlesztésének a gondolatával. Ehhez feltétlen szükség van arra, hogy ismertek legyenek a benne lejátszódó folyamatok és azok meg legyenek fogalmazva a matematika nyelvén. Sikerült feltárni azokat a kapcsola133


tokat, amelyek a villamosságtan tudományából átvezetnek a hullámtanba érintve a termodinamikát. Nem mellőzhető az atomfizika sem, hiszen anélkül nem értelmezhetők a lézertechnikával kapcsolatos összefüggések, ami az eszköz továbbfejlesztésének a záloga. A lézertechnika gyors ütemű fejlődése lehetővé teszi a közeljövőben olyan kisméretű szilárdtest lézerek beszerzését, amelyekkel előállítható a lézerrel indukált villamos ív, nem csak különleges közegben, hanem a levegőben is. Addig is a cikk szűk keretein belül megismert módszerekre alapozottan akadálytalanul lehet az eszköz továbbfejlesztésével foglalkozni és elvégezni azokat a méréseket, amelyek igazolják vagy éppen kitöltik azt az űrt, ami megnehezíti az analitikus módszerek alkalmazását.

134


Felhasznált irodalom

[1] Dr. Ing. Jean D’Ans, Dr. phil. Ellen Lax: Taschenbuch für Chemiker und Phisiker, Springer Verlag, Berlin, 1949. 11p [2] Charles D. Hodgman, M.S.: Handbook of chemistry and physiks, Chemical Rubber Publishing CO., Clevland, Ohio, USA, 1935, 1203p, 1359p, 1638-1639pp [3] Dr. Gombás Pál, Dr. Kisdi Dávid: Bevezetés az elméleti fizikába, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1971 576p, 573p [4] Dr. Patkó János, Bognár Sándor: Villamos szigeteléstechnika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1973 133p, 141p [5] Dr. Giber János, Dr Sólyom András, Dr. Kocsányi László: Fizika mérnököknek I-II, CD kiadvány, Multisort Kft, 706-711 pp [6] George Gamow, John M. Clevland: Fizika, Gondolat kiadó, Budapest, 1973 122- 133pp [7] A. R. Von Hippel: A jövő elektronikájának alapjai, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964 [8] http://mysite.du.edu/~jcalvert/waves/soundwav.htm [9] Donald G. Fink: Elektronikai kézikönyv I-II, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981

135


136

NAGYFESZÜLTSÉGŰ VILLAMOS ÍV ALKALMAZÁSA ÉS ELŐÁLLÍTÁSÁNAK FELTÉTELEI AZ AKUSZTIKUS FEGYVEREKBEN

Recommend Documents