анализ элементного состава образцов титана
до и после электрического взрыва
*, **, **,
**, ****, ***,
**.
* РНЦ "Курчатовский институт", ИВТЭМ, г. Москва
** РУДН, г. Москва
*** , г. Москва
**** ИОНХ им. Курнакова, г. Москва
Аннотация
Проведен анализ элементного состава образцов обычной и наводороженной титановой фольги до и после их электрического взрыва в дистиллированной воде. Взрывная камера, а также все ее металлические детали были изготовлены из одного цельного куска титана. В качестве источника напряжения использовалась батарея, состоящая из двух конденсаторов общей емкостью 300 мкФ, заряженных до напряжения 3 кВ. Максимальный ток разряда составлял 30 кА. Масс-спектрометрический анализ показал изменение элементного и изотопного состава образцов титана в результате их электрического взрыва.
Введение
На первой стадии наших исследований электрического взрыва образцов титана [1] не обнаружены следы жесткого электромагнитного излучения, ответственного за трансформацию элементов, наблюдаемую в экспериментах [2]. Здесь мы приводим результаты сравнительного анализа, выполненного с помощью лазерной масс-спектрометрии, контрольных образцов титановой фольги (а также титановой фольги, насыщенной водородом или дейтерием) и аналогичных образцов после их электрического взрыва в дистиллированной воде.
Экспериментальная установка
Электрический взрыв образцов титана осуществлялся на установке, схема которой представлена на рис.1. В качестве источника напряжения использовалась батарея, состоящая из 2 конденсаторов общей емкостью 300 микрофарад, заряженных до напряжения 3кВ. Коммутация батареи осуществлялась вакуумным разрядником. К нагрузке
Рис. 1. Схема установки.
1-конденсаторная батарея,
2-разрядник, 3-медная шина, 4-титановая фольга,
5- центральный электрод,
6-взрывная камера,
7-дистиллированная вода,
8- буферная зона
электрическое напряжение подводилось медными шинами сечением 80 мм2. В качестве нагрузки использовалась титановая фольга толщиной 0,06 мм и массой 0,14 г. На рис.2 показана камера, в которой проводился электрический взрыв образцов. С целью облегчения анализа результатов экспериментов для изготовления камеры, а также всех деталей крепления фольги и токоподводов к ней внутри камеры, использовался один цельный кусок титана. Внутренние электрические изоляторы изготавливались из цельного куска фторпласта.
Рис. 2. Камера для электрического взрыва
титановых образцов
Для насыщения титановой фольги водородом или дейтерием использовалась экспериментальная установка, представленная на рис.3. Основной частью ее являлась вакуумная камера, состоящая из двух частей. Верхняя часть камеры (16), изготовленная из нержавеющей стали, имела канал для откачки и канал для напуска газа (
или
) из баллона. Там же находились два вывода термопары (3), с помощью которой измерялась температура образцов. Установка позволяла производить откачку камеры форвакуумным и турбомолекулярным насосами до давления 1
торр, измеряемого вакуумными манометрами (9). Давление рабочего газа в камере контролировалось мановакуумметром в пределах 0-1500 торр. Нижняя часть (1) камеры представляла собой кварцевую трубку внутренним диаметром 4 см и длиной 39 см. Нагрев образцов осуществлялся с помощью внутреннего или внешнего нагревателя.
Рис.3. Принципиальная схема экспериментальной установки для насыщения титана водородом и контроля эмиссии нейтронов и гамма излучения.
1-кварцевая камера; 2-образцы; 3-термопара; 4-He3-детекторы с парафиновыми замедлителями. 5-вводы термопары; 6- NaJ-детекторы гамма квантов;
7-регулятор давления газа; 8-мановакуумметр; 9-измерители вакуума;
10-турбомолекулярный насос; 11-форвакуумный насос; 12-анализатор
импульсов; 13-печатающее устройство; 14-схема совпадений; 15-генератор импульсов; 16-верхняя часть вакуумной камеры.
Методика проведения экспериментов
Для проведения эксперимента из листа титановой фольги вырезались два образца, один из которых использовался для электрического взрыва, а второй – являлся контрольным образцом. Перед экспериментом проводилась тщательная очистка образцов, камеры и инструмента для сборки камеры в соответствии с методами вакуумной технологии [3]: очистка от механических примесей в проточной горячей воде, обезжиривание деталей в четыреххлористом углероде, удаление солевых загрязнений в горячем бидистилляте. Технология очистки была одинаковой для контрольных образцов фольги и образцов, используемых для взрывов, что при сравнительном анализе позволило избежать дополнительных ошибок. В экспериментах с образцами, насыщенными изотопами водорода, проводилась дополнительная очистка фольг по технологии отжига в водороде [3]. Насыщение образцов изотопами водорода проводилось из газовой фазы в камере (1). О поглощении газа судили по уменьшению давления в камере в процессе насыщения образца. Также проводились дублирующие измерения поглощения по изменению веса фольги после ее насыщения водородом.
Взрывы проводились в камере, заполненной бидистиллятом воды. Элементный и изотопный состав остатков фольги определялся с помощью лазерной масс-спектрометрии. Для этого воду выпаривали, а образец, спрессованный под давлением 200 ат., подвергали стандартному анализу [4]. Точность измерений по элементному составу - 15%, по изотопному - (2,5-3) %. Анализ проводился в диапазоне массовых чисел, т. е. от углерода до свинца.
Экспериментальные результаты
Проводилась серия экспериментов по электрическому взрыву обычной титановой фольги и фольги, насыщенной водородом или дейтерием. В экспериментах использовали фольгу, насыщенную изотопами водорода до соотношения атомов титана и водорода 10:6. Максимальный ток разряда составлял 30 кА. Типичные результаты масс-спектрометрического анализа полученных образцов, а также элементный состав камеры и изоляторов представлены на рисунках 4 - 8.
Результаты свидетельствуют об относительном уменьшении содержания титана в образцах после электрического взрыва (около процента) и изменение содержания в них других химических элементов во всех проведенных экспериментах. Наибольшее изменения отмечается при взрыве наводороженного образца: содержание некоторых элементов возрастает на несколько порядков (K - в 248 раз, Si-111, Al-92, Cl-89, Na-55). Причем для многих элементов их процентное содержание в образцах становится больше, чем в титановом корпусе камеры или фторпластовых изоляторах ( Si – 1,36 ат.% по сравнению с 0,0362 ат.% в корпусе камеры, К -0,45 и 0,0092 в изоляторах и т. д.).
 |
ат.% ат.%
(контрольный) (после взрыва)
C | 0,16 | 0,2577 |
F | 0 | 0 |
Na | 0,0035 | 0,2155 |
Mg | 0,029 | 0,02577 |
Al | 0,013 | 0,1522 |
Si | 0,038 | 0,3045 |
P | 0,0095 | 0,02108 |
S | 0,021 | 0,07964 |
Cl | 0,009 | 0,445 |
K | 0,0021 | 0,1499 |
Ca | 0,024 | 0,1405 |
Ti | 99,4417 | 97,79 |
V | 0,0009 | 0,001405 |
Cr | 0,017 | 0,01499 |
Mn | 0,0031 | 0,004216 |
Fe | 0,18 | 0,2811 |
Ni | 0,03 | 0,01312 |
Co | 0,0028 | 0,000234 |
Cu | 0,0065 | 0,03982 |
Zn | 0,0089 | 0,06324 |
Рис. 4. Анализ состава титановой фольги: контрольный образец
(светлые столбцы) и образец после взрыва (темные столбцы).
ат.% ат.%
(контрольный) (после взрыва)
C | 0,022 | 0,04599 |
F | 0,0005 | 0,00209 |
Na | 0,0097 | 0,1296 |
Mg | 0,0005 | 0,004181 |
Al | 0,0068 | 0,1066 |
Si | 0,011 | 0,1401 |
P | 0,012 | 0,003136 |
S | 0,0204 | 0,009616 |
Cl | 0,0024 | 0,06689 |
K | 0,0023 | 0,1589 |
Ca | 0,0089 | 0,2007 |
Ti | 99,7475 | 98,46 |
V | 0,0005 | 0,0006271 |
Cr | 0,0093 | 0,01923 |
Mn | 0,0017 | 0,003345 |
Fe | 0,115 | 0,5435 |
Ni | 0,0005 | 0,01881 |
Co | 0,0146 | 0,0004181 |
Cu | 0,01 | 0,01191 |
Zn | 0,0041 | 0,07943 |
Рис. 5. Анализ состава дейтерированной титановой фольги: контрольный
образец (светлые столбцы) и образец после взрыва (темные столбцы).
ат.% ат.%
(контрольный) (после взрыва)
C | 0,0212 | 0,07516 |
F | 0,0005 | 0,01315 |
Na | 0,0077 | 0,4288 |
Mg | 0,0027 | 0,03993 |
Al | 0,0069 | 0,6341 |
Si | 0,0123 | 1,3622 |
P | 0,0111 | 0,02302 |
S | 0,0237 | 0,05402 |
Cl | 0,0025 | 0,2231 |
K | 0,0018 | 0,4462 |
Ca | 0,0094 | 0,3523 |
Ti | 99,74 | 95,69 |
V | 0,0005 | 0,000705 |
Cr | 0,0103 | 0,01879 |
Mn | 0,0021 | 0,006341 |
Fe | 0,1133 | 0,5167 |
Ni | 0,0158 | 0,01174 |
Co | 0,0005 | 0,00047 |
Cu | 0,0108 | 0,01738 |
Zn | 0,0042 | 0,0963 |
Рис.6. Анализ состава насыщенной водородом титановой фольги:
контрольный образец (светлые столбцы) и образец после взрыва
(темные столбцы).
Состав камеры Состав фторпласта
ат.% ат.%
C | 0,0534 | 49,9841 |
F | 0,0002 | 49,9687 |
Na | 0,0042 | 0,0126 |
Mg | 0,006 | 0,0011 |
Al | 0,8929 | 0,0003 |
Si | 0,0362 | 0,0009 |
P | 0,0026 | 0,0004 |
S | 0,0098 | 0,0014 |
Cl | 0,0036 | 0,0118 |
K | 0,0005 | 0,0092 |
Ca | 0,002 | 0,0062 |
Ti | 98,8239 | 0,0003 |
V | 0,0011 | 0,0002 |
Cr | 0,0206 | 0,0002 |
Mn | 0,0087 | 0,0002 |
Fe | 0,1044 | 0,0015 |
Ni | 0,0005 | 0,0002 |
Co | 0,0189 | 0,0002 |
Cu | 0,0075 | 0,0002 |
Zn | 0,0025 | 0,0004 |
Рис. 7. Анализ состава взрывной камеры и фторпластовых изоляторов.
Природное фольга фольга фольга
cоотношение Ti Ti-D Ti-H
Ti(46) | 8 | 7,53 | 7,75 | 7,81 |
Ti(47) | 7,3 | 7,69 | 7,4 | 7,45 |
Ti(48) | 73,8 | 73,8 | 73,66 | 73,78 |
Ti(49) | 5,5 | 5,44 | 5,63 | 5,6 |
Ti(50) | 5,4 | 5,53 | 5,43 | 5,36 |
Fe(54) | 5,8 | 5,56 | 5,86 | 5,72 |
Fe(56) | 91,72 | 91,83 | 91,56 | 91,74 |
Fe(57) | 2,2 | 2,24 | 2,23 | 2,19 |
Fe(58) | 0,28 | 0,36 | 0,35 | 0,35 |
Рис. 8. Анализ изотопного состава образцов после взрыва (масс.%).
Однако, на наш взгляд, эти результаты не являются бесспорным доказательством трансмутации химических элементов при электрическом взрыве титановой фольги. Слабым местом в наших экспериментах является малая масса материала, получаемого для анализа после взрыва– около 0,05 г. Следовательно, полученные в экспериментах изменения в составе образцов, в лучшем случае составляют доли миллиграмма. Это предъявляет серьезные требования к чистоте проводимых экспериментов. Но, даже при соблюдении всех правил очистки камеры и образцов (чему в экспериментах уделялось серьезное внимание), в результате электрического взрыва в воду, заполняющую камеру, попадает часть материала корпуса и изоляторов, о чем свидетельствует сильная эрозия электродов, наблюдаемая после электрического взрыва. Это происходит вследствие механических и термических воздействий, происходящих при электрическом взрыве, а также вследствие химических процессов и электролиза, протекающего в камере некоторое время после разрушения фольги. В дальнейшем, после выпаривания воды, все примеси переходят в анализируемый образец, внося искажения в получаемые результаты, как по элементному, так и по изотопному составу. Величину этих искажений, из-за многообразия механизмов воздействия, трудно корректно оценить и, тем более, невозможно полностью исключить попадание примесей в анализируемый образец.
Следует также отметить, что в экспериментах не обнаружено появление новых элементов, не входящих в состав материала камеры или взрываемой фольги.
Таким образом, в проведенных экспериментах пока не удалось надежно установить факт трансмутации химических элементов при электрическом взрыве титановых фольг в дистиллированной воде. В дальнейших экспериментах в этом направлении предполагается усовершенствовать методику исследований, основываясь на теоретическом анализе возможных механизмов преобразований ядер в электрическом разряде [5].
Литература
1. , , Холодов изучение особенностей электрического взрыва проводников. Мат. 10-й Росс. Конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов. (Дагомыс, Сочи, 2002 г.), Москва, 2003, с.
2. , , Циноев обнаружение “странного” излучения и трансформация химических элементов. Прикладная физика, 2000, с.83-100.
3. Черепнин очистки и обезгаживания в вакуумной технике. М.,1967.
4. Рамендик масс-спектрометрический анализ твердых тел. М.,Химия, 1993.
5. , Кравченко ядерного синтеза в мезофазном веществе в процессе электрического взрыва. Прикладная физика, 2003, 1, с.79-90.
THE ELEMENT STRUCTURE ANALYSIS OF TITANIC SAMPLES BEFORE AND AFTER ELECTRIC EXPLOSION
I. V.Gorjachev*, V. I.Karyaka**, D. V.REZNIKOV**, N. V.Samsonenko**, A. V. Steblevsky****, L. I. Kholodov***, V. D.Schepilov**
* Russian Research Center "Kurchatov Institute"
** Peoples’ Friendship University of Russia, Moscow
***FGUP DBGM, Moscow
**** Inst. Of General and Nonorganic Chemistry, Moscow
The element structure analysis of usual and deuterated titanic foil before and after its electric explosion in distilled water was carried out. The explosive chamber and its metal devices have been made of the same piece of titan. The battery of condensers in capacity 300 mkF, charged up to 3 kV, served as a source of high voltage. The maximum current of the discharge was about 30 kA. The mass-spectrometer analysis has shown the change of the isotope and element structure of the titanium samples occurring in result of the electric explosion.
