폭발선법

Exploding wire method

폭발 와이어 방식(EWM)은 어떤 전기 전도성 물질의 얇은 와이어를 통해 충분히 강한 전류의 펄스를 보내는 것으로 구성되는 플라즈마를 생성하는 방법이다. 저항성 가열은 전선을 증발시키고, 그 증기를 통해 전호가 폭발적 충격파를 일으킨다.

폭발하는 전선은 순간적인 고강도의 광원으로, 그리고 금속 나노입자의 생산에 폭발물을 위한 기폭제로 사용된다.

역사

금속을 녹이기 위해 전기를 사용하는 최초의 문서화된 사례들 중 하나는 1700년대 후반에 발생했으며, 64개의 레이든 항아리를 콘덴서로 하여 70피트의 금속 와이어를 녹인 마틴 판 마름에게 인정되었다. 반 마름의 발전기는 1784년에 지어졌으며, 현재 네덜란드의 티일러스 박물관에 위치해 있다. 몇 년 후, 벤자민 프랭클린은 얇은 금 잎을 증발시켜 이미지를 종이에 태웠다.[2][3] 마름과 프랭클린은 실제로 폭발하는 전선 현상을 부추기지 않았지만, 그것들은 둘 다 그것의 발견을 위한 중요한 단계였다.

1774년 은선과 구리선으로 폭발하는 철사법의 존재를 에드워드 나얼네가 가장 먼저 주목했다. 그 후, 마이클 패러데이는 EWM을 사용하여 인접한 표면에 기화 금속의 고화화를 통해 얇은 금필름을 퇴적시켰다. 그 후, EWM의 결과로서 금속 가스의 증기 퇴적물은 1800년대에 어거스트 토플러에 의해 연구되었다. J.A.가 주도한 이 과정에 대한 분광 조사. 앤더슨은 1900년대에 널리 퍼졌다. 분광 실험은 더 나은 이해를 가능하게 했고, 그 후에 실제 적용의 첫 번째 한 줄기 빛을 보게 했다. 20세기 중반에는 EWM을 광원으로 하고 알루미늄, 우라늄, 플루토늄 전선의 나노입자 생산을 위한 실험을 보았다. 한편 맨해튼 프로젝트의 루이스 알바레스와 로렌스 H. 존스턴은 핵 기폭장치 개발에 EWM이 사용된다는 것을 발견했다.[3][4]

현재의 연구는 나노 입자를 생산하기 위해 EWM을 활용하는 것은 물론 시스템 환경이 프로세스에 미치는 영향과 같은 메커니즘의 세부 사항을 더 잘 이해하는 데 초점을 맞추고 있다.

메커니즘

폭발하는 전선 방식에 필요한 기본 부품은 얇은 전도성 와이어와 콘덴서다. 철사는 일반적으로 금, 알루미늄, 철 또는 백금이며, 지름이 보통 0.5mm 미만이다. 콘덴서는 약 25 kWh/kg의 에너지 소비량을 가지며, 전류 밀도 104 - 106 A/mm의2 펄스를 방출하여 [5]최대 10만 K의 온도로 이어진다. 이 현상은 불과−8 10초에서−5 10초 사이에 일어난다.[6]

그 과정은 다음과 같다.

  1. 커패시터에 의해 공급되는 상승 전류가 와이어를 가로질러 전달된다.
  2. 전류는 금속이 녹기 시작할 때까지 오미크 난방을 통해 전선을 가열한다. 그 금속은 녹아서 운울로이드라고 불리는 불완전한 구의 깨진 시리즈를 형성한다. 물살이 너무 빨리 불어나서 액체 금속이 비켜갈 틈이 없다.
  3. 운울로이드들은 기화한다. 금속 증기는 더 낮은 저항 경로를 만들어 더 높은 전류가 흐를 수 있게 한다.
  4. 전기 호가 형성되어 수증기가 플라즈마로 변한다. 밝은 섬광도 생성된다.
  5. 플라즈마가 자유롭게 팽창할 수 있게 되어 충격파가 발생한다.
  6. 전자파 방사선은 충격파와 함께 방출된다.
  7. 충격파는 액체, 기체, 플라스마 금속을 밖으로 밀어내서 회로를 부수고 공정을 끝낸다.

실용적 응용

EWM 연구는 광학 마저, 통신을 위한 고강도의 광원, 우주선 추진, 석영과 같은 어려운 물질과의 결합,[3] 고출력 무선 주파수 펄스의 발생에 응용 가능한 가능성을 제시했다. EWM의 가장 유망한 용도는 기폭장치, 광원, 나노입자 생산용이다.

기폭장치

EWM은 폭발하는 브리지와이어 기폭장치라는 이름을 가진 기폭장치로서 핵폭탄을 위한 가장 일반적인 용도를 발견했다. 브릿지와이어 기폭기는 폭발이 일관되고 전류가 인가된 후 불과 몇 마이크로초 후에 발생하기 때문에 화학 퓨즈보다 유리하며, 기폭기에서 기폭기까지 불과 수십 나노초의 변화만 있을 뿐이다.[7]

광원

EWM은 짧은 지속시간 고강도의 광원을 얻는 효과적인 메커니즘이다. 예를 들어 구리선의 최고 강도는 9.6·10초8 전력/cm이다2.[8]J.A. 앤더슨은 초기 분광학 연구에서 그 빛이 20,000K의 검은 몸에 필적한다고 썼다.[9] 이러한 방식으로 생성되는 플래시의 장점은 강도의 변화가 거의 없이 쉽게 재현할 수 있다는 것이다. 전선의 선형적 특성은 특정한 형태와 각도를 가진 광 섬광을 가능하게 하고 다른 종류의 전선을 사용하여 다른 색의 빛을 낼 수 있다.[10] 광원은 간섭계, 플래시 광분해, 정량 분광법, 고속 촬영에 사용될 수 있다.

나노입자 생산

나노입자는 시스템의 주변 가스가 최근에 생산된 증기 금속을 냉각시킬 때 EWM에 의해 생성된다.[11] EWM은 시간당 50~300g의 속도와 99%[6][5] 이상의 순도로 나노입자를 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있다. 이 공정은 전기에서 열 에너지로 변환할 때 에너지가 거의 손실되지 않기 때문에 상대적으로 낮은 에너지 소비량을 필요로 한다. 폐쇄적인 시스템에서 진행되는 공정으로 인해 환경적 영향은 미미하다. 입자는 10nm 정도로 작을 수 있지만 대부분 직경 100nm 미만이다. 나노포더의 물리적 속성은 폭발의 매개변수에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어 콘덴서의 전압이 올라가면 입자 직경이 줄어든다. 또한 가스 환경의 압력은 나노입자의 분산성을 변화시킬 수 있다.[6] 그러한 조작을 통해 나노포더의 기능이 변경될 수 있다.

산소를 포함한 표준 대기에서 EWM을 수행하면 금속 산화물이 형성된다. 순수 금속 나노입자는 또한 보통 아르곤 가스나 증류수처럼 불활성 환경에서 EWM으로 생산될 수 있다.[12] 순수 금속 나노소자는 공기 중의 산소에 노출되면 발화하기 때문에 불활성 환경에 보관해야 한다.[5] 종종 금속 증기는 강철 상자나 유사한 용기 내에서 메커니즘을 작동함으로써 억제된다.

나노입자는 의학, 제조, 환경정화, 회로에 사용되는 비교적 새로운 물질이다. 금속 산화물과 순수 금속 나노입자는 카탈루션, 센서, 산소 항산화, 자가 수리 금속, 세라믹, 자외선 차단, 냄새 방지, 개선된 배터리, 인쇄 가능한 회로, 광전자 재료, 환경 교정조치 등에 사용된다.[13][14] 나노기술에 대한 관심이 계속 높아지면서 금속 나노입자 수요, 즉 생산방식에 대한 수요가 증가했다. 압도적으로 단순하고 효율적임에도 불구하고 산업적 규모로 사용할 실험장비를 개조하기는 어렵다. 이처럼 EWM은 제조수량 문제로 소재 생산업에서 활용도가 확산되지 않고 있다.

참조

  1. ^ Dibner, [by] Herbert W. Meyer. Foreword by Bern (1972). A history of electricity and magnetism. Norwalk, Conn.: Burndy Library. p. 32. ISBN 026213070X.
  2. ^ Holcombe, J.A.; Sacks, R.D. (March 16, 1973). "Exploding wire excitation for trace analysis of Hg, Cd, Pb and Ni using electrodeposition for preconcentration" (PDF). Spectrochimica Acta. 22B (12): 451–467. Bibcode:1973AcSpe..28..451H. doi:10.1016/0584-8547(73)80051-5. hdl:2027.42/33764. Retrieved 2 November 2014.
  3. ^ a b c McGrath, J.R. (May 1966). "Exploding Wire Research 1774–1963". NRL Memorandum Report: 17. Retrieved 24 October 2014.
  4. ^ Hansen, Stephen (2011). Exploding Wires Principles, Apparatus and Experiments (PDF). Bell Jar. Retrieved 24 October 2014.
  5. ^ a b c Kotov, Yu (2003). "Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders" (PDF). Journal of Nanoparticle Research. 5 (5/6): 539–550. Bibcode:2003JNR.....5..539K. doi:10.1023/B:NANO.0000006069.45073.0b. S2CID 135540834. Archived from the original (PDF) on 2014-12-15.
  6. ^ a b c Nazatenko, O (16 September 2007). "Nanopowders produced by electrical explosion of wires" (PDF). Dept. Of Exology Tomsk Polytechnic University. Archived from the original (PDF) on 29 November 2014. Retrieved 6 November 2014.
  7. ^ Cooper, Paul W. (1996). "Exploding bridgewire detonators". Explosives Engineering. Wiley-VCH. pp. 353–367. ISBN 0-471-18636-8.
  8. ^ Conn, William (October 28, 1949). "The Use of "Exploding Wires" as a Light Source of Very High Intensity and Short Duration". Journal of the Optical Society of America. 41 (7): 445–9. doi:10.1364/josa.41.000445. PMID 14851124. Retrieved 30 October 2014.
  9. ^ Anderson, J.A. (May 22, 1922). "The Spectral Energy Distribution And Opacity Of Wire Explosion Vapors". Proceedings of the National Academy of Sciences. 8 (7): 231–232. Bibcode:1922PNAS....8..231A. doi:10.1073/pnas.8.7.231. PMC 1085099. PMID 16586882.
  10. ^ Oster, Gisela K.; Marcus, R. A. (1957). "Exploding Wire as a Light Source in Flash Photolysis" (PDF). The Journal of Chemical Physics. 27 (1): 189. Bibcode:1957JChPh..27..189O. doi:10.1063/1.1743665.
  11. ^ Mathur, Sanjay; Sing, Mrityunjay (2010). "Nanostructured Materials and Nanotechology III". Ceramic Engineering and Science Proceedings. 30 (7): 92. ISBN 9780470584361.
  12. ^ Alqudami, Abdullah; Annapoorni, S. (2006). "Fluorescence from metallic silver and iron nanoparticles prepared by exploding wire technique". arXiv:cond-mat/0609369.
  13. ^ Boysen, Earl. "Nanoparticles Applications and Uses". understandingnano. Retrieved 2 November 2014.
  14. ^ Oskam, Gerko (24 February 2006). "Metal oxide nanoparticles: synthesis, characterization and application". Journal of Sol-Gel Science and Technology. 37 (3): 161–164. doi:10.1007/s10971-005-6621-2. S2CID 98446250.

외부 링크