爆発ワイヤー法

爆発ワイヤ法（EWM ）は、導電性材料の 細いワイヤに十分に強い電流パルスを流すことでプラズマを生成する方法です。抵抗加熱によりワイヤが蒸発し、その蒸気を流れる電気アークが爆発的な衝撃波を生み出します。

爆発ワイヤーは、爆発物の起爆装置、瞬間的な高強度光源、金属ナノ粒子の製造に使用されます。

金属を溶かすために電気を使用した最初の記録された事例の1つは、1700年代後半に発生しました^{[1] 。これは、64個の}ライデン瓶をコンデンサーとして使用して70フィートの金属線を溶かしたマーティン・ファン・マルムの功績です。ファン・マルムの発電機は1784年に製造され、現在はオランダのテイラーズ博物館に展示されています。数年後、ベンジャミン・フランクリンは薄い金箔を蒸発させて紙に画像を焼き付けました^{[2] [3]} 。マルムもフランクリンも実際にワイヤーの爆発現象を引き起こしたわけではありませんが、彼らはどちらもその発見への重要なステップでした。

1774年、銀線と銅線を用いた爆発ワイヤー法の存在に初めて気づいたのはエドワード・ネアーンでした。その後、マイケル・ファラデーはEWMを使用して、蒸発した金属を隣接した表面に固化させることで薄い金の膜を堆積させました。その後、EWMの結果としての金属ガスの蒸気堆積は、1800年代にオーガスト・テプラーによって研究されました。JAアンダーソンが主導したこのプロセスの分光法による調査は、1900年代に広く普及しました。分光法の実験により、理解が深まり、その後、実用化の兆しが見えてきました。20世紀半ばには、EWMを光源として使用したり、アルミニウム、ウラン、プルトニウムのワイヤーでナノ粒子を生成する実験が行われました。同様に、マンハッタン計画のルイス・アルバレスとローレンス・H・ジョンストンは、核起爆装置の開発にEWMの用途を見出しました。^{[3] [4]}

現在の研究では、EWM を利用してナノ粒子を生成することと、システム環境がプロセスに与える影響などのメカニズムの詳細をより深く理解することに重点が置かれています。

爆発ワイヤー法に必要な基本的な部品は、細い導電性ワイヤーとコンデンサーです。ワイヤーは一般に金、アルミニウム、鉄、プラチナで、直径は通常 0.5 mm 未満です。コンデンサーのエネルギー消費量は約 25 kWh/kg で、電流密度10 ⁴ - 10 ⁶ A/mm ²のパルスを放電し、^[5]最高 100,000  Kの温度をもたらします。この現象はわずか 10 ⁻⁸ - 10 ⁻⁵秒の間に発生します。^[6]

プロセスは次のとおりです。

1. コンデンサによって供給される上昇電流がワイヤを横切って流れます。
2. 電流は抵抗加熱によって電線を加熱し、金属が溶け始めます。金属は溶けて、波状体と呼ばれる不完全な球の連続を形成します。電流は非常に速く上昇するため、液体金属は逃げる時間がありません。
3. 波状体は蒸発します。金属蒸気はより低い抵抗経路を作り出し、さらに高い電流が流れるようになります。
4. 電気アークが発生し、蒸気がプラズマに変わります。明るい閃光も発生します。
5. プラズマは自由に膨張し、衝撃波を生成します。
6. 衝撃波と同時に電磁放射が放出されます。
7. 衝撃波は液体、気体、プラズマ状の金属を外側に押し出し、回路を切断してプロセスを終了します。

EWMの研究では、光メーザーの励起、通信用の高強度光源、宇宙船の推進、石英などの難接合材料の接合、高出力無線周波数パルスの生成などへの応用が示唆されています。^[3] EWMの最も有望な用途は、起爆装置、光源、およびナノ粒子の製造です。

EWMは核爆弾の起爆装置として最も一般的に使用され、爆発ブリッジワイヤ起爆装置と呼ばれています。ブリッジワイヤ起爆装置は、爆発が一定で、電流が流れてからわずか数マイクロ秒後に発生し、起爆装置ごとに数十ナノ秒しか変化しないため、化学信管よりも優れています。^[7]

EWMは、短時間の高強度光源を得るための効果的なメカニズムです。たとえば、銅線のピーク強度は9.6·10 ⁸カンデラ/cm ²です。^[8] JAアンダーソンは、初期の分光研究で、その光は20,000 Kの黒体に匹敵すると書いています。^[9]この方法で生成されたフラッシュの利点は、強度の変動がほとんどなく、簡単に再現できることです。ワイヤの直線的な性質により、特定の形状と角度の光フラッシュが可能になり、異なる種類のワイヤを使用して異なる色の光を生成することができます。^{[10]この光源は、}干渉法、フラッシュ光分解、定量分光法、および高速写真撮影に使用できます。

ナノ粒子は、システムの周囲のガスが、生成されたばかりの蒸気状の金属を冷却するときに、EWM によって生成されます。^[11] EWM を使用すると、1 時間あたり 50～300 グラムの速度で、99% を超える純度でナノ粒子を安価かつ効率的に生成できます。^{[6] [5]}電気エネルギーから熱エネルギーへの変換でエネルギーがほとんど失われないため、このプロセスでは比較的低いエネルギー消費しか必要ありません。プロセスは閉鎖系で行われるため、環境への影響は最小限です。粒子は 10 nm ほど小さくなることがありますが、最も一般的には直径 100 nm 未満です。ナノパウダーの物理的特性は、爆発のパラメータに応じて変更できます。たとえば、コンデンサの電圧が上昇すると、粒子の直径が減少します。また、ガス環境の圧力によって、ナノ粒子の分散性が変化する可能性があります。^[6]このような操作により、ナノパウダーの機能が変化する可能性があります。

EWMを酸素を含む標準雰囲気で実行すると、金属酸化物が形成されます。純粋な金属ナノ粒子は、不活性環境（通常はアルゴンガスまたは蒸留水）でEWMを使用して生成することもできます。^[12]純粋な金属ナノパウダーは、空気中の酸素にさらされると発火するため、不活性環境に保つ必要があります。^[5]多くの場合、メカニズムをスチールボックスまたは同様の容器内で操作することで、金属蒸気を封じ込めます。

ナノ粒子は、医療、製造、環境浄化、回路に使用される比較的新しい材料です。金属酸化物と純金属ナノ粒子は、触媒、センサー、酸素酸化防止剤、自己修復金属、セラミック、紫外線保護、防臭、改良電池、印刷回路、光電子材料、環境修復に使用されています。^{[13] [14]}ナノテクノロジーへの関心が高まるにつれて、金属ナノ粒子、したがって製造方法の需要が高まっています。その圧倒的なシンプルさと効率性にもかかわらず、実験装置を工業規模で使用できるように変更することは困難です。そのため、EWMは製造量の問題により、材料製造業界で広く利用されていません。それでも、しばらくの間、アルゴニドはロシアで製造された爆発ワイヤ法で作られた金属ナノパウダーを提供していました。^[15]

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