Достижения в приборостроении

В 1905 году Бриджмен начал свои экспериментальные работы в области высоких давлений. Сразу же он столкнулся с большим количеством трудностей, которые испытывали экспериментаторы того времени. Аппаратура не позволяла достичь больших гидростатических давлений. Прокладки не выдерживали давления, и вещество истекало из рабочего объема. Опять же оставались трудности с точностью определения давления в рабочей камере. Довольно скоро после начала работы Бриджмен изобрел герметизированный метод изоляции сосудов с газом, находящимся под высоким давлением. «Суть способа состоит в следующем: в твердой прокладке 3 за счет меньшей по сравнению с диаметром поршня 1 площадью опоры автоматически создается более высокое давление, чем в жидкости. Для этого поршень делается составным: со стороны высокого давления имеется отдельная, похожая на грибок часть 4 ; длина ножки грибка с надетой на нее прокладкой делается меньше, чем глубина соответствующего отверстия в основной части поршня. Способ так и называется - принцип некомпенсированной площади» [2].

Создав такое уплотнение, Бриджмен получил степень магистра в том же году и продолжил развивать технику высоких давлений. В 1909 году он публикует статью, в которой описывает конструкцию манометра со свободным поршнем, способным измерять давления до 6800 атмосфер (для сравнения, манометр Амага, который был взят за основу для построения этого манометра, проводил измерения до 3000 атмосфер) а также манометр, измеряющий давление по изменению сопротивления ртути. Точность этих приборов оказалась очень высокой. В частности, при предельном давлении о коло 7 кбар чувствительность манометра Бриджмена составляла 2 атмосферы. Через 2 года он улучшил свое оборудование. Манометр со свободным поршнем повысил диапазон измеряемых давлений до 13 кбар, к тому же был предложен манометр, принцип работы которого базируется на электрических свойствах манганинового сплава. «Манганиновый манометр дает линейную зависимость при измерениях вплоть до 13000 кг/см² . Я употреблял его, прибегая к э кстраполяции, до 21000 кг/см²» [1, стр78].

Имея прокладку, не протекающую при высоких давлениях, Бриджмену удалось сконструировать прибор типа цилиндр-поршень, позволяющий достичь 12000 атмосфер. У этого аппарата были свои ограничения. В частности, в камере давления необходимо было изначально создать давление около 2 кбар, и лишь затем к делу приступает поршень высокого давления. Связано это с тем, что прибор не имеет обратного хода, и необходимо достичь максимального давления за однократное опускание поршня. Нижний цилиндр, то есть сама камера высокого давления, была одноразовой и менялась после каждого опыта из-за пластических деформаций канала. В качестве материала для поршней и цилиндра выбиралась хромо-ванадиевая сталь, которая отпускалась до твердости 400 по Бринелю. Однако и это не всегда спасало от образования трещин и разрушения деталей.

На 12 кбар Бриджмен не остановился и продолжил совершенствовать способы создания высоких давлений. Им были сконструированы аппараты для получения давлений в 30 и 50 кбар с использованием метода внешней поддержки камеры высокого давления, когда осевое усилие на поршень, вдвигая конический сосуд в стальную оправу, автоматически создает п оддерживающее давление. «Применение принципа внешней поддержки заключается в том, чтобы усиливать внешнюю поддержку пропорционально увеличению внутреннего давления, вместо того чтобы прилагать максимальную внешнюю поддержку тогда, когда внутреннее давление равно нулю. Этого можно достичь простым методом: наружная поверхность сосуда высокого давления делается конической, и весь сосуд вдвигается во внешнюю коническую оправку. Простейший способ выполнения этой задачи – дать давлению, приложенному к поршню, самому вдвигать внутренний сосуд в оправку. Этим методом я достиг давления в 50000 кг/см² в аппарате с внутренним диаметром 6,4 мм и измерил ряд объемных эффектов. Однако г еометрические условия ограничивают применение этого простого метода, и обычно лучше, если сила, создающая внешнее поддерживающее давление, прилагается независимо от силы, действующей на поршень. Для этого я применяю две различные схемы. В одной направление силы, создающей внешнее давление, противоположно направлению силы, создающей внутреннее давление. На этом аппарате можно получать давление в 30000 кг/см² в объеме диаметром 12,7 мм и длиной 152,4 мм; в камеру можно ввести электроввод и выполнить сложные электрические изменения. В другой схеме обе силы имеют одинаковое направление; внешнее поддерживающее устройство для большей прочности сделано многократным; на этом аппарате выполнены измерения объемов под давлением до 50000 кг/см² при значительно большей продолжительности жизни аппарата и значительно меньшей пластической деформации, чем в схеме, где поршень сам создает и внешнее давление. 50000 кг/см² есть почти предел, который может быть достигнут при применении этого метода поддержки; далее сосуд может разрушиться по плоскостям, перпендикулярным к оси, вследствие эффекта выдавливания, и по радиальным плоскостям, вследствие обычного разрыва, вызванного внутренним давлением» [3].

В добавок к этому Бриджменом создал названную в его честь «наковальню Бриджмена». Она состояла из двух симметричных сердечников из твердого сплава с плоскими рабочими поверхностями – наковальнями, которые помещались внутрь обоймы из закаленной стали. Этот метод и по сей день имеет широкое применение, особенно в алмазных наковальнях.

Далее прорыв в максимальных полученных давлениях произошел, когда Бриджмен стал комбинировать схемы получения давления и создавать двухуровневые установки, в который во внешний аппарат до 30 кбар помещался другой аппарат высокого давления. Таким образом были получены статические давления до 100 кбар, а затем, на пике карьеры, и до 400 кбар.