真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

真空及空气中金属丝电爆炸特性研究

开展了铝丝在真空和空气环境中的电爆炸特性研究.从金属丝电爆炸的电压、电流波形得到了金属丝内的沉积能量,并基于以上电参数特征分析了电爆炸产物的状态,获得了空气中铝丝电爆炸电流暂停时间随初级储能电容充电电压的变化规律.真空和空气中铝丝电爆炸在电压击穿时刻的沉积能量分别为2.8和6 eV/atom.采用波长为532 nm、亚纳秒激光探针对金属丝电爆炸物理过程开展了高时空分辨率的阴影和纹影诊断.阴影图像清晰地展示了不同气氛环境中高密度电爆炸产物的膨胀过程,根据光学诊断图像分析了高密度丝核沉积能量的结构和空气中铝丝电爆炸产生的激波的膨胀轨迹.真空和空气环境中高密度电爆炸产物的平均膨胀速度分别为1.9和3 km/s.基于实验数据和输运参数模型,估算了金属丝在电压击穿时刻的温度.     

电爆金属丝质量密度分布的演变过程

基于X-pinch软X射线辐射点源对直径10μm钨丝单丝以及8μm钨丝双丝电爆发展过程进行了背光成像研究,实验平台为清华大学电机系研制的脉冲功率装置PPG-1(500kV/400kA/100ns)。成像光路安排为:作为X射线源的X-pinch和作为目标物的钨丝分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间和回流导电杆处,成像胶片采用高分辨率、高灵敏度的X光胶片。利用自行设计的电流传感器和罗氏线圈对目标物实际流过的电流进行监测,从而计算得8μm钨丝丝爆过程中电导随时间变化的曲线。为了观测电爆金属丝质量密度分布的演变过程,设计了μm级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了丝芯膨胀、晕层等离子体形成及其向外扩张等过程的相关物理图像以及基于原始胶片绘制的质量密度分布图。     

真空中金属丝电爆炸数值模拟研究

利用金属丝电爆炸物理数学模型对电爆炸物理过程开展了数值模拟，研究了不同直径铝丝电爆炸特性，进一步分析了金属丝内沉积能量、电压击穿时刻、电压峰值随金属丝直径的变化规律，并与相关实验数据作了对比。     

不同氩气气压下铝丝电爆炸的二次放电特性

搭建了RLC放电回路,研究了不同氩气气压下铝丝电爆炸二次放电特性。结果表明,随着气压的变化,电爆炸二次放电电压曲线呈U形。为了阐明氩气和铝蒸气在二次放电过程中的作用,利用光谱仪和高速分幅相机分别研究了二次放电等离子体的自辐射光谱特性和空间分布特性,发现:在低气压下氩气会参与放电,放电通道在铝蒸气表面;高气压下主要是铝蒸气放电,氩气基本不参与放电过程,放电通道在铝蒸气内部。     

Formation of extended directional breakdown channels produced by a copper wire exploding in the atmosphere

Experimental data for switching initiated by the electrical breakdown of air gaps up to 1.9 m long with an arbitrary geometry that are produced by an exploding copper wire 90 μm in diameter are presented. At an initial voltage of 11 kV, the stored energy equals 100–2100 J. Two channel formation conditions are possible: explosion of a wire without electrical breakdown and electrical breakdown in a channel produced by an exploding wire with a delay (current pause) no longer than 250 μs. Current and voltage waveforms across the discharge gap, as well as the resistivity values, under the electrical breakdown conditions are shown. Mechanisms and conditions for streamer initiation at a mean electric field strength in the discharge gap of 5.3–17.0 kV/m are discussed. The geometrical dimensions of plasma objects in the forming channel, the run of the electrical current under breakdown, and the formation mechanism of wire explosion products are found from color microphotographs. The formation mechanism of large aerosols in the form of tiny spherical copper and copper oxide (CuO, Cu₂O) particles under wire explosion conditions is discussed.     

电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明:电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30~60 nm之间,并且符合对数正态分布。     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

Electrical explosion of a wire by microsecond pulses in a longitudinal magnetic field

The explosion of a tungsten wire in a weak longitudinal magnetic field is studied. The longitudinal magnetic field is shown to decrease the rate of rise of initial perturbations and to stabilize the process. This makes it possible to calibrate analytical models of conduction, equations of state, and radiation paths. Good agreement between observed and analytical electrical and optical patterns of the wire explosion and expansion is obtained.     

丝电爆过程的电流导入机理

丝电爆制备纳米粉时, 电流从电极导入金属丝的过程直接影响电极烧损和粉末中微米级大颗粒产生. 分别通过接触和气体放电两种方式导入电流进行电爆试验. 结果表明, 光测量装置检测到的丝端部光电流几乎与回路放电电流同时产生, 而中间位置的光电流则要滞后一段时间; 由探针收集的产物确定, 金属丝端部主要形成熔融粒子, 中间部分主要形成气相粒子. 分析可知, 接触方式导入电流时, 丝端部也存在气体放电现象, 大电流主要通过气体放电形成的等离子体导入. 等离子体对电流的旁路作用会阻碍能量向金属丝沉积, 这是产生微米级大颗粒和"积瘤"主要原因. 通过气体放电方式导入电流时, 电极烧损明显减轻, 并可以避免"积瘤"产生.     

水中金属丝爆引燃铝粉悬浮液冲击波增强效应

开展了水中铜丝电爆炸引燃铝粉悬浮液的实验研究,将铝粉悬浮液置于有机玻璃管中,同轴心方向穿过200 μm的金属铜丝,经脉冲功率驱动后快速相变发生电爆炸为铝粉爆燃提供反应条件。通过比对不同质量球状铝粉（μm粒径）的悬浮液在相同脉冲电容器储能条件下的放电和冲击波参数,获得了电爆炸驱动铝粉放电特性和冲击波增强效应的规律。实验发现,电爆炸起爆铝粉的冲击波有两个明显的波峰,分别对应于金属丝电爆炸（一次冲击波）和由产物气体胀裂管壁产生的二次冲击波,且铝粉爆燃对二次冲击波的增强效应非常显著,在300 mg铝粉的悬浮液环境中,二次冲击波峰值达到2.77 MPa,是无铝粉添加环境中二次冲击波的2.25倍,冲击波冲量增强了约50%。对不同储能条件下200 mg铝粉的悬浮液环境中金属丝爆的冲击波进行了对比研究,发现随着驱动源储能的增加,电爆炸引发的主冲击波和二次冲击波压力均逐渐增大,600 J时分别达到了3.17和1.91 MPa,冲击波冲量也随储能增加而增加,在600 J储能条件时的冲量为41.12 Pa·s,储能条件约300 J时20.24 Pa·s冲量的2倍。     

Corona-free electrical explosion of polyimide-coated tungsten wire in vacuum

We present experimental evidence of corona-free electrical explosion of dielectric-coated W wire in vacuum. A fast current rise of approximately 150 A/ns and a coating of 2 microm polyimide are both needed to achieve the corona-free regime of explosion. Breakdown is absent in corona-free explosion; the wire remains resistive, and this allows anomalously high energy deposition (approximately 20 times atomization enthalpy). MHD simulations reproduce the main differences between corona and corona-free explosions. A corona-free explosion of a wire can be useful for the generation of a hot plasma column by direct energy deposition.     

Quantitative determination of anti-structured defects applied to alloys of a wide chemical range

Anti-structured defects bridge atom migration among heterogeneous sublattices facilitating diffusion but could also result in the collapse of ordered structure.Component distribution Ni_(75)Al_xV_(25-x) alloys are investigated using a microscopic phase field model to illuminate relations between anti-structured defects and composition,precipitate order,precipitate type,and phase stability.The Ni_(75)Al_xV_(25-x) alloys undergo single Ni_3V(stage Ⅰ),dual Ni_3Al and Ni_3V(stage Ⅱ with Ni_3V prior;and stage Ⅲ with Ni_3Al prior),and single Ni_3Al(stage Ⅳ) with enhanced aluminum level.For Ni_3V phase,anti-structured defects(V_(Ni1),Niy,except V_(Ni2)) and substitution defects(Al_(Ni1),Al_(Ni2),Al_v) exhibit a positive correlation to aluminum in stage I,the positive trend becomes to negative correlation or smooth during stage Ⅱ.For Ni_3 Al phase,anti-structured defects(Al_(Ni),Ni_(Al)) and substitution defects(V_(Ni),V_(Al)) have a positive correlation to aluminum in stage Ⅱ,but Ni_(Al) goes down since stage Ⅲ and lasts to stage Ⅳ.V_(Ni) and V_(Al) fluctuate when Ni_3Al precipitates prior,but go down drastically in stageⅣ.Precipitate type conversion of single Ni_3V/dual(Ni_3V+Ni_3Al) affects Ni_3V defects,while dual(Ni_3V+Ni_3Al)/single Ni_3 Al has little effect on Ni_3Al defects.Precipitate order swap occurred in the dual phase region affects on Ni_3Al defects but not on Ni_3V.     

铜镍合金丝电爆炸放电特性与时空演化行为

脉冲电流驱动金属丝电爆炸可产生具有较高能量密度的等离子体,并伴随脉冲电磁辐射、强冲击波等效应,广泛应用于Z箍缩、电热化学武器、油气助采等领域;与纯金属相比,合金具备电阻率高、成分可调、相变复杂等特点,在电爆炸效应参数的调控方面具有很大潜力。开展了大气空气介质中铜、镍、铜镍（康铜）丝在微秒时间尺度电脉冲作用下电爆炸实验研究,通过放电参数与自辐射图像诊断,获取电爆炸过程放电参数与时空演变的特性规律,得到脉冲电流作用下合金电爆炸在相变与等离子体方面的特征。实验发现,在电爆炸早期,铜镍合金的高电阻率能够提高能量沉积效率:铜52%、镍74%、铜镍合金78%;而相爆开始后,合金丝负载则更接近纯镍丝负载性能。等离子体通道早期膨胀速率在5 mm/μs量级,随后迅速衰减;合金丝等离子体膨胀时间更久,击穿后平均电阻率上升缓慢,且等离子体辐射与金属爆炸产物在空间尺度上存在关联性。特别地,铜镍合金气溶胶分层同时具有横向和纵向特征（特征尺度10?1 mm）,但整体较铜气溶胶更为均匀。     

Development of a notch in a conductor in the initial stage of an electrical explosion

In the initial stages of an electrical explosion a notch is created in the exploding wire at its interface with the current leads. This effect occurs even in the case of ideal contact; it is associated with the specific geometry of the experiment when the electrical explosion is initiated by a high-density current.     

介质环境对铜丝电爆炸制备纳米粉体的影响

为了探究介质环境对电爆炸制备纳米粉体的影响, 搭建了相应的电爆炸实验平台, 以铜丝为例分别在水和不同空气压力下开展了电爆炸制备纳米粉体实验.通过Rogoswki线圈和高压探头分别测试了电爆炸过程中的电流和电压波形图.通过电压、电流及能量沉积特征分析了电爆炸的基本过程以及介质环境在电爆炸过程中的作用.运用透射电子显微镜对爆炸产物进行了粒度分析.研究发现, 介质环境对于电爆炸过程的影响主要表现在汽化化阶段以后, 包括介质对蒸汽膨胀的抑制作用, 介质的电离对于铜丝表面击穿的影响以及其对高温金属蒸汽及等离子体的冷却作用.水中铜丝电爆炸能够制备局部均匀的小尺寸纳米粉体, 粒度多数集中在10–20 nm之间, 但粉体易积聚, 且整体粒度跨越较大.空气中制备的粉体分散良好, 符合对数正态分布, 基本上分布于20–100 nm之间, 平均粒度约为40 nm.     

Color Ultrafast Photography Study of a High-Current Discharge Initiated by Exploding a Short Wire in the Atmosphere

In this paper, we describe the ultrafast slit-scanning photography of light phenomena arising at the stage of the electrical breakdown in the atmosphere and in a channel initiated by a wire explosion. The characteristics and features of the photographic registration of the SFR-1 camera using color and spectrozonal negative aerial films sensitive in the visible and near infrared regions of the optical spectrum are presented. Using photograms in color, we were able to visualize small-scale inhomogeneities, a current-carrying channel and its “shell,” emissions of matter, and shock waves in the plasma. This technique made it possible to record a secondary shock wave in the plasma on the discharge axis during the explosion of short (length ≈15 mm) copper and nichrome wires with a diameter of 100–150 μm at a stored energy of ~100 J. At the moment of cumulation in the plasma, a “hot spot” with a minimum size of ~0.5 mm was formed on the discharge axis. It may be the source of narrow-beam coherent radiation with X-ray photon energies of 10–30 keV. The cumulation mechanism is discussed based on the regularities of the z-pinch phenomenon in a discharge initiated by a wire explosion.     

铜丝水中电爆炸能量沉积特性

对s脉冲电压作用下铜丝水中电爆炸的能量沉积过程进行了实验研究,利用自积分Rogowski线圈和电阻分压器分别测量铜丝电爆炸时的电流和电压。利用测量电压波形确定了熔融起始、熔融结束、汽化起始和击穿时刻点,将铜丝电爆炸划分成熔融、液态和汽化3个阶段。通过数学方法计算了3个阶段和击穿前的沉积总能量。通过实验和计算,分析了电路参数,包括放电电压和回路电感,以及铜丝特性,包括铜丝长度和直径,对铜丝电爆炸过程中3个阶段和击穿前沉积总能量的影响。结果表明:在s脉冲电压作用下,放电电压、回路电感、铜丝长度和直径对熔融阶段能量沉积影响较小,但对液态和汽化阶段能量沉积影响较大,通过调节电路参数提高电流上升速率,可以显著提高汽化和击穿前的沉积能量。     

氩气中铝丝电爆炸沉积能量对制备铝纳米粉体特性的影响

研制了基于脉冲电容器放电回路的亚微秒金属丝电爆炸纳米粉体制备实验平台,包括电爆炸过程电流和电压测量系统。利用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形态与结构,并通过电镜统计观察法分析TEM图像得到纳米粉体的粒度大小及其分布。在氩气中电爆炸铝丝制备铝纳米粉体,通过改变电容器充电电压,即初始储能,实验研究沉积能量对铝纳米粉体特性的影响规律。结果表明:铝纳米粉体颗粒形态与结构主要由氩气气压的高低决定,与沉积能量基本无关。增大丝爆过程的沉积能量可显著缩小铝纳米粉体粒度分布范围,减小颗粒平均粒径,并有效地抑制纳米粉体中亚微米颗粒的形成。随着沉积能量E与氩气气压p比值(Ep-1)增大,铝纳米粉体颗粒平均粒径、最大粒径和粒径大于100 nm颗粒所占比例均呈指数函数单调减小。