电磁加载下的高能量密度物理问题研究（续1）

3电磁加载高能量密度物理研究进展3.1Z箍缩内爆ICF研究3.1.1Z箍缩内爆等离子体负载的构形—真空黑腔和动力黑腔利用Z箍缩内爆等离子体进行惯性约束聚变(ICF)研究,最初来自1973年Turchi和Bak-er[9]提出的电磁内爆概念,这里包含着两条不同的途径:一是类似于武器的概念,利用高速内爆的固体套筒压缩其内部的热核材料达到高温、高密度状态,发生热核点火。例如俄罗斯实验物理院利用爆炸磁压缩强磁场发生器(MC-1)进行的工作,以及美国Los Alamos实验室的Athena计划等。这条途径的困难在于内爆后期固体套筒流体动力学不稳定性发展严重,很难把…     

传输线馈电条件下金属丝阵内爆过程的参数匹配

给出了描述金属丝阵内爆的动力学方程及传输线馈电下的回路方程，并针对特定的参数条件开展了数值计算。计算结果表明：丝阵内爆速度与峰值电流成正比；方程的解只与两个集成的耦合参数及传输线电压特性有关，而两个耦合参数的组合使能量耦合效率存在最大值，得到了传输线参数与丝阵优化尺寸间的关系。     

螺旋波等离子体放电特性研究进展

螺旋波等离子体是目前低温等离子体产生密度最高的等离子体源之一,在材料处理、薄膜沉积、宇航推进、磁约束聚变以及基础等离子体物理研究等领域都有很大的应用潜力.近年来国内外研究者普遍关注这种高密度等离子体源,一方面人们对螺旋波等离子体的放电理论缺乏深入的认识,对等离子体激发和传播过程中能量的吸收存在多种假设,比较认可的是螺旋波等离子体通过螺旋波与TG波耦合效应实现能量沉积;另一方面,螺旋波等离子体放电过程中会表现出许多独特的现象,如低场峰、模式跃迁、无电流双层结构等,无法给出统一的解释,对这些放电特性的研究无疑有助于加深对螺旋波等离子体放电机制的理解.文章从放电机制和放电特性两方面出发回顾了近15年来螺旋波等离子体基础研究进展,总结了螺旋波等离子体放电过程中的低场峰现象、模式跃迁和无电流双层现象等研究结果.围绕螺旋波等离子体放电特性研究,展望了未来的研究重点,为理解螺旋波等离子体能量耦合机制,实现工业应用提供支撑.     

X-pinch光源及其应用

介绍了X-pinch的基本原理、特点和在Z-pinch物理研究中的部分应用。X-pinch的负载及材料、驱动电流等可以根据需要进行调整，辐射点光源的时间分辨为0．7-2ns,空间分辨为1-5μm，X射线的能量范围从几百电子伏至几千电子伏。利用X-pinch作背光源对金属丝电爆炸进行诊断，可以得到等离子体柱横截面密度等。这些参数对正确理解金属丝阵内爆初级阶段的物理过程有重要意义。     

基于仿真与量纲分析的不同药量TNT内爆下多舱室结构毁伤规律研究

利用流固耦合算法,模拟了不同药量TNT内爆下大尺寸多舱室结构的毁伤效应。将各舱室划分为爆炸舱、共面邻舱、共边界邻舱和共点邻舱,再划分内爆下多舱室结构的毁伤等级。通过量纲分析,研究了内爆载荷下舱壁的变形失效规律,推导了内爆下多舱室结构的无量纲毁伤数,该毁伤数考虑了内爆载荷、材料性能和作用空间等因素,最后给出快速毁伤预测方法。研究结果表明:（1）内爆下多舱室结构的毁伤特点主要表现为舱壁挠曲变形、舱壁中心冲切失效、舱壁边界撕裂;（2）舱壁挠曲变形的挠厚比δ/H和固定边界撕裂的裂缝长厚比l/H均与药量-单舱室容积比m/V有明显线性关系;（3）提出的无量纲毁伤数和快速预测方法能够反映内爆下多舱室结构的毁伤情况,可为舰船毁伤研究提供参考。     

电磁驱动固体套筒的内爆

给出固体铝套筒在FP-1装置上的内爆实验结果 ,包括加载电流、内爆速度、内爆形态等 ,同时也给出高速摄影图象及实验与数值模拟的比较结果。     

舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。     

柱形汇聚几何中内爆驱动金属界面不稳定性

采用自研的高保真度爆轰与冲击动力学程序,对柱形汇聚几何中内爆驱动金属材料界面不稳定性的动力学行为,进行了数值模拟研究。结果表明,首次冲击后至约12 μs,界面发展以RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定性为主;12 μs后至冲击波聚心反弹加载前,界面聚心运动处于加速减速状态,界面发展由RT (Rayleigh-Taylor)不稳定性主导;冲击波聚心反弹加载后,界面发展又由RM不稳定性主导。另外,还研究了初始条件（初始振幅、初始波长、钢壳初始厚度和几何构型）对柱形内爆驱动金属材料界面不稳定性的影响。结果显示:初始振幅较大时振幅增长也较大;初始波长较小（模数较大）时振幅增长较小,而且存在一个截止波长;钢壳厚度会抑制扰动增长,也存在一个截止厚度;几何汇聚效应会使扰动增长速度更快。     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

电磁加载下的高能量密度物理问题研究（续3）

4磁化靶聚变(MTF)研究4.1磁化靶聚变的基本概念为了满足Lawson判据,可以用磁场较长时间约束体积较大、温度与密度较低的氘氚等离子体(磁约束聚变,MCF),也可以用激光等高功率加载手段很快地在较小体积内造成温度与密度很高的等离子体(惯性约束聚变,ICF)。磁化靶聚变(magnetized target fusion,MTF)则是一种中间途径的概念,即把等离子体预先磁化(10T)并加热到适中温度(100~200eV)和密度(表3),再用电磁驱动的套筒内爆准等熵压缩到10keV温度,达到Lawson判据要求的状态(图41)。表3三种聚变技术途径参数的比较技术要求磁约束聚变磁化靶聚变…     

基于面积折减等效模型的光电倍增管水下内爆机理研究

光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)是中微子探测器的核心部件，是由玻璃材料制成的内部真空的薄壳结构，排列在深水中工作，若一个PMT被压溃会产生内爆冲击波，会引起周围PMT发生殉爆。针对PMT内爆，建立了PMT内爆数值计算简化模型，并将计算与试验结果进行对比，验证简化模型的合理性。在此基础上，提出了基于面积折减等效模型的PMT内爆计算方法，通过等效模型分析了防护装置破口面积对PMT内爆的影响，得出随着防护装置破口面积的减小，水流碰撞发生PMT内爆的时刻相应提前，内爆产生的冲击波脉宽基本保持不变，冲击波压力峰值明显减小。该研究有利于找到有效的PMT内爆防护方法。     

电磁脉冲驱动套筒内爆压缩磁化靶研究

采用磁流体方程和有限差分法,对内爆过程中高能量密度状态下的磁场对带电粒子和压缩过程的作用机制进行研究。结果显示:内爆过程中的各项参数为电子离子温度（50 keV）、压强（1 TPa）、粒子数密度（1024 cm-3）。套筒材料对约束时间、点火条件有重要影响;同时当磁感应强度大于5 T时,电子热传导系数比无磁场时减小2个数量级,离子热传导系数也出现了明显下降,在压缩峰值处,磁感应强度超过5 T时α粒子能量沉积密度比磁感应强度为0和1 T时相对增加约200倍。磁化在一定程度上也会阻碍内爆压缩过程。     

固体发射药等离子体点火过程及弹道效应分析

总结了常规火炮点火的现状,分析了固体药电热化学炮（ＳＰＥＴＣ）点火的潜在优势,并对等离子体点火过程中存在的燃速增强机理进行了讨论。作为等离子体点火的弹道效应分析,利用电热增强固体药内弹道、等离子体发生器、脉冲功率源三者的耦合编码,计算了不同点火功率、不同毛细管径对ＳＰＥＴＣ炮弹道性能的影响。     

等离子体辅助球磨制备表面修饰纳米TiO2的摩擦学性能分析

以季铵盐和月桂酸钠为过程处理剂,利用等离子体辅助球磨制备表面修饰纳米TiO_2粉体,并测试其摩擦学性能.结果表明:在等离子体的热爆效应及脉冲电子轰击效应的协同作用下,辅助球磨11 h制备的表面修饰纳米TiO_2粉体粒径在20 nm左右,晶型发生由锐钛矿型向金红石型的转变.等离子体辅助球磨使得纳米TiO_2获得了良好的亲油疏水表面特性,在40CA船用润滑油中表现出稳定的分散性.由于纳米TiO_2粉体的"微轴承"作用,复合润滑油的摩擦系数降低,摩擦副的磨损失重量减少.纳米TiO_2粉体在摩擦过程中容易吸附沉积在摩擦副表面并修补磨痕,使得复合润滑油具备良好的减摩及自修复性能.     

爆轰等离子体非平衡区的双流体模型

在爆轰等离子体中存在一个由化学反应放热非平衡导致的非平衡电离区。由于电子质量远小于重粒子质量,使得在电离区中电子与重粒子的能量与动量交换效率较低,这也加剧了这种非平衡特性。建立了爆轰等离子体非平衡电离区中的电子和重粒子的双流体模型,并通过该模型研究爆轰等离子体中的非平衡现象。以氢氧爆轰为例计算不同氢氧摩尔比和初始压力条件下,爆轰非平衡区中重粒子参数和电子参数的变化情况。     

等离子体减阻技术的研究进展

利用等离子体的特性减小飞行器的气动阻力是一种新概念的减阻思路.目前国外的一些风洞实验和计算结果已证明了等离子体减阻效果的显著性.本文介绍了国外等离子体减阻技术的研究进展,包括:逆向等离子体喷流减阻、基于等离子体边界层控制减阻和局部施加能量点源减阻.分析了等离子体减阻的基本原理及所涉及的一些关键技术点.最后针对我国的减阻研究情况,提出了等离子体减阻技术的研究方向.      

六通道掠入射X光针孔照相技术及应用

建立了一套基于滤片、针孔阵列和掠入射X射线平面镜的六通道X光针孔相机系统,介绍了该相机的原理和结构特点,计算了相机的空间分辨率、滤片透射率和各通道的总响应等参数。利用“阳”加速器装置进行的X箍缩实验对该相机进行了性能考核,获得了在亚千电子伏能区内6个不同能段的软X射线图像,为等离子体内爆过程分析提供了丰富的图像数据。     

冷等离子体在聚合物化学中的应用

等离子体化学是等离子体技术与化学相互渗透结合而产生的一门新兴学科.借助等离子体中的能量粒子和活性成份所产生的物理和化学过程、引发单体聚合、处理固体表面和沉积薄膜,从而获取新材料和开发老材料,是近十多年来引入注目的方面.也是等离子体化学的主要组成部分--聚合物化学.     

内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

内爆法制备双金属管复合参数的计算机辅助设计

根据爆炸复合窗口理论和内爆轰作用下管的飞行姿态计算公式,编制计算机程序来确定双金属管内爆复合的工艺参数,使得复合参数的选取大为简化。结果表明,该方法可以用于指导内爆法制备双金属管复合工艺参数的选择。