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.     

电爆金属丝产生纳米粉体

建立了一台用于纳米粉体制备的电爆炸金属丝装置,它可以在不打开放电腔体情况下,依次电爆炸8根金属丝。对电爆炸金属丝进行了电路模拟,电路模拟结果表明,减小放电回路电感,或在保持电容器初始储能不变条件下,提高充电电压的同时减小储能电容可提高能量注入速率。为了理解金属蒸气形成纳米粉体的物理过程,利用马赫-曾德激光干涉方法,研究了丝爆后金属蒸气及等离子体的演化过程,得到了电爆丝的典型物理图像,观察到电爆丝中金属蒸气喷发的"热滞后"现象及金属蒸气的多次喷发现象。并利用电爆丝法制备了氮化钛、二氧化钛、铜氧化物和氧化锌的纳米粉体。     

电爆炸丝法制备纳米Al2O3粉末

 设计了电爆炸金属丝产生纳米金属氧化物粉末的实验装置，金属丝电爆炸腔采用圆筒结构，纳米粉末经过微孔滤膜过滤收集。成功制备了纳米Al₂O₃粉末，其平均粒度达到64.9 nm。对电爆炸金属丝产生纳米Al₂O₃粉末的物理条件进行了研究。结果表明实验条件对粉末粒度有重要影响：随气压的增加粉末平均粒度变大；随金属丝直径增大粉末平均粒度变大；粉末的平均粒度与电容器的初始储能也有一定的关系。     

铝单丝Z箍缩形成无核冕结构的物理分析

针对铝单丝Z箍缩负载,计算其可形成金属蒸气而不形成核冕等离子体的电路和负载参数范围。提出了铝丝电爆炸形成金属蒸气的能量沉积判据和击穿电压判据;建立了热动力学模型,选取电路参数使得金属丝气化时放电回路电流恰好迅速下降,从而避免发生电压击穿。计算了典型电路下的负载电流、电压、电阻及沉积能量的变化曲线,并分析了回路总电感、充电电压以及负载丝长度、直径对其的影响规律。计算结果表明:当储能电容为150pF、充电电压为65kV、回路电感为300nH时,可驱动直径20μm、长2cm的铝丝电爆炸形成铝丝蒸气。快电流前沿、小丝直径和较短的丝长度有助于提高负载中的单位质量沉积能量,容易电爆炸形成金属蒸气负载。     

并联金属丝提高电爆炸丝沉积能量的数值模拟

对于低气压或真空环境中的电爆炸丝,因丝沿面击穿会过早终止能量沉积过程,使丝中沉积能量(Ed)大大低于金属丝完全汽化时所需能量(Es).本文提出并联金属丝法延缓沿面击穿时刻以提高电爆炸丝沉积能量.对电流上升时间为几十纳秒、幅值约为1 kA级作用下的金属丝电爆炸过程进行了数值模拟.结果表明,在电爆炸丝两端并联一定尺寸的金属丝可降低爆炸丝端电压上升率,从而推迟电压上升过程中沿面击穿时刻,显著提高丝中沉积能量和过热系数.     

快前沿直线脉冲变压器平台单丝电爆炸实验研究

基于前沿约100 ns、电流约100 kA的快前沿直线脉冲变压器（FLTD）平台,开展了单丝电爆炸相关实验研究。围绕FLTD平台搭建了激光探针和可见光分幅相机等离子体图像诊断系统,采用可见光PIN和XRD分别测量了单丝电爆炸的辐射特性。实验获得了不同时刻对应的W丝（15 m）和镀膜W丝（15 m W+2m 聚胺亚胺）电爆炸的物理图像,呈现了两种情况下金属丝融蚀过程以及等离子体不稳定性发展的过程。实验结果表明,镀膜能够增加电流初始阶段的能量馈入,进而改善金属丝的电爆炸特性。     

等离子体断路开关装置上的多丝Z箍缩初步实验

 开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验，实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列，其中钨丝的直径分别为7 mm和20 mm。利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像。实验结果表明：导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%~78%的电流转换至金属丝阵负载上，负载电流上升沿为84~110 ns。高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程。     

带载丝电爆炸提高沉积能量的研究

在丝电爆过程中,金属丝的沉积能量是决定爆炸效果的关键参数。在研发连续送丝电爆装置的基础上,提出带载丝电爆炸提高金属丝沉积能量的方法。根据金属丝在电爆过程中的相变理论及旁路并联电阻的非线性时变性,建立了金属丝负载的电阻-能量分段模型。使用带载丝和裸丝分别开展电爆炸实验,同步采集丝电爆过程中的放电波形并分析计算,探究带载丝电爆炸相关机理以及沉积能量的变化规律。结果表明,电爆炸前期,由于载丝带具有绝缘性,其旁路并联电阻大于裸丝,从而使得带载丝电阻大于裸丝;随着欧姆加热的进行,带载丝中液态金属沿轴向由两端向中间聚集,加快了电爆炸相变过程,等效电阻减小,延缓了沿面击穿过程,从而获得更多的能量。     

纳秒脉冲激光对金属丝电爆炸过程的瞬态测量方法研究

金属丝电爆炸是获取金属纳米级粉粒的有效途径,电爆炸的演绎过程直接影响金属粉颗粒的尺度范围。采用纳秒级脉冲激光对爆炸过程的瞬态进行观察,以激光干涉条纹为背景,依据电爆炸过程中,对条纹的扰动获取具有清晰边缘的爆炸区图像;再根据激光穿过爆炸云团的透过率计算出不同时刻粉尘体浓度的三维分布图。测量结果表明:通电后0.5 μs,金属丝直径由0.3 mm扩展为4.7 mm, 直到18 μs时扩展为28 mm,而粒子的最大浓度由3×1021/cm3减小为1.1×1020/cm3。整个扩展过程中,粒子浓度沿径向呈现多个环带的分布形态。     

快前沿电流产生气化铝单丝Z箍缩负载的研究

为了抑制丝阵Z箍缩单丝电爆炸过程产生的核冕结构,分析了激光探针诊断的物理内涵,并基于约30 ps激光探针研究了负极性快前沿脉冲(90—170 A/ns)下铝丝的电爆炸特性.直径15μm,长2 cm的铝丝,阻性电压峰值为35—50 kV,电压击穿前金属丝电阻率增加至30—40μΩ·cm.电压峰值时刻沉积能量为1.5—2.5 eV/atom,欧姆加热功率下降至峰值一半时的沉积能量为2.5—4.0 eV/atom,接近铝丝从室温加热至完全气化所需的能量约4.0 eV/atom.快前沿脉冲可增加金属中的欧姆能量沉积速度,提高负载击穿电压.激光纹影图像可以观察到气体通道和等离子体通道,得到冕等离子体的平均电离度约为0.3.由于极性效应,电极附近区域的能量沉积超过负载中部区域,电极附近负载基本完全气化,而负载中部区域仍存在液态或团簇状颗粒.一些发次中,实现了轴向均匀且完全气化的铝蒸气,在电压击穿后的约127 ns,70%的初始质量分布在直径1 mm的区域内,100%的初始质量分布在直径2 mm的区域内.     

电爆炸丝开关-传输线储能功率系统性能分析

 给出了含电爆炸丝断路开关的传输线电感储能功率调节系统的理论模型和数值模拟结果。讨论了电爆炸丝截面积、负载电阻等对功率调节系统性能的影响。     

电弧放电等离子体诱导激波的计算

基于电弧放电物理过程,分析气动激励机理,建立用于电弧放电等离子体诱导激波数值模拟的爆炸丝传热模型.主要结论有:电弧放电等离子体气动激励的主要机理是热等离子体的热阻塞效应,热电弧放电对于超声速来流而言就像-个具有-定斜坡角度的虚拟突起;理论分析只适用于纵坐标较小的阶段;当传热的功率设为放电功率的10%时,本文所建立的模型能够用于电弧放电等离子体诱导激波的仿真研究;等离子体虚拟斜坡角度及其诱导激波角都随来流总压和速度的增大而减小,随着放电功率的增大而增大,在总压、速度和放电功率较小的阶段这种变化较明显,在总压、速度和放电功率较大的阶段这种变化较缓慢.     

Inhomogeneity of currents in a wire array during its explodingphase

The current in a wire array during its exploding phase has been studied. The wire array consisting of many thin wires is used as a plasma source in a z-pinch X-ray radiation system. The current distribution in the exploding wire array plays an important role in producing an initial symmetrical plasma. In the present experiment, four tungsten wires of 0.1 mm in diameter were exploded in a vacuum. The experiment was carried out with an inductive voltage adder pulsed power generator providing a current of 160 kA at quarter period of 1.8 μs The currents through and the voltage across the wires were measured simultaneously. It was found that the currents in the wires were inhomogeneous, especially after the wires became plasma. Once the currents became inhomogeneous, the inhomogeneity remained throughout the discharge. It was also studied how the dimensions of the wires affected the homogeneity of the currents. Wires of different lengths or different cross sectional areas resulted in strong inhomogeneities of the currents. The wires with shorter length or smaller cross-sectional area became plasmas earlier than other wires. Thus, the resistances of the wires were not equal. These differences in the resistance caused the inhomogeneity of the currents     

Numerical simulation of the initial plasma formation and current transfer in single-wire electrical explosion in vacuum

In this paper, a computational model is constructed to investigate the phenomenon of the initial plasma formation and current transfer in the single-wire electrical explosion in a vacuum. The process of the single-wire electrical explosion is divided into four stages. Stage Ⅰ: the wire is in solid state. Stage Ⅱ: the melting stage. Stage Ⅲ: the wire melts completely and the initial plasma forms. Stage IV: the core and corona expand separately. The thermodynamic calculation is applied before the wire melts completely in stages Ⅰ and Ⅱ. In stage Ⅲ, a one-dimensional magnetohydrodynamics model comes into play until the instant when the voltage collapse occurs. The temperature, density, and velocity, which are derived from the magnetohydrodynamics calculation, are averaged over the distribution area. The averaged parameters are taken as the initial conditions for stage Ⅳ in which a simplified magnetohydrodynamics model is applied. A wide-range semi-empirical equation of state, which is established based on the Thomas-Fermi-Kirzhnits model, is constructed to describe the phase transition from solid state to plasma state. The initial plasma formation and the phenomenon of current transfer in the electrical explosion of aluminum wire are investigated using the computational model. Experiments of electrical explosion of aluminum wires are carried out to verify this model. Simulation results are also compared with experimental results of the electrical explosion of copper wire.     

Dynamic calibration of shock overpressure transducers

Piezoelectric transducers for dynamic overpressure measurements are commonly calibrated with static or quasistatic loads and the calibration is extrapolated to frequencies up to 30% of the resonant frequency of the piezoelectric crystal. Sinusoidal pressure generators are also used for dynamic calibration up to 500 Hz in the range of 3 MPa. This paper describes a method for dynamic calibration using transient overpressures, with rise time of 2 μsec and width 40 μsec, generated by exploding wires in air. The calibration is done in the range of 600 kPa.     

基于PSpice的电爆丝断路开关数值仿真

电爆丝断路开关是在电感储能系统中广泛应用的断路开关,其具有结构简单、成本低、截断能力强的特点。介绍了电爆丝工作的基本原理,其本质为一个快速增长的电阻,利用高阻抗来实现断流。通过PSpice软件建立了电流通过电爆丝断路开关工作时,其电阻变化的模型,从而可以仿真电爆丝断路开关的工作过程。设计了一组电爆丝断路开关的实验,PSpice模型仿真结果同实验结果进行了比较。结果发现,该模型起爆时刻,产生电压幅值等方面和实验结果比较接近,说明该模型比较科学合理,对以后的电爆丝断路开关的设计具有较大的参考价值。分析了产生误差的原因及该种仿真方法的局限性。