固体炸药的磁驱动准等熵压缩实验研究

较宽压力范围内未反应炸药的本构关系和状态方程对于深入和精确认识压缩波作用下炸药组分间相互作用的力学过程和起爆热点的形成机制具有重要意义。较之冲击压缩,磁驱动准等熵压缩加载(无冲击压缩)是获取较宽压力范围内未反应炸药的动态压缩力学特性更有效的手段。基于大电流产生的电磁力作用原理,在国内率先实现了炸药的磁驱动无冲击压缩实验技术。通过对负载电极、炸药样品参数的优化设计和安装工艺的控制,实现了5 GPa载荷内JO-9159炸药的磁驱动准等熵压缩加载。基于激光位移干涉测量技术和Lagrange数据处理方法,获得了JO-9159炸药的速度响应历史和准等熵压缩线。所得结果与文献数据进行了比较,结果表明,在实验压力范围内,JO-9159炸药的等熵压缩线与PBX9501炸药的等熵压缩线一致。     

带窗口磁驱动准等熵压缩实验模拟

在二维磁驱动数值模拟程序MDSC2中增加了LiF材料的材料参数和功能模块,使MDSC2程序具有了求解带窗口磁驱动准等熵压缩实验的能力。采用MDSC2程序,对大电流脉冲功率装置上的exp-3-window、exp-6-window带窗口磁驱动准等熵压缩实验进行了模拟。数值模拟结果表明,二维磁驱动数值模拟程序MDSC2能正确模拟带窗口磁驱动准等熵压缩实验exp-3-window和exp-6-window的全过程,模拟的飞片/窗口界面速度在飞片/窗口界面速度的上升阶段、峰值附近和卸载阶段与实验测量基本一致,验证了新程序的计算有效性。MDSC2程序对带窗口磁驱动准等熵压缩实验的正确模拟有助于磁驱动样品物性实验的研究。     

内爆圆柱套筒磁通量压缩的磁流体力学计算

在一维反应流体动力学程序SSS的基础上扩充编制一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,并对炸药内爆驱动的圆柱形套筒磁通量聚积发生器（MC-1装置）进行了一维磁流体力学模拟计算。分析了空腔磁场向压缩套筒和样品套筒壁中的磁扩散现象,结果表明,在压缩套筒壁中距离空腔0.2 mm处的磁感应强度最大值只有十几T;而在样品套筒壁中距离空腔0.2 mm处的磁感应强度最大值达到几百T,这主要是内外套筒运动速度不同,电磁力与内爆作用力平衡引起的。计算了空腔中磁感应强度的变化曲线和样品套筒内壁的速度历程曲线,得到与实验测试符合的结果。     

40GPa压力范围内铜和铝的准等熵压缩线

 基于自行研制的磁驱动准等熵压缩加载实验装置CQ-1.5,利用全光纤位移干涉仪（Doppler Pins System, DPS）、激光速度干涉计（Velocity Interferometer System for Any Reflectors, VISAR）两种测试手段,以及反积分数据处理方法,实验测量了40 GPa压力范围内T1铜、LY12硬铝和L1纯铝3种材料的准等熵压缩线,将实验准等熵压缩线与基于Grüneisen状态方程的理论等熵压缩线和冲击Hugoniot线进行了比较。结果表明,在该压力范围内,实验准等熵压缩线与理论等熵压缩线相一致,两者偏差小于3%;实验准等熵压缩线靠近冲击Hugoniot线,位于其下方,与国外文献发表的结果相同,进一步表明,实验测量结果正确可靠。     

内爆圆柱套筒磁通量压缩的磁流体力学计算

在一维反应流体动力学程序SSS的基础上扩充编制一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,并对炸药内爆驱动的圆柱形套筒磁通量聚积发生器(MC-1装置)进行了一维磁流体力学模拟计算。分析了空腔磁场向压缩套筒和样品套筒壁中的磁扩散现象,结果表明,在压缩套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值只有十几T;而在样品套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值达到几百T,这主要是内外套筒运动速度不同,电磁力与内爆作用力平衡引起的。计算了空腔中磁感应强度的变化曲线和样品套筒内壁的速度历程曲线,得到与实验测试符合的结果。     

准等熵压缩的数值模拟研究

 就阻抗递变的多层组合飞片对靶样品的冲击压缩过程进行了一维平面应变数值模拟计算,其中,等熵线采用逐步递推法计算。以水和钽为靶的计算结果显示,这种多层组合飞片对水和钽均产生了很好的准等熵压缩效果。其中,对水的计算结果与国外文献报道的结果一致;计算的钽/氟化锂窗口界面速度历史与实验结果十分吻合。因此,用适当匹配的多层组合飞片对靶样品产生准等熵压缩是可行的,提出的准等熵压缩的数值模拟方法是可靠的。     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。     

整形激光加载的一维准等熵压缩仿真

基于凝聚态物质等熵线推导了理想等熵假设前提下的加载压力和加载激光波形,进而将其作为输入条件,利用辐射流体力学程序MULTI开展了Al材料的一维准等熵压缩仿真,通过材料温度、压强、密度、粒子速度和熵增五个参量描述了准等熵加载的物理过程。结果显示得到了高等熵程度加载过程,可为即将开展的整形激光加载的准等熵实验提供参考。     

“聚龙一号”装置磁驱动准等熵压缩实验的一维磁流体力学模拟

国内首台多路并联超高功率脉冲装置"聚龙一号"(PTS)已被用于磁驱动准等熵实验研究,其分时分组放电特点为开展材料的动高压可控路径加载研究提供了便利.磁驱动准等熵实验的物理设计和结果分析需要依赖可靠的数值模拟平台.本文介绍了含强度计算的一维磁流体力学程序MADE1D的物理模型和程序特点,讨论了"聚龙一号"装置两种不同电流波形驱动条件下准等熵实验的模拟情况.结果显示,MADE1D程序能够较好地反映电磁力引起的压缩波在样品内部的产生、传播及发展过程,计算获得的"样品/窗口"界面速度同实验测量结果符合较好.分析发现,电流波形是影响加载过程的重要因素.对于目前使用的带状电极,电流上升率不宜超过40 k A/ns,否则可能在厚度1.2 mm以上的铝样品中产生冲击.     

柱面内爆磁通量压缩实验中的磁扩散过程

利用一维磁流体力学程序MC11D,对套筒材料为不锈钢的柱面内爆磁通量压缩实验进行了数值模拟,研究了其中的磁扩散过程。计算结果表明:当套筒空腔中的磁场被压缩到350 T左右时,峭面磁扩散波开始形成,磁扩散波的波前从套筒内壁开始以0.75 km/s的平均速度向外快速推进,给磁场的压缩带来了不利影响;随着套筒内壁温度迅速升高,内壁附近会形成一个电阻率仅有0.3 mcm左右的等离子体保护层,又极大地减缓了空腔磁场向套筒中扩散的速度。在磁压缩过程中,峭面磁扩散波和等离子体层对于空腔磁场的扩散起着相反的作用,两者在发展的过程中相互竞争,在不同的阶段分别起着主导作用。     

螺线管型爆磁压缩发生器快速计算模型

根据等效电路模型,建立了单级螺线管型爆磁压缩发生器运行期间的电路方程,得到了回路电流表达式。采用0维电路模型计算电路参数,得到了电感和电阻计算公式。根据等效电路方程和电路参数计算公式,编写了一套计算编码,计算发生器充电过程和运行过程中发生器电路参数、内部电压、输出电流和能量、导线电导率和温度等参数的变化。与实验数据对比表明,该计算模型能准确预测单级螺线管型爆磁压缩发生器性能,对发生器的设计具有实际意义。     

磁驱动准等熵加载下Z切石英晶体的折射率

基于CQ4脉冲功率实验装置开展了Z-切石英晶体在磁驱动准等熵加载下的窗口折射率修正关系研究. 实验中采用激光波长1550 nm的双源光外差测速仪测量获得了LiF窗口和Z-切石英晶体窗口与不同厚度极板界面的粒子速度. 利用反积分方法由实验测得的LiF窗口与极板界面粒子速度计算得到了极板的加载磁压力历史; 以获得的磁压力为输入条件, 采用LS-DYNA计算软件正向计算得到石英晶体窗口与极板界面的真实粒子速度历史. 由实验获得的Z-切石英晶体窗口/极板界面表观粒子速度和计算得到的真实粒子速度, 获得了Z-切石英晶体弹性极限内的连续的折射率修正关系, 将其折射率修正关系的适用压力范围拓宽至14.55 GPa. 表观粒子速度与真实粒子速度关系采用线性拟合时, 折射率修正关系为n=1.087 (± 0.008)+0.4408ρ/ρ₀, 与冲击数据拟合的结果一致. 由折射率实验数据对Z-切石英晶体的极化率分析认为, 在其弹性极限压力范围内加载路径和温度对折射率的影响可以忽略.     

利用多层阻抗梯度飞片产生准等熵压缩的理论解析

基于冲击波理论对多层阻抗梯度飞片击靶过程波系的相互作用做了理论分析，计算表明在多层阻抗梯度飞片的撞击下，样品的压缩线是一组通过不同初始状态点的冲击压缩线的连线, 它位于冲击压缩(hugoniot)线与等熵压缩线之间. 所以通过飞片层数的设计,可获得介于冲击压缩线与等熵线之间的任意状态点,这就为以后偏冲击压缩(off-hugoniot)状态方程的实验研究提供了理论参考. 实验测量的样品/窗口界面速度与理论计算的一致性支持上述结论的可靠性与准确性. 关键词： 准等熵压缩 多层阻抗梯度飞片 理论解析     

磁驱动准等熵压缩下单晶氟化锂的光学特性

以阳加速器和PTS装置为驱动源,开了展单晶氟化锂(LiF,通光方向［100］)窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS,激光波长1550 nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史,结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据,进而处理得到LiF窗口材料在近50 GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系,进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E. Fratanduono, Y. Ma, B.J. Jensen的对应数据比较,其中与光子多普勒测速系统 (PDV, 1550 nm)测量结果基本相符,不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。     

磁驱动准等熵压缩下单晶氟化锂的光学特性

以"阳"加速器和PTS装置为驱动源,开了展单晶氟化锂(LiF,通光方向[100])窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS,激光波长1550nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史,结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据,进而处理得到LiF窗口材料在近50GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系,进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E.Fratanduono,Y.Ma,B.J.Jensen的对应数据比较,其中与光子多普勒测速系统(PDV,1550nm)测量结果基本相符,不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。