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.     

单层丝阵负载Z箍缩内爆辐射特性研究

在电流3—4MA的Angara-5-1脉冲装置上进行了单层钨丝阵Z箍缩实验,利用具有坪响应的X射线功率谱仪获得X射线功率,利用X射线纳秒分幅相机获得等离子体内爆辐射区图像.在丝阵直径相同时,实验得到较细的丝直径使得内爆较早,收缩比较大;较大的丝间隙使得内爆早期丝间等离子体不能有效的融合,而是较孤立的等离子体簇向内箍缩;较大的丝直径和丝间隙导致不稳定性波长较大.在丝阵直径不同,丝直径相当时,实验得到较大的丝阵直径内爆启动较早,具有较大的内爆速度,但等离子体在内爆过程中较分散.另外,较大的丝直径和丝阵直径使X射线辐射脉冲时间较宽.     

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。     

丝阵Z箍缩可见光辐射特性

在阳加速器上进行的Z箍缩实验中,利用快速硅光电二极管、多模光纤和石英滤片搭建了可见光探测系统,并利用该系统对丝阵Z箍缩等离子体内爆可见光辐射特性进行了研究。实验结果显示,可见光辐射在内爆开始时就已经存在,其波形与X射线辐射波形存在差异,在辐射波形的主峰前存在所谓的拐点。分析表明,在内爆滞止前,丝阵Z箍缩中单丝箍缩现象和预箍缩等离子体对可见光辐射贡献很大,而整体内爆开始时单丝附近的局域磁场消失是可见光辐射波形存在拐点的主要原因。     

丝阵Z箍缩可见光辐射特性

在阳加速器上进行的Z箍缩实验中,利用快速硅光电二极管、多模光纤和石英滤片搭建了可见光探测系统,并利用该系统对丝阵Z箍缩等离子体内爆可见光辐射特性进行了研究。实验结果显示,可见光辐射在内爆开始时就已经存在,其波形与X射线辐射波形存在差异,在辐射波形的主峰前存在所谓的拐点。分析表明,在内爆滞止前,丝阵Z箍缩中单丝箍缩现象和预箍缩等离子体对可见光辐射贡献很大,而整体内爆开始时单丝附近的局域磁场消失是可见光辐射波形存在拐点的主要原因。     

空气中氧分子吸附作用对紫外光丝传输特性的影响

从麦克斯韦波动方程出发,得到了包含氧分子吸附作用等非线性效应在内的光束传输方程.将光束成丝与粒子在势阱中的运动联系起来,分析了光束在空气中形成稳定光丝的初始条件.用数值模拟的方法,研究了氧分子吸附作用在光丝传输过程中对光束尺寸、能量及相位的影响.结论表明:氧分子吸附作用对能量的消耗较大,造成振荡过程中光束尺寸的减小;定...     

电爆炸丝1维磁流体模型数值模拟

给出了电爆炸丝1维磁流体模型的具体描述和基本方程,并利用数值方法求解。通过对含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率电路模型的计算,给出了电爆炸丝电流、电压随时间的变化,以及电爆炸过程中丝的密度空间分布,膨胀半径随时间的变化,讨论了电爆炸丝长度和初始电压对电爆炸丝电流、电压的影响。     

电爆炸丝1维磁流体模型数值模拟

 给出了电爆炸丝1维磁流体模型的具体描述和基本方程,并利用数值方法求解。通过对含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率电路模型的计算,给出了电爆炸丝电流、电压随时间的变化,以及电爆炸过程中丝的密度空间分布,膨胀半径随时间的变化,讨论了电爆炸丝长度和初始电压对电爆炸丝电流、电压的影响。     

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。     

弹簧支撑自适应Z-pinch单层柱面丝阵负载研制

 在靶室阴、阳电极呈水平放置的电磁内爆加速器中，抽真空时电极间距会收缩变短，电极间的丝阵负载无法维持预定的分布状态，为此，设计出了一套单层柱面状丝阵负载制备技术，通过弹簧预先压缩足够长度使负载能自动适应电极间距变化，并利用一套可以拆卸的辅助装置固定负载各部件。对制备出的多种单层柱面丝阵负载的测试及靶场实验结果表明，负载能自动适应电极间距变化，最大收缩量达3mm，负载丝仍保持预定的分布并且绷紧，制备技术也便于负载的装配、运输和安装。     

弹簧支撑自适应Z-pinch单层柱面丝阵负载研制

在靶室阴、阳电极呈水平放置的电磁内爆加速器中,抽真空时电极间距会收缩变短,电极间的丝阵负载无法维持预定的分布状态,为此,设计出了一套单层柱面状丝阵负载制备技术,通过弹簧预先压缩足够长度使负载能自动适应电极间距变化,并利用一套可以拆卸的辅助装置固定负载各部件。对制备出的多种单层柱面丝阵负载的测试及靶场实验结果表明,负载能自动适应电极间距变化,最大收缩量达3mm,负载丝仍保持预定的分布并且绷紧,制备技术也便于负载的装配、运输和安装。     

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。     

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.     

电扫描型单缝单丝强流离子束发射度测量仪

介绍了一台基于电偏转扫描方法的强流离子束发射度仪,讨论了发射度仪硬件的系统构成和设计要点,该发射度仪采用阶梯型电压对通过前缝的束流进行扫描来获得束流散角信息。并对测量计算软件和数据处理方法进行了介绍,采用了先扣除本底,再设置阈值的方法进行数据处理。处理后的数据利用程序可获得均方根和边界发射度、束斑大小、最大正负散角以及发射度相图。利用该发射度仪对ECR离子源引出的强流质子束的发射度进行了测量,并对测量数据进行了分析。对于引出电压为50 kV、脉冲重复频率为166 Hz、脉冲宽度为1 ms、平均束流强度为4 mA的质子脉冲束,其归一化均方根发射度为0.27 pmm·mrad。     

电扫描型单缝单丝强流离子束发射度测量仪

 介绍了一台基于电偏转扫描方法的强流离子束发射度仪,讨论了发射度仪硬件的系统构成和设计要点,该发射度仪采用阶梯型电压对通过前缝的束流进行扫描来获得束流散角信息。并对测量计算软件和数据处理方法进行了介绍,采用了先扣除本底,再设置阈值的方法进行数据处理。处理后的数据利用程序可获得均方根和边界发射度、束斑大小、最大正负散角以及发射度相图。利用该发射度仪对ECR离子源引出的强流质子束的发射度进行了测量,并对测量数据进行了分析。对于引出电压为50 kV、脉冲重复频率为166 Hz、脉冲宽度为1 ms、平均束流强度为4 mA的质子脉冲束,其归一化均方根发射度为0.27 pmm·mrad。     

空气飞秒激光成丝现象中产生的椭圆偏振单周期太赫兹脉冲

飞秒激光在空气中形成的等离子体细丝会辐射出太赫兹(THz)信号.实验利用1 mJ,800 nm,50 fs的飞秒激光脉冲产生等离子体细丝.应用光电取样方法探测了激光成丝现象中前向辐射的THz脉冲,得到了持续时间为0.1 ps、光谱峰值在1 THz左右的单周期THz脉冲.转动抽运光的偏振态,分析了电光取样信号的变化.通过比较实验数据和计算结果,证明了成丝辐射THz脉冲的偏振态为椭圆偏振态.     

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。     

丝阵Z箍缩等离子体内爆过程单丝特性研究

研究了丝阵Z箍缩等离子体内爆过程中单丝行为、物理参数匹配、X射线发射情况。根据丝阵Z箍缩等离子体动力学一维模型研制了相关的计算程序，对单丝的内爆过程进行了数值模拟，对丝阵箍缩匹配关系进行了计算，给出了丝阵初始半径、电流脉冲宽度和峰值电流的匹配关系，同时对丝阵内的最小丝间距、材料的选择等问题进行优化研究。     

Z箍缩驱动器与丝阵负载耦合特性研究

以丝阵内爆零维模型为基础,采用Pspice模拟行为建模方法,建立了丝阵内爆动态电感与Z箍缩驱动器耦合的全电路模型,实现驱动器放电过程与丝阵内爆过程的自洽求解,并研究了丝阵参数、电路参数对内爆过程的影响.结果表明:丝阵负载与驱动器存在强耦合关系,丝阵参数、电路参数对丝阵峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能影响很大;在驱动器参数不变,内爆时间不超过电路固有放电周期1/4的前提下,峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能随丝阵质量的增加而增大,内爆时间随丝阵初始半径的增加而增大;在丝阵参数不变时,随着驱动器等效电容的增大,内爆时间减小,丝阵内爆动能增大,但驱动器储能转化为内爆动能的效率却先增大后减小.对于特定的驱动器,优化的丝阵参数应使内爆过程充分利用驱动器固有放电周期的上升沿,使丝阵快速收缩的时间起点接近电路固有放电周期的四分之一,以获得最大的动能效率. 关键词： Z箍缩驱动器 零维内爆模型 模拟行为建模 耦合特性