国外电磁内爆研究的最新进展

主要介绍用于电磁内爆技术研究的一些实验装置最近的工作情况，包括ＬＡＮＬ的Ａｔｌａｓ和ＰｅｇａｓｕｓⅡＳａｎｄｉａ的Ｚ装置，俄罗斯高新技术研究的Ａｎｇａｒａ－５等。     

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。     

电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台：SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据（或驱动电路真实数据）确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验（包括气体、液体、化合物和金属）提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。

     

内爆磁压缩准等熵加载过程分析与实验验证

利用磁流体力学程序SSS-MHD模拟了炸药柱面内爆磁通量压缩发生器CJ-100装置的加载过程,讨论了各项装置参数的影响,结果表明装置可达到的峰值磁场值与初始磁场值成反比关系。设计了铁/铜夹层结构的样品靶,在该型装置上开展纯铁的准等熵加载实验。利用光子多普勒测速探头测量到6.43 km/s的样品靶自由面速度,在DT4铁中获得206 GPa的准等熵加载压力。铁材料的压力-比容曲线与理论等熵线基本重合,表明内爆磁压缩加载过程具有较高的等熵程度。

     

1MJ电容器组能源的电磁内爆方案评估

用零维模型计算了本所1MJ电容器组能源电磁内爆装置的回路峰值电流和衬套最大速度。讨论了它们与回路电参数和衬套厚度、衬套半径之间的依赖关系，并将该装置与PegasusⅡ和Shiva—star装置进行了比较。     

FP-1 直接驱动套筒内爆技术研究

在ＦＰ－１装置上已成功地进行了３．９４ｇ固体铝套筒的内爆实验，加载电流达２．３ＭＡ，理论预估内爆速度最大可达２．０ｋｍ／ｓ。同时，具备了相对应的零维、一维流体力学模拟计算能力，可以有效地配合实验工作的开展。     

电磁内爆套筒动力屈曲的实验和数值模拟

用实验及数值模拟方法研究了电磁内爆套筒的屈曲响应规律。用电容器组脉冲发生器装置作为驱动源,设计4种不同材料、不同尺寸的金属套筒,通过调节电容器组的充电电压得到不同的加载电流,研究材料及几何参数、加载脉冲特性对套筒屈曲的影响;采用瞬态非线性有限元方法对实验结果进行了数值模拟。研究表明,在同样加载电流作用下相同材料套筒形成的屈曲波数随半径/厚度比增大而增大,不同材料套筒的屈曲波数随屈服强度/塑性强化模量比值增大而增大,而相同材料的屈曲波数不随加载电流的大小而改变;模拟计算结果与实验结果基本吻合。     

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。

     

多级柱面炸药内爆磁通量压缩技术研究

柱面内爆磁通量压缩发生器是利用炸药内爆压缩其内部磁通量至轴线附近小体积内从而实现超高磁场,传统的单级装置因受到金属套筒内爆失稳等影响性能指标受限。开展了多级内爆磁压缩技术研究,突破多项关键技术,包括研制特殊结构的密绕螺线管、脉冲功率源及大电流放电开关等,具备在直径135 mm套筒空间内实现20 T以上初始磁场产生能力,并建立了动态磁光测量系统。利用磁流体力学编码SSS-MHD开展多级装置设计,计算显示,设计的多级装置能够将约42%的初始磁通量压缩至轴线附近直径7 mm的空间内。最终研制成功多级内爆磁压缩装置CJ-150,在亚立方厘米以上空间实现轴向峰值磁场强度906 T,数据不确定度5.35%。10余发动态考核实验显示,CJ-150装置工作稳定,能够满足物理实验需要。利用经实验验证的磁流体模型计算显示,CJ-150具备1 000 T以上超强磁场产生能力,能够对大尺寸样品实现500 GPa以上的准等熵加载。     

高能量爆磁压缩电流发生器理论分析与实验研究

根据多分支爆磁压缩电流发生器的电路方程,建立了多分支爆磁压缩电流发生器的等效电路模型,并利用该模型优化设计了一种长600mm、直径120mm、总质量10kg且具有高能量输出的爆磁压缩装置8 7A。实验结果表明,8 7A型装置能在360nH电感性负载上产生峰值为512kA的脉冲电流,储能45.8kJ,能量放大90倍。     

F—5型爆炸磁通量压缩发生器

介绍了一种Ｆ－５型爆炸磁通量压缩发生器。用这种发生器进行电感性、电阻性实验及驱动虚阴有振荡器，它能在５μＨ电感性负荷中产生大于４０ＫＡ的脉冲电流和贮存４ＫＪ的电磁能；由于欧姆损耗，它的电阻性负载的输出性能明显低于电感性负载；它能驱动虚阴极振荡器产生１００ＭＷ功率的微波。     

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。

     

爆磁压缩技术综述

介绍了把炸药的化学能转换成电磁能的爆磁压缩技术，其中包括了爆磁压缩发生器的组成、运行原理和大量实验。结果表明：爆磁压缩发生器可在mm^3体积内建立1．99GA／m(25Moe)的强磁场；在nH电感性负载中产生超过250-266MA的脉冲大电流；几kg质量的爆磁压缩发生器能在5μH负载两端产生超过50kV的脉冲电压，经过爆炸丝、间隙闭合开关组成的功率调节组件后。可得到高于500kV的脉冲高电压。     

钢圆管在内爆加载下的层裂特性研究

利用完整回收技术,获得了20钢圆管在不同固体装药厚度、装药类型以及外壳条件的滑移内爆加载下形变和层裂的特征和规律,得到了钢圆管层裂的相对临界装药厚度等初步结果,分析了装药类型、装药厚度、外壳对钢圆管层裂的影响。     

电磁加速等离子体喷涂技术的原理分析

对自行研制的电磁加速等离子体喷涂技术（Electromagnetically accelerated plasma spraying,EMAPS）从原理上进行了分析,建立了等离子体的运动方程,得到了脉冲电流作用下等离子体上任一点的磁感应强度的计算公式和等离子体及它所压缩周围空气的速度表达式;并分析了粉末粒子与冲击波的相互作用,得到了粉末粒子的喷涂速度与喷枪长度、粉末粒子直径以及电流强度之间的关系;同时还对喷枪的长度进行了设计。     

喷气Z—箍缩内爆初步分析

主要介绍喷气Z－箍缩内爆的基本原理与过程,气体的初始击穿和预电离特性,相应的研究结果、诊断技术及“阳”加速器喷气预估结果分析。     

MFCG通过变压器给电感供能分析

计算和分析了爆炸磁通量压缩发生器通过变压器给高阻抗负载供能方案。讨论了影响ＭＦＣＧ通过变压器给高阻抗负载供能的因素，以及如何提高ＭＦＣＧ输出到负载上的能量增益。     

内爆压缩多层密绕螺线管的数值模拟

利用AUTODYN二次开发接口建立三维多层密绕螺线管数值模型,并实现周期性边界条件,应用光滑粒子动力学方法对内爆压缩多层密绕螺线管过程及其界面不稳定性开展数值模拟。计算结果表明,内爆压缩螺线管结构过程存在扰动快速增长至后期的界面失稳现象,与对应的实验结果较为相符。同时,计算显示螺线管结构参数对界面不稳定性发展具有显著影响,螺旋角度减小,结构压缩后期的界面不稳定性趋于严重;铜线直径减小,结构压缩后期的界面不稳定性趋于减弱。