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。     

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.     

真空中金属丝电爆炸数值模拟研究

利用金属丝电爆炸物理数学模型对电爆炸物理过程开展了数值模拟,研究了不同直径铝丝电爆炸特性,进一步分析了金属丝内沉积能量、电压击穿时刻、电压峰值随金属丝直径的变化规律,并与相关实验数据作了对比。     

真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

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.     

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。     

空气中单丝和丝阵电爆炸特性的比较

本文开展了500 J储能下、大气空气介质中微秒脉冲电流源驱动平面型铜丝阵负载电爆炸放电特性研究,并与铜单丝电爆炸进行了比较.实验中保持铜电极间距2 cm不变,选择2-16根直径100μm的铜丝组成平面型铜丝阵,同时选择直径50-400μm的单根铜丝作为对照,对电爆炸过程中负载电压、回路电流与光辐射强度进行测量,计算得到电功率、沉积能量等参数,研究质量变化对铜导体电爆炸过程的影响规律;特别地,对于相同质量下单丝与丝阵负载情况进行比较.实验结果表明,随着质量增加,单丝电爆炸气化与电离过程变缓,宏观表现为电压峰值时刻延后、半高宽增大(约0.07μs增至约0.64μs);与之不同,虽然丝阵电爆炸时刻随质量增加延后,但气化与电离持续时间变化不明显,电压峰半高宽稳定在0.11±0.01μs,且击穿发生前丝阵负载沉积能量低于同质量单丝负载.光辐射强度方面,丝阵电爆炸光辐射强度比三次同质量下单丝电爆炸分别强约28%,49%和52%.造成单丝与丝阵电爆炸过程差异的原因可能有两个方面:一是比表面积的差异使得细丝的相变过程更加迅速,表现为相同质量下细丝丝阵比粗单丝爆炸过程快;二是电热/磁流体不稳定性在丝阵与单丝中发展程度不同,表现为光强-时间曲线的差异.     

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。     

电爆炸丝法制备纳米ZrO2粉末的实验研究

设计并搭建了基于高压放电方式的金属丝电爆炸制备纳米粉体的实验装置,并配备了电流电压测量辅助系统,可以方便地制备纳米颗粒,实时记录电爆炸过程中的电流和电压。对Zr丝进行电爆炸实验;理论上分析了Zr丝在电爆炸过程中的沉积能量以及物态的变化过程。研究了充电电压对沉积能量和纳米粉体特性的影响规律。通过元素能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对制备的纳米粉体做了成分分析。采用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形貌和结构,并用电镜统计观察法得到纳米粉体的粒度分布。研究结果表明:电压的增大,会使沉积能量增加,并缩短锆丝完全汽化所需时间。增大充电电压可显著缩小纳米粉体的粒径分布范围,并得到更小平均粒径的颗粒。电爆炸锆丝的产物是ZrO₂纳米颗粒,其晶相结构为单斜晶系(m-ZrO₂)和立方晶系(c-ZrO₂),并且颗粒呈良好的球形,表面光滑,轮廓清晰,粒径分布主要集中在10 nm到40 nm之间。     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

Homogeneous electrical explosion of tungsten wire in vacuum

Experimental results on Joule energy deposition upon initiation of a fast electrical explosion of 16-μm tungsten wire in vacuum at current densities of more than 10⁸ A/cm² are reported. We have found that explosion with a fast current rise time (～170 A/ns into a short) results in homogeneous and enhanced deposition of electrical energy into the tungsten before surface flashover. The maximum tungsten wire resistivity reaches a value of up to ～185 μΩ cm before surface flashover that significantly exceeds the melting boundary and corresponds to a temperature of ～1 eV. The highest values for light radiation and expansion velocity of wire ～1 km/s were observed for the fast explosion. For the explosion mode with a slower current rise time (～22 A/ns into a short), we observed the existence of an “energy deposition barrier” for tungsten wire. In the slow explosion mode, the current is reconnected to the surface shunting discharge before melting. The maximum tungsten wire resistivity in this case reaches the value of ～120 μΩ cm, which is less than indicative of melting. Also, the energy deposition along the wire is strongly inhomogeneous, and wire is disintegrated into parts. We attribute the early reconnection of the current to the surface discharge for the slow explosion to high electron emission from the wire surface, which starts before melting.     

丝阵负载Z箍缩早期过程的研究

利用X箍缩等离子体产生的μm级、亚ns脉冲X射线点源对双丝电爆炸过程进行了X射线背光照相,结果表明:真空环境下爆炸丝通常形成“核冕”结构,即高密度丝核表面围绕着低密度冕等离子体;随后在全局磁场驱动下,冕层将被连续剥离并向轴线汇聚,形成“先驱等离子体”,大大降低丝阵的内爆品质。针对上述问题,进一步对实现“无核丝爆”(提高丝核沉积能量实现金属丝的均匀汽化)的方法进行了研究。实验结果表明:提高驱动电流上升率以及在金属丝表面构造正向径向电场均有利于丝核沉积能量的提高。结合上述两种方法,提出了阴极串联闪络开关的电极构型,大幅度提高了丝核沉积能量:正负极性驱动电流下比能量分别提高到原来的2倍(从5.7 eV/atom到13 eV/atom)和3.5倍(3.4 eV/atom到12 eV/atom),均超过了钨丝汽化能(8.8 eV/atom),且激光干涉图像表明爆炸产物具有很高的汽化率,即实现了“无核丝爆”。     

Corona-free electrical explosion of polyimide-coated tungsten wire in vacuum

We present experimental evidence of corona-free electrical explosion of dielectric-coated W wire in vacuum. A fast current rise of approximately 150 A/ns and a coating of 2 microm polyimide are both needed to achieve the corona-free regime of explosion. Breakdown is absent in corona-free explosion; the wire remains resistive, and this allows anomalously high energy deposition (approximately 20 times atomization enthalpy). MHD simulations reproduce the main differences between corona and corona-free explosions. A corona-free explosion of a wire can be useful for the generation of a hot plasma column by direct energy deposition.     

介质环境对铜丝电爆炸制备纳米粉体的影响

为了探究介质环境对电爆炸制备纳米粉体的影响, 搭建了相应的电爆炸实验平台, 以铜丝为例分别在水和不同空气压力下开展了电爆炸制备纳米粉体实验.通过Rogoswki线圈和高压探头分别测试了电爆炸过程中的电流和电压波形图.通过电压、电流及能量沉积特征分析了电爆炸的基本过程以及介质环境在电爆炸过程中的作用.运用透射电子显微镜对爆炸产物进行了粒度分析.研究发现, 介质环境对于电爆炸过程的影响主要表现在汽化化阶段以后, 包括介质对蒸汽膨胀的抑制作用, 介质的电离对于铜丝表面击穿的影响以及其对高温金属蒸汽及等离子体的冷却作用.水中铜丝电爆炸能够制备局部均匀的小尺寸纳米粉体, 粒度多数集中在10–20 nm之间, 但粉体易积聚, 且整体粒度跨越较大.空气中制备的粉体分散良好, 符合对数正态分布, 基本上分布于20–100 nm之间, 平均粒度约为40 nm.     

电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明:电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30~60 nm之间,并且符合对数正态分布。     

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。