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.     

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.     

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.     

Nanopowder production by gas-embedded electrical explosion of wire

A small electrical explosion of wire (EEW) setup for nanopowder production is constructed. It consists of a low inductance capacitor bank of 2 μF-4 μF typically charged to 8 kV-30 kV, a triggered gas switch, and a production chamber housing the exploding wire load and ambient gas. With the EEW device, nanosize powders of titanium oxides, titanium nitrides, copper oxides, and zinc oxides are successfully synthesized. The average particle size of synthesized powders under different experimental conditions is in a range of 20nm-80nm. The pressure of ambient gas or wire vapor can strongly affect the average particle size. The lower the pressure, the smaller the particle size is. For wire material with relatively high resistivity, such as titanium, whose deposited energy Wd is often less than sublimation energy W s due to the flashover breakdown along the wire prematurely ending the Joule heating process, the synthesized particle size of titanium oxides or titanium nitrides increases with overheat coefficient k (k = W d /Ws ) increasing.     

水中金属丝电爆炸拉氏磁流体动力学模拟方法

基于拉格朗日描述,建立了水中金属丝电爆炸的单温磁流体动力学模型,并给出一种高阶混合有限元离散求解方法。拉氏可压缩流体方程组中,速度定义在H1连续有限元空间,内能定义在L2间断有限元空间实现物质界面的精确捕捉,存在激波的区域引入张量人工粘性抑制数值振荡。磁扩散方程仅考虑周向磁通量密度,简化为标量方程,使用H1连续有限元方法离散求解。焦耳热和洛伦兹力作为源项引入实现磁流体方程的耦合。数值算例表明:磁扩散求解器能够求解存在不同电导率的多介质磁扩散问题;拉氏流体求解器能够精确追踪物质界面,具有较好的激波分辨能力;耦合RLC电路的磁流体求解器能够复现水中金属丝电爆炸加热相变、冲击波的产生与传播、放电模式转变等物理过程。     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

Properties of nickel oxide nanopowders prepared by electrical explosion of a wire

The properties of NiO nanopowders prepared by electrical explosion of a wire in an oxygen-containing atmosphere are presented. Most of the NiO nanopowders are found to be oxygen-enriched, the excess of oxygen depending mainly on the nickel vapor concentration. The dependences of the powder particle size on the oxygen concentration and overheating of the exploding metal are discussed. The powder nanoparticles are both single-crystal and polycrystalline with a rhombohedral lattice and have different shapes (from cubic to spherical). There typical sizes range from 15 to 50 nm, depending on the explosion conditions.     

丝电爆过程的电流导入机理

丝电爆制备纳米粉时, 电流从电极导入金属丝的过程直接影响电极烧损和粉末中微米级大颗粒产生. 分别通过接触和气体放电两种方式导入电流进行电爆试验. 结果表明, 光测量装置检测到的丝端部光电流几乎与回路放电电流同时产生, 而中间位置的光电流则要滞后一段时间; 由探针收集的产物确定, 金属丝端部主要形成熔融粒子, 中间部分主要形成气相粒子. 分析可知, 接触方式导入电流时, 丝端部也存在气体放电现象, 大电流主要通过气体放电形成的等离子体导入. 等离子体对电流的旁路作用会阻碍能量向金属丝沉积, 这是产生微米级大颗粒和"积瘤"主要原因. 通过气体放电方式导入电流时, 电极烧损明显减轻, 并可以避免"积瘤"产生.     

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.     

双层钨丝阵的软X射线辐射参数

在俄罗斯新能源研究所的Angara-5-1装置上对双层钨丝阵的辐射参数进行了实验研究,将不同结构的双层钨丝阵的实验结果及双层钨丝阵与单层钨丝阵的实验结果进行了比较.根据理论模拟提出的4种双层丝阵内爆动力学模式对3次中俄联合实验双层丝阵辐射功率结果进行了分析.双层丝阵的外层与内层同步内爆后,内层相对均匀等离子的分布将有效...     

双层钨丝阵的软X射线辐射参数

在俄罗斯新能源研究所的Angara-5-1装置上对双层钨丝阵的辐射参数进行了实验研究,将不同结构的双层钨丝阵的实验结果及双层钨丝阵与单层钨丝阵的实验结果进行了比较。根据理论模拟提出的4种双层丝阵内爆动力学模式对3次中俄联合实验双层丝阵辐射功率结果进行了分析。双层丝阵的外层与内层同步内爆后,内层相对均匀等离子的分布将有效改善外层等离子体时空分布的均匀性,与单层丝阵相比,X射线辐射功率增加了32%。     

高压击穿铜丝物相研究

采用高压放电的方式对材料进行击穿,可以方便地制造纳米颗粒．搭建了高压击穿实验装置,对铜丝进行高压击穿实验;分别采用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和元素能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）测试,对铜丝击穿丝状物进行了形貌和成份分析．研究了铜丝高压击穿后的物相特性．研究结果发现,在高压作用下铜丝被充分电离,产生丝状分布,其构成为纳米颗粒的凝结;纳米颗粒的直径分布主要集中在30—60nm之间;颗粒产物由铜元素和氧元素组成;它们以单晶Cu,Cu2O和CuO组成混合物;粒径大小、产物成分与铜丝长度、直径及电压等因素相关．     

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。     

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。     

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。     

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.     

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.