PDF《真空及空气中金属丝电爆炸特性研究 王坤 史宗谦 石元杰 赵志...》

2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 185203-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No.

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185203 丝电爆炸物理过程和更有效地应用这一技术是非 常有意义的. 本文针对真空和空气环境中铝丝电爆炸开展 了实验研究. 根据铝丝电爆炸电参数波形获得了 典型实验条件下不同气氛环境中金属丝的能量沉 积过程, 分析了空气中金属丝电爆炸电流 暂停 现象. 采用激光探针对单丝电爆炸物理过程进行了高 时空分辨率的诊断, 展示了不同丝核的膨胀过程和 激波的膨胀轨迹, 并对空气中金属丝电爆炸纹影图 像的物理内涵进行了详细的阐述. 结合实验数据 和输运参数模型, 估算了金属丝在电压击穿时刻的 温度.

2 实验装置及原理 金属丝电爆炸实验在小型的脉冲电流源上开 展[8] . 脉冲电流源的电气原理示意图见图

1 . 高压 直流电源对初级储能电容 Cp 充电, 通过数字延时 触发器 DG535 和触发电路控制氢闸流管导通, 使 得放电电流经过脉冲变压器 (变比

1 : 4) 流向次级 储能电容 Cs. 当次级储能电容电压升高到自击穿 开关的击穿电压时, 脉冲电流开始在金属丝负载中 流通. 图1脉冲电流源电气原理示意图 Fig. 1. The electrical schematic diagram of the pulsed current generator. 负载电流采用自积分式罗氏线圈测量, 罗氏 线圈的灵敏度为 1.7 mV/A. 金属丝两端的电压采 用电阻分压器测量. 电阻分压器由阻值为

2 k? 和0.1 ?的无感电阻构成, 其灵敏度为0.05 mV/V. 罗 氏线圈和电阻分压器的灵敏度通过

50 ? 匹配电阻 放电实验波形校验. 同轴负载结构安装在真空腔内, 如图

2 所示. 同轴负载结构由阴、 阳电极和回流柱等组成. 为了 便于开展光学诊断研究, 金属丝竖直固定在同轴负 载结构的电极上. 对于纳秒级金属丝电爆炸, 负载 阻性电压是计算金属丝内沉积能量的重要参数. 因此, 需要准确计算实验装置的电感来获得阻性电 压. 采用直径为 2.5 cm、 长度为2 cm 的粗铜杆代替 金属丝开展短路实验. 粗铜杆的电阻可忽略不计, 测量的短路电压为电感电压. 根据电流波形重构电 感电压, 当短路电感 Lc =

38 nH 时, 计算的电感电 压与测量的短路电压基本一致. 此时, 短路电感包 含粗铜杆电感和同轴负载结构电感. 圆柱形负载的 电感可通过下式计算 [16] : L = 2l ln ( D d ) , (1) 式中, l, d 分别为负载的长度和直径;

D 为回流 柱所在圆周直径. 短路实验中的粗铜杆的电感 Lr =

4 nH, 同轴负载结构的电感 L0 = Lc ? Lr =

34 nH. 直径为

15 ?m, 长度为

2 cm 的金属丝负载 电感 Lw =

33 nH, 因此, 采用金属丝负载时总电感 L1 = L0 + Lw =

67 nH. 金属丝两端的阻性电压 UR = U ?L1 dI/dt. 实验中真空腔气压为10?3 Pa. 图2实验装置同轴负载结构示意图 Fig. 2. The schematic diagram of the coaxial target unit in the experimental setup. 实验中利用波长为

532 nm、 脉宽为

30 ps 的激 光探针 (EKSPLA-PL2251C) 搭建了阴影、纹影等 光学诊断系统, 光学诊断系统的光路图如图

3 所示. 图3光学诊断系统的光路图 Fig. 3. The beam path diagram of the optical diag- nostic system. 激光探针照射金属丝后........