第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号: 100124322(2002)0520767204高能密度物理实验装置FP 21及其应用Ξ杨礼兵, 孙承纬, 廖海东, 胡熙静(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要: 综述了由高能密度物理装置FP 21驱动的固体套筒内爆研究情况。
主要内容包括FP 21脉冲功率装置的特性和所进行的主要物理实验:铝套筒内爆、双套筒碰撞和微喷射、套筒的内爆脉冲屈曲等,给出了各类实验的典型结果。
关键词: 电磁内爆; 固体套筒; 物理实验 中图分类号: O361.3 文献标识码: A 对于研究在cm 3尺度上的强汇聚冲击驱动和等熵驱动压缩,固体套筒内爆技术有着独特的能力。
且由于测试和实验参数控制容易,使其在验证计算编码方面亦有优势[1],这项技术在国外受到相当重视[2～4],美国LANL 的Pegasus II 装置(4.3MJ )的驱动速度达13km/s ,内爆压力达0.1TPa 。
新建的A TLAS 装置(23MJ ,480kV ,16nH ,0.48亿美元)对47g 的标准套筒,驱动电流近30MA ,内爆速度近14km/s ,该装置于2000年年底已通过验收,并在2001年进行了17次系列实验,目前正迁往内华达实验场安装调试,准备投入次临界试验应用。
FP 21是近年来中物院组建的、应用于高能量密度物理实验的脉冲功率装置,是国内第一台同类的实验装置,它利用电磁驱动套筒内爆的技术,可广泛应用于特殊条件下套筒内爆动力学行为、高速飞片的驱动、材料特性以及基础科学和技术研究。
迄今为止,在FP 21装置上已正式进行了50余发典型的物理实验,主要包括套筒内爆行为、微喷射、内爆屈曲三大类。
本文将简要回顾FP 21装置概况,并给出相关物理实验的结果及分析。
1 FP 21脉冲功率装置概况 FP 21装置主要包括能源系统、汇流器件、靶室、闭合开关等。
能源系统由216台MCF5024脉冲电容器构成一个二级的Marx 电容器组,最大贮能为1.08MJ 。
电容器组额定电容量为216μF ,额定电压100kV (±50kV 充电),对圆柱形电感负载最大电流可达4MA ,上升沿约7μs 。
汇流器件均采用6mm 厚的T 字型铝合金板,中间采用不同的固体介质混合绝缘(聚酯薄膜和环氧板)。
闭合开关是FP 21装置上的一个关键部件[5]。
由于技术和工程上的因素,一直采用爆炸驱动的闭合开关,即用雷管(或加小量炸药)驱动特殊部件产生金属射流,进而穿透绝缘膜导通开关两极。
Fig.1 A typical solid liner图1 典型固体套筒示意图 为了限制反向电流,根据实验要求串入相应的熔断铝膜。
一个典型的负载套筒如图1所示。
它由L5纯铝材料制作而成,当脉冲功率对套筒放电时,电流分布在套筒的外表面趋肤层并产生一个强磁场。
几何参数的选择是由一维磁流体力学计算出来的,在此条件下能保证套筒内表面为固态。
套筒内部视物理实验要求可以是空的,也可以是其它负载,为了提高碰靶时的压力,在套筒内部覆一层重材料,这种结构也称为复合套筒,它在冲击压缩方面有着很重要的意义。
在测试系统方面,由于条件限制,现主要安装有电流探头和高速摄影机,需要增加的还有X 光照相、激光纹影、V ISAR 、光学探针等。
2 固体套筒内爆 根据安培定律,当套筒流过电流I 时磁场与电场的相互作用将会产生一个指向轴线的内聚力(图1),大小Ξ收稿日期:2002201209; 修订日期:2002206220基金项目:中国工程物理研究院行业预研基金资助课题(20010103)作者简介:杨礼兵(19682),男,硕士,副研究员,主要从事电磁内爆技术和Z 箍缩物理研究;绵阳9192108信箱。
为μ0I 2/8π2R 2,其中R 为套筒的外半径。
在电磁内爆进程中,在同样的电流作用下,这个向心力将越来越大,这是与炸药爆轰产物驱动的内爆有实质性区别的地方。
因此,在原理上电磁内爆可以把一定质量的套筒驱动到任意高的速度。
作为一般性概念,当1MA 电流流经10mm 半径的套筒时,在壁上产生的磁场强度为20T ,磁压力为160MPa 。
利用相关的磁流体力学模型,套筒内爆能获取的最大速度正比于金属爆炸时的比作用量,反比于材料的密度[6]。
金属纯铝因其低密度和高电导率特性,表明它是获取最大速度的较好材料。
Fig.2 Basic structure for liner or composite liner implosion图2 复合套筒内爆时的负载区基本结构图 当无内复合层(如铜、钨等材料)时,可进行单质套筒内爆研究。
当套筒内部有工作介质时(如易于产生X 射线的低密度泡沫材料或气体),主要进行套筒压缩靶的各种物理实验。
复合套筒是一个内爆黑腔,可形成性能良好、持续时间很长的辐射源,或得到物质的高压缩状态。
当套筒内部为真空时,只能单一的研究套筒的内爆行为。
图2是复合套筒内爆实验时的负载区示意图。
目前在FP 21上暂未进行复合套筒的技术研究。
图3,图4给出内爆过程的实验结果与一维数值模拟结果[7],其中FP 21装置工作电压70kV ,铝套筒直径<41.2mm ,壁厚0.6mm ,高20mm ,驱动电流为3.2MA ,内爆速度为3.0km/s 。
从图中可以清晰地看到套筒在轴线上碰撞以后的反弹现象。
12experimental current (MA );22computing current (MA );32inner radius (cm );42outer radius (cm );52inner boundaryvelocity (km/s );62outer boundary velocity (km/s )Fig.3 Results of experiment and computing 图3 实验结果与计算结果的比较Fig.4 Comparing experimental results to computing results of liner radius change soild line 2computing results ,signal 2experimental results 图4 内爆过程铝套筒内外半径变化实验与计算结果的比较3 微喷射实验 初始半径(r 0,r c )不同的双套筒碰撞产生微喷射是固体套筒内爆的一个具体应用,这时外套筒在电流驱动下内爆并碰撞静止的内套筒,引起后者壳层内产生聚心冲击波。
当冲击波传播到内套筒的内表面时,根据其材料的性质以及冲击波条件的不同,在材料内部或表面都会发生一系列的复杂现象。
如部分物质颗粒将以比自由面运动速度快得多的速度从自由面处喷射出来形成微射流或微粒子喷射,或者由于杂质存在而构成区域阻抗不匹配产生微层裂喷射,或因局部晶格之间剪切和相对滑移形成热点,造成局部熔化或汽化,进一步诱发离子喷射式射流。
就材料本身而言,因还有表面尖端毛刺、共晶体(易熔物)、颗粒、夹渣、空隙等缺陷,它们的存在就相当于金属内部存在密度的不连续性,因而在强冲击波的作用下,促使材料发生一系列动力学过程。
在外套筒碰撞内套筒时,其碰撞速度由下式决定v 2c =(μ02π)hI 2p m ln (r 0r c)(1)867强激光与粒子束第14卷考虑一个具体尺寸:r 0=24mm ,r c =15mm ,h =20mm ,m =3.4g ,从而v c =3.5km/s 。
碰撞时内套筒中冲击波压力的量级可由Hugoniot 关系得到,对于同种材料,冲击波压力为Fig.5 Configure of driver ,target and collimator 图5 驱动器、靶和狭缝配合示意图p S =14ρv c(2c +S v c )(2)ρ为套筒材料密度,c 为声速,S 为材料常数。
对于铝材料,c =5.33km/s ,S =1.33,从而p S =38GPa 。
原则上说,提高驱动电流就可以增加碰撞速度乃至增大冲击波压力,但是为了保证驱动套筒以固体状态(至少内表面必须如此)碰靶,就必须增大驱动套筒的质量和初始半径等,并优化内爆时间。
另一方面,如果v c 不变,采用高密度材料也可增加冲击波压力,然而系统地考虑电磁驱动内爆的特点和焦耳加热的制约,数值模拟结果表明铝仍是电磁驱动碰撞的最好材料。
对于复合套筒(外层为铝,紧贴内层为高密度材料钨或铂),可提高冲击波压力2～4倍。
但该类套筒的制作技术相当复杂,且其内爆动力学过程也有些差异。
图5是双套筒碰撞的实验布置结构,图6是分幅照相观察到的射流形成情况。
其中驱动器是纯铝空心套筒,直径为44.8mm ,壁厚0.4mm 。
靶套筒为合金铝(L Y12),直径为22mm ,壁厚1mm 。
狭缝套筒直径16mm ,壁厚1mm ,FP 21工作电压为70kV 。
利用一维多区计算得到碰靶时的压力约20GPa。
Fig.6 Results of micro jet (axial ,jet is on the right 2up position )图6 微喷射实验结果4 内爆屈曲行为 内爆屈曲是内爆动态加载条件下结构失稳的一种可能的不稳定性模式,又称之为Bell 2Plesset 不稳定性。
它属于二维乃至三维流体动力学研究范围,与材料的屈服弹性、应力2应变性能、加载条件等诸多因素有关[8]。
此项内容在导弹、火箭、舰艇等军用结构设计中考虑较多,但在电磁内爆技术研究范围中国内外少见报道,由于此类失稳是造成柱壳或球壳内爆中初始扰动的主要来源,其重要性不亚于加速过程中的R T 界面不稳定性和初始冲击时的RM 不稳定性。
在数值模拟方面,径向载荷下的动态脉冲屈曲理论及分析方法主要有[8]:无限长壳塑性流屈曲的“正切”模量理论,无限长壳的弹性流屈曲理论,无限长壳的弹塑性流屈曲综合理论,有限长壳动态脉冲屈曲理论等。
在线性化近似条件下每种方法都可给出壳体发生动态屈曲的临界载荷、临界波数、占优模式波数等结果。
Fig.7 Pulsed buckling during liner implosion 图7 内爆中的脉冲屈曲 根据相关的理论研究结果,表明在脉冲载荷下,某些谐波增长迅速,并将使壳体呈临界波数的皱纹形状。
对于具有相同半径厚度比值的球形或柱形壳体,其临界波数是相似的。
随着这个比值的增大,屈曲行为将从塑性转向弹2塑性,以至完全弹性行为。
实验中设计了几种不同材料、不同半径厚度比值的套筒(柱形壳体),相关的数值模拟及材料实验正在进行之中。