微秒电脉冲驱动电爆炸等离子体光辐射特性研究进展

电爆炸等离子体的光辐射特性对探究非理想等离子体性质及含能材料点火技术具有重要意义。在过去几十年,国内外学者对电爆炸物理与效应开展了广泛研究,明确了等离子体及可见光辐射效应的典型特征规律。近年来,随着电爆炸技术在国防、能源和材料领域的逐步应用,人们开始关注电爆炸等离子体光辐射现象中更多的物理细节,以期实现电爆炸负载光辐射效应的有效调控。本文简要回顾了电爆炸负载及其光辐射效应的研究历程,并介绍了相关实验手段及技术原理。从动力学角度系统介绍了电爆炸等离子体及光辐射的时空演化行为,从光谱学角度分析了放电不同阶段的辐射光谱特性,建立了电爆炸关键过程和光辐射物理机制的对应性,归纳了放电模式、金属材质、介质类型对负载光辐射特性的影响。最后,探讨了基于强光辐射效应的电爆炸技术的发展趋势。

百kJ级储能型Marx发生器建立时间及抖动

针对"闪光二号"百kJ级储能型Marx发生器,设计了研究其建立时间和抖动的实验方案,根据发生器开关击穿模式的不同,分别研究了典型排的建立时间和抖动与Marx发生器建立时间和抖动之间的关系,研究了开关工作系数与Marx发生器及其典型排建立时间的关系。对Marx发生器建立时间、发生器第一排和第二排建立时间的实验测量表明:Marx发生器第一排建立时间对整个发生器的贡献大于60%,前两排建立时间对整个发生器的贡献大于73%;Marx发生器建立时间抖动主要来源于发生器第一排建立时间抖动,第一排建立时间和抖动则主要来自于气体火花开关的击穿时延抖动。根据实验结果,分析了影响建立时间抖动的主要因素,提出了减小建立时间抖动的措施。

超长金属丝电爆炸等离子体的轴向光辐射均匀性

利用金属丝电爆炸等离子体辐射强脉冲闪光驱动光敏炸药起爆,是开展强脉冲X射线热-力学效应研究的理想模拟加载方法之一,其关键问题是超长金属丝电爆炸的轴向光辐射均匀性。基于数字图像处理技术,建立了金属丝电爆炸等离子体光辐射均匀性定量化表征方法,分析了金属丝电爆炸沉积能量、金属丝材质和金属丝线质量密度分布等参数对其光辐射均匀性的影响规律。研究结果表明:沉积能量是影响金属丝电爆炸过程中光辐射均匀性的主要影响因素之一,在高脉冲功率源储能下,金属丝加载脉冲电流幅值高、上升时间快,其快速地沉积能量和欧姆加热过程有效提高了光辐射均匀性;其次,在欧姆加热阶段,难熔金属丝比易熔金属丝在电爆炸过程中更易获得均匀的轴向光辐射;最后,金属丝的线质量密度分布也会影响其光辐射均匀性,在质量密度不均匀处易形成较早的局部电爆炸,并产生强闪光点发射。

用于诊断纳秒脉冲电流的微分环现场标定技术

分析了用于纳秒脉冲电流测量的微分环标定难点,提出微分环现场标定方法。通过脉冲形成线脉冲充电以解决微分环标定中信噪比较低、可信度较差等问题;分析了脉冲形成线充电时间、充电电压及脉冲形成开关击穿电压等回路参数对标定结果的影响。基于闪光二号加速器,对测量二极管电流的微分环进行了现场标定,前级隔离开关平均击穿电压为25kV时,微分环标定回路电流达到1.3kA,微分环灵敏度为9.31×1010,方差为0.15×1010。

纳秒级时间分辨光谱诊断系统及其辐射防护

强流电子束二极管是强脉冲辐射环境模拟装置和高功率微波技术中的重要研究方向,通过时间分辨光谱诊断研究阴极等离子体的特性是分析强流脉冲电子束二极管工作性能的可靠方法之一。介绍了具有纳秒级时间分辨能力的光谱诊断系统及其工作原理、系统组成和性能参数,并阐述了低抖动同步触发系统的实现方法和时序关系。同时,针对强脉冲辐射模拟装置产生的强脉冲电磁辐射和强X、γ射线辐射对光谱诊断系统造成严重干扰的情况,设计了电磁屏蔽室和铅屏蔽室对诊断系统进行保护。对黄铜阴极的等离子体进行时间分辨光谱测量,实验结果表明,随着二极管脉冲电压和电流的上升,参与形成阴极等离子体的元素和物质成分明显增多。该光谱诊断系统的时间分辨能力为10ns,最小可达2ns,同步触发系统的抖动小于4.0ns,为深入研究二极管的阴极发射机理开辟了新的技术途径。

快脉冲测量探头的标定技术研究

快脉冲测量探头是大型脉冲功率装置安全稳定运行的基石,研究其标定技术对获取准确可靠的脉冲功率装置运行参数具有重要意义。为此通过分析不同快脉冲测量探头的实际应用环境,利用同轴线脉冲方波成形原理,提出了快脉冲测量探头的2种规范化标定方法:在线标定和离线标定,其中,在线标定方法适合于受分布参数影响较大的测量探头,如微分环和电容分压器等,而离线标定方法适合于受分布参数影响较小的测量探头,如Rogowski线圈和小电阻分流器等。2种标定方法均获得了响应时间为ns量级的矩形方波脉冲,且具有相同的放电回路和具有可溯源到国家标准的测量不确定度,分析了测量确定不确定度的合成方法。研究结果将对快脉冲测量探头的规范化标定具有重要参考价值。

快脉冲高电压大电流测量探头标定方法

基于脉冲形成原理提出了一种快脉冲高电压大电流测量探头的在线标定方法。利用闪光二号加速器输出线和二极管作为脉冲形成线,结合研制的低电感开关和负载,产生一个前沿小于3 ns、脉宽20 ns的准方波,对二极管电压测量探头微分型电容分压器和电流测量探头微分环进行了在线标定,得到测量探头在实际使用环境中的时间响应小于4 ns。该方法消除了非在线标定环境和实际环境无法统一对标定结果的影响,可推广应用于传输线型脉冲功率装置的探头标定。

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在"闪光二号"加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6Ω小水线并联组成了2Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0μF/40nH/100kV的电容器和±100kV/200kA气体开关,提出了电流20MA、前沿300ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线,Marx为18级串联。分析了关键单元(电容器和气体开关)的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10ns增加到60ns时,负载电流前沿从平均282ns增加到287ns,峰值从21.0 MA降低到19.8MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2Ω等阻抗传输线,负载电流最大。

大功率高压恒流充电源研制

设计制作了一台大功率高压恒流充电源.该电源采用全桥串联谐振恒流充电拓扑结构,实现了0-30kV范围内输出可调,设计最大平均充电功率5kW.简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行了电路仿真和初步实验研究.实验中,使用该电源对18μF电容实现了30kV,0.1Hz重频充电,充电功率约1.35kW,目前电源已累计充放电万余次,运行稳定可靠.

串级二极管悬浮电极支撑控制系统的研制

串级二极管悬浮电极支撑控制系统主要包括支撑结构、驱动电路和同步控制三部分。支撑结构采用基于电磁铁工作原理的支撑针,对悬浮电极进行三点定位;驱动控制采用高压脉冲电容放电驱动螺线电磁铁,使电磁铁支撑针在5ms内移动30mm,悬浮电极在撤去支撑的5ms内自由落体125μm;同步控制采用螺线电磁铁线圈信号作为同步控制初始信号,对该信号延时5ms,触发"闪光二号"的前级触发源,启动"闪光二号"主机工作,实现螺线电磁铁与"闪光二号"主机的同步。使用该套支撑控制系统用于串级二极管前期研究,初步实现了两级间隙串联工作。

酸性乙炔银的光起爆特性

为研究酸性乙炔银作为光敏炸药用于模拟X射线热-力学效应的可行性,开展了酸性乙炔银涂层的闪光起爆性能研究。根据酸性乙炔银的基本性能和实验测定的感度,分析其光起爆作用机制,开展了酸性乙炔银涂层的爆轰性能测试,并实现了高压脉冲闪光条件下的大面积起爆。研究结果表明:酸性乙炔银是一种相对安全的光敏感炸药,在喷涂层表面的爆轰传播速度较低,可作为低过载瞬态加载源使用;在低密度条件下,其爆炸比冲量与喷涂层的面密度近似呈线性关系。

“闪光二号”加速器运行状态分析及维护

介绍了"闪光二号"加速器在实验运行过程中,Marx发生器、水介质同轴线和二极管的常见故障。Marx发生器200kV气体开关、水介质同轴线的主开关和预脉冲开关、二极管阴极表面电场和阴阳极间隙等是各部分出现故障的主要原因,针对故障采取相应的维护措施和注意事项,可实现"闪光二号"加速器正常稳定的运行。

脉冲硬X射线能谱软化方法数值分析

基于轫致辐射原理,提出了通过轫致辐射靶优化设计软化脉冲硬X射线能谱的方法。采用MCNP程序模拟了复合薄靶和反射靶的输出参数,分析了复合薄靶中转化靶和电子吸收材料厚度对脉冲硬X射线能谱、转换效率以及透射电子份额的影响;给出了反射靶透射和反射X射线能谱、转换效率的差异及其随电子入射角度的变化规律。根据模拟结果分析了两种方法的可行性,并进行了实验验证,为轫致辐射靶的优化设计提供参考。

聚酯薄膜复合材料带状脉冲形成线传输介质

介绍了一种电气绝缘柔软复合材料——DMD膜,通过对膜结构的分析,设计了一种串联等效电路模型对其进行分析。运用该模型,对DMD膜在浸渍前和浸渍后两种情况下的介电常数和介电强度进行了求解并给出计算公式。从公式可以看出:DMD膜的介电常数在浸渍前后有明显的变化,浸渍后的介电常数得到了显著的提高,并且变化率较小;浸渍后DMD膜的介电强度高于未浸渍DMD膜的介电强度。当浸渍料介电常数愈大,聚酯材料上承受的电场强度愈大,浸渍料上承受的电场强度愈小,由于聚酯材料的耐压强度很高,所以整个传输线的介电强度得到提高。

盘式触发电极触发管开关的触发特性

对采用盘状触发电极的新型触发管开关的触发特性进行了实验研究,得到不同极性组合、不同触发电压幅值和不同触发电流条件下开关的触发特性实验结果。实验结果表明:新型触发管开关获得最佳触发特性所需的极性组合应为异极性组合,触发电压幅值范围为自击穿电压的30%～50%,为兼顾触发电流和保护触发器,触发电阻值应为50～100Ω,验证了触发管开关击穿机制的已有认识。

“闪光二号”加速器适应性改造

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对"闪光二号"加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650kV^1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60ns,前沿由改造前的80ns缩短至改造后的30ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29ns、射线宽度约53ns的脉冲硬X射线。

螺旋线型倍压器传输线损耗参数

通过介绍螺旋线型倍压器的结构参数和工作原理,分析了影响螺旋线型倍压器输出特性的3个损耗参数:开关电阻损耗因子。螺旋线型倍压器传输线电阻损耗因子和传输线相邻同轴电容之间漏感损耗因子;螺旋线型倍压器的损耗参数主要由其结构参数所决定,通过实验研究,给出了各结构参数对螺旋线型倍压器输出特性的影响关系,并且给出了传输线电阻损耗因子和相邻同轴电容间漏感损耗因子与传输线结构参数间的经验公式,为螺旋线倍压器的电路模型构建提供参考数据。

强流二极管绝缘体滑闪监测及其影响

以闪光二号加速器为研究平台,建立了微分环阵列和Rogowski线圈同时监测二极管电流的方法,监测了二极管绝缘体表面的滑闪现象。根据电流探头测量结果的差异,分析了绝缘体滑闪对电子束流参数的影响。二极管绝缘体出现滑闪,位置附近的微分环波形严重畸变,其它位置的微分环和Rogowski线圈测量结果基本一致。采用距离滑闪位置较远的微分环结果处理二极管束流参数,相对于不出现滑闪时的结果,束流强度和总能量没有明显的变化。绝缘体滑闪沿面局部放电,能量损失较小,尚未对电子束流造成较大影响。

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。