Expansion of Plasma of Electrically Exploding Single Copper Wire Under 4.5kA～9.5kA/Wire

The experimental system for electrically exploding single metal wire has been designed and manufactured. Expansion of the dense plasma column formed from an electrically exploding Cu wire of diameter 30 μm has been studied with a high-speed photographer to obtain the time-dependent radius (R-t) curve. The experimental results demonstrate that the mean expansion rate of the dense plasma column is 1.94 μm/ns, 2.6 μm/ns and 3.75 μm/ns according to the peak pulse current 4.5 kA, 7 kA and 9.5 kA respectively. The results can be beneficial to giving a profound understanding of the early stage of wire-array Z-pinch physics and to improvement on their design.

氩气中铝丝电爆炸空间形态不均匀现象及其抑制方法

铝丝电爆炸法制备纳米粉体具有低成本、高效率、产物纯度高且粒度分布可控等优势,其扩散阶段空间形态均匀性是影响纳米铝粉品质的关键因素。为此设计并搭建了铝丝电爆炸实验系统,可实现包括激光成像、分幅成像与辐射光谱分析的超快光学诊断。观测到铝丝电爆炸扩散阶段出现的等离子体晕层、“纺锤形”结构、“拉链状”结构、分层结构、局部热点、缺口、残留丝核等空间形态不均匀现象,并揭示了其产生原因包括氛围气体放电、径向非均匀汽化、热力学不稳定性、磁流体力学不稳定性。建立了基于自辐射图像的空间形态均匀性量化表征方法与判别准则。研究获得了气压与电流参数对阻性阶段及沉积能量特性的影响规律,并提出了空间形态不均匀性的抑制方法——增加气压与提高电流上升率,最终确定了可实现均匀电爆炸的参数选取方法。

水中金属丝电爆炸动力学过程的零维模型

金属丝电爆炸包含丰富的物理内容,近年来国内的实验和理论研究取得了重要进展,理解该过程有助于完善Z箍缩及磁加载等离子体动力学过程的物理建模,校验物性参数。在自相似运动假设条件下,发展了冷启动计算的水中电爆炸丝零维动力学模型。从一维磁流体模型出发,推导了描述丝等离子体膨胀的零维动能方程和内能方程,采用实际气体状态方程和修正的李-莫尔电导率参数作为封闭条件,根据质量守恒及水中激波雨贡纽关系式获得了丝等离子体的边界条件。应用于水中铜丝电爆炸动力学过程和能量转化分析,结果表明:该零维模型的物理假设合理,在一定范围内改变丝直径等参数可产生不同的放电模式,与一维模型及实验结果符合较好,能够为同类实验的优化设计和数据分析提供参考。

氩气中长丝电爆炸沉积能量特性与演化过程分析

为研究氩气中长丝电爆炸沉积能量特性与空间形态演化过程,设计并搭建了铝丝电爆炸实验系统与光-电联合诊断平台。结果表明,丝长增加使电爆炸过程由直接击穿模式转变为电流暂停模式,电流暂停阶段磁压力消失是导致过热系数随丝长增加而减小的根本原因。丝长增加将导致残留丝核、弥散蒸汽层等径向不均匀现象以及分层结构等轴向不均匀现象的出现。提出了长丝电爆炸沉积能量提升措施与空间形态均匀性调控方法:增加充电电压可改善电爆炸模式、提升过热系数,是消除残留丝核的有效措施;增加气压可有效改善空间形态均匀性。研究结果对电爆炸法高效制备纳米粉体具有重要工程价值,对深入理解电爆炸物理机制具有重要学术意义。

电爆炸丝法产生nm粉末及负载型nm催化剂

为了探索电爆炸金属丝技术在制备纳米粉末及其相关产品中的应用前景,利用电爆炸金属丝法成功制备了平均粒度分别达到65 nm和44 nm的纳米Al2O3和TiO2粉末,通过X射线衍射和电子衍射分析,Al2O3粉末为γ-Al2O3,TiO2粉末由金红石和锐钛矿组成。研究了实验条件对产生粉末粒度的影响及其规律后探索了电爆炸丝法产生负载型纳米催化剂的实验条件,并成功制备了负载型纳米TiO2催化剂,其化学实验结果表明:与现有催化剂比较,该催化剂能使某类化学反应的速度提高>50%,反应产物的选择性提高>3%。

电爆炸金属导体在Marx发生器中的应用

介绍了一种用电爆炸金属导体对高功率 Marx发生器输出波形进行整形的方法 ,计算了影响整形的电爆炸金属导体的有关参数 。

金属丝电爆炸研究进展-(Ⅰ):真空环境

真空中金属丝电爆炸在Z箍缩等离子体、X射线源等有重要应用,特别是纳秒脉冲下金属单丝的电爆炸行为是丝阵Z箍缩的最初始阶段,对丝阵Z箍缩内爆辐射特性有重要影响,因而受到特别关注。目前,利用高时空分辨的等离子体诊断系统和数值模拟手段,真空环境中金属丝电爆炸的研究已在实验诊断、调控方法、理论模型等方面取得了许多重要研究成果。在介绍发展历史的基础上,主要针对真空环境中纳秒脉冲下金属单丝电爆炸的相关研究,描述了金属丝电爆炸的基本特性,总结了电参数和丝参数对电爆炸特性的影响规律,分析了提高金属丝中沉积能量以实现金属丝汽化的调控方法,并综述了数值模拟中电爆炸丝状态方程、输运参数和磁流体模型等的主要进展,最后指出了研究面临的挑战和未来发展的方向,对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定的借鉴意义。

一种基于电感储能技术的紧凑型高功率脉冲源

基于电感储能技术 ,采用金属丝电爆炸断路开关 ,研制成功了紧凑型脉冲功率源 (其能量传输效率近 4 0 % ,体积约 0 3m3 )。它能在电阻负载上得到电流 >6 0kA、电压 >4 0 0kV、功率 >2 0GW的电脉冲 ,通过调节金属丝爆炸断路开关的长度、根数、直径、储能电感的大小、电容器的充电电压以及削尖开关中气体的压力等参数 ,在一定范围内容易实现同负载的阻抗匹配。

紧凑型爆炸脉冲电源

采用等效电路模型程序——BCYSSYS对系统参数进行优化,设计了04型爆磁压缩发生器及用04型发生器驱动的紧凑型爆炸脉冲电源。紧凑型爆炸脉冲电源长度小于1.2 m,直径0.4 m,质量约100 kg。实验结果表明:04型爆磁压缩发生器能够在3μH电感负载上获得脉宽约10μs、峰值为100 kA的脉冲大电流输出;当负载电阻为8.7Ω时,输出电功率大于20 GW。典型实验结果与采用BCYSSYS程序得到的计算结果吻合较好,验证了BCYSSYS程序用于爆炸脉冲电源理论设计的可行性。

电爆炸丝的电气特性

根据金属导体电阻与比作用量的关系和A.Hobson提出的金属丝阻抗随时间的变化规律分别建立了2种仿真模型研究电爆炸丝断路开关的电气特性;测量了电爆炸过程中金属丝两端的电压,结果表明:A.Hobson模型只有在电爆炸丝汽化前有效;电阻率-比作用量模型适用于整个电爆炸过程的宏观描述。因此,对含电爆炸丝元件的电路仿真模拟采用电阻率-比作用量模型,结果对脉冲调制中电爆炸丝开关的设计具有一定的指导意义。

电感储能系统驱动虚阴极振荡器数值研究

应用PSpice程序构建了一种比较符合实验实际的电感储能系统驱动反射三极管虚阴极振荡器的等效电路模型 ,研究了虚阴极中的电流电压关系 ,以及电爆炸丝切断开关和脉冲变压器的作用。具体介绍了电爆炸丝和虚阴极振荡器的计算模型。计算结果给出了脉冲变压器、电爆炸丝和虚阴极振荡器的参数选择对负载上获得的电压、电流的影响。

一种新型近红外脉冲强光辐射源的探索

探索了一种产生近红外脉冲强光辐射的新途径。用冲击大电流使铜丝爆炸产生圆柱式内爆冲击波 ,冲击压缩惰性气体 ,产生等离子体辐射近红外脉冲强光。实验表明 ,用这种方法已经得到了总功率为MW量级 ,脉宽为 1 0

红外脉冲强光辐射源中电爆丝爆炸机理研究

利用电爆丝的一种红外脉冲强光辐射新技术 ,从理论和实验上研究了电爆丝的爆炸机理。用电爆丝绝热加热模型数值模拟了电爆丝在冲击大电流作用下的电爆炸特性 ,电爆丝根数对电爆炸特性的影响。

电爆激励等离子体辐射光学弹药仿真研究

探索了一种利用金属丝电爆激励惰性气体产生等离子体强光辐射光学弹药的新机理,应用电爆丝绝热加热模型和惰性气体中电爆丝爆炸激励冲击波模型对电爆丝爆炸特性进行了理论分析和数值模拟.研究发现:为了获得强的脉冲辐射,应选用惰性气体作为发光工质,并且爆炸产生的冲击波速度越大越好;在常用的惰性气体中,Ar 气最适合作为发光工质;同一电路参数下,银电爆丝在常见金属中爆炸性能最好,铜丝其次;存在一个最佳的电爆丝长度,大概在300mm 左右;而且电爆丝根数也有一个最优值,在20根左右.研究所得结论与实验结果符合较好,对红外脉冲强光弹药研究具有重要意义.

Al⁃Cu复合金属粉的电爆炸制备及其反应活性

为进一步提高亚微米铝粉的反应活性,采用复合金属丝电爆炸技术制备了Al‐Cu复合金属粉,通过罗氏线圈监测了电爆炸过程中的波形图,确定制备工艺参数。采用X射线粉末衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电镜电子能谱成像分析(TEM‐MAPPING),X射线电子能谱(XPS)等表征手段完成了对材料结构的分析,Al‐Cu复合金属粉主要由CuAl2与Al组成,形貌为光滑球形,平均粒度为150 nm,分析了材料结构的形成机理。分别采用DSC法与铝‐水蒸气反应法评价了材料的反应活性,DSC测试结果表明Al‐Cu复合金属粉初始氧化峰温为550℃,与同样条件下制备的铝粉相比降低了50℃,反应活性明显提高;初始氧化过程温度跨度由500~650℃变为500~600℃,初始氧化过程的时间由7.5 min缩短到5 min,放热反应速率提升了33%。水蒸气反应评价结果表明,Al‐Cu复合金属粉和Al粉的反应完全度分别为0.88和0.73,在反应初始阶段(0~10 min)Al‐Cu复合金属粉反应完全度数值达到0.36,是铝粉反应完全度的10倍,与铝粉相比Al‐Cu复合金属粉的反应活性与反应完全性大幅提高。

电爆炸丝的爆炸电特性试验研究

通过分析金属丝电爆炸过程,得到金属丝电爆炸分为定相加热和相变加热,金属丝电爆炸所需的电流线密度与作用时间成反比,电流暂停时间与爆炸丝长度成正比;对电爆炸丝的爆炸过程进行LTspice电路仿真,构建试验系统,在15kV、1kA条件下对0.05毫米直径的康铜丝进行电爆炸试验,同步采集电压电流波形,并进行功率特性与阻抗特性的分析。分析结果表明:金属丝电爆炸分为相变、暂停、等离子放电这三个阶段,爆炸丝产生的峰值电流与爆炸丝的长度成反比。

惰性气体中电爆丝爆炸激励冲击波的理论分析

建立了惰性气体中电爆丝爆炸激励的冲击波模型。对于冲击波马赫数与光辐射强度的关系、惰性气体种类对冲击波强度的影响以及电爆丝根数对冲击波强度的影响 ,进行了理论计算与分析 。

真空电爆炸金属丝中电子的单粒子轨道行为

为了认识真空电爆炸金属丝中电压击穿过程,基于单粒子轨道理论,根据1kA、100A/ns电流下铝单丝电爆炸实验的电流电压波形,建立了电子运动轨迹的数学物理模型,计算得到不同初始条件(产生时刻、初始位置、速度)下电子的运动轨迹。计算结果表明:对于初速度为0的电子,运动轨迹位于r-z平面;当电流超过0.3kA时,电子开始被束缚在金属丝周围,磁场越强,发射位置距离金属丝越近,回旋运动的径向范围越小,与轴向碰撞的次数越多,越有利于电压击穿;当发射电子的初始动能等于电压击穿时的欧姆沉积能量时,初始速度沿径向方向时的运动轨迹与其沿轴向方向时的轨迹没有显著差异,而角向方向的初始速度将引起电子绕金属丝旋转。

非相干瞬态谱的实验研究

通过进行多次电爆炸金属丝实验,进行比对研究,并对采集到的铝丝和铜丝电爆炸的非相干光谱及发光能量进行的研究发现,对于同种金属丝,注入能量的速率决定了电爆炸的剧烈程度以及电爆炸过程中的中间产物,同时也决定了电爆炸的光谱特性;通过对不同电压下相同铝丝电爆炸采集的能量分析得到,随着注入能量的速率增加,光谱的强度越大,而且充电电压存在一个阈值,低于此阈值,爆炸将不能充分进行。

电爆炸丝方法产生纳米二氧化钛粉末

为了研究电爆炸丝方法产生纳米金属氧化物粉末的技术特点,设计了金属丝电爆炸和粉末收集的实验装置。利用钛金属丝的电爆炸在实验中成功制备了纳米二氧化钛粉末,分析表明该粉末由金红石和锐钛矿共同组成,其体积平均粒度达到44.1nm。在不同实验条件下进行了产生纳米粉末的实验,根据实验结果分析了粉末粒度随各条件的变化关系,发现粉末粒度受电爆炸腔内气压、金属丝直径以及能源大小的影响:(1)粉末粒度随气压降低而变小;(2)粉末粒度随金属丝直径减小而变小;⑶粉末粒度随电容器初始储能大小非线性变化。