磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术原理、装置及应用

利用脉冲大电流产生随时间平滑上升的磁压,实现对样品的准等熵平面压缩和超高速飞片发射,是近十年来发展和完善起来的一种新型的强动态斜波加载技术(ramp wave loading).本文简述了其原理、加载装置及数据处理方法等方面的研究进展,同时着重评述利用该技术和方法开展高压物态方程、材料动力学响应方面的研究进展,并对该技术在冲击动力学、天体物理和高能量密度物理等方面的应用前景进行了展望.

“聚龙一号”装置上磁驱动铝飞片实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序MDSC2,对大电流脉冲装置"聚龙一号"上的151发次磁驱动370μm厚铝飞片实验、164发次磁驱动330μm厚铝飞片实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明:370μm厚铝飞片和330μm厚铝飞片的磁驱动过程中,VISAR测量的速度不是飞片自由面的速度,而是飞片中邻近自由面最近的固体反射面的速度。这是由于磁驱动飞片发射过程中,飞片自由面部分被烧蚀,密度低于固体密度状态,而飞片自由面和加载面中间的飞片还保持固体密度状态。VISAR测量的激光将穿过自由面的低于固体密度状态的飞片部分,到达飞片自由面最近的固体密度位置再反射回去,获得这一位置的飞片速度。数值模拟的飞片固体反射面速度历史和VISAR测量的速度历史相吻合。

自由面被烧蚀磁驱动飞片的数值模拟

为了理解磁驱动飞片自由面烧蚀的机理、自由面被烧蚀后飞片的物质状态、自由面被烧蚀后激光速度干涉仪(VISAR)测量的机理等,采用磁驱动数值模拟程序MDSC2对聚龙一号装置上PTS-151发次磁驱动飞片实验中370μm厚飞片进行了模拟和分析。数值模拟表明,334ns之前飞片自由面部分保持固体状态,334ns之后飞片自由面部分已经熔化,到340ns后整个飞片都被熔化。飞片自由面烧蚀的主要机制是电流焦耳加热,热扩散和压缩做功的贡献很小。数值模拟的固体密度反射面速度历史和VISAR测量的速度历史一致。飞片自由面熔化后,VISAR测量的速度是距离自由面最近的固体密度反射面的速度。

“阳”加速器磁驱动平面飞片实验和速度计算校验

脉冲功率驱动源作为磁驱动加载的重要手段,通过调整其电路参数可调节负载电流波形,实现对样品无冲击准等熵加载。在"阳"加速器上,开展了一系列轴对称结构和带状结构构型的磁驱动平面飞片发射实验,电极材料采用不锈钢和LY-12铝。实验中测量了进入负载的电流历史和电极后自由面速度历史,并通过时序控制将两者时间关联起来。本文以测量到的电流历史数据为基础,引入负载电流分布系数,并结合已知的LY-12铝的状态方程数据,计算电极后自由面速度历史和飞片速度历史。通过实验测量自由面速度历史校验负载各个位置的电流分布系数。另外,基于装置参数和实验数据确定了考虑负载电感变化的装置等效电路模型,形成了计算样品压力加载历史和电极后自由面速度历史估算程序。此外,初步分析不同厚度电极的自由面速度历史,获取了电极材料的准等熵加载波剖面信息,观察到一系列准等熵加载下材料动力学性能引起的物理现象。

带窗口磁驱动准等熵压缩实验模拟

在二维磁驱动数值模拟程序MDSC2中增加了LiF材料的材料参数和功能模块,使MDSC2程序具有了求解带窗口磁驱动准等熵压缩实验的能力。采用MDSC2程序,对大电流脉冲功率装置上的exp-3-window、exp-6-window带窗口磁驱动准等熵压缩实验进行了模拟。数值模拟结果表明,二维磁驱动数值模拟程序MDSC2能正确模拟带窗口磁驱动准等熵压缩实验exp-3-window和exp-6-window的全过程,模拟的飞片/窗口界面速度在飞片/窗口界面速度的上升阶段、峰值附近和卸载阶段与实验测量基本一致,验证了新程序的计算有效性。MDSC2程序对带窗口磁驱动准等熵压缩实验的正确模拟有助于磁驱动样品物性实验的研究。

磁驱动飞片发射实验结构系数初步研究

为了确定磁驱动飞片发射实验结构系数的范围、影响因素、结构系数与影响因素的关系,对聚龙一号装置上的磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明,磁流体力学程序能正确模拟聚龙一号装置上各个磁驱动飞片发射实验;磁驱动双侧飞片发射实验的结构系数为0.7~0.8;磁驱动单侧飞片发射实验的结构系数为0.80~0.85。磁驱动飞片发射实验的结构系数与实验加载电流无关,仅由磁驱动飞片发射实验的负载结构决定。磁驱动飞片发射实验的结构系数取决于阴阳电极极板的初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙以及阴阳电极上飞片厚度之和等三个因素。在磁驱动飞片发射实验中,电极初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙不变的情况下,结构系数由阴阳电极上飞片厚度之和确定,阴阳电极上飞片厚度之和越大,结构系数越大。

聚龙一号上磁驱动铝飞片发射实验的数值分析与再设计

聚龙一号上PTS-151发次实验中,磁驱动加速370μm厚飞片测得的最大速度为18km/s,磁驱动加速482μm厚飞片测得的最大速度为19km/s。采用MDSC2程序,对PTS-151发次实验进行了数值分析,结果表明:PTS-151发次实验中测量的最大速度的含义不同于以往文献中飞片的最大速度。以往文献中发射飞片在测试过程中自由面未被烧蚀,测试的最大速度为飞片自由面速度;PTS-151发次实验中两个飞片在测量过程中自由面被烧蚀,实验测量的最大速度为飞片被完全烧蚀前的一瞬间飞片内部最后一个固体面的速度。在飞片自由面未被烧蚀之前,370μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为7km/s,482μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为11.8km/s,远低于测量值。对PTS-151发次实验条件下飞片尺寸进行了再设计,飞片厚度为680μm时最优,既能保证自由面未烧蚀,又使得飞片的速度最大,达到17.5km/s。

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟通常可不考虑厚的阴极的运动状态和厚度方向上烧蚀宽度的影响,采用单侧计算模型进行模拟。为了理解磁驱动单侧飞片实验可采用单侧计算模型的原因,为磁驱动单侧飞片实验的单侧计算建模提供理论依据,建立了磁驱动单侧飞片实验的双侧计算模型,并对PTS-061、PTS-064磁驱动单侧飞片实验进行了模拟分析。在PTS-061、PTS-064实验中,飞片的电流加载面的位移随着时间的增加持续增大;厚的阴极的电流加载面的位移不随时间的增加持续增大,在磁驱动实验中后期基本保持不变。PTS-061实验结束时,飞片的电流加载面的位移为4.9 mm,阴极电流加载面的位移仅为1.7 mm。PTS-064实验结束时,飞片的电流加载面的位移为4.1 mm,阴极电流加载面的位移仅为0.9 mm。磁驱动单侧飞片实验能采用单侧计算模型模拟的原因,不是阴极板面保持位置不动,而是阴极电流加载面的位移不随时间持续增加;在磁驱动实验后期,飞片电流加载面位移对边界磁场的影响远大于阴极电流加载面的位移对边界磁场的影响。

磁场准等熵驱动飞片技术原理性实验研究

探索了磁场准等熵驱动飞片发射的实验技术,在FP-1装置上成功实现了多种尺寸飞片的驱动实验,并利用VISAR系统获得了飞片的速度历史曲线。在回路放电峰值为3 MA的情况下,获得飞片最高速度为797.3 m/s。初步获得了准等熵加载的原理性技术及其基本原理,促进了磁驱动准等熵加载、发射飞片实验技术,以及后续的物态方程研究的开展。

磁驱动飞片的三维数值模拟及分析

磁驱动准等熵加载和超高速飞片发射是一种全新的冲击动力学和高能量密度物理实验加载技术。利用三维磁流体动力学软件,模拟了磁驱动飞片的物理过程,计算得到的飞片自由面速度与实验结果符合较好。通过计算飞片横断面的温度、密度和磁场分布,得到了加载过程中磁扩散速度和飞片的剩余厚度。飞片加载过程中飞片边缘的卷曲变形严重,分析认为是由电流和磁场分布的不均匀导致飞片边侧受斜上方较大的加载力所致,并且电流分布的不均匀是主要因素。实验设计时,可利用极板构型的变化调节加载面的电流分布,从而提高飞片的平面性,减小边侧的卷曲变形。