空氣中單絲和絲陣電爆炸特性的比較*

李琛 韓若愚? 劉毅 張晨陽(yáng) 歐陽(yáng)吉庭 丁衛(wèi)東

1) (北京理工大學(xué)物理學(xué)院, 北京 100081)

2) (華中科技大學(xué), 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074)

3) (西安交通大學(xué), 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710049)

本文開(kāi)展了500 J儲(chǔ)能下、大氣空氣介質(zhì)中微秒脈沖電流源驅(qū)動(dòng)平面型銅絲陣負(fù)載電爆炸放電特性研究, 并與銅單絲電爆炸進(jìn)行了比較.實(shí)驗(yàn)中保持銅電極間距2 cm不變, 選擇2—16根直徑100 μm的銅絲組成平面型銅絲陣, 同時(shí)選擇直徑50—400 μm的單根銅絲作為對(duì)照, 對(duì)電爆炸過(guò)程中負(fù)載電壓、回路電流與光輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量, 計(jì)算得到電功率、沉積能量等參數(shù), 研究質(zhì)量變化對(duì)銅導(dǎo)體電爆炸過(guò)程的影響規(guī)律; 特別地, 對(duì)于相同質(zhì)量下單絲與絲陣負(fù)載情況進(jìn)行比較.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 隨著質(zhì)量增加, 單絲電爆炸氣化與電離過(guò)程變緩, 宏觀表現(xiàn)為電壓峰值時(shí)刻延后、半高寬增大(約0.07 μs增至約0.64 μs); 與之不同, 雖然絲陣電爆炸時(shí)刻隨質(zhì)量增加延后, 但氣化與電離持續(xù)時(shí)間變化不明顯, 電壓峰半高寬穩(wěn)定在0.11 ± 0.01 μs, 且擊穿發(fā)生前絲陣負(fù)載沉積能量低于同質(zhì)量單絲負(fù)載.光輻射強(qiáng)度方面, 絲陣電爆炸光輻射強(qiáng)度比三次同質(zhì)量下單絲電爆炸分別強(qiáng)約28%, 49%和52%.造成單絲與絲陣電爆炸過(guò)程差異的原因可能有兩個(gè)方面: 一是比表面積的差異使得細(xì)絲的相變過(guò)程更加迅速, 表現(xiàn)為相同質(zhì)量下細(xì)絲絲陣比粗單絲爆炸過(guò)程快; 二是電熱/磁流體不穩(wěn)定性在絲陣與單絲中發(fā)展程度不同, 表現(xiàn)為光強(qiáng)-時(shí)間曲線的差異.

1 引 言

金屬絲電爆炸作為脈沖功率與放電等離子體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1?3], 是指當(dāng)脈沖電流流過(guò)金屬絲時(shí), 在焦耳加熱的作用下, 金屬絲急劇相變,先后經(jīng)歷固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)與等離子體態(tài), 最終發(fā)展形成等離子體通道的過(guò)程.金屬絲電爆炸能夠?qū)?chǔ)能單元中儲(chǔ)存的電能/磁能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量, 如熱能、輻射能、沖擊波能等.

將多根金屬絲按照一定結(jié)構(gòu)排布, 可構(gòu)成金屬絲陣.真空中絲陣電爆炸后形成具有一定空間分布的等離子體, 在洛倫茲力的作用下內(nèi)爆獲得高溫高密度等離子體(稱為Z箍縮等離子體), 產(chǎn)生大功率脈沖X射線輻射[4?7], 美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室曾使用嵌套式雙層絲陣結(jié)構(gòu)得到功率290TW、總能量1.9MJ的X射線源, 絲陣負(fù)載動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線輻射能量效率高達(dá)60%[8], 為慣性約束聚變提供了可能的技術(shù)途徑.

相比于大型脈沖功率裝置驅(qū)動(dòng)的真空絲陣Z箍縮, 一般工程應(yīng)用更關(guān)注介質(zhì)中的金屬絲電爆炸, 特別是沖擊波與光輻射效應(yīng), 如惰性氣體介質(zhì)中的電爆炸制備納米粉[9,10]、水介質(zhì)中電爆炸產(chǎn)生沖擊波[11]、含能材料的電爆炸點(diǎn)火等[12].對(duì)于沖擊波現(xiàn)象, 通過(guò)研究銅單絲電爆炸不同階段沉積能量對(duì)沖擊波參數(shù)的影響, 發(fā)現(xiàn)氣化過(guò)程對(duì)沖擊波形成起主導(dǎo)作用[13,14]; 對(duì)于光輻射現(xiàn)象, Sandia實(shí)驗(yàn)室的Sarkisov等[15]與以色列理工學(xué)院的Grinenko等[16]分別針對(duì)納秒尺度真空與水中絲爆過(guò)程中光輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系開(kāi)展了研究, 他們認(rèn)為金屬絲電爆炸過(guò)程中的光輻射主要由放電過(guò)程中的等離子體光輻射和爆炸產(chǎn)物的高溫輻射以及復(fù)合輻射引起.但是, 介質(zhì)中沖擊波的產(chǎn)生依賴于放電通道氣化膨脹, 而等離子體在該過(guò)程中形成, 阻礙能量在放電通道的進(jìn)一步沉積, 致使產(chǎn)生的沖擊波衰減快、總能量低.因此, 在不改變負(fù)載結(jié)構(gòu)的前提下, 單絲電爆炸沖擊波強(qiáng)度存在上限.采用金屬絲陣替代金屬單絲被認(rèn)為是一種增強(qiáng)沖擊波強(qiáng)度的有效手段.清華大學(xué)的Qian等[17]用16根50 μm 金屬絲陣替代 1 根 200 μm 金屬單絲后, 發(fā)現(xiàn)水中沖擊波峰值從30 MPa提升到了90 MPa.帝國(guó)理工學(xué)院的 Bland等[18]在 MACH裝置(2 MA, 450 ns)上開(kāi)展了去離子水中絲陣內(nèi)爆匯聚沖擊波的研究, 在絲陣中心區(qū)域得到了壓強(qiáng)大于 300 GPa、密度約 3 g/cm3的溫密物質(zhì) (超臨界水).Krasik等[19]開(kāi)展了水中平面型、圓柱形、球形、錐形絲陣負(fù)載的電爆炸, 能夠產(chǎn)生高達(dá)TPa量級(jí)的匯聚沖擊波.可見(jiàn), 介質(zhì)中金屬絲陣與單絲電爆炸的過(guò)程與效應(yīng)并不相同, 金屬絲陣電爆炸作為沖擊波源、含能材料點(diǎn)火源有更大應(yīng)用潛力[20,21].

然而, 已有絲陣電爆炸的研究多關(guān)注電爆炸發(fā)生后的演化過(guò)程, 如金屬絲芯消融與內(nèi)爆過(guò)程[22](Z箍縮)、不同介質(zhì)匯聚沖擊波沖擊壓縮過(guò)程[23](水中絲陣)等, 對(duì)于絲陣早期過(guò)程關(guān)注較少, 表現(xiàn)為絲陣電爆炸特性研究較少、過(guò)程物理圖像不夠清晰, 不能為沖擊波源技術(shù)、含能材料起爆技術(shù)提供有效支撐, 制約了電爆炸技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.因此,需要開(kāi)展針對(duì)介質(zhì)中金屬絲陣電爆炸早期行為的研究.

為實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆, 絲陣電爆炸的研究多采用圓柱型與球型絲陣構(gòu)型[24?26], 也有一些研究人員使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、易于診斷的平面絲陣負(fù)載[27].本研究采用平面銅絲陣負(fù)載開(kāi)展研究, 銅絲相變過(guò)程清晰、不易形成冕層, 方便研究絲陣電爆炸的基本過(guò)程.且有研究表明, 平面型銅絲陣能夠?qū)⑾到y(tǒng)儲(chǔ)能有效地轉(zhuǎn)化為水中動(dòng)能, 產(chǎn)生可觀的沖擊波參數(shù)[28,29], 對(duì)后續(xù)工程應(yīng)用具有直接參考價(jià)值.此外,考慮到固定初始儲(chǔ)能時(shí), 平面絲陣負(fù)載可通過(guò)增加絲根數(shù)的方法增大質(zhì)量, 對(duì)負(fù)載電感影響小, 便于比較研究.本研究采用大氣壓空氣介質(zhì), 與真空相比, 空氣能夠一定程度上抑制表面放電, 且更符合實(shí)際應(yīng)用工況; 與水介質(zhì)相比, 空氣介質(zhì)能夠較為真實(shí)地反映光輻射信息, 有助于理解絲陣電爆炸過(guò)程.

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

圖1(a)為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖, 實(shí)驗(yàn)所用脈沖驅(qū)動(dòng)源由直流高壓電源與 6 μF, 50 kV 脈沖電容器組成, 實(shí)驗(yàn)時(shí)將電容器充電至所需電壓, 觸發(fā)三電極開(kāi)關(guān), 電脈沖通過(guò)同軸高壓電纜對(duì)金屬絲負(fù)載放電, 實(shí)現(xiàn)電爆炸過(guò)程.金屬絲負(fù)載由一對(duì)銅電極固定并置于高400 mm、直徑377 mm的金屬腔體內(nèi),電脈沖加于高壓電極, 地電極通過(guò)回流柱與金屬腔構(gòu)成回流結(jié)構(gòu), 銅電極結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示, 實(shí)驗(yàn)在大氣壓下進(jìn)行.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖 (a) 電路示意圖; (b)絲陣負(fù)載實(shí)物圖Fig.1.Experimentalsetup: (a) Circuit diagram; (b) wirearrayload.

實(shí)驗(yàn)中固定電源充電電壓+12.9 kV, 此時(shí)初始系統(tǒng)儲(chǔ)能為500 J.實(shí)驗(yàn)用銅絲純度為99.99%,密度為 8.9 g/cm3.固定銅電極間距 2 cm, 單絲電爆炸實(shí)驗(yàn)選用直徑為 50, 100, 150, 200, 300 和400 μm的銅單絲負(fù)載, 絲陣電爆炸實(shí)驗(yàn)中選用2,4, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 16 根直徑 100 μm 的銅單絲組成絲陣負(fù)載, 每根絲間距為 2 mm.其中 200 μm銅單絲與 4根 100 μm銅絲陣、300 μm銅單絲與9 根100 μm 銅絲陣、400 μm 銅單絲與16 根100 μm銅絲陣質(zhì)量(初始橫截面積)相同.實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)為電壓信號(hào)、電流信號(hào)和光強(qiáng)信號(hào), 分別由TektronixP6015A探頭/自制阻容分壓器、Pearson101線圈和ET-2030光電探頭測(cè)得, 測(cè)量信號(hào)通過(guò)Tektronix DPO4104B示波器儲(chǔ)存.負(fù)載阻性電壓、電功率、沉積能量由下式計(jì)算[2]:

式中U表示探頭測(cè)得的電壓值; LW表示金屬絲電感; LS表示測(cè)點(diǎn)至金屬絲間設(shè)備結(jié)構(gòu)的固有電感,T表示電爆炸各個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間.

根據(jù)放電參數(shù)變化的特征, 當(dāng)初始儲(chǔ)能充足時(shí), 對(duì)于金屬絲電爆炸的過(guò)程劃分, 可人為地分為固態(tài)加熱、液化、液態(tài)加熱、氣化-相爆、擊穿/電離、等離子體六個(gè)階段T1—T6[30,31], 如圖2所示.對(duì)于沉積能量而言, 通常關(guān)注至擊穿發(fā)生前階段T1—T4.

圖2 金屬絲電爆炸放電參數(shù)與階段劃分Fig.2.Parameters and stages of explosive discharge of wire.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)量變化對(duì)銅單絲負(fù)載放電參數(shù)的影響

對(duì)于直徑50—400 μm銅單絲電爆炸, 典型電壓、電流、電功率、沉積能量以及電阻的波形如圖3所示, 銅絲直徑已在圖中注明.

從圖3中可以看出, 隨著銅單絲質(zhì)量增加, 電爆炸電壓、電流、電功率以及電阻峰值均發(fā)生變化,且峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲; 電壓峰半高寬展寬; 沉積能量增加, 但當(dāng)質(zhì)量達(dá)到一定值時(shí)反而減小.具體參數(shù)值見(jiàn)表1 (部分?jǐn)?shù)據(jù)取自NIST-JANAF數(shù)據(jù)庫(kù)).

圖3 銅單絲不同質(zhì)量 (直徑) 下參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律 (a) 電壓; (b) 電流; (c) 電功率; (d) 沉積能量; (e) 電阻Fig.3.Parameter variation of copper single wire with time varying under different mass (diameter): (a) Voltage; (b) electric current; (c) power; (d) deposited energy; (e) resistance.

表1 銅單絲不同質(zhì)量 (直徑)下的參數(shù)比較Table 1.Parameter comparison of copper single wire under different mass(diameter).

銅絲直徑由 50 μm 增至 400 μm 的過(guò)程中, 電壓峰值出現(xiàn)時(shí)間由 0.26 μs延至 6.45 μs, 第一個(gè)電流峰值下降點(diǎn)也不斷延后, 直徑 300 μm 時(shí), 拐點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)至電流下降沿, 這是因?yàn)殡S著金屬絲質(zhì)量增加, 相變至氣化所需時(shí)間增加, 電爆炸時(shí)刻推遲;電壓峰值由46.2 kV降至7.1 kV, 這是因?yàn)殡S金屬絲質(zhì)量增加, 其初始電阻不斷減小, 在金屬絲相變至氣化過(guò)程中, 絲電阻大幅度增加(單絲50 μm時(shí), 電阻的雙峰可能是因?yàn)榉烹姇r(shí)的高頻振蕩所致), 但氣化時(shí)粗絲電阻仍遠(yuǎn)小于細(xì)絲電阻, 雖然隨絲直徑增大, 氣化過(guò)程推遲, 粗絲氣化時(shí)電流大于細(xì)絲, 但電壓峰值仍隨質(zhì)量增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì); 金屬絲相變至氣化階段, 經(jīng)歷相爆過(guò)程, 電導(dǎo)率急劇下降, 伴隨通道中電流下降, 電極間電壓上升, 促進(jìn)電離過(guò)程, 最終形成等離子體通道.宏觀表現(xiàn)為電壓升高至頂點(diǎn)后快速下降, 稱為電壓坍塌, 有的文獻(xiàn)稱為擊穿過(guò)程[32].實(shí)驗(yàn)表明, 銅絲直徑由50 μm增至 400 μm 時(shí), 電壓峰半高寬由 0.07 μs增至0.64 μs, 這說(shuō)明隨質(zhì)量增加, 電爆炸過(guò)程中氣化與電離擊穿過(guò)程持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng), 即電壓的上升沿、下降沿更緩; 從圖3中也可以看出, 除絲直徑 400 μm情況, 電功率、沉積能量均隨質(zhì)量增大而增大, 當(dāng)絲直徑為400 μm時(shí), 電參數(shù)與沉積能量均發(fā)生明顯變化, 此時(shí)電壓崩前沉積能量低于完全氣化所需要的能量, 且從圖3(b)中可以看出金屬絲氣化前電流已經(jīng)開(kāi)始下降, 說(shuō)明初始儲(chǔ)能已經(jīng)不足; 其次實(shí)驗(yàn)在短路情況下測(cè)得回路電阻約為76.0 mW, 而負(fù)載初始電阻為 2.8 mW, 由于 400 μm 時(shí)相較其他情況氣化過(guò)程慢得多, 即在相變過(guò)程中的一定時(shí)間內(nèi), 電容初始儲(chǔ)能有大部分消耗在回路電阻上;這些可能是電參數(shù)產(chǎn)生顯著差異的主要原因.電壓崩前沉積能量隨質(zhì)量增大而增多, 但可以看到直徑400 μm情況下, 電壓崩前沉積能量約占第一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)前沉積能量的89.1%, 說(shuō)明銅絲質(zhì)量增加至一定程度時(shí), 大部分的沉積能量用于電離擊穿前的相變階段, 即T1—T4階段.

3.2 質(zhì)量變化對(duì)銅絲陣負(fù)載放電參數(shù)的影響

分別使用2—16根100 μm銅單絲組成金屬絲陣, 其電爆炸得到的電壓、電流、電功率、沉積能量以及電阻的波形如圖4所示, 銅絲陣根數(shù)已在圖中注明.

銅絲陣負(fù)載放電特性與銅單絲負(fù)載有一定相似之處, 隨銅絲陣質(zhì)量(根數(shù))增加, 電壓、電阻峰值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 電流峰值增大, 且電壓峰與第一個(gè)電流峰出現(xiàn)時(shí)間延后; 電功率與沉積能量變化趨勢(shì)不隨質(zhì)量單調(diào)變化, 呈現(xiàn)先增大, 后趨于不變, 再減小的趨勢(shì); 同時(shí), 電壓峰半高寬基本不隨質(zhì)量改變.具體參數(shù)值見(jiàn)表2.

銅絲根數(shù)由2根增至14根時(shí), 電壓峰值由41.3 kV 降至 21.2 kV, 峰值出現(xiàn)時(shí)間由 1.06 μs延至 4.32 μs.但在絲陣根數(shù)為 10 根時(shí), 電壓、電功率峰值下降明顯, 后保持穩(wěn)定, 可以看到絲根數(shù)達(dá)到10根后, 電壓崩前沉積能量已經(jīng)不足以使金屬絲完全氣化.絲陣電爆炸中電壓峰半高寬基本不隨質(zhì)量增加發(fā)生改變, 穩(wěn)定在 0.11 ± 0.01 μs, 與單根100 μm銅絲電爆炸情況類似.說(shuō)明了初始儲(chǔ)能足夠的條件下, 絲陣電爆炸過(guò)程很可能為每根細(xì)絲同時(shí)爆炸, 細(xì)微的差異可能是因?yàn)槊扛?xì)絲電爆炸時(shí)間上的不同步性所致, 詳見(jiàn)Rososhek等[28]拍攝的水中平面型絲陣電爆炸條紋圖像結(jié)果.此外, 絲陣電爆炸沉積能量不隨質(zhì)量增加而單調(diào)變化, 絲根數(shù)由2根增至8根時(shí), 沉積能量由84.3 J增至157.0 J, 而后隨絲根數(shù)增加沉積能量基本不再發(fā)生變化.但絲根數(shù)16根時(shí), 其電參數(shù)、沉積能量均發(fā)生突變, 其原因可能與單絲 400 μm 情況相同, 電爆炸前期負(fù)載電阻與固有電阻相當(dāng)而造成的能量耗散和系統(tǒng)初始儲(chǔ)能不足, 很大程度上影響了電爆炸過(guò)程, 導(dǎo)致明顯差異.

表2 銅絲陣不同質(zhì)量 (根數(shù)) 下的參數(shù)比較Table 2.Parameter comparison of copper wire array under different mass (number of wires).

圖4 銅絲陣不同質(zhì)量 (根數(shù)) 下參數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律 (a) 電壓; (b) 電流; (c) 電功率; (d) 沉積能量; (e) 電阻Fig.4.Parameter variation of copper wire array with time varying under different mass (number of wires): (a) Voltage; (b) electric current; (c) power; (d) deposited energy; (e) resistance.

3.3 質(zhì)量變化對(duì)單絲與絲陣負(fù)載光輻射特性的影響

金屬絲電爆炸過(guò)程的光輻射能夠反映其物理過(guò)程的重要信息.實(shí)驗(yàn)使用光電二極管配合衰減片記錄了光輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線, 能夠定性地分析金屬絲電爆炸過(guò)程中的光輻射過(guò)程.本文分別選取了銅單絲200 μm與100 μm銅絲陣4根情況為例, 給出了電流、電功率、光輻射以及光輻射一階導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間變化的圖像, 如圖5所示.從圖中可以看出光輻射起始于電流第一個(gè)下降點(diǎn)附近, 此時(shí)金屬絲經(jīng)歷氣化階段, 伴隨著電離過(guò)程的開(kāi)始, 而后擊穿形成等離子體通道.此外, 還可以看到光輻射下降沿斜率與電流振蕩引起的功率變化有一定關(guān)系, 光輻射下降平緩處總是出現(xiàn)在電流幅值附近, 這可能是因?yàn)榈入x子體通道中流過(guò)的電流對(duì)輻射強(qiáng)度存在影響.

不同質(zhì)量單絲與絲陣負(fù)載的光輻射波形如圖6所示, 圖中光輻射起始點(diǎn)已對(duì)齊.

圖5 銅單絲與絲陣負(fù)載電流、功率、光輻、及光輻射一階導(dǎo)數(shù)波形圖 (a) 銅單絲 200 μm; (b) 銅絲陣 4 根Fig.5.Waveforms of current and light radiation of copper single wire and wire array: (a) Copper singlewire with 200 μm diameter;(b) copper wire array with 4 wires.

圖6 銅單絲與絲陣負(fù)載光輻射隨質(zhì)量變化規(guī)律圖 (a) 銅單絲負(fù)載; (b) 銅絲陣負(fù)載Fig.6.Light radiationvariation of copper single wire and wire array under different mass: (a) Copper single wire load; (b) copper wire array load.

從圖6中可以看出, 銅絲直徑50—300 μm時(shí),銅單絲電爆炸光輻射幅值隨質(zhì)量增大呈上升趨勢(shì),但光輻射持續(xù)時(shí)間并不隨質(zhì)量單調(diào)變化.根據(jù)3.1部分分析可知, 直徑400 μm銅單絲電爆炸大部分沉積能量用于電離擊穿前的相變過(guò)程, 后續(xù)電離及等離子體過(guò)程微弱, 導(dǎo)致此種情況下銅單絲電爆炸產(chǎn)生的光輻射幅值遠(yuǎn)低于其他直徑情況, 且光輻射持續(xù)時(shí)間短.在銅絲陣電爆炸過(guò)程中, 光輻射峰值不隨質(zhì)量單調(diào)變化, 絲根數(shù)2—6根時(shí), 光輻射幅值隨質(zhì)量增大而增大, 8—10根情況下, 光輻射幅值基本不變, 12—16根情況時(shí), 光輻射幅值隨質(zhì)量增大而減小, 但光輻射持續(xù)時(shí)間整體上隨質(zhì)量增大而變短.

圖7所示為光輻射采集過(guò)程示意圖.實(shí)際上,在不考慮箍縮效應(yīng)的情況下, 測(cè)量得到的光輻射功率/強(qiáng)度受到等離子體通道膨脹速率與等離子體狀態(tài)的影響.一方面, 電離階段T5通道膨脹使得更多的光進(jìn)入光電探頭, 造成測(cè)得的光強(qiáng)升高; 另一方面, 等離子體階段T6通道膨脹變緩后, 能量注入不同導(dǎo)致等離子體狀態(tài)與分布不同, 造成光強(qiáng)不同.對(duì)于單根金屬絲(圖6(a)), 隨著金屬絲直徑增加, 氣化、電離后形成的放電通道越粗(探頭進(jìn)光量增加), 表現(xiàn)為光輻射強(qiáng)度峰值的升高(50—300μm), 另一方面, 金屬絲直徑的增加將使更多能量用于相變, 最終使得等離子體發(fā)展不充分, 表現(xiàn)為光輻射強(qiáng)度的降低(400 μm).對(duì)于金屬絲陣(圖6(b)), 金屬絲的根數(shù)增加能夠提升進(jìn)光量, 有利于提高光輻射強(qiáng)度, 但是絲陣負(fù)載質(zhì)量/根數(shù)增加時(shí), 絲陣中平均每根絲的沉積能量減少, 也使得等離子體發(fā)展不充分, 最終呈現(xiàn)光輻射強(qiáng)度先上升后下降的趨勢(shì).

圖7 光輻射信號(hào)采集示意圖Fig.7.Acquisition process of light radiation.

3.4 相同質(zhì)量下單絲與絲陣負(fù)載的比較

直徑為 200, 300, 400 μm 的單絲負(fù)載分別對(duì)應(yīng)質(zhì)量相同的4根、9根、16根絲陣負(fù)載, 其質(zhì)量分別為 5.59, 12.51, 22.35 mg.質(zhì)量相同情況下, 兩種形式負(fù)載的放電參數(shù)比較見(jiàn)圖8.

由電壓、電流、電功率峰值出現(xiàn)先后順序可以看到, 絲陣電爆炸明顯早于相同質(zhì)量下的單絲電爆炸, 這可能是因?yàn)橄嗤|(zhì)量時(shí), 相較單絲負(fù)載, 絲陣負(fù)載構(gòu)型能夠有效地增大比表面積有利于相變過(guò)程的發(fā)生, 加快電爆炸過(guò)程; 此外, 絲陣負(fù)載電爆炸電壓峰、電功率峰半高寬均窄于同質(zhì)量下的單絲負(fù)載, 說(shuō)明絲陣負(fù)載電爆炸擁有更快的氣化以及電離擊穿過(guò)程, 且絲陣負(fù)載電爆炸功率峰值高于單絲負(fù)載, 說(shuō)明絲陣負(fù)載電爆炸T4和T5階段具有更高的能量沉積速率.從電爆炸光輻射波形中可以看出, 絲陣負(fù)載電爆炸光輻射幅值遠(yuǎn)高于單絲負(fù)載, 對(duì)于三次質(zhì)量相同情況, 絲陣光輻射峰值分別比單絲高約28%, 49%和52%, 這也說(shuō)明了相同儲(chǔ)能、相同質(zhì)量下, 兩種不同形式負(fù)載經(jīng)歷的電爆炸過(guò)程有明顯差異.

圖8 相同質(zhì)量時(shí)單絲負(fù)載與絲陣負(fù)載的參數(shù)比較 (a)電壓; (b) 電流; (c)電功率; (d)光輻射; (e) 電阻Fig.8.Parameter comparison of copper single wire and wire array with the same mass: (a) Voltage; (b) electric current; (c) power;(d) light radiation; (e) resistance.

相同質(zhì)量下, 金屬單絲與絲陣負(fù)載放電電流差異不大(單絲200 μm情況下氣化前電流上升速率略低于絲陣4根情況), 這表明氣化前金屬絲能量注入速率基本只由放電負(fù)載的電阻值決定.從電阻圖 (圖8(e))中可以看出, 質(zhì)量 5.59 和 12.51 mg時(shí), 絲陣負(fù)載氣化前電阻略高于單絲負(fù)載, 但相差不大, 而在質(zhì)量 22.35 mg 時(shí), 單絲負(fù)載氣化前電阻則高于絲陣負(fù)載, 這說(shuō)明單絲負(fù)載氣化前能量注入速率與絲陣負(fù)載相差不大, 甚至在質(zhì)量大時(shí)略高于絲陣負(fù)載, 但絲陣電爆炸相變(氣化、電離)仍快于單絲電爆炸且持續(xù)時(shí)間短, 在質(zhì)量大時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯.此外, 根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2], 在固定儲(chǔ)能、改變電流上升速率 (7.7 A/ns至 66.1 A/ns)時(shí)發(fā)現(xiàn), 不同能量注入速率對(duì)電壓峰波形有一定影響(電壓峰半高寬由 0.18 μs降至 0.11 μs), 但不如文中改變負(fù)載形式的作用效果明顯.從目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果看能量注入速率應(yīng)該不是單絲與絲陣相變過(guò)程差異的主要原因.莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的Tkachenko與烏克蘭科學(xué)院脈沖研究與工程研究所的Kuskova 等[33?35]提出的相變波理論指出, 電爆炸相變過(guò)程并非均勻發(fā)展, 而是從絲表面向內(nèi)發(fā)展.由于絲爆的相變過(guò)程是脈沖電流通過(guò)金屬絲時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)所致, 若金屬絲相變過(guò)程從外向內(nèi)發(fā)展, 那么更大的比表面積可能會(huì)對(duì)相變進(jìn)程起到一定程度的促進(jìn)作用.后續(xù)會(huì)進(jìn)行更細(xì)致的工作探究比表面積對(duì)電爆炸的影響機(jī)制.

圖9分別給出了電壓崩前E和電流第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)前E’的沉積能量[36]與每個(gè)原子沉積能量隨質(zhì)量的變化規(guī)律, 并標(biāo)出了三次質(zhì)量相同點(diǎn).圖中藍(lán)色虛線為大氣壓下將銅金屬?gòu)氖覝?98.15 K加熱至沸點(diǎn)并完全氣化所需的能量, 即392.2 kJ/mol,用Esg表示.

圖9 單絲負(fù)載與絲陣負(fù)載沉積能量隨質(zhì)量變化規(guī)律 (a) 電壓崩前沉積能量; (b) 電流第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)前沉積能量Fig.9.Deposited energy of copper single wire and wire array with mass varying: (a) Deposited energy before voltage collapse;(b) deposited energy before the current first crosses zero.

表3 質(zhì)量相同時(shí)單絲負(fù)載與絲陣負(fù)載沉積能量數(shù)值表Table 3.The value of deposited energy of copper single wire and wire array with the same mass.

單絲負(fù)載與絲陣負(fù)載電壓崩前沉積能量均隨質(zhì)量增大而增加, 但增加速率明顯減小.單絲負(fù)載每個(gè)原子沉積能量先隨質(zhì)量增大而增加, 至3.14 mg(直徑150 μm)后減小, 而絲陣負(fù)載隨質(zhì)量增大整體呈下降趨勢(shì).對(duì)于第一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)前沉積能量, 兩種形式負(fù)載均隨質(zhì)量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì), 每個(gè)原子沉積能量均不斷減少.這說(shuō)明當(dāng)固定系統(tǒng)儲(chǔ)能不變時(shí), 質(zhì)量增大只能在一定范圍內(nèi)對(duì)沉積能量的增加起作用.此外, 可以看到單絲直徑400 μm與絲陣16根情況時(shí), 電流第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)前沉積能量已經(jīng)略低于銅金屬完全氣化所需的能量, 這可能是造成放電參數(shù)相較其他參數(shù)出現(xiàn)明顯差異的原因.

從圖9中標(biāo)記區(qū)域可以看出, 質(zhì)量相同時(shí), 無(wú)論是電壓崩前沉積能量還是電流第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)前沉積能量, 單絲負(fù)載均高于絲陣負(fù)載, 具體數(shù)值見(jiàn)表3.這可能是因?yàn)榻z陣負(fù)載中每根絲的均勻性存在差異, 致使每根絲經(jīng)歷了不同的電爆炸過(guò)程.爆炸前期存在著一種電流的自穩(wěn)定性效應(yīng), 即某根絲或某幾根絲受熱過(guò)多提前進(jìn)入氣化階段, 致使電阻增大, 大部分電流自動(dòng)轉(zhuǎn)移至相變較晚的絲中, 一旦某根絲或某幾根絲電極之間電壓與通道條件足以形成放電通道則會(huì)短路其他絲, 從而使能量以振蕩的形式消耗掉而不能有效地沉積到每一根絲中.此外, 絲陣負(fù)載功率峰值雖大于同質(zhì)量下的單絲負(fù)載, 但作用時(shí)間短, 尤其是在大質(zhì)量時(shí)更為明顯,這可能也是同質(zhì)量下絲陣負(fù)載沉積能量低于單絲負(fù)載的原因.

4 結(jié) 論

本文對(duì)微秒尺度下相同儲(chǔ)能, 不同質(zhì)量下的銅單絲負(fù)載以及銅絲陣負(fù)載的電參數(shù)、光輻射和沉積能量隨質(zhì)量變化的特性開(kāi)展了研究.實(shí)驗(yàn)表明, 單絲負(fù)載電爆炸隨質(zhì)量(直徑)增加, 整個(gè)電爆炸過(guò)程延后, 表現(xiàn)為電壓峰、電流第一個(gè)峰出現(xiàn)時(shí)間推遲; 金屬絲氣化與電離、擊穿過(guò)程持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng),表現(xiàn)為電壓峰半高寬增大; 電爆炸沉積能量隨質(zhì)量增大而增多, 但質(zhì)量增加到一定值時(shí)沉積能量反而減小, 且電參數(shù)與光輻射均發(fā)生突變(文中為單絲直徑 400 μm情況).對(duì)于絲陣負(fù)載電爆炸, 隨質(zhì)量(根數(shù))增加, 電爆炸過(guò)程同樣發(fā)生推遲, 但電爆炸過(guò)程中金屬絲氣化與電離、擊穿持續(xù)時(shí)間基本不隨質(zhì)量增大而發(fā)生變化, 穩(wěn)定保持在 0.11 ± 0.01 μs,基本等同于直徑100 μm單絲電爆炸氣化與電離、擊穿持續(xù)時(shí)間; 絲陣負(fù)載電爆炸沉積能量隨質(zhì)量增大先增加后趨于穩(wěn)定, 但在質(zhì)量增至一定值時(shí)同樣發(fā)生突變而減小(文中為絲陣16根情況).對(duì)比單絲負(fù)載與絲陣負(fù)載隨質(zhì)量變化時(shí)的光輻射特性發(fā)現(xiàn), 單絲電爆炸隨質(zhì)量增大, 光輻射峰值不斷增高,但絲陣電爆炸光輻射峰值則呈現(xiàn)先增高后不變, 再減小的趨勢(shì), 此外, 絲陣電爆炸光輻射持續(xù)時(shí)間隨質(zhì)量增大而變短.

比較相同質(zhì)量下的單絲負(fù)載與絲陣負(fù)載發(fā)現(xiàn),絲陣電爆炸相變進(jìn)程早于單絲電爆炸, 且氣化及電離、擊穿過(guò)程持續(xù)時(shí)間短, 這可能是由于絲陣負(fù)載相較單絲負(fù)載有更大的比表面積所致.此外, 絲陣電爆炸相較單絲電爆炸擁有更優(yōu)越的光輻射性質(zhì),文中絲陣電爆炸光輻射比三次同質(zhì)量下單絲電爆炸分別強(qiáng)約28%, 49%和52%.但絲陣負(fù)載電爆炸無(wú)論是電壓崩前沉積能量還是電流第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)前沉積能量均低于單絲電爆炸.后續(xù)將進(jìn)行近一步深入的研究.

感謝清華大學(xué)王新新教授、西北核技術(shù)研究院張永民教授在工作開(kāi)展過(guò)程中的指導(dǎo)以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織吳佳瑋博士在討論部分提供的幫助.