王坤 史宗謙 石元杰 趙志剛 張董

1)(河北工業(yè)大學(xué),河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

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

真空及空氣中金屬絲電爆炸特性研究?

王坤1)史宗謙2)?石元杰2)趙志剛1)張董1)

1)(河北工業(yè)大學(xué),河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

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

金屬絲電爆炸,Z箍縮,核冕結(jié)構(gòu),光學(xué)診斷

1 引 言

金屬絲電爆炸在納米顆粒制備[1]、材料性質(zhì)研究[2]、化石能源開采[3]以及絲陣Z箍縮[4]等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用.單絲電爆炸階段為絲陣Z箍縮燒蝕等后續(xù)物理過程提供了初始條件,對(duì)內(nèi)爆質(zhì)量和X射線產(chǎn)額有重要甚至決定性的影響[5].絲陣Z箍縮以其超強(qiáng)的X射線輻射功率被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變能源非常有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)途徑,而這極大地促進(jìn)了金屬絲電爆炸的研究.

初看起來,金屬絲對(duì)脈沖電流的響應(yīng)是十分簡(jiǎn)單的,然而金屬絲電爆炸的物理過程非常復(fù)雜.金屬絲在強(qiáng)烈的焦耳加熱作用下發(fā)生熔化、蒸發(fā),電爆炸產(chǎn)物很快發(fā)展成為非線性磁流體力學(xué)性態(tài)[6],伴隨此過程的電離和輻射也增加了其復(fù)雜程度.金屬絲經(jīng)歷了從固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)到等離子體態(tài)的劇烈的相變過程,最終形成了低密度、高溫度的冕層等離子體包圍低溫度、稠密絲核的核冕結(jié)構(gòu).隨著冕層等離子體的快速膨脹,幾乎全部的電流從絲核迅速地轉(zhuǎn)移到冕層等離子體通道內(nèi)[7].此后,能量主要沉積在冕層中,金屬絲的阻性加熱階段結(jié)束.金屬絲電爆炸形成的核冕結(jié)構(gòu)成為阻礙金屬絲內(nèi)能量進(jìn)一步沉積的屏障.人們研究了各種因素對(duì)金屬絲內(nèi)沉積能量的影響.例如,電流上升率[8]、脈沖電流極性[9]、鍍膜[10,11]、焊接[12]、預(yù)熱除氣[13]等因素.值得指出的是,清華大學(xué)鄒曉兵等[14]在電極與金屬絲之間植入閃絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)了完全氣化鎢絲電爆炸,這拓寬了提高金屬絲內(nèi)沉積能量的研究思路.目前,通過采取多種有利于能量沉積的措施,可有效地抑制核冕結(jié)構(gòu)的形成,易熔和難熔材料的金屬絲都實(shí)現(xiàn)了均勻氣化[15].金屬蒸氣、表面雜質(zhì)以及吸附氣體的電壓擊穿是形成核冕結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素.金屬絲表面鍍膜或者將金屬絲置于水、空氣等環(huán)境中,能夠延緩電壓擊穿過程,使得更多的能量沉積在金屬絲內(nèi).在不同環(huán)境中,金屬絲電爆炸產(chǎn)物的形態(tài)及行為特征存在較大的差異.因此,研究不同氣氛環(huán)境中金屬絲電爆炸,對(duì)于深入理解單絲電爆炸物理過程和更有效地應(yīng)用這一技術(shù)是非常有意義的.

本文針對(duì)真空和空氣環(huán)境中鋁絲電爆炸開展了實(shí)驗(yàn)研究.根據(jù)鋁絲電爆炸電參數(shù)波形獲得了典型實(shí)驗(yàn)條件下不同氣氛環(huán)境中金屬絲的能量沉積過程,分析了空氣中金屬絲電爆炸電流“暫?！爆F(xiàn)象.采用激光探針對(duì)單絲電爆炸物理過程進(jìn)行了高時(shí)空分辨率的診斷,展示了不同絲核的膨脹過程和激波的膨脹軌跡,并對(duì)空氣中金屬絲電爆炸紋影圖像的物理內(nèi)涵進(jìn)行了詳細(xì)的闡述.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和輸運(yùn)參數(shù)模型,估算了金屬絲在電壓擊穿時(shí)刻的溫度.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

金屬絲電爆炸實(shí)驗(yàn)在小型的脈沖電流源上開展[8].脈沖電流源的電氣原理示意圖見圖1.高壓直流電源對(duì)初級(jí)儲(chǔ)能電容Cp充電,通過數(shù)字延時(shí)觸發(fā)器DG535和觸發(fā)電路控制氫閘流管導(dǎo)通,使得放電電流經(jīng)過脈沖變壓器(變比1:4)流向次級(jí)儲(chǔ)能電容Cs.當(dāng)次級(jí)儲(chǔ)能電容電壓升高到自擊穿開關(guān)的擊穿電壓時(shí),脈沖電流開始在金屬絲負(fù)載中流通.

圖1 脈沖電流源電氣原理示意圖Fig.1.The electrical schematic diagram of the pulsed current generator.

負(fù)載電流采用自積分式羅氏線圈測(cè)量,羅氏線圈的靈敏度為1.7 mV/A.金屬絲兩端的電壓采用電阻分壓器測(cè)量.電阻分壓器由阻值為2 k?和0.1 ?的無感電阻構(gòu)成,其靈敏度為0.05 mV/V.羅氏線圈和電阻分壓器的靈敏度通過50 ?匹配電阻放電實(shí)驗(yàn)波形校驗(yàn).

同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)安裝在真空腔內(nèi),如圖2所示.同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)由陰、陽電極和回流柱等組成.為了便于開展光學(xué)診斷研究,金屬絲豎直固定在同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)的電極上.對(duì)于納秒級(jí)金屬絲電爆炸,負(fù)載阻性電壓是計(jì)算金屬絲內(nèi)沉積能量的重要參數(shù).因此,需要準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)驗(yàn)裝置的電感來獲得阻性電壓.采用直徑為2.5 cm、長度為2 cm的粗銅桿代替金屬絲開展短路實(shí)驗(yàn).粗銅桿的電阻可忽略不計(jì),測(cè)量的短路電壓為電感電壓.根據(jù)電流波形重構(gòu)電感電壓,當(dāng)短路電感Lc=38 nH時(shí),計(jì)算的電感電壓與測(cè)量的短路電壓基本一致.此時(shí),短路電感包含粗銅桿電感和同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)電感.圓柱形負(fù)載的電感可通過下式計(jì)算[16]:

式中,l,d分別為負(fù)載的長度和直徑;D為回流柱所在圓周直徑.短路實(shí)驗(yàn)中的粗銅桿的電感Lr=4 nH,同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)的電感L0=Lc?Lr=34 nH.直徑為15μm,長度為2 cm的金屬絲負(fù)載電感Lw=33 nH,因此,采用金屬絲負(fù)載時(shí)總電感L1=L0+Lw=67 nH.金屬絲兩端的阻性電壓UR=U?L1dI/dt.實(shí)驗(yàn)中真空腔氣壓為10?3Pa.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.The schematic diagram of the coaxial target unit in the experimental setup.

實(shí)驗(yàn)中利用波長為532 nm、脈寬為30 ps的激光探針(EKSPLA-PL2251C)搭建了陰影、紋影等光學(xué)診斷系統(tǒng),光學(xué)診斷系統(tǒng)的光路圖如圖3所示.

圖3 光學(xué)診斷系統(tǒng)的光路圖Fig.3.The beam path diagram of the optical diagnostic system.

激光探針照射金屬絲后可在單反相機(jī)中形成陰影光學(xué)診斷.在陰影光路上設(shè)置分束鏡(50%透射、50%反射),反射光經(jīng)過刀口可形成刀口紋影診斷.刀口紋影診斷原理示意圖見圖4.光學(xué)診斷成像采用典型的4f(f為凸透鏡的焦距)成像系統(tǒng).金屬絲、刀口和相機(jī)與兩面凸透鏡的距離均為對(duì)應(yīng)凸透鏡的焦距.金屬絲電爆炸形成冕層等離子體包圍絲核的核冕結(jié)構(gòu).冕層等離子體對(duì)激光探針的折射率以電子為主,其折射率ηe<1.高密度絲核的折射率以中性原子為主,其折射率ηa>1.如圖4所示,光線1在冕層等離子體的作用下向外偏折,經(jīng)過凸透鏡1后可繞過刀口在相機(jī)中成像.然而,光線2在冕層等離子體和絲核的綜合作用下向內(nèi)偏折,經(jīng)過凸透鏡1后被刀口擋住不能在相機(jī)中成像.同理,光線3向內(nèi)偏折可繞過刀口成像,而光線4向外偏折被刀口擋住不能成像.因此,冕層等離子體和絲核分別在相機(jī)成像平面兩側(cè)成像.光學(xué)診斷系統(tǒng)的分辨率為15—20μm.脈沖電流源和光學(xué)診斷系統(tǒng)的同步及延時(shí)控制通過數(shù)字延時(shí)觸發(fā)器DG535實(shí)現(xiàn).

圖4 刀口紋影原理示意圖Fig.4. The schematic diagram of the knife-edge schlieren diagnostic.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在鋁絲電爆炸實(shí)驗(yàn)中,初級(jí)儲(chǔ)能電容的充電電壓為15 kV,自擊穿開關(guān)填充氮?dú)鈿鈮簽? atm(1 atm=1.01325×105Pa).長度為2 cm、直徑為15μm的鋁絲在真空及空氣環(huán)境中電爆炸的典型電壓、電流和沉積能量波形如圖5所示.

金屬絲在劇烈的焦耳加熱作用下,溫度迅速地升高.當(dāng)金屬絲處于凝聚態(tài)(固態(tài)、液態(tài))時(shí),電導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低[17],因此,隨著脈沖電流的增大,金屬絲兩端的電壓也迅速地增大.在放電初始階段,磁場(chǎng)和壓強(qiáng)等對(duì)金屬絲相變過程有重要影響的參數(shù)在徑向并非均勻分布.例如,壓強(qiáng)從金屬絲中心軸到邊界(金屬絲與真空或空氣分界面)逐漸降低,而這會(huì)導(dǎo)致金屬絲徑向非均勻的熔化,熔化區(qū)域的前沿從金屬絲邊界向中心軸傳播[18].因此,如圖5所示,電壓、電流波形并不能反映固-液相變過程中金屬絲電導(dǎo)率跳變的特征.

金屬絲內(nèi)的沉積能量可用來表征金屬絲所處的狀態(tài).金屬絲內(nèi)沉積能量E可通過下式計(jì)算:

式中,N為整根金屬絲的粒子數(shù).在本文中,沉積能量的單位選取eV/atom,表示平均每個(gè)原子內(nèi)的沉積能量.根據(jù)金屬絲內(nèi)沉積能量推斷,真空中鋁絲在t1時(shí)刻(空氣中電爆炸相應(yīng)參數(shù)帶上標(biāo))沉積了0.2 eV/atom的能量,此時(shí)金屬絲溫度達(dá)到熔點(diǎn)[19],開始進(jìn)入固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變階段,并在?t時(shí)間內(nèi)沉積了0.09 eV/atom(熔化潛熱)的能量使得鋁絲完全熔化.

圖5 長度為2 cm、直徑為15μm的鋁絲電爆炸典型的電壓、電流和沉積能量波形 (a)真空環(huán)境;(b)空氣環(huán)境Fig.5.The typical waveforms for electrical explosion of 2 cm-long,15μm-diameter aluminum wire:(a)In vacuum;(b)in air.

液態(tài)絲核在脈沖電流劇烈的焦耳加熱作用下溫度進(jìn)一步升高,進(jìn)而開始?xì)饣?金屬絲進(jìn)入金屬-非金屬過渡區(qū)域[20],電爆炸產(chǎn)物的電導(dǎo)率降低,致使電極之間的電阻增大,流過金屬絲的電流開始下降.電流波形的第一個(gè)峰值時(shí)刻是金屬絲氣化過程的起點(diǎn).在真空環(huán)境中,金屬絲兩端的電壓迅速升高直到t2時(shí)刻發(fā)生電壓擊穿現(xiàn)象,金屬絲表面吸附氣體及金屬蒸氣被擊穿形成等離子體.金屬絲形成低密度、高溫度的冕層等離子體包圍高密度、低溫度絲核的核冕結(jié)構(gòu).伴隨著冕層等離子體的快速膨脹,電流從絲核迅速地轉(zhuǎn)移到冕層等離子體通道內(nèi),金屬絲的能量沉積階段結(jié)束[21].在電壓擊穿時(shí)刻真空中鋁絲電爆炸的沉積能量為2.8 eV/atom,約占鋁絲完全氣化所需能量的70%.在電壓擊穿之后的t3時(shí)刻,金屬絲內(nèi)的沉積能量達(dá)到完全氣化所需的4 eV/atom,然而,電壓擊穿之后的能量主要沉積在冕層等離子體中.

在空氣環(huán)境中,金屬絲在開始?xì)饣?電流逐漸降低,但隨后并未立刻發(fā)生電壓擊穿.負(fù)載電流繼續(xù)減小,并出現(xiàn)了“暫?！爆F(xiàn)象.金屬絲內(nèi)流通的電流逐漸降低到非常小的數(shù)值,甚至是零,金屬絲兩端的電壓以相對(duì)緩慢的速率進(jìn)一步升高.電爆炸產(chǎn)物在電流暫停階段繼續(xù)膨脹了約48 ns之后發(fā)生電壓擊穿.與真空中金屬絲電爆炸不同的是,鋁絲在進(jìn)入電流暫停階段之前的t′3時(shí)刻就已經(jīng)沉積了4 eV/atom的能量,而在電壓擊穿t′2時(shí)刻金屬絲內(nèi)的沉積能量達(dá)到6 eV/atom,沉積能量足夠?qū)⒔饘俳z轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w或等離子體狀態(tài).從上述內(nèi)容可以看出空氣對(duì)電爆炸產(chǎn)物的形態(tài)演化有非常重要的影響,一方面,空氣對(duì)金屬絲表面爆炸發(fā)射的電子的運(yùn)動(dòng)有一定的抑制作用;另一方面,空氣環(huán)境阻止了低密度金屬蒸氣和吸附氣體的膨脹,從而延緩了電壓擊穿過程,增加了金屬絲內(nèi)的沉積能量.

直徑為15μm、長度為2 cm的鋁絲在真空及空氣環(huán)境中電爆炸的電阻演化過程如圖6所示.鋁絲的電阻隨著金屬絲的相變過程發(fā)生了劇烈的變化.在金屬絲電爆炸初始階段,金屬絲處于凝聚態(tài),電阻隨著溫度的升高而增大.如圖6(a)所示,真空中鋁絲電爆炸在t2時(shí)刻達(dá)到最大值62 ?,隨后發(fā)生電壓擊穿現(xiàn)象.由于冕層等離子體的形成,金屬絲的電阻迅速下降.當(dāng)t3時(shí)刻金屬絲內(nèi)的沉積能量達(dá)到鋁絲氣化焓時(shí),鋁絲的電阻為35 ?.空氣中鋁絲電爆炸在電壓擊穿t′2時(shí)刻電阻高達(dá)816 ?.在電壓擊穿之前的t′3時(shí)刻,金屬絲內(nèi)沉積了使得鋁絲完全氣化的能量,此時(shí)金屬絲的電阻為204 ?.

圖6 鋁絲電爆炸電阻演化過程 (a)真空環(huán)境;(b)空氣環(huán)境Fig.6.The time evolution for resistance of the exploding aluminum wire:(a)In vacuum;(b)in air.

在電壓擊穿之前,真空中金屬絲的熱膨脹是可以忽略的[5].因此,忽略金屬絲的熱膨脹,由圖6中電阻演化過程可以得到電壓擊穿時(shí)刻鋁絲的電導(dǎo)率為1.8×106S·m.根據(jù)輸運(yùn)參數(shù)模型[17]估算在2.7 g/cm3的密度下,1.8×106S·m的電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的溫度約為0.9 eV.而空氣中鋁絲電爆炸在電壓擊穿之前,絲核在電流暫停階段以3 km/s的平均速度膨脹了約48 ns.因此,由以上數(shù)據(jù)計(jì)算在電壓擊穿時(shí)刻鋁絲的密度為6.6×10?3g/cm3,電導(dǎo)率為340 S·m.同理,估算空氣中鋁絲電爆炸產(chǎn)物在電壓擊穿時(shí)刻的溫度為0.4 eV.由于空氣中鋁絲電爆炸電流暫停階段負(fù)載電流很小,金屬絲處于絕緣狀態(tài),焦耳加熱功率較低,并且電爆炸產(chǎn)物膨脹速度較快,因此,在電壓擊穿時(shí)刻絲核溫度低于真空中絲核的溫度.

空氣中鋁絲電爆炸在電壓擊穿之前出現(xiàn)了電流暫?，F(xiàn)象,而這也是空氣與真空中金屬絲電爆炸物理過程的主要差異.電流暫停時(shí)間dt隨初級(jí)儲(chǔ)能電容充電電壓的變化規(guī)律如圖7所示.由于金屬絲表面狀態(tài)、金屬絲與電極之間的接觸情況難以保持一致,不同發(fā)次電爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的離散性.圖7中數(shù)據(jù)為若干發(fā)次電爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電流暫停時(shí)間的平均值,可以看出平均電流暫停時(shí)間隨著初級(jí)儲(chǔ)能電容充電電壓增大而減小,并且隨著電壓的增大,電流暫停時(shí)間降低的速率減小.當(dāng)初級(jí)儲(chǔ)能電容的充電電壓從13 kV升高到17 kV時(shí),電流暫停時(shí)間從95 ns降低到17 ns.

圖7 空氣中鋁絲電爆炸電流暫停時(shí)間隨初級(jí)儲(chǔ)能電容充電電壓的變化規(guī)律Fig.7.The dependence of the dwell time for exploding aluminum wire in air on the initial charging voltage of the primary energy-storage capacitor.

高時(shí)空分辨率診斷是研究電爆炸產(chǎn)物形態(tài)和沉積能量結(jié)構(gòu)的重要手段.圖8是直徑為15μm、長度為2 cm的鋁絲在真空及空氣中電爆炸不同時(shí)刻的陰影圖像.陰影圖像反映高密度絲核的形態(tài),從陰影圖像灰度值分析,真空及空氣環(huán)境中鋁絲電爆炸的高密度絲核的中間部分的平均膨脹速度分別為1.9 km/s和3 km/s.在電壓擊穿時(shí)刻,空氣中鋁絲電爆炸沉積能量高于真空中鋁絲電爆炸,因此陰影圖像得到的空氣中電爆炸絲核的膨脹速度高于真空中電爆炸絲核的膨脹速度.

在放電早期階段,由于受到光學(xué)診斷系統(tǒng)分辨率的限制,不能清晰地區(qū)分真空及空氣中鋁絲電爆炸高密度電爆炸產(chǎn)物形態(tài)的細(xì)微差異.真空中鋁絲電爆炸的絲核呈現(xiàn)出極性效應(yīng),陰、陽極附近區(qū)域的絲核膨脹速度高于中間部位絲核的膨脹速度,膨脹速度高的區(qū)域金屬絲內(nèi)的沉積能量也高.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)直徑為15μm、長度為2 cm鋁絲電爆炸在不同時(shí)刻陰影圖像 (a)真空環(huán)境;(b)空氣環(huán)境Fig.8.(color online)The shadowgram for electrical explosion of 15μm-diameter,2 cm-long aluminum wire at different times:(a)In vacuum;(b)in air.

圖9 電壓擊穿時(shí)刻金屬絲表面徑向電場(chǎng)分布Fig.9.The distribution of the radial electric field on the wire surface at the instant of voltage breakdown.

利用Comsol軟件針對(duì)圖2中所示的實(shí)驗(yàn)裝置同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,計(jì)算電爆炸過程中電場(chǎng)的分布.在電壓擊穿時(shí)刻金屬絲表面的徑向電場(chǎng)分布如圖9所示.鋁絲電爆炸實(shí)驗(yàn)中采用負(fù)極性脈沖電流,負(fù)載電流從回流柱流向金屬絲.徑向電場(chǎng)的方向從回流柱指向金屬絲,而這有助于金屬絲表面電子的爆炸發(fā)射.爆炸發(fā)射的電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下導(dǎo)致金屬蒸氣電離,進(jìn)而發(fā)生電壓擊穿現(xiàn)象.從圖9可以看出,徑向電場(chǎng)在靠近陰極約9 mm處達(dá)到最大值2.13 MV/m.然而,由于銅電極對(duì)徑向電場(chǎng)有一定的屏蔽作用,電極附近的徑向電場(chǎng)很小.因此,金屬絲中間部位比電極附近區(qū)域更容易發(fā)生電壓擊穿,電極附近區(qū)域內(nèi)的金屬絲會(huì)沉積更多的能量,膨脹速度也更快.與真空中鋁絲電爆炸形成的絲核相比,由于空氣對(duì)金屬絲表面爆炸發(fā)射電子以及電子的運(yùn)動(dòng)都有比較強(qiáng)的抑制作用,因此,空氣中鋁絲電爆炸的沉積能量更加均勻.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)鋁絲電爆炸紋影圖像 (a)真空中鋁絲電爆炸35 ns時(shí)刻紋影圖像;(b)空氣中鋁絲電爆炸231 ns時(shí)刻紋影圖像 (圖中箭頭1表示激波前沿,2表示絲核的高密度梯度前沿,3表示等離子體高密度梯度前沿,4表示壓縮空氣層)Fig.10.(color online)The schlieren images for exploding aluminum wires:(a)The schlieren image for exploding aluminum wire in vacuum at 35 ns;(b)the schlieren image for exploding aluminum wire in air at 231 ns(arrow 1 for shockwave front,arrow 2 for the high-gradient front of the high-density core,arrow 3 for the high-gradient front of the plasma,arrow 4 for the compressed air layer).

隨著電爆炸產(chǎn)物的演化,真空和空氣環(huán)境中鋁絲電爆炸絲核的形態(tài)和沉積能量的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大的差別,最為顯著的差異是空氣中鋁絲電爆炸在放電后期絲核周圍產(chǎn)生了激波、壓縮空氣等通道.本文通過刀口紋影來區(qū)分不同性質(zhì)電爆炸產(chǎn)物的分布通道.圖10為真空及空氣中鋁絲電爆炸的紋影圖像.圖10(a)為真空中鋁絲電爆炸在35 ns時(shí)刻的紋影圖像.從圖10可以看出,真空中鋁絲電爆炸形成了典型的核冕二元結(jié)構(gòu).由于冕層等離子體和絲核對(duì)激光探針的折射率不同,激光探針照射冕層等離子體和絲核后會(huì)出現(xiàn)不同方向的偏折.如圖4所示,經(jīng)過冕層等離子體的激光探針向外偏折,而經(jīng)過絲核的激光探針向內(nèi)偏折.在兩面凸透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置了刀口,等離子體通道和絲核通道的高密度梯度前沿分別在成像平面兩側(cè)成像.由于真空中單絲電爆炸形成的等離子體密度較低,紋影圖像中等離子體通道與絲核區(qū)域相比亮度較低.隨著等離子體的快速膨脹,冕層等離子體的密度進(jìn)一步降低將不能在紋影圖像中成像.圖10(b)為空氣中鋁絲電爆炸在231 ns時(shí)刻紋影圖像.與真空中鋁絲電爆炸相比,空氣中鋁絲電爆炸紋影圖像展示了更為復(fù)雜的電爆炸產(chǎn)物,此時(shí)絲核的半經(jīng)約為0.7 mm.從圖10(b)可以看出:圖像下半部分通道分別是激波前沿(箭頭1)和絲核高密度梯度前沿(箭頭2);圖像上半部分通道分別是冕層等離子體高密度梯度前沿(箭頭3)和壓縮空氣層(箭頭4),壓縮空氣層的位置處于等離子體通道與激波之間.

在空氣等環(huán)境中產(chǎn)生激波是單絲電爆炸的重要應(yīng)用.本文對(duì)空氣中鋁絲電爆炸開展陰影和紋影光學(xué)診斷,清晰地拍攝到激波的演化過程.激波前沿的膨脹軌跡如圖11所示.從圖11可以看出激波前沿的膨脹速度隨著時(shí)間的演化逐漸減小.激波膨脹軌跡數(shù)據(jù)的擬合曲線為r=55×(t?80)0.5,由此可以得到激波開始傳播的時(shí)間約為80 ns,而這與空氣中鋁絲電爆炸電壓擊穿時(shí)刻t′3(約81 ns)是相對(duì)應(yīng)的.電壓擊穿之后,出現(xiàn)劇烈的相爆過程,進(jìn)而激波開始產(chǎn)生并在空氣中傳播.

圖11 空氣中鋁絲電爆炸激波前沿膨脹軌跡Fig.11.The expansion trajectory of the shockwave front for the exploding aluminum wire in air.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)鋁絲在真空及空氣環(huán)境中電爆炸開展了實(shí)驗(yàn)研究.真空中鋁絲電爆炸在電壓擊穿時(shí)刻沉積能量為2.8 eV/atom,約占鋁絲氣化焓的70%,金屬絲最大電阻為62 ?.與真空中鋁絲電爆炸相比,空氣中鋁絲電爆炸在電壓擊穿之前已沉積了4 eV/atom的能量,之后金屬絲進(jìn)入電流暫停階段.在經(jīng)歷約48 ns的電流暫停階段之后,發(fā)生電壓擊穿現(xiàn)象.此時(shí),鋁絲內(nèi)的沉積能量為6 eV/atom,電阻為816 ?.532 nm激光探針陰影圖像展示了不同背景氣氛環(huán)境中高密度電爆炸產(chǎn)物和激波的膨脹軌跡.從陰影圖像估算真空中高密度絲核的平均膨脹速度為1.9 km/s,而空氣中高密度電爆炸產(chǎn)物的平均膨脹速度為3 km/s.從輸運(yùn)參數(shù)模型估算真空及空氣中鋁絲電爆炸在電壓擊穿時(shí)刻絲核的溫度分別為0.9和0.4 eV.紋影圖像展示了真空和空氣環(huán)境中鋁絲電爆炸產(chǎn)物的分布存在較大差異.真空中單絲電爆炸形成了典型的核冕二元結(jié)構(gòu),而空氣中鋁絲電爆炸紋影圖像顯示除了等離子體和高密度絲核的通道外,還存在激波以及壓縮空氣層.

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Characteristics of electrical explosion of single wire in a vacuum and in the air?

Wang Kun1)Shi Zong-Qian2)?Shi Yuan-Jie2)Zhao Zhi-Gang1)Zhang Dong1)

1)(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)
2)(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

3 May 2017;revised manuscript

24 June 2017)

The characteristics of the electrical explosion of aluminum wire in a vacuum and in the air are investigated.The process of energy deposition is derived from the typical voltage and current waveforms.The energy deposited into the aluminum wire at the instant of voltage breakdown is very important for estimating the state of the metal wire.Energy of～2.8 eV/atom is deposited into the aluminum wire in a vacuum at the instant of voltage breakdown.However,the current flowing through the load for the electrical explosion of aluminum wire in the air decreases to zero gradually after the onset of the phase explosion,coming into the dwell stage.Energy of about 6 eV/atom is deposited into the wire at the instant of voltage breakdown for exploding aluminum wire in the air.Temperatures of 0.9 eV and 0.4 eV are estimated for exploding aluminum wires in a vacuum and in the air according to the experimental data combined with the transport coefficient model.The dwell stage is a significant feature for exploding aluminum wires in the air.The dependence of the dwell time on the initial charging voltage of the primary energy-storage capacitor is derived.The dwell time decreases from 95 ns to 17 ns with the increase of the initial voltage from 13 kV to 17 kV.The optical diagnostic equipment with high spatial and temporal resolution is constructed by a 532 nm,30 ps laser probe.The shadowgram demonstrates the expansion trajectories of the high-density products in different media.The expansion velocities of the high-density core for exploding aluminum wire in a vacuum and in the air are 1.9 km/s and 3 km/s,respectively.The energy deposition into the aluminum wire near the electrode region is slightly higher than in the middle region due to the polarity effect,which is analyzed by the distribution of the radial electric field on the wire surface.Because the explosive emission of the electrons is suppressed substantially by the air,the structure of the energy deposition for exploding aluminum wire in the air is more homogeneous.The structures of the energy deposition and the expansion trajectory of the shock wave are analyzed.The schlieren diagnostic is used to translate the exploding products with different refractivities.The schlieren images for exploding aluminum wire in a vacuum show that the metal wire is exploded into two-phase structure,i.e.,the low-density high-temperature corona plasma surrounding the high-density low-temperature core.However,the schlieren images for exploding aluminum wire in the air demonstrate that in addition to the core-corona structure,the channels of shock wave and compressed air layer are formed.The expansion trajectory of the shockwave front is derived according to the optical diagnostics.

electrical explosion of single wire,Z-pinch,core-corona structure,optical diagnostic

PACS:52.80.Qj,52.70.KzDOI:10.7498/aps.66.185203

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51322706,51237006,51325705)and the Program for the Top Young and Middle-aged Innovative Talents of Higher Learning Institutions of Hebei,China(Grant No.BJ2017038).

?Corresponding author.E-mail:zqshi@mail.xjtu.edu.cn

(2017年5月3日收到;2017年6月24日收到修改稿)

開展了鋁絲在真空和空氣環(huán)境中的電爆炸特性研究.從金屬絲電爆炸的電壓、電流波形得到了金屬絲內(nèi)的沉積能量,并基于以上電參數(shù)特征分析了電爆炸產(chǎn)物的狀態(tài),獲得了空氣中鋁絲電爆炸電流暫停時(shí)間隨初級(jí)儲(chǔ)能電容充電電壓的變化規(guī)律.真空和空氣中鋁絲電爆炸在電壓擊穿時(shí)刻的沉積能量分別為2.8和6 eV/atom.采用波長為532 nm、亞納秒激光探針對(duì)金屬絲電爆炸物理過程開展了高時(shí)空分辨率的陰影和紋影診斷.陰影圖像清晰地展示了不同氣氛環(huán)境中高密度電爆炸產(chǎn)物的膨脹過程,根據(jù)光學(xué)診斷圖像分析了高密度絲核沉積能量的結(jié)構(gòu)和空氣中鋁絲電爆炸產(chǎn)生的激波的膨脹軌跡.真空和空氣環(huán)境中高密度電爆炸產(chǎn)物的平均膨脹速度分別為1.9和3 km/s.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和輸運(yùn)參數(shù)模型,估算了金屬絲在電壓擊穿時(shí)刻的溫度.

10.7498/aps.66.185203

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51322706,51237006,51325705)和河北省高等學(xué)校青年拔尖人才(批準(zhǔn)號(hào):BJ2017038)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zqshi@mail.xjtu.edu.cn