文雪峰,王曉燕,王 健,洪仁楷,胡 楊,陳永濤

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999)

當(dāng)沖擊波到達(dá)金屬表面并發(fā)生反射，可能會(huì)導(dǎo)致金屬表面發(fā)生物質(zhì)噴射、破碎、熔化等現(xiàn)象，金屬表面出現(xiàn)物質(zhì)顆粒大小、密度、速度等狀態(tài)分層的現(xiàn)象[1-2]，最典型的分層狀態(tài)為金屬表面呈現(xiàn)微噴射、微層裂、基體三層結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。對(duì)沖擊作用下金屬表面狀態(tài)的研究是沖擊物理、材料科學(xué)以及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)建模的熱門研究領(lǐng)域。在大多數(shù)基礎(chǔ)科學(xué)研究中，主要通過平面波加載實(shí)驗(yàn)[3]對(duì)金屬表面狀態(tài)進(jìn)行研究，在該類實(shí)驗(yàn)中，金屬樣品結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)施各種測(cè)試技術(shù)，主要測(cè)試技術(shù)為Asay窗[4]和X光照相[5]，而在復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝置實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)的測(cè)試裝置大都難以適用。電探針測(cè)試技術(shù)[6-7]是目前測(cè)試金屬樣品表面隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的過程、研究沖擊動(dòng)力學(xué)特性及校驗(yàn)數(shù)值模擬程序的重要手段，具有時(shí)間測(cè)試精度高、工程適用性好和用于狹小空腔結(jié)構(gòu)金屬樣品易布局等優(yōu)點(diǎn)[8]。但是，在爆轟沖擊加載條件下金屬樣品前界面會(huì)發(fā)生微噴射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，若金屬前界面微噴量很小，基本保持平整密實(shí)狀態(tài)，脈沖信號(hào)電探針放電波形會(huì)呈現(xiàn)很好的單脈沖形狀；如果金屬前界面出現(xiàn)大量微噴物質(zhì)，電探針將提前放電，由于不同的爆轟加載強(qiáng)度、金屬表面加工質(zhì)量以及金屬材料特性，前界面噴射狀態(tài)差異很大，將導(dǎo)致脈沖信號(hào)電探針會(huì)出現(xiàn)多種不正常放電現(xiàn)象，因而難以獲取準(zhǔn)確的時(shí)間信息。電探針放電狀態(tài)與爆轟加載下金屬表面物質(zhì)密度狀態(tài)、氣體電離以及電探針系統(tǒng)回路均存在關(guān)系。唐敬友等[9]針對(duì)沖擊波加熱的氦氣和氬氣對(duì)電探針導(dǎo)通的影響進(jìn)行了研究，給出電探針測(cè)試環(huán)境的保護(hù)氣體選擇方案。胡楊等[10-11]針對(duì)分布參數(shù)和絕緣性對(duì)電探針脈沖形成電路的影響進(jìn)行了研究，相關(guān)機(jī)理認(rèn)識(shí)較成熟，通過電路工藝控制相關(guān)問題也得到較好解決。王為等[12]、王翔等[13]針對(duì)輕氣炮實(shí)驗(yàn)中電探針提前導(dǎo)通的現(xiàn)象開展了研究，認(rèn)為微噴射物質(zhì)接觸電探針產(chǎn)生的壓力低于20 GPa而導(dǎo)致電探針出現(xiàn)馳豫現(xiàn)象，并提出了寬脈沖網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源技術(shù)?？偟膩碚f，對(duì)微噴射物質(zhì)導(dǎo)通電探針產(chǎn)生不正常放電的機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠清楚，對(duì)微噴射物質(zhì)干擾下電探針無法進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的問題也沒有得到解決。本文中，針對(duì)微噴射物質(zhì)作用下電探針放電機(jī)理開展研究，提出階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)用以解決前述問題，使用階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面微層裂前界面的識(shí)別。

1 傳統(tǒng)電探針不正常放電的機(jī)理

1.1 電探針測(cè)試技術(shù)原理

典型的電探針測(cè)試電路如圖2(a)所示，主要由4部分組成：電探針、長(zhǎng)距離電纜、信號(hào)形成電路和信號(hào)記錄存儲(chǔ)示波器。忽略長(zhǎng)距離電纜的寄生電感、電容、電阻參數(shù)，電探針測(cè)試電路可簡(jiǎn)化如圖2(b)所示。圖2中RE為電源的電阻，Rp為匹配電阻，Rs為信號(hào)電阻，URs為信號(hào)電阻上的電壓。電路工作測(cè)試原理：金屬樣品與電探針測(cè)試系統(tǒng)相連接，電探針安裝至所需測(cè)點(diǎn)，不與金屬樣品接觸，電探針測(cè)試回路處于開路狀態(tài)，此狀態(tài)下電源E向電容C充電；金屬樣品被爆轟加載后運(yùn)動(dòng)，直至撞擊電探針末端，電探針測(cè)試回路短路，電容C開始放電，電阻Rs兩端產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)，在傳統(tǒng)正常測(cè)試應(yīng)用中，脈沖信號(hào)的前沿起跳時(shí)刻則為被測(cè)金屬樣品表面到達(dá)電探針端部位置的時(shí)刻。

1.2 不正常放電機(jī)理

在常規(guī)的測(cè)試應(yīng)用中，電探針測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)如圖3(a)所示，后文將傳統(tǒng)電探針統(tǒng)稱為脈沖信號(hào)電探針。然而，在具有微噴射現(xiàn)象的測(cè)試應(yīng)用中，電探針出現(xiàn)不正常放電波形，如圖3(b)所示，其主要特征有多次放電、信號(hào)波形畸變。

爆轟加載下，若金屬樣品表面出現(xiàn)微噴射現(xiàn)象，噴射出的微小顆粒物質(zhì)提前接觸到電探針末端，其仍具有使電探針測(cè)試回路導(dǎo)通的能力，導(dǎo)致電探針提前放電，但相較于金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面其導(dǎo)通特性差。微噴射物質(zhì)的狀態(tài)不同，其導(dǎo)致電探針的導(dǎo)通狀態(tài)也不同。從圖3(b)的信號(hào)多次起跳得出微噴射物質(zhì)多次開關(guān)電探針的特性,電壓信號(hào)幅值階梯上升的特征反映出微噴射物質(zhì)導(dǎo)通電阻由大逐漸變小的特性。那么當(dāng)金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面到達(dá)電探針末端，電阻達(dá)到最小，電探針保持持續(xù)接通狀態(tài)。因此，微噴射物質(zhì)在電探針導(dǎo)通回路中可采用一個(gè)開關(guān)K和一個(gè)可變電阻Rx串聯(lián)的機(jī)理模型(后稱該模型為K+Rx模型)進(jìn)行模擬，如圖4(a)所示。

脈沖信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)的信號(hào)形成電路的蓄電電容C取值較小，幾乎只能夠存儲(chǔ)滿足形成一次正常脈沖信號(hào)的電能，脈沖信號(hào)寬度約為100 ns，而微噴射物質(zhì)影響電探針時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)2 μs。電探針在探測(cè)到金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面前，蓄電電容C電壓下降，甚至可能已經(jīng)將存儲(chǔ)的電能釋放完畢，脈沖信號(hào)電探針就無法很好地響應(yīng)金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面，更難以從中解讀被測(cè)物的電阻變化信息。

2 階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)

2.1 階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)原理

為了使電探針能夠克服微噴射物質(zhì)的影響，提出采用恒壓源代替?zhèn)鹘y(tǒng)信號(hào)形成電路中小電容的改進(jìn)方案，電路如圖4(b)所示：一方面，使電探針具有長(zhǎng)時(shí)間放電能力，具備深入微噴射物質(zhì)層并用以識(shí)別金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的測(cè)試能力；另一方面，使電探針的放電電壓恒定，從而可從電探針放電電壓信號(hào)的幅值URs變化觀察被測(cè)物質(zhì)的電阻Rx變化。采用恒壓源設(shè)計(jì)思路后，在受到密實(shí)金屬界面撞擊時(shí)，電探針的信號(hào)為階躍信號(hào)。因此，將改進(jìn)后的電探針測(cè)試技術(shù)稱為階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)。

2.2 階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：由于爆轟加載下金屬樣品撞擊電探針的速度很快，時(shí)間測(cè)量精度需要達(dá)到納秒量級(jí)，微噴射物質(zhì)的狀態(tài)變化時(shí)間也在亞微秒量級(jí)，因此需要設(shè)計(jì)具有高頻響應(yīng)特性的恒壓源。電容具有高速的放電能力，但是存儲(chǔ)能量有限，若電容選取過大，受工藝限制，電容自身的寄生電感將增大，會(huì)降低其高頻特性。

解決方案：提出大小雙電容并聯(lián)電路設(shè)計(jì)方案，如圖4(c)所示，大電容用于保證充足的電荷容量，小電容用于保證放電回路良好的高頻特性。大電容C1容值計(jì)算方法：電探針不正常放電時(shí)間大都在亞微秒時(shí)間內(nèi)，保證一定裕量，選取蓄電電容所需的恒壓時(shí)間Tc為2 μs，在恒壓時(shí)間內(nèi)電壓下降在1%以內(nèi)，根據(jù)公式:

(1)

則可算出C1為2 μF，式中Rp和Rs取值50 Ω，Rx取其可能小值為0 Ω,電容電壓的變化與電容初始電壓的比值ΔVC/VC0)為0.01。小電容C2容值選取與脈沖信號(hào)電探針?biāo)褂秒娙菀粯?，一般?10 pF。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

錫屬于低強(qiáng)度、低熔點(diǎn)材料，在一般爆轟加載條件下，其前界面會(huì)產(chǎn)生微噴射、微層裂現(xiàn)象，因而選擇錫金屬作為實(shí)驗(yàn)樣品材料開展爆轟實(shí)驗(yàn)。同時(shí)采用脈沖信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)和階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)對(duì)金屬表面狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比2類電探針系統(tǒng)的響應(yīng)特性。爆轟加載實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，使用外形尺寸為?25 mm×30 mm的JOB-9003高能炸藥加載錫金屬樣品，錫金屬樣品表面粗糙度為0.8 μm，樣品尺寸為?25 mm×4 mm。脈沖信號(hào)電探針和階躍信號(hào)電探針軸對(duì)稱布局，實(shí)驗(yàn)中聯(lián)合使用X光獲取錫材料前界面物質(zhì)狀態(tài)分布，標(biāo)定考核階躍信號(hào)電探針的響應(yīng)特性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中獲得的理想脈沖信號(hào)電探針波形和階躍信號(hào)電探針波形對(duì)比如圖6(a)所示，可見階躍信號(hào)電探針波形的前沿上升速度與脈沖信號(hào)電探針波形的前沿上升速度一致，階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)仍具有高頻響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

在爆轟實(shí)驗(yàn)中，2類電探針信號(hào)均受到微噴射物質(zhì)的影響。絕大多數(shù)脈沖信號(hào)電探針出現(xiàn)不正常放電波形，難以識(shí)別金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)。相比來說,階躍電探針信號(hào)存在高電平階躍信號(hào)特征，可識(shí)別微噴物質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響部分和密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)。典型的脈沖信號(hào)電探針和階躍信號(hào)電探針對(duì)比測(cè)試波形有如下3類。(1)多次放電波形， 如圖6(b)所示：階躍信號(hào)電探針出現(xiàn)2次放電，第2次放電出現(xiàn)完整的階躍信號(hào)，表示金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)；而脈沖信號(hào)電探針出現(xiàn)1次脈沖信號(hào)，在金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面到達(dá)后，脈沖信號(hào)電探針放電基本完畢而不能再次產(chǎn)生脈沖信號(hào)，采用脈沖信號(hào)電探針則會(huì)誤判金屬樣品的密實(shí)物質(zhì)界面到達(dá)時(shí)間。(2)電信號(hào)階梯上升，如圖6(c)所示：階躍信號(hào)電探針信號(hào)的電壓呈現(xiàn)階梯上升，并最后達(dá)到最高電平，表征金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)；而脈沖信號(hào)電探針則出現(xiàn)多次放電現(xiàn)象，無法有效識(shí)別金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)。(3)高速微噴射物質(zhì)導(dǎo)通，如圖6(d)所示：階躍信號(hào)電探針和脈沖信號(hào)電探針均出現(xiàn)了多次放電現(xiàn)象；階躍信號(hào)電探針最后出現(xiàn)了明顯區(qū)別于前段瞬間放電脈沖信號(hào)的階躍信號(hào)，表征金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)；而脈沖信號(hào)電探針出現(xiàn)多次相似的脈沖信號(hào)，無法識(shí)別金屬樣品密實(shí)物質(zhì)界面的到達(dá)。

3.3 階躍信號(hào)界面信息解讀與時(shí)間提取

電探針放電回路如圖7所示，包含金屬樣品物質(zhì)主體部分，表明電探針出現(xiàn)放電信號(hào)的時(shí)刻所接觸的物質(zhì),必然是通過其后方物質(zhì)保持連接或部分連接的狀態(tài),一直到主體部分，那么電平信號(hào)的出現(xiàn)，表征電探針此刻響應(yīng)的物質(zhì)與主體相連。

選取2個(gè)異常放電信號(hào)，可提取出2個(gè)具有明確物理意義的界面信息，如圖8所示。界面1為出現(xiàn)電平信號(hào)的時(shí)刻，是與主體連通保持一定接觸的物質(zhì)前界面，可作為噴射物質(zhì)后界面；界面2為高電平穩(wěn)定開始時(shí)刻，是密實(shí)物質(zhì)界面，可作為微層裂前界面。那么界面1與界面2之間的區(qū)域就是一個(gè)微噴射與微層裂過渡的區(qū)域，也就是微噴射物質(zhì)增長(zhǎng)但尚未完全脫離或正在脫離微層裂前界面的關(guān)鍵區(qū)域。

考慮到長(zhǎng)距離電纜給信號(hào)帶來的前沿變緩影響，先通過理想實(shí)驗(yàn)獲得密實(shí)物質(zhì)撞擊電探針時(shí)電探針響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)波形；然后，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試中獲得的階躍波形與標(biāo)準(zhǔn)階躍波形的高電平穩(wěn)定的起始時(shí)刻進(jìn)行重合，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)階躍波形的突變時(shí)間進(jìn)行判讀，讀數(shù)即為階躍信號(hào)高電平表征的密實(shí)物質(zhì)界面到達(dá)時(shí)間信息，如圖9所示，依照此方法，讀取界面到達(dá)時(shí)間為26.31 μs。按照此解讀方法對(duì)所有測(cè)點(diǎn)階躍信號(hào)時(shí)間信息進(jìn)行判讀，并修正初始時(shí)刻，得到錫金屬樣品從起跳到到達(dá)探針端面的時(shí)間信息測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 階躍信號(hào)電探針時(shí)間測(cè)量結(jié)果Table 1 Time measuring results of step signal electric probe

利用X光機(jī)獲取爆轟加載后金屬樣品在13.2和22.5 μs時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過密度反演計(jì)算獲得物質(zhì)體密度分布圖像如圖10所示。電探針界面距Sn樣品上界面25 mm的6根階躍信號(hào)電探針出現(xiàn)階躍信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間與X光機(jī)響應(yīng)時(shí)間一致，得出階躍信號(hào)響應(yīng)位置如圖10(a)所示。電探針界面距Sn樣品上界面40 mm的6根階躍信號(hào)電探針出現(xiàn)階躍信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間平均值為21.2 μs，探針測(cè)試物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度約為1.86 mm/μs，將電探針測(cè)試時(shí)間與X光照片時(shí)間對(duì)齊，探針界面需要向后移動(dòng)1.86 mm/μs×(22.5-21.70) μs=1.49 mm，得出階躍信號(hào)響應(yīng)位置如圖10(b)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電探針信號(hào)中的階躍信號(hào)高電平響應(yīng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)于微層裂前界面。

4 總 結(jié)

提出了基于雙電容恒壓源設(shè)計(jì)的階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù),開展爆轟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)能夠識(shí)別微噴射物質(zhì)的干擾和金屬樣品微層裂前界面，解決了脈沖信號(hào)電探針受微噴射物質(zhì)干擾無法進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的問題；制定了階躍信號(hào)電探針信號(hào)解讀方法，爆轟實(shí)驗(yàn)中聯(lián)合X光測(cè)試技術(shù)，驗(yàn)證了階躍信號(hào)電探針階躍信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)于金屬樣品微層裂前界面的達(dá)到時(shí)刻。階躍信號(hào)電探針測(cè)試技術(shù)具有小型、低廉和用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬樣品易布局的優(yōu)點(diǎn)。

[1] CHEN Yongtao, HU Haibo, TANG Tiegang, et al. Experimental study of ejecta from shock melted lead[J]. Journal of Applied Physics, 2012,111:053509.

[2] DURAND O, SOULARD L. Power law and exponential ejecta size distributions from the dynamic fragmentation of shock-loaded cu and sn metals under melt conditions[J]. Journal of Applied Physics, 2013,114:194902.

[3] BUTTLER W T, ORO D M, OLSON R T, et al. Second shock ejecta measurement with an explosive driven two-shockwave drive[J]. Journal of Applied Physics, 2014,116:103519.

[4] HOLTKAMP D B, CLARK D A, FERM E N, et al. A survey of high explosive-induced damage and spall in selected metals using proton radiography[C]∥Shock Compression of Condensed Matter, 2003:477-482.

[5] 張崇玉,胡海波,李慶忠,等.柱面內(nèi)爆驅(qū)動(dòng)下鉛飛層對(duì)碰區(qū)動(dòng)載行為實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2013,27(6):884-886.

ZHANG Chongyu, HU Haibo, LI Qingzhong, et, al. Experimental study on dynamic behavior of the collision region of lead tube driven by cylinderical implosion[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2013,27(6):884-886.

[6] 黃正平.爆炸與沖擊電測(cè)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006:71-106.

[7] 金山,陳永濤,湯鐵鋼,等.多點(diǎn)激光干涉測(cè)速系統(tǒng)和電探針技術(shù)在飛片速度測(cè)量中的應(yīng)用對(duì)比[J].高壓物理學(xué)報(bào),2012,26(5):571-576.

JIN Shan, CHEN Yongtao, TANG Tiegang, et al. Comparison of multi-channel visar and electric probe technology in measuring free-surface velocity of metal flyer[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012,26(5):571-576.

[8] 孫永強(qiáng),何智,王珺.一種高精度爆速測(cè)量方法[J].含能材料,2012,20(3):329-332.

SUN Yongqiang, HE Zhi, WANG Jun. a precision experiment method of measurement detonation velocity[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2012,20(3):329-332.

[9] 唐敬友,伍紹珍,王藩侯,等.沖擊波加熱的氦氣與氬氣對(duì)電探針導(dǎo)通的影響[J].高壓物理學(xué)報(bào),2000,14(4):285-290.

TANG Jingyou, WU Shaozhen, WANG Fanhou, et al. The effect of shock heated gaseous helium and argon on pin shorting[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2000,14(4):285-290.

[10] 胡楊,胡美娥,張宇紅,等.分布參數(shù)與絕緣性變化對(duì)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的影響[J].高能量密度物理,2014(2):62-67.

[11] 胡楊,胡美娥,陳永濤,等.分布參數(shù)與絕緣性對(duì)電探針脈沖形成電路影響淺析[J].測(cè)控技術(shù),2015,34(8):5-11.

HU Yang, HU Meie, CHEN Yongtao, et al. Effect of distribution parameter and insulativity on electric probe pulse-generating circuit[J]. Measurement & Control Technology, 2015,34(8):5-11.

[12] 王為,王翔.二級(jí)輕氣炮發(fā)射過程中前沖氣體的初步研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2004,18(1):94-96.

WANG Wei, WANG Xiang. Research on the precursor gas accompanied with the launch of two-stage gas gun[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2004,18(1):94-96.

[13] 王翔,賈路峰,傅秋衛(wèi),等.寬脈沖網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源及應(yīng)用[J].高壓物理學(xué)報(bào),2005,19(3):279-283.

WANG Xiang, JIA Lufeng, FU Qiuwei, et al. Broad pulse forming circuit and its application[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2005,19(3):279-283.