磁场准等熵驱动飞片技术原理性实验研究*

1 引 言

在以前的状态方程研究中，通常采用平面冲击压缩的方法进行相关研究，它是研究材料在压力接近100 GPa时的高压状态方程(EOS)的主要工具。利用这种方法，将时间历程约为几纳秒的一维冲击波作用在平面样品上，测量平面加载产生的定常冲击波的性质，比如冲击波速和波后粒子速度等，然后利用定常冲击波的守恒方程组确定状态方程的p-v-e数据。每个实验能够产生唯一一个压力、比容和内能状态[1]。在常温条件下，通过定常冲击波在材料中的传播而产生的多个终态来确定状态方程曲线，作为主雨贡纽曲线。虽然冲击波方法对于获得状态方程信息是一种非常有用的工具，但雨贡纽曲线不能满足许多应用中所要求的完全物态方程的需求，因为确定一个类似的p-v关系，需要多个冲击压缩实验；而通过等熵加载技术，却可以确定等熵响应的大段曲线。同时，在状态方程的实际使用中，在许多环境下，材料的状态并不处于这些曲线上，而必须由在实验条件下获得的状态数据外推获得。但是，由于状态方程理论还未完善，仅基于某一种条件下获得的数据外推的结果的可靠性并未得到证实。因此开展不同条件下状态方程的研究，对于建立可信的较宽区域的状态方程是非常适合的。目前，等温和绝热状态方程的研究已有较成熟的技术，等温线可利用冲击高压技术，绝热线可利用气炮、化爆和激光加载技术，而准等熵技术目前公认可行的方法是利用脉冲功率技术驱动飞片。

本文报道利用中国工程物理研究院流体物理研究所FP-1装置进行的磁场等熵驱动飞片原理性实验研究的结果以及简单的分析，探讨了在现有实验条件下进行相关研究的可行性，为以后进行进一步的实验研究奠定了基础。

2 磁场等熵驱动技术国内外研究现状

磁场等熵驱动技术作为一种新型的实验研究物态方程的技术手段，具有研究材料高密度等熵压缩特性和完全物态方程的重要前景，对于核武器相关材料动力学性质和数据库的深入研究具有重要的意义，成为国外核武器物理实验室研究的前沿和热点。

在国外核武器物理实验室中，磁压驱动的铝套筒或薄飞片的速度已达12～21 km/s(完整-熔化飞片)，冲击压力已达TPa范围[2]。Sandia实验室在Z装置短脉冲(0.3 μs)等熵压缩实验(Isentropic Compression Experiments，ICE)中，被加载材料中的最高压力约200 GPa，铜、钽样品实验压力大于100 GPa，钨样品的压力约30 GPa。在Los Alamos/Livermore联合实验中，利用小型平板型爆磁压缩发生器供电，供电电流峰值为3.3 MA，上升沿0.5 μs，使钨样品的压力达到47 GPa。Los Alamos实验室准备用单个Ranchero发生器(1.4 m)产生电流50～90 MA，可实现钨样品的2 TPa等熵压缩。

国内目前尚未开展相关的实验研究。

3 磁场等熵驱动技术基本原理

磁场等熵驱动技术的基本原理就是利用强脉冲电流产生磁场，以洛仑兹力作为飞片驱动源。利用装置能产生大电流脉冲的能力，当电流从阳极流向阴极时，产生J×B力来加速飞片。

图1 磁场驱动飞片实验原理示意图
Fig.1 Schematic of the theory of magnectically-driven flyer plates

图1为磁场驱动飞片原理图。如图所示，阴阳两极间的电流方向相反，由洛仑兹力的判定方法可以得出，飞片的受力方向向上。电流回路存在于阴阳两极间，并分别在两极相对的内表面产生电流，电流密度和由于电流流动在绝缘空腔间产生的磁场相互作用，从而产生一个时间相关的磁压[3]，最终作用在飞片的内表面。产生的加载压力为

p(t)=B2/2μ0=μ0J2(t)/2

(1)

式中:p(t)是样品中产生的时间相关的磁压大小。J(t)是在样品处时间相关的电流密度。B是磁场强度，μ0是自由面的磁导率。由(1)式可见，压力的产生时间是由电流的上升沿决定的，而大小则由电流密度决定。

4 实验研究

4.1 实验系统

本工作主要利用中国工程物理研究院流体物理研究所的FP-1装置作为能源系统，结合光测系统，进行飞片平均速度和速度时间历程等测量。初步掌握磁场驱动飞片技术。

能源系统主体部分为FP-1装置。FP-1装置组建于1996年，以电容器为脉冲功率源。额定电压为100 kV，总容量216 μF，最大贮能1.08 MJ，加载电流可达4 MA，电流上升沿3～5 μs。

光测系统包括光纤探针系统和VISAR(Velocity Interferometer System for Any Reflector)系统。

图2 光纤探针测试系统示意图
Fig.2 Schematic of the fiber-optic pin system

在实验中，每个飞片用4根光纤进行测量，其中两根在一个平面上，另两根在另一个平面上，两个平面距离为3 mm，通过测量飞片到达两个平面上的时间差，可以得到飞片的平均速度，测量原理如图2所示。

VISAR系统意为可测量任意反射表面的速度干涉仪，主要优点是既可以用于测量镜反射表面样品，也可测量漫反射表面样品，因而可用于研究高压力范围内材料的动态性能。在本研究中，利用VISAR系统对样品进行非接触测量，可以做到不干扰目标的运动，测定值是一个点的真实运动，可以记录下飞片的速度时间历程曲线。

4.2 实验负载结构

FP-1装置的4组电容器呈对称四边形分布，通过4个汇流板同时向装置中心部位供电，针对装置的结构特点，负载结构设计为对称结构。阳极汇流板和阴极汇流板分别同电容器组相连，两者之间由尼龙材料绝缘，阳极是4块互相啮合的直角弯板，底部与阳极汇流板相连；阴极汇流板与阴极柱为一体；阳极板与阴极柱通过阴阳极短路板相连形成电流回路。为保证在阴阳极间空腔内有足够的磁压，两者距离选择为3 mm。飞片发射结构位于阳极板上，为了在飞片处有较大的电流密度即较大磁压作用，发射结构在飞片处形成电流突变，飞片大小相对阳极板非常小。每套负载结构有两个面进行飞片驱动实验，并对飞片的平均速度和速度时间历程进行测量，为了便于光测系统的安装测量，两个飞片位于相对的两个面，两套光测系统可以方便地分别对两个飞片进行测量。负载结构如图3所示。

4.3 实验

磁场等熵驱动飞片实验共进行了3次,对飞片的速度时间历程进行系统测量，实验采用的电流波形如图4所示。表1为各次实验的电流参数和飞片参数。

图3 磁场等熵驱动飞片技术实验负载结构
Fig.3 Load structure of isentropic magnectically-driven flyer plates experiments

图4 系列实验典型电流波形
Fig.4 The representative current history in the series experiments

表1 各次实验相关参数
Table 1 Parameters of experiments

4.4 实验结果及理论分析

图5 20040414号实验数值模拟与实验曲线比较
Fig.5 Comparison of the simulated data and the measured data in 20040414

为了对实验结果进行初步的理论分析，将一维弹塑性流体动力学程序SSS的压力脉冲加载条件替换为公式(1)中与时间相关的磁压条件，并依据负载结构设计,建立了简化的一维平面磁压作用模型，建立了对磁压驱动飞片问题的理论计算方法。利用这套计算方法，对3次实验中飞片的速度时间历程进行了计算，并与实验结果进行了逐一的比较。

对于20040414号实验,理论计算的速度最高点为189.9 m/s，实验测得飞片最高速度为173.9 m/s，两者峰值速度吻合很好。计算曲线与实验曲线见图5。由图5可见,在实验曲线中，上升段有几个比较微小的波动，是因为实验中，负载结构有爬电现象，导致流过阳极的电流不均匀，从而在VISAR信号上反应为小的震荡。在速度达到最高点后，在理论曲线上速度变为匀速，这是因为在理论计算中，假定飞片在真空中飞行，未受到阻力作用；而在实验中，飞片由于受到空气阻力，速度在达到最高点后会下降，然后由于电流烧蚀作用，飞片在飞行过程中质量减少，使飞片的速度又出现一个小幅度的再度提高。

在20040419号实验中,理论计算的最高速度为378.5 m/s，实验测得的最高速度为325.2 m/s。理论曲线与实验曲线吻合得很好，两者波形接近(见图6)。由图可见,实验曲线在刚开始的2 μs内有比较明显的干扰，这是由光电倍增管引起的噪声信号，在两台示波器中，各有一个通道存在这样的干扰信号。在经过最高点后，飞片速度迅速下降，与20040414号实验速度稍有不同，这是因为在20040419号实验中,飞片未产生太多烧蚀现象，质量没有明显损失，在失去推力后，受空气阻力作用，速度迅速降低。

在20040421号实验中,理论计算的飞片最高速度为759.8 m/s，而实验得到的飞片最高速度为797.3 m/s，实验值略高于理论值,计算曲线与实验曲线如图7所示。由图可见,在速度历史的前期，两条曲线吻合比较好，但在实验曲线中，本应该受到空气阻力下降的速度还是一直增长，超过理论计算值。特别是在图中所示的跳跃点处，曲线有一个明显的跃升。分析其原因，在该次实验后，发现阴阳极汇流板间起绝缘作用的尼龙绝缘层遭到严重破坏，导致电流密度在那个时刻附近有非常大的升高，从而对飞片产生了比理论计算更大的磁压力的作用，而获得了比理论值略高的速度。

图6 20040419号实验数值模拟与实验曲线比较
Fig.6 Comparison of the simulated data and the measured data in 20040419

图7 20040421号实验数值模拟与实验曲线比较
Fig.7 Comparison of the simulated data and the measured data in 20040421

5 总 结

通过在FP-1装置上的系列实验，实现了利用脉冲大电流产生的强磁场准等熵驱动飞片、使飞片获得较高速度的目标。通过相关数值模拟工作，对飞片速度时间历程进行模拟计算，与实验所得飞片速度时间历程曲线吻合较好。验证了磁场等熵驱动飞片的可行性，在磁场驱动飞片过程中，飞片速度平滑增长，而不是冲击压缩方法中飞片速度呈台阶状瞬间达到终态速度，从而使飞片的熵增减小，对完全物态方程、材料动力学等研究领域具有非常重要的应用意义。同时，由于本工作仅为探索性实验，重点在于研究磁场驱动飞片的可行性，且由于装置本身的限制，导致飞片二维效应比较严重，平面性很差。我们计划在下一步工作中，改进FP-1装置，压缩其上升沿时间，并通过各种手段增大电流密度，比如缩小负载结构尺寸等方法，以期获得更高的飞片峰值速度。