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金属丝电爆炸机理及特性研究

作　者: 李业勋
导　师: 孙承纬
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 工程力学
关键词: 金属丝电爆炸数值计算 Z箍缩等离子体
分类号: O531
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

上世纪七十年代以来，电爆炸丝物理现象在脉冲功率调节技术的需求牵引下，得到了广泛而深入的研究，总结出来一些行之有效的理论模型和经验公式，适合于较长脉冲(10μs量级)运行时间的电爆炸丝断路开关技术。作为聚变等离子体物理基础研究的手段，金属丝及电介质丝通过纳秒级电爆炸形成的等离子体的动力学和稳定性问题在八、九十年代也有不少工作。本论文选题的背景是金属丝阵Z箍缩内爆实验中预脉冲条件下金属丝电爆炸形成等离子体柱的机理及其特性，这对于Z箍缩内爆技术的提高很有意义。Z箍缩内爆是最有效的X-射线辐射源技术，国外从上世纪七十年代初起对环形气流靶(Puff)和金属丝阵靶进行了大量研究。随着强电流驱动器技术水平和能力的提高，可驱动的丝阵质量不断提高，等离子体壳均匀性不断改善，稳定性越来越好，金属丝阵Z箍缩内爆辐射源的产额和功率有了很大的提高。上世纪末美国圣地亚实验室Z装置双丝阵实验的X射线输出已达到2MJ和290TW的水平，从而开辟了把这种技术应用于许多物理实验的可能性。密集金属丝阵内爆的最初阶段，是预脉冲电流作用下各金属丝单独加热、汽化、电离以及单丝等离子体的膨胀。当相邻各丝的等离子体膨胀到相互接触和汇合的程度，Z箍缩的主电流才开始加载，驱动各丝汇合形成的等离子体套筒内爆。因此单丝形成等离子体的状态以及各丝等离子体汇合情况是决定内爆等离子体套筒初始均匀性的关键，也直接影响到内爆过程中该套筒R-T不稳定性的发展程度、套筒在内爆轴线上碰撞滞止的对称性和收缩比，以至于影响到等离子体套筒滞止热化产生的X射线产额和功率。本文从理论计算和实验两方面对电爆炸金属丝等离子体柱半径r随时间的变化关系进行了研究。理论计算方面，建立了金属丝电爆炸等离子体在电磁箍缩力和内部热压力综合作用下响应的物理模型，利用一维单温磁流体力学程序对其进行了模拟计算，计算的物理过程包括金属丝在脉冲电流作用下加热、汽化、电离直到等离子体形成的所有阶段，得到了金属丝电爆炸外围晕等离子体柱的r-t曲线。实验研究方面，建立了两个基本的脉冲功率系统，利用这两个实验系统对钨丝和铜丝进行了电爆炸实验；实验中金属丝电爆炸的电学量(电流、电压)随时间的变化曲线用数字示波器记录，金属丝电爆炸等离子体柱半径r随时间t的变化曲线用SJZ-15型高速扫描相机进行扫描摄影得到；为了便于分析，实验中电学量诊断和光学诊断的时间起始基点统一为触发脉冲信号到来时刻。将实验得出的丝爆等离子体r-t曲线与理论计算的丝爆等离子体r-t曲线进行对比分析，二者基本符合；在对比分析同时对金属丝电爆炸现象的机理也进行了初步探讨。金属丝电爆炸机理及特性研究研究成果可以直接应用于金属丝阵Z箍缩物理实验，对丝负载靶室结构参数的优化改进也有促进作用。

全文目录

第一章绪论  9-12
  1．1 选题背景  9-10
  1．2 本文研究的主要内容及研究意义  10-12
第二章国内外研究概况  12-26
  2．1 金属丝电爆炸现象的理论研究  12-16
    2．1．1 布勒采夫的解析模型  12-13
    2．1．2 Tucker的比作用量模型  13-16
  2．2 金属丝电爆炸现象的实验研究  16-26
    2．2．1 国内研究概况  16-17
    2．2．2 国外研究概况  17-26
      2．2．2．1 X射线背光物理实验诊断技术  20-22
      2．2．2．2 用X背光方法进行物理实验诊断的结果  22-26
第三章理论计算  26-39
  3．1 电路模型及其解析解  26-29
  3．2 一维单温磁流体力学计算  29-39
    3．2．1 磁流体力学方程组  29-30
    3．2．2 一维柱坐标方程  30-31
    3．2．3 柱坐标方程的拉格朗日形式  31-32
    3．2．4 差分格式  32-34
    3．2．5 电流回路方程与磁流体力学方程组的耦合  34-35
    3．2．6 定解条件  35-36
    3．2．7 计算方法  36-37
    3．2．8 计算结果  37-39
第四章实验研究  39-75
  4．1 预备实验  39-45
    4．1．1 实验系统  39-41
    4．1．2 实验结果及讨论  41-45
  4．2 正式实验  45-57
    4．2．1 实验系统  45-54
      4．2．1．1 脉冲功率装置  45-51
      4．2．1．2 真空系统  51-52
      4．2．1．3 触发系统  52-53
      4．2．1．4 充电系统  53-54
      4．2．1．5 诊断仪器与实验样品  54
    4．2．2 实验诊断系统  54-57
      4．2．2．1 高速扫描摄影  54-56
      4．2．2．2 电测试系统  56-57
  4．3 实验结果与讨论  57-75
    4．3．1 铜丝在不同初始充电电压下的电爆炸特性  57-67
    4．3．2 钨丝在不同初始充电电压下的电爆炸特性  67-74
    4．3．3 铜丝及钨丝在不同初始充电电压下的电爆炸特性  74-75
第五章结论  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-78

金属丝电爆炸机理及特性研究

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