周密， 同紅海， 任西， 王寅， 孟慶英， 李明， 閔杰

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所， 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710061)

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集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管設(shè)計(jì)研究

周密， 同紅海， 任西， 王寅， 孟慶英， 李明， 閔杰

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所， 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710061)

為了降低沖擊片雷管系統(tǒng)體積和生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)一種在陶瓷基板的正面和背面分別制備爆炸橋箔和高壓平面開關(guān)，與其他零部件組裝成沖擊片雷管的集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管，并且研究了其電爆炸性能。結(jié)果表明：該沖擊片雷管與使用火花隙開關(guān)的沖擊片雷管放電參數(shù)基本相同，該高壓平面開關(guān)能夠代替火花隙開關(guān)完成沖擊片雷管的起爆要求。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 高壓平面開關(guān)； 小型化； 集成化； 沖擊片雷管

0　引言

沖擊片雷管由于其安全性好、可靠性高而應(yīng)用于各類武器彈藥系統(tǒng)中。沖擊片雷管系統(tǒng)由沖擊片雷管和發(fā)火電路組成，目前發(fā)展趨勢(shì)是小型化和低能化[1-3]。其關(guān)鍵技術(shù)是各組成元器件的小型化和低電感技術(shù)，所以有必要將各個(gè)元器件集成或者部分集成，使沖擊片雷管系統(tǒng)體積在目前基礎(chǔ)上進(jìn)一步下降。國(guó)內(nèi)沖擊片雷管系統(tǒng)中使用的高壓開關(guān)是火花隙開關(guān)，這種開關(guān)體積較大、制作工藝復(fù)雜、成本高，與沖擊片雷管靠各類導(dǎo)線連接，這樣的結(jié)構(gòu)不能使系統(tǒng)的體積最大程度地縮小，而且各類導(dǎo)線會(huì)增加系統(tǒng)的電阻和電感。有鑒于此，本文設(shè)計(jì)并且制備一種高壓集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管，同時(shí)研究其電爆炸性能。

1　集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管設(shè)計(jì)

集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電極塞，高壓平面開關(guān)，陶瓷基板、爆炸橋箔、飛片、加速膛、輸出藥柱、殼體。電極塞有第1～第4電極棒，分別與陶瓷基板的第1～第4通孔對(duì)應(yīng)，并通過(guò)電極棒與高壓平面開關(guān)和爆炸橋箔(橋區(qū)尺寸為0.45 mm×0.45 mm×5 μm)連接，飛片的一側(cè)涂約1 μm的膠膜后覆蓋在爆炸橋箔上，并通過(guò)熱壓工藝?yán)喂谈街诒虿臉騾^(qū)上，加速膛位于飛片之上且其膛孔正對(duì)爆炸橋箔的橋區(qū)。輸出藥柱位于加速膛的上方。殼體內(nèi)底與輸出藥柱接觸且端口與電極塞連接，至此形成了一個(gè)集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1　集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of integrated high voltage planar switch of exploding foil initiator

圖2　集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管實(shí)物圖Fig.2　Sketch map of integrated high voltage planar switch of exploding foil initiators

高壓平面開關(guān)的設(shè)計(jì)如圖3所示，是在火花隙開關(guān)的基礎(chǔ)上，把兩主電極(陽(yáng)極2-1，陰極2-2)的形狀設(shè)計(jì)為圓形，觸發(fā)電極(2-3)為細(xì)條狀。其中兩主電極間隙為2 mm，觸發(fā)電極寬度為1 mm，為了實(shí)驗(yàn)連接方便，觸發(fā)電極的端點(diǎn)設(shè)計(jì)為圓形。因?yàn)樵撻_關(guān)依靠空氣擊穿導(dǎo)通，若不進(jìn)行封裝，使用環(huán)境將對(duì)該開關(guān)產(chǎn)生很大的性能影響，若對(duì)單個(gè)高壓平面開關(guān)進(jìn)行封裝，將會(huì)增加開關(guān)及系統(tǒng)體積，所以將爆炸橋箔與高壓平面開關(guān)分別設(shè)計(jì)在同一陶瓷基板的正面和背面，在陶瓷基板上設(shè)有第1～第4通孔(3-1至3-4)，并且全部通孔金屬化，在陶瓷基板的正面，爆炸橋箔的兩端分別于第1、第2通孔相連。如圖4所示，高壓平面開關(guān)在陶瓷基板的背面，陽(yáng)極設(shè)計(jì)為以第1通孔為中心的圓環(huán)狀，陰極設(shè)計(jì)以第3通孔為中心的圓環(huán)狀，觸發(fā)電極陰極和陽(yáng)極中間的長(zhǎng)條形狀并連接到第4通孔，如圖5所示，其中高壓開關(guān)的陽(yáng)極通過(guò)第1通孔與爆炸橋箔的一端相連。在陶瓷基板的正面，第3和第4通孔周圍留有圓形金屬焊盤，是為了讓第3和第4電極棒與高壓平面開關(guān)的陰極和觸發(fā)極通過(guò)錫焊可靠連接。

圖3　高壓平面開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic diagram of high voltage planar switch

圖4　陶瓷基板正面Fig.4　Observational side of ceramic substrate

圖5　陶瓷基板背面Fig.5　Reverse side of ceramic substrate

應(yīng)用時(shí)，將集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管的的第2電極棒和第3電極棒分別與高壓電容充電電源相連，第4電極棒與高壓開關(guān)觸發(fā)電路相連，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，雷管起爆，如圖6所示。

圖6　電路連接示意圖Fig.6　Diagram of circuit connection

2　數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)與分析

將集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管(稱裝置1)與使用火花隙開關(guān)的沖擊片雷管(稱裝置2)進(jìn)行放電參數(shù)分析，裝置1與裝置2實(shí)物圖如圖7所示。兩種雷管其他參數(shù)一致，數(shù)據(jù)的采集采用無(wú)損耗檢測(cè)方法[4-6]，即在起爆線路上采用非接觸式感應(yīng)線圈(羅果夫斯基線圈)記錄電流波形，通過(guò)示波器存儲(chǔ)爆炸橋箔爆發(fā)電流，測(cè)試電路示意圖如圖8所示，高壓直流源給儲(chǔ)能電容器充電，用高壓數(shù)字表檢測(cè)充電電壓，實(shí)驗(yàn)裝置中的高壓電容為0.22 μF，實(shí)驗(yàn)用沖擊片雷管均不含藥柱。

圖7　裝置1與裝置2實(shí)物圖Fig.7　Sketch map of Device 1 and Device 2

圖8　測(cè)試電路示意圖Fig.8　Sketch map of test circuit

在相同的發(fā)火電路中，分別使用裝置1和裝置2進(jìn)行放電參數(shù)對(duì)比，選擇了4種不同的充電電壓進(jìn)行對(duì)比，分別為1.2 kV、1.5 kV、1.8 kV和2.0 kV. 表1和表2分別為兩種裝置在不同充電電壓下的放電參數(shù)。

表1　裝置1在不同充電電壓下的放電參數(shù)

表2　裝置2在不同充電電壓下的放電參數(shù)

從表1、表2可以看出，隨著充電電壓的增大，放電回路中的爆發(fā)電流、峰值電流逐漸增大，爆發(fā)電流時(shí)間逐漸縮短，在同一發(fā)火裝置中，峰值電流時(shí)間基本相同，主要原因是實(shí)驗(yàn)裝置是固定的，電感基本相同，周期是一樣，所以峰值電流時(shí)間也相同。從表中還可以看出，使用裝置1峰值電流時(shí)間比裝置2的峰值電流時(shí)間要短10 ns左右，主要是裝置1中高壓平面開關(guān)在爆炸橋箔的背面，比裝置2中使用火花隙開關(guān)減少了電路連線，并且有利于降低放電回路的寄生電感。

圖9和圖10分別為裝置1和裝置2的峰值電流和爆發(fā)電流對(duì)比圖。從圖9可以看出：隨著充電電壓的增大,放電回路峰值電流逐漸增大；在發(fā)火電壓為0.9 kV時(shí)，充電電壓在1.5 kV以上時(shí)，裝置1的峰值電流比裝置2峰值電流稍微高一點(diǎn)；在1.5 kV以下時(shí)，裝置1的峰值電流要稍微小一些。但二者的峰值電流之差最大不超過(guò)40 A，由于測(cè)量及讀數(shù)誤差，可以認(rèn)為兩種裝置的峰值電流基本相近。從圖10可以看出：裝置1和裝置2的爆發(fā)電流曲線基本一致；裝置1的爆發(fā)電流稍微優(yōu)于裝置2的爆發(fā)電流。

圖9　裝置1與裝置2峰值電流對(duì)比Fig.9　Peak currents of Device 1 and Device 2

圖10　裝置1和裝置2的爆發(fā)電流對(duì)比圖Fig.10　Burst currents of Device 1 and Device 2

圖11為兩種裝置開關(guān)延遲時(shí)間對(duì)比圖。從圖11可看出：當(dāng)充電電壓小于1.5 kV時(shí)，高壓平面開關(guān)的延遲時(shí)間大于火花隙開關(guān)；當(dāng)充電電壓大于1.5 kV時(shí)，情況相反。尤其是當(dāng)充電電壓為2.0 kV時(shí)，高壓平面開關(guān)的延遲時(shí)間明顯短于火花隙開關(guān)，相差200 ns.

圖11　裝置1和裝置2的開關(guān)延遲時(shí)間對(duì)比Fig.11　Delay times of Device 1 and Device 2

根據(jù)爆發(fā)電流密度公式：

(1)

式中：Jb為爆發(fā)電流密度；Ib為爆發(fā)電流；l為橋區(qū)寬度；d為橋區(qū)厚度。根據(jù)(1)式獲得裝置1和裝置2在不同充電電壓下的爆發(fā)電流密度如表3所示，計(jì)算得到的爆發(fā)電流密度達(dá)到的數(shù)量級(jí)和文獻(xiàn)[7]得到的1×107A/cm2～3×108A/cm2數(shù)量級(jí)相同。從表3可以看出，裝置1的爆發(fā)電流密度在不同充電電壓都高于裝置2.

表3　不同充電電壓下爆發(fā)電流密度對(duì)比

根據(jù)Tucker等[7]和Stanton等[8]的電格尼能公式：

(2)

式中：vf為飛片速度；n、K為格尼常數(shù)；ρf、df分別對(duì)應(yīng)于飛片的密度及厚度；ρe和de分別對(duì)應(yīng)于橋箔的初始密度和厚度。

電格尼能公式表明，對(duì)于相同的放電回路，相同的放電電壓和相同的橋區(qū)尺寸，飛片速度vf與爆發(fā)電流密度Jb呈正比，爆發(fā)電流密度大的飛片速度大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，當(dāng)橋區(qū)尺寸及發(fā)火電壓相同時(shí)，裝置1的爆發(fā)電流密度最大，對(duì)應(yīng)的飛片速度最大，能量轉(zhuǎn)化率高。

3　結(jié)論

在陶瓷基板的正面和背面分別制備爆炸橋箔和高壓平面開關(guān)，與其他零部件組裝成集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管。該雷管中的高壓平面開關(guān)制作工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本僅為火花隙開關(guān)的1%，并且有效地縮小了沖擊片雷管系統(tǒng)的體積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管與使用火花隙開關(guān)的沖擊片雷管放電回路的放電參數(shù)基本相同，該高壓平面開關(guān)可以代替火花隙開關(guān)完成沖擊片雷管的起爆要求，并且集成高壓平面開關(guān)的沖擊片雷管對(duì)爆炸波起爆器系統(tǒng)的小型化、集成化和低成本化具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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Design of Integrated High Voltage Planar Switch of Exploding Foil Initiators

ZHOU Mi, TONG Hong-hai, REN Xi, WANG Yin, MENG Qing-ying, LI Ming, MIN Jie

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an 710061, Shaanxi, China)

In order to decrease the volume and manufacturing cost of exploding foil initiator system, an exploding foil initiator (EFI) with high voltage planar switch is designed. The exploding foil and high voltage planar switch are prepared on the observational side and the reverse side of ceramic substrate, respectively. That substrate and other parts are assembled into an exploding foil initiator, and the electrical explosion performance of the exploding foil initiator is studied. The results indicates that the exploding foil initiator with high voltage planar switch had similar initiating performance as the traditional exploding foil initiator which uses a spark gap switch. The high voltage planar switch could meet the initiating requirement of exploding foil initiator instead of spark gap switch.

ordnance science and technology; high voltage planar switch;miniaturization; integration; exploding foil initiator

2014-07-02

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(JCKY2013208C002)

周密(1984—)， 女， 工程師。 E-mail： mixueer2004@163.com

TJ450.2

A

1000-1093(2015)04-0626-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.008