李琛 韓若愚? 劉毅 張晨陽 歐陽吉庭 丁衛(wèi)東

1) (北京理工大學物理學院, 北京 100081)

2) (華中科技大學, 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室, 武漢 430074)

3) (西安交通大學, 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室, 西安 710049)

本文開展了500 J儲能下、大氣空氣介質(zhì)中微秒脈沖電流源驅(qū)動平面型銅絲陣負載電爆炸放電特性研究, 并與銅單絲電爆炸進行了比較.實驗中保持銅電極間距2 cm不變, 選擇2—16根直徑100 μm的銅絲組成平面型銅絲陣, 同時選擇直徑50—400 μm的單根銅絲作為對照, 對電爆炸過程中負載電壓、回路電流與光輻射強度進行測量, 計算得到電功率、沉積能量等參數(shù), 研究質(zhì)量變化對銅導(dǎo)體電爆炸過程的影響規(guī)律; 特別地, 對于相同質(zhì)量下單絲與絲陣負載情況進行比較.實驗結(jié)果表明, 隨著質(zhì)量增加, 單絲電爆炸氣化與電離過程變緩, 宏觀表現(xiàn)為電壓峰值時刻延后、半高寬增大(約0.07 μs增至約0.64 μs); 與之不同, 雖然絲陣電爆炸時刻隨質(zhì)量增加延后, 但氣化與電離持續(xù)時間變化不明顯, 電壓峰半高寬穩(wěn)定在0.11 ± 0.01 μs, 且擊穿發(fā)生前絲陣負載沉積能量低于同質(zhì)量單絲負載.光輻射強度方面, 絲陣電爆炸光輻射強度比三次同質(zhì)量下單絲電爆炸分別強約28%, 49%和52%.造成單絲與絲陣電爆炸過程差異的原因可能有兩個方面: 一是比表面積的差異使得細絲的相變過程更加迅速, 表現(xiàn)為相同質(zhì)量下細絲絲陣比粗單絲爆炸過程快; 二是電熱/磁流體不穩(wěn)定性在絲陣與單絲中發(fā)展程度不同, 表現(xiàn)為光強-時間曲線的差異.

1 引 言

金屬絲電爆炸作為脈沖功率與放電等離子體領(lǐng)域的研究熱點之一[1?3], 是指當脈沖電流流過金屬絲時, 在焦耳加熱的作用下, 金屬絲急劇相變,先后經(jīng)歷固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)與等離子體態(tài), 最終發(fā)展形成等離子體通道的過程.金屬絲電爆炸能夠?qū)δ軉卧袃Υ娴碾娔?磁能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量, 如熱能、輻射能、沖擊波能等.

將多根金屬絲按照一定結(jié)構(gòu)排布, 可構(gòu)成金屬絲陣.真空中絲陣電爆炸后形成具有一定空間分布的等離子體, 在洛倫茲力的作用下內(nèi)爆獲得高溫高密度等離子體(稱為Z箍縮等離子體), 產(chǎn)生大功率脈沖X射線輻射[4?7], 美國Sandia實驗室曾使用嵌套式雙層絲陣結(jié)構(gòu)得到功率290TW、總能量1.9MJ的X射線源, 絲陣負載動能轉(zhuǎn)化為X射線輻射能量效率高達60%[8], 為慣性約束聚變提供了可能的技術(shù)途徑.

相比于大型脈沖功率裝置驅(qū)動的真空絲陣Z箍縮, 一般工程應(yīng)用更關(guān)注介質(zhì)中的金屬絲電爆炸, 特別是沖擊波與光輻射效應(yīng), 如惰性氣體介質(zhì)中的電爆炸制備納米粉[9,10]、水介質(zhì)中電爆炸產(chǎn)生沖擊波[11]、含能材料的電爆炸點火等[12].對于沖擊波現(xiàn)象, 通過研究銅單絲電爆炸不同階段沉積能量對沖擊波參數(shù)的影響, 發(fā)現(xiàn)氣化過程對沖擊波形成起主導(dǎo)作用[13,14]; 對于光輻射現(xiàn)象, Sandia實驗室的Sarkisov等[15]與以色列理工學院的Grinenko等[16]分別針對納秒尺度真空與水中絲爆過程中光輻射強度隨時間的變化關(guān)系開展了研究, 他們認為金屬絲電爆炸過程中的光輻射主要由放電過程中的等離子體光輻射和爆炸產(chǎn)物的高溫輻射以及復(fù)合輻射引起.但是, 介質(zhì)中沖擊波的產(chǎn)生依賴于放電通道氣化膨脹, 而等離子體在該過程中形成, 阻礙能量在放電通道的進一步沉積, 致使產(chǎn)生的沖擊波衰減快、總能量低.因此, 在不改變負載結(jié)構(gòu)的前提下, 單絲電爆炸沖擊波強度存在上限.采用金屬絲陣替代金屬單絲被認為是一種增強沖擊波強度的有效手段.清華大學的Qian等[17]用16根50 μm 金屬絲陣替代 1 根 200 μm 金屬單絲后, 發(fā)現(xiàn)水中沖擊波峰值從30 MPa提升到了90 MPa.帝國理工學院的 Bland等[18]在 MACH裝置(2 MA, 450 ns)上開展了去離子水中絲陣內(nèi)爆匯聚沖擊波的研究, 在絲陣中心區(qū)域得到了壓強大于 300 GPa、密度約 3 g/cm3的溫密物質(zhì) (超臨界水).Krasik等[19]開展了水中平面型、圓柱形、球形、錐形絲陣負載的電爆炸, 能夠產(chǎn)生高達TPa量級的匯聚沖擊波.可見, 介質(zhì)中金屬絲陣與單絲電爆炸的過程與效應(yīng)并不相同, 金屬絲陣電爆炸作為沖擊波源、含能材料點火源有更大應(yīng)用潛力[20,21].

然而, 已有絲陣電爆炸的研究多關(guān)注電爆炸發(fā)生后的演化過程, 如金屬絲芯消融與內(nèi)爆過程[22](Z箍縮)、不同介質(zhì)匯聚沖擊波沖擊壓縮過程[23](水中絲陣)等, 對于絲陣早期過程關(guān)注較少, 表現(xiàn)為絲陣電爆炸特性研究較少、過程物理圖像不夠清晰, 不能為沖擊波源技術(shù)、含能材料起爆技術(shù)提供有效支撐, 制約了電爆炸技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.因此,需要開展針對介質(zhì)中金屬絲陣電爆炸早期行為的研究.

為實現(xiàn)內(nèi)爆, 絲陣電爆炸的研究多采用圓柱型與球型絲陣構(gòu)型[24?26], 也有一些研究人員使用結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強、易于診斷的平面絲陣負載[27].本研究采用平面銅絲陣負載開展研究, 銅絲相變過程清晰、不易形成冕層, 方便研究絲陣電爆炸的基本過程.且有研究表明, 平面型銅絲陣能夠?qū)⑾到y(tǒng)儲能有效地轉(zhuǎn)化為水中動能, 產(chǎn)生可觀的沖擊波參數(shù)[28,29], 對后續(xù)工程應(yīng)用具有直接參考價值.此外,考慮到固定初始儲能時, 平面絲陣負載可通過增加絲根數(shù)的方法增大質(zhì)量, 對負載電感影響小, 便于比較研究.本研究采用大氣壓空氣介質(zhì), 與真空相比, 空氣能夠一定程度上抑制表面放電, 且更符合實際應(yīng)用工況; 與水介質(zhì)相比, 空氣介質(zhì)能夠較為真實地反映光輻射信息, 有助于理解絲陣電爆炸過程.

2 實驗平臺與方法

圖1(a)為實驗裝置示意圖, 實驗所用脈沖驅(qū)動源由直流高壓電源與 6 μF, 50 kV 脈沖電容器組成, 實驗時將電容器充電至所需電壓, 觸發(fā)三電極開關(guān), 電脈沖通過同軸高壓電纜對金屬絲負載放電, 實現(xiàn)電爆炸過程.金屬絲負載由一對銅電極固定并置于高400 mm、直徑377 mm的金屬腔體內(nèi),電脈沖加于高壓電極, 地電極通過回流柱與金屬腔構(gòu)成回流結(jié)構(gòu), 銅電極結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示, 實驗在大氣壓下進行.

圖1 實驗裝置圖 (a) 電路示意圖; (b)絲陣負載實物圖Fig.1.Experimentalsetup: (a) Circuit diagram; (b) wirearrayload.

實驗中固定電源充電電壓+12.9 kV, 此時初始系統(tǒng)儲能為500 J.實驗用銅絲純度為99.99%,密度為 8.9 g/cm3.固定銅電極間距 2 cm, 單絲電爆炸實驗選用直徑為 50, 100, 150, 200, 300 和400 μm的銅單絲負載, 絲陣電爆炸實驗中選用2,4, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 16 根直徑 100 μm 的銅單絲組成絲陣負載, 每根絲間距為 2 mm.其中 200 μm銅單絲與 4根 100 μm銅絲陣、300 μm銅單絲與9 根100 μm 銅絲陣、400 μm 銅單絲與16 根100 μm銅絲陣質(zhì)量(初始橫截面積)相同.實驗測量參數(shù)為電壓信號、電流信號和光強信號, 分別由TektronixP6015A探頭/自制阻容分壓器、Pearson101線圈和ET-2030光電探頭測得, 測量信號通過Tektronix DPO4104B示波器儲存.負載阻性電壓、電功率、沉積能量由下式計算[2]:

式中U表示探頭測得的電壓值; LW表示金屬絲電感; LS表示測點至金屬絲間設(shè)備結(jié)構(gòu)的固有電感,T表示電爆炸各個階段持續(xù)的時間.

根據(jù)放電參數(shù)變化的特征, 當初始儲能充足時, 對于金屬絲電爆炸的過程劃分, 可人為地分為固態(tài)加熱、液化、液態(tài)加熱、氣化-相爆、擊穿/電離、等離子體六個階段T1—T6[30,31], 如圖2所示.對于沉積能量而言, 通常關(guān)注至擊穿發(fā)生前階段T1—T4.

圖2 金屬絲電爆炸放電參數(shù)與階段劃分Fig.2.Parameters and stages of explosive discharge of wire.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)量變化對銅單絲負載放電參數(shù)的影響

對于直徑50—400 μm銅單絲電爆炸, 典型電壓、電流、電功率、沉積能量以及電阻的波形如圖3所示, 銅絲直徑已在圖中注明.

從圖3中可以看出, 隨著銅單絲質(zhì)量增加, 電爆炸電壓、電流、電功率以及電阻峰值均發(fā)生變化,且峰值出現(xiàn)時間推遲; 電壓峰半高寬展寬; 沉積能量增加, 但當質(zhì)量達到一定值時反而減小.具體參數(shù)值見表1 (部分數(shù)據(jù)取自NIST-JANAF數(shù)據(jù)庫).

圖3 銅單絲不同質(zhì)量 (直徑) 下參數(shù)隨時間的變化規(guī)律 (a) 電壓; (b) 電流; (c) 電功率; (d) 沉積能量; (e) 電阻Fig.3.Parameter variation of copper single wire with time varying under different mass (diameter): (a) Voltage; (b) electric current; (c) power; (d) deposited energy; (e) resistance.

表1 銅單絲不同質(zhì)量 (直徑)下的參數(shù)比較Table 1.Parameter comparison of copper single wire under different mass(diameter).

銅絲直徑由 50 μm 增至 400 μm 的過程中, 電壓峰值出現(xiàn)時間由 0.26 μs延至 6.45 μs, 第一個電流峰值下降點也不斷延后, 直徑 300 μm 時, 拐點已經(jīng)出現(xiàn)至電流下降沿, 這是因為隨著金屬絲質(zhì)量增加, 相變至氣化所需時間增加, 電爆炸時刻推遲;電壓峰值由46.2 kV降至7.1 kV, 這是因為隨金屬絲質(zhì)量增加, 其初始電阻不斷減小, 在金屬絲相變至氣化過程中, 絲電阻大幅度增加(單絲50 μm時, 電阻的雙峰可能是因為放電時的高頻振蕩所致), 但氣化時粗絲電阻仍遠小于細絲電阻, 雖然隨絲直徑增大, 氣化過程推遲, 粗絲氣化時電流大于細絲, 但電壓峰值仍隨質(zhì)量增大呈現(xiàn)下降趨勢; 金屬絲相變至氣化階段, 經(jīng)歷相爆過程, 電導(dǎo)率急劇下降, 伴隨通道中電流下降, 電極間電壓上升, 促進電離過程, 最終形成等離子體通道.宏觀表現(xiàn)為電壓升高至頂點后快速下降, 稱為電壓坍塌, 有的文獻稱為擊穿過程[32].實驗表明, 銅絲直徑由50 μm增至 400 μm 時, 電壓峰半高寬由 0.07 μs增至0.64 μs, 這說明隨質(zhì)量增加, 電爆炸過程中氣化與電離擊穿過程持續(xù)時間增長, 即電壓的上升沿、下降沿更緩; 從圖3中也可以看出, 除絲直徑 400 μm情況, 電功率、沉積能量均隨質(zhì)量增大而增大, 當絲直徑為400 μm時, 電參數(shù)與沉積能量均發(fā)生明顯變化, 此時電壓崩前沉積能量低于完全氣化所需要的能量, 且從圖3(b)中可以看出金屬絲氣化前電流已經(jīng)開始下降, 說明初始儲能已經(jīng)不足; 其次實驗在短路情況下測得回路電阻約為76.0 mW, 而負載初始電阻為 2.8 mW, 由于 400 μm 時相較其他情況氣化過程慢得多, 即在相變過程中的一定時間內(nèi), 電容初始儲能有大部分消耗在回路電阻上;這些可能是電參數(shù)產(chǎn)生顯著差異的主要原因.電壓崩前沉積能量隨質(zhì)量增大而增多, 但可以看到直徑400 μm情況下, 電壓崩前沉積能量約占第一個電流過零點前沉積能量的89.1%, 說明銅絲質(zhì)量增加至一定程度時, 大部分的沉積能量用于電離擊穿前的相變階段, 即T1—T4階段.

3.2 質(zhì)量變化對銅絲陣負載放電參數(shù)的影響

分別使用2—16根100 μm銅單絲組成金屬絲陣, 其電爆炸得到的電壓、電流、電功率、沉積能量以及電阻的波形如圖4所示, 銅絲陣根數(shù)已在圖中注明.

銅絲陣負載放電特性與銅單絲負載有一定相似之處, 隨銅絲陣質(zhì)量(根數(shù))增加, 電壓、電阻峰值總體呈現(xiàn)下降趨勢, 電流峰值增大, 且電壓峰與第一個電流峰出現(xiàn)時間延后; 電功率與沉積能量變化趨勢不隨質(zhì)量單調(diào)變化, 呈現(xiàn)先增大, 后趨于不變, 再減小的趨勢; 同時, 電壓峰半高寬基本不隨質(zhì)量改變.具體參數(shù)值見表2.

銅絲根數(shù)由2根增至14根時, 電壓峰值由41.3 kV 降至 21.2 kV, 峰值出現(xiàn)時間由 1.06 μs延至 4.32 μs.但在絲陣根數(shù)為 10 根時, 電壓、電功率峰值下降明顯, 后保持穩(wěn)定, 可以看到絲根數(shù)達到10根后, 電壓崩前沉積能量已經(jīng)不足以使金屬絲完全氣化.絲陣電爆炸中電壓峰半高寬基本不隨質(zhì)量增加發(fā)生改變, 穩(wěn)定在 0.11 ± 0.01 μs, 與單根100 μm銅絲電爆炸情況類似.說明了初始儲能足夠的條件下, 絲陣電爆炸過程很可能為每根細絲同時爆炸, 細微的差異可能是因為每根細絲電爆炸時間上的不同步性所致, 詳見Rososhek等[28]拍攝的水中平面型絲陣電爆炸條紋圖像結(jié)果.此外, 絲陣電爆炸沉積能量不隨質(zhì)量增加而單調(diào)變化, 絲根數(shù)由2根增至8根時, 沉積能量由84.3 J增至157.0 J, 而后隨絲根數(shù)增加沉積能量基本不再發(fā)生變化.但絲根數(shù)16根時, 其電參數(shù)、沉積能量均發(fā)生突變, 其原因可能與單絲 400 μm 情況相同, 電爆炸前期負載電阻與固有電阻相當而造成的能量耗散和系統(tǒng)初始儲能不足, 很大程度上影響了電爆炸過程, 導(dǎo)致明顯差異.

表2 銅絲陣不同質(zhì)量 (根數(shù)) 下的參數(shù)比較Table 2.Parameter comparison of copper wire array under different mass (number of wires).

圖4 銅絲陣不同質(zhì)量 (根數(shù)) 下參數(shù)隨時間變化規(guī)律 (a) 電壓; (b) 電流; (c) 電功率; (d) 沉積能量; (e) 電阻Fig.4.Parameter variation of copper wire array with time varying under different mass (number of wires): (a) Voltage; (b) electric current; (c) power; (d) deposited energy; (e) resistance.

3.3 質(zhì)量變化對單絲與絲陣負載光輻射特性的影響

金屬絲電爆炸過程的光輻射能夠反映其物理過程的重要信息.實驗使用光電二極管配合衰減片記錄了光輻射強度隨時間變化的曲線, 能夠定性地分析金屬絲電爆炸過程中的光輻射過程.本文分別選取了銅單絲200 μm與100 μm銅絲陣4根情況為例, 給出了電流、電功率、光輻射以及光輻射一階導(dǎo)數(shù)隨時間變化的圖像, 如圖5所示.從圖中可以看出光輻射起始于電流第一個下降點附近, 此時金屬絲經(jīng)歷氣化階段, 伴隨著電離過程的開始, 而后擊穿形成等離子體通道.此外, 還可以看到光輻射下降沿斜率與電流振蕩引起的功率變化有一定關(guān)系, 光輻射下降平緩處總是出現(xiàn)在電流幅值附近, 這可能是因為等離子體通道中流過的電流對輻射強度存在影響.

不同質(zhì)量單絲與絲陣負載的光輻射波形如圖6所示, 圖中光輻射起始點已對齊.

圖5 銅單絲與絲陣負載電流、功率、光輻、及光輻射一階導(dǎo)數(shù)波形圖 (a) 銅單絲 200 μm; (b) 銅絲陣 4 根Fig.5.Waveforms of current and light radiation of copper single wire and wire array: (a) Copper singlewire with 200 μm diameter;(b) copper wire array with 4 wires.

圖6 銅單絲與絲陣負載光輻射隨質(zhì)量變化規(guī)律圖 (a) 銅單絲負載; (b) 銅絲陣負載Fig.6.Light radiationvariation of copper single wire and wire array under different mass: (a) Copper single wire load; (b) copper wire array load.

從圖6中可以看出, 銅絲直徑50—300 μm時,銅單絲電爆炸光輻射幅值隨質(zhì)量增大呈上升趨勢,但光輻射持續(xù)時間并不隨質(zhì)量單調(diào)變化.根據(jù)3.1部分分析可知, 直徑400 μm銅單絲電爆炸大部分沉積能量用于電離擊穿前的相變過程, 后續(xù)電離及等離子體過程微弱, 導(dǎo)致此種情況下銅單絲電爆炸產(chǎn)生的光輻射幅值遠低于其他直徑情況, 且光輻射持續(xù)時間短.在銅絲陣電爆炸過程中, 光輻射峰值不隨質(zhì)量單調(diào)變化, 絲根數(shù)2—6根時, 光輻射幅值隨質(zhì)量增大而增大, 8—10根情況下, 光輻射幅值基本不變, 12—16根情況時, 光輻射幅值隨質(zhì)量增大而減小, 但光輻射持續(xù)時間整體上隨質(zhì)量增大而變短.

圖7所示為光輻射采集過程示意圖.實際上,在不考慮箍縮效應(yīng)的情況下, 測量得到的光輻射功率/強度受到等離子體通道膨脹速率與等離子體狀態(tài)的影響.一方面, 電離階段T5通道膨脹使得更多的光進入光電探頭, 造成測得的光強升高; 另一方面, 等離子體階段T6通道膨脹變緩后, 能量注入不同導(dǎo)致等離子體狀態(tài)與分布不同, 造成光強不同.對于單根金屬絲(圖6(a)), 隨著金屬絲直徑增加, 氣化、電離后形成的放電通道越粗(探頭進光量增加), 表現(xiàn)為光輻射強度峰值的升高(50—300μm), 另一方面, 金屬絲直徑的增加將使更多能量用于相變, 最終使得等離子體發(fā)展不充分, 表現(xiàn)為光輻射強度的降低(400 μm).對于金屬絲陣(圖6(b)), 金屬絲的根數(shù)增加能夠提升進光量, 有利于提高光輻射強度, 但是絲陣負載質(zhì)量/根數(shù)增加時, 絲陣中平均每根絲的沉積能量減少, 也使得等離子體發(fā)展不充分, 最終呈現(xiàn)光輻射強度先上升后下降的趨勢.

圖7 光輻射信號采集示意圖Fig.7.Acquisition process of light radiation.

3.4 相同質(zhì)量下單絲與絲陣負載的比較

直徑為 200, 300, 400 μm 的單絲負載分別對應(yīng)質(zhì)量相同的4根、9根、16根絲陣負載, 其質(zhì)量分別為 5.59, 12.51, 22.35 mg.質(zhì)量相同情況下, 兩種形式負載的放電參數(shù)比較見圖8.

由電壓、電流、電功率峰值出現(xiàn)先后順序可以看到, 絲陣電爆炸明顯早于相同質(zhì)量下的單絲電爆炸, 這可能是因為相同質(zhì)量時, 相較單絲負載, 絲陣負載構(gòu)型能夠有效地增大比表面積有利于相變過程的發(fā)生, 加快電爆炸過程; 此外, 絲陣負載電爆炸電壓峰、電功率峰半高寬均窄于同質(zhì)量下的單絲負載, 說明絲陣負載電爆炸擁有更快的氣化以及電離擊穿過程, 且絲陣負載電爆炸功率峰值高于單絲負載, 說明絲陣負載電爆炸T4和T5階段具有更高的能量沉積速率.從電爆炸光輻射波形中可以看出, 絲陣負載電爆炸光輻射幅值遠高于單絲負載, 對于三次質(zhì)量相同情況, 絲陣光輻射峰值分別比單絲高約28%, 49%和52%, 這也說明了相同儲能、相同質(zhì)量下, 兩種不同形式負載經(jīng)歷的電爆炸過程有明顯差異.

圖8 相同質(zhì)量時單絲負載與絲陣負載的參數(shù)比較 (a)電壓; (b) 電流; (c)電功率; (d)光輻射; (e) 電阻Fig.8.Parameter comparison of copper single wire and wire array with the same mass: (a) Voltage; (b) electric current; (c) power;(d) light radiation; (e) resistance.

相同質(zhì)量下, 金屬單絲與絲陣負載放電電流差異不大(單絲200 μm情況下氣化前電流上升速率略低于絲陣4根情況), 這表明氣化前金屬絲能量注入速率基本只由放電負載的電阻值決定.從電阻圖 (圖8(e))中可以看出, 質(zhì)量 5.59 和 12.51 mg時, 絲陣負載氣化前電阻略高于單絲負載, 但相差不大, 而在質(zhì)量 22.35 mg 時, 單絲負載氣化前電阻則高于絲陣負載, 這說明單絲負載氣化前能量注入速率與絲陣負載相差不大, 甚至在質(zhì)量大時略高于絲陣負載, 但絲陣電爆炸相變(氣化、電離)仍快于單絲電爆炸且持續(xù)時間短, 在質(zhì)量大時這種現(xiàn)象尤為明顯.此外, 根據(jù)之前實驗結(jié)果[2], 在固定儲能、改變電流上升速率 (7.7 A/ns至 66.1 A/ns)時發(fā)現(xiàn), 不同能量注入速率對電壓峰波形有一定影響(電壓峰半高寬由 0.18 μs降至 0.11 μs), 但不如文中改變負載形式的作用效果明顯.從目前實驗結(jié)果看能量注入速率應(yīng)該不是單絲與絲陣相變過程差異的主要原因.莫斯科物理技術(shù)學院的Tkachenko與烏克蘭科學院脈沖研究與工程研究所的Kuskova 等[33?35]提出的相變波理論指出, 電爆炸相變過程并非均勻發(fā)展, 而是從絲表面向內(nèi)發(fā)展.由于絲爆的相變過程是脈沖電流通過金屬絲時產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)所致, 若金屬絲相變過程從外向內(nèi)發(fā)展, 那么更大的比表面積可能會對相變進程起到一定程度的促進作用.后續(xù)會進行更細致的工作探究比表面積對電爆炸的影響機制.

圖9分別給出了電壓崩前E和電流第一個過零點前E’的沉積能量[36]與每個原子沉積能量隨質(zhì)量的變化規(guī)律, 并標出了三次質(zhì)量相同點.圖中藍色虛線為大氣壓下將銅金屬從室溫298.15 K加熱至沸點并完全氣化所需的能量, 即392.2 kJ/mol,用Esg表示.

圖9 單絲負載與絲陣負載沉積能量隨質(zhì)量變化規(guī)律 (a) 電壓崩前沉積能量; (b) 電流第一個過零點前沉積能量Fig.9.Deposited energy of copper single wire and wire array with mass varying: (a) Deposited energy before voltage collapse;(b) deposited energy before the current first crosses zero.

表3 質(zhì)量相同時單絲負載與絲陣負載沉積能量數(shù)值表Table 3.The value of deposited energy of copper single wire and wire array with the same mass.

單絲負載與絲陣負載電壓崩前沉積能量均隨質(zhì)量增大而增加, 但增加速率明顯減小.單絲負載每個原子沉積能量先隨質(zhì)量增大而增加, 至3.14 mg(直徑150 μm)后減小, 而絲陣負載隨質(zhì)量增大整體呈下降趨勢.對于第一個電流過零點前沉積能量, 兩種形式負載均隨質(zhì)量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢, 每個原子沉積能量均不斷減少.這說明當固定系統(tǒng)儲能不變時, 質(zhì)量增大只能在一定范圍內(nèi)對沉積能量的增加起作用.此外, 可以看到單絲直徑400 μm與絲陣16根情況時, 電流第一個過零點前沉積能量已經(jīng)略低于銅金屬完全氣化所需的能量, 這可能是造成放電參數(shù)相較其他參數(shù)出現(xiàn)明顯差異的原因.

從圖9中標記區(qū)域可以看出, 質(zhì)量相同時, 無論是電壓崩前沉積能量還是電流第一個過零點前沉積能量, 單絲負載均高于絲陣負載, 具體數(shù)值見表3.這可能是因為絲陣負載中每根絲的均勻性存在差異, 致使每根絲經(jīng)歷了不同的電爆炸過程.爆炸前期存在著一種電流的自穩(wěn)定性效應(yīng), 即某根絲或某幾根絲受熱過多提前進入氣化階段, 致使電阻增大, 大部分電流自動轉(zhuǎn)移至相變較晚的絲中, 一旦某根絲或某幾根絲電極之間電壓與通道條件足以形成放電通道則會短路其他絲, 從而使能量以振蕩的形式消耗掉而不能有效地沉積到每一根絲中.此外, 絲陣負載功率峰值雖大于同質(zhì)量下的單絲負載, 但作用時間短, 尤其是在大質(zhì)量時更為明顯,這可能也是同質(zhì)量下絲陣負載沉積能量低于單絲負載的原因.

4 結(jié) 論

本文對微秒尺度下相同儲能, 不同質(zhì)量下的銅單絲負載以及銅絲陣負載的電參數(shù)、光輻射和沉積能量隨質(zhì)量變化的特性開展了研究.實驗表明, 單絲負載電爆炸隨質(zhì)量(直徑)增加, 整個電爆炸過程延后, 表現(xiàn)為電壓峰、電流第一個峰出現(xiàn)時間推遲; 金屬絲氣化與電離、擊穿過程持續(xù)時間增長,表現(xiàn)為電壓峰半高寬增大; 電爆炸沉積能量隨質(zhì)量增大而增多, 但質(zhì)量增加到一定值時沉積能量反而減小, 且電參數(shù)與光輻射均發(fā)生突變(文中為單絲直徑 400 μm情況).對于絲陣負載電爆炸, 隨質(zhì)量(根數(shù))增加, 電爆炸過程同樣發(fā)生推遲, 但電爆炸過程中金屬絲氣化與電離、擊穿持續(xù)時間基本不隨質(zhì)量增大而發(fā)生變化, 穩(wěn)定保持在 0.11 ± 0.01 μs,基本等同于直徑100 μm單絲電爆炸氣化與電離、擊穿持續(xù)時間; 絲陣負載電爆炸沉積能量隨質(zhì)量增大先增加后趨于穩(wěn)定, 但在質(zhì)量增至一定值時同樣發(fā)生突變而減小(文中為絲陣16根情況).對比單絲負載與絲陣負載隨質(zhì)量變化時的光輻射特性發(fā)現(xiàn), 單絲電爆炸隨質(zhì)量增大, 光輻射峰值不斷增高,但絲陣電爆炸光輻射峰值則呈現(xiàn)先增高后不變, 再減小的趨勢, 此外, 絲陣電爆炸光輻射持續(xù)時間隨質(zhì)量增大而變短.

比較相同質(zhì)量下的單絲負載與絲陣負載發(fā)現(xiàn),絲陣電爆炸相變進程早于單絲電爆炸, 且氣化及電離、擊穿過程持續(xù)時間短, 這可能是由于絲陣負載相較單絲負載有更大的比表面積所致.此外, 絲陣電爆炸相較單絲電爆炸擁有更優(yōu)越的光輻射性質(zhì),文中絲陣電爆炸光輻射比三次同質(zhì)量下單絲電爆炸分別強約28%, 49%和52%.但絲陣負載電爆炸無論是電壓崩前沉積能量還是電流第一個過零點前沉積能量均低于單絲電爆炸.后續(xù)將進行近一步深入的研究.

感謝清華大學王新新教授、西北核技術(shù)研究院張永民教授在工作開展過程中的指導(dǎo)以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織吳佳瑋博士在討論部分提供的幫助.