一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓縮科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研宄領(lǐng)域，具體是指一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器(以下簡稱MC-1)是利用炸藥爆炸驅(qū)動金屬套筒壓縮其空腔內(nèi)的初始磁通量，將炸藥化學(xué)能轉(zhuǎn)化為磁場能，使之在軸線附近體積內(nèi)聚積，形成超強(qiáng)磁場，并對其中的樣品靶實(shí)現(xiàn)等熵壓縮。國際上從事這方面研宄的國家主要有俄羅斯和美國等少數(shù)國家，國內(nèi)只有中國工程物理研宄院流體物理研宄所在從事相關(guān)技術(shù)和方法研宄。
[0003]目前，國際上在利用MC-1開展等熵壓縮材料物理實(shí)驗(yàn)時，主要是利用閃光照相技術(shù)實(shí)現(xiàn)對材料壓縮狀態(tài)的動態(tài)觀測(陰影照相，類似醫(yī)院的X光照片)，配合磁流體動力學(xué)編碼最終獲得材料壓縮狀態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種研宄方法，一方面，對實(shí)驗(yàn)條件要求較高:實(shí)現(xiàn)高能、高分辨率的閃光照相技術(shù)極為困難；另一方面，考慮到裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及運(yùn)動模糊等多方面因素，利用閃光照相方法獲得的數(shù)據(jù)精度是極為有限的。另外，由于樣品是密封在金屬腔體內(nèi)，受到閃光照相原理的局限，這種測試方法只能分辨與腔體材料密度反差大的材料，如氣體材料等。而對于與腔體材料密度反差不大的材料，如密封在金屬腔體中的另一種金屬材料，由于密度相近，其界面難以分辨。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，解決目前MC-1等熵壓縮物理實(shí)驗(yàn)存在的精度低、樣品材料受局限的問題。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置，包括柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器，柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器包括一個金屬筒體，金屬筒體的外側(cè)對稱設(shè)置有兩個固定的線圈，在兩個線圈之間有一個炸藥環(huán)，炸藥環(huán)外側(cè)設(shè)置有同步起爆網(wǎng)絡(luò)，在金屬套筒的內(nèi)部設(shè)置有柱面等熵壓縮靶，在柱面等熵壓縮靶的內(nèi)部安裝有激光測速探頭。目前，國際上主要是利用閃光照相的辦法對樣品壓縮的狀態(tài)進(jìn)行測量，其工作原理類似醫(yī)院的X光照片，是利用靶區(qū)不同材料對X光的吸收不同，在照片上得到樣品區(qū)的壓縮圖像，從而得到樣品的壓縮度等數(shù)據(jù)，再通過磁流體力學(xué)模擬，最終得到材料的壓縮狀態(tài)。這種方法很難獲得高精度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如俄羅斯實(shí)驗(yàn)物理研宄院利用大型閃光裝置Betatron，其分辨率達(dá)到亞毫米量級，達(dá)到世界一流水平，開展MC-1等熵壓縮氫及氘材料閃光照相，其獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度也僅約為20%，仍然達(dá)不到精密物理實(shí)驗(yàn)的需要。另外，目前利用閃光照相開展MC-1等熵壓縮物理實(shí)驗(yàn)時樣品材料嚴(yán)重受限。由于MC-1實(shí)驗(yàn)中樣品腔體材料必須為金屬材料，否則無法產(chǎn)生磁壓力，其腔內(nèi)待測材料如果為氣體類低密度材料，則與腔體材料密度差異較大，容易在閃光照相圖像上分辯；而如果是與腔體類似密度材料，則幾乎無法在閃光圖像上分辯。因此，目前國際上利用閃光照相開展MC-1等熵壓縮物理實(shí)驗(yàn)時幾乎全部是針對氣體類材料。而本發(fā)明方法改變了現(xiàn)有的測量方法，設(shè)計了筒狀樣品靶結(jié)構(gòu)，分為標(biāo)準(zhǔn)材料區(qū)及待測材料區(qū)，將MC-1裝置磁場分布設(shè)計為嚴(yán)格對稱，筒狀樣品靶也需嚴(yán)格對稱安裝，則標(biāo)準(zhǔn)材料區(qū)及待測材料區(qū)加載面壓力可以保證相等。利用激光干涉測速技術(shù)同時獲得標(biāo)準(zhǔn)材料及待測材料區(qū)兩個測量點(diǎn)的自由面速度，利用獲得的標(biāo)準(zhǔn)材料自由面速度數(shù)據(jù)，通過流體力學(xué)程序，能夠得到標(biāo)準(zhǔn)材料加載面的壓力歷史，也就得到被測材料處的加載面壓力歷史，再利用獲得的待測材料自由面速度數(shù)據(jù)，通過磁流體力學(xué)程序數(shù)值模擬、就可以最終得到待測材料的壓縮狀態(tài)。本發(fā)明通過設(shè)計新型的筒狀等熵壓縮靶改變了目前技術(shù)測量材料壓縮度的方法，不需要復(fù)雜的閃光照相裝置，大大降低了測量的技術(shù)難度，也降低了設(shè)備的費(fèi)用；發(fā)明中涉及的激光測速技術(shù)是目前壓縮科學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)測試技術(shù)，技術(shù)成熟、可靠，測試精度可達(dá)1_2%，從而大大提高了測量數(shù)據(jù)的精度。
[0006]兩個激光測速探頭分別對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)、待測材料區(qū)，且兩個激光測速探頭的測量點(diǎn)關(guān)于準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)與待測材料區(qū)的分界面成對稱分布。利用獲得的標(biāo)準(zhǔn)材料自由面速度數(shù)據(jù)，通過流體力學(xué)程序，能夠得到標(biāo)準(zhǔn)材料加載面的壓力歷史，也就得到被測材料處的加載面壓力歷史，再利用獲得的待測材料自由面速度數(shù)據(jù)，通過磁流體力學(xué)程序數(shù)值模擬、就可以最終得到待測材料的壓縮狀態(tài)。為了適用于不同種類材料的實(shí)驗(yàn)，測量材料段的結(jié)構(gòu)有兩種:
第一種:所述的待測材料區(qū)為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)層為待測量的固體樣品，外層與標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)為相同材料制成的一體結(jié)構(gòu)。
[0007]第二種:所述的待測材料區(qū)為三層依次套裝的結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)層為性質(zhì)已知的材料制成的基礎(chǔ)層，外層與標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)為相同材料制成的一體結(jié)構(gòu)，中間層為待測的氣體、液體、或固體材料。
[0008]這兩種結(jié)構(gòu)的柱面等熵壓縮靶適用于不同的被測材料，根據(jù)被測材料的類型可以準(zhǔn)確地選用不同的結(jié)構(gòu)，從而大大地擴(kuò)展了被測材料的總類。
[0009]以金屬筒體的體心所在徑向面為對稱面，所述兩個線圈、標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)與待測材料區(qū)、以及兩個激光測速探頭測點(diǎn)位置均關(guān)于該對稱面呈對稱分布。這樣柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器裝置內(nèi)磁場分布完全對稱，待測樣品處加載壓力就能夠與標(biāo)準(zhǔn)材料區(qū)保持一致。
[0010]一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟:
(a)布置樣品:以金屬筒體的體心所在徑向面為對稱面，將柱面等熵壓縮靶放置在金屬筒體的軸線上，標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)與待測材料區(qū)關(guān)于該對稱面呈對稱分布；將兩個激光測速探頭在金屬筒體的軸線上分別對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)與待測材料區(qū)，兩個激光測速探頭的測量點(diǎn)關(guān)于該對稱面呈對稱分布；
(b)柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器的兩個線圈通電，在金屬套筒內(nèi)部建立初始磁場；
(C)當(dāng)初始磁場的強(qiáng)度達(dá)到最大值時，利用同步起爆網(wǎng)絡(luò)引爆炸藥環(huán)，驅(qū)動金屬套筒壓縮內(nèi)部磁場，磁場對其中的柱面等熵壓縮靶施加磁壓力；
Cd)兩個激光測速探頭分別測量并獲得標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)與待測材料區(qū)的自由面速度歷史；
(e)數(shù)據(jù)處理:首先由測量得到的標(biāo)準(zhǔn)材料的自由面速度歷史，配合流體動力學(xué)編碼，得到標(biāo)準(zhǔn)金屬材料區(qū)加載面處的加載壓力歷史；
Cf)由實(shí)驗(yàn)測得的待測材料區(qū)的自由面速度歷史與加載面壓力歷史，通過磁流體力學(xué)數(shù)值模擬，最終獲得待測材料的壓縮狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0011]本發(fā)明還提供了一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)方法，利用本發(fā)明的裝置進(jìn)行上述步驟的操作，可以根據(jù)被測材料的種類來選取不同的柱面等熵壓縮靶，從而實(shí)現(xiàn)等熵壓縮，利用激光測速技術(shù)進(jìn)行自由面速度的測量可以大大降低測量的困難度，現(xiàn)有技術(shù)是利用閃光X光對位于裝置中心的樣品靶區(qū)進(jìn)行透視照相，由于柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樣品區(qū)尺寸較小等因素，這里對閃光照相技術(shù)要求極高，技術(shù)難度極大并且需要龐大的人力、物力等支持，即便具備閃光照相技術(shù)，數(shù)據(jù)精度也難以達(dá)到精密實(shí)驗(yàn)的要求。本發(fā)明利用柱面內(nèi)爆磁通量壓縮發(fā)生器內(nèi)磁場對稱分布的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地將靶區(qū)設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)材料區(qū)與待測材料區(qū)兩部分，兩區(qū)高度相同；靶區(qū)安裝時，標(biāo)準(zhǔn)材料區(qū)與待測材料區(qū)兩部分的分界面應(yīng)與上下線圈等距；上下兩個激光測速探頭測點(diǎn)同樣應(yīng)距離分界面等距；這樣待測樣品處加載壓力就能夠與標(biāo)準(zhǔn)材料處保持一致，另外，本發(fā)明巧妙地設(shè)計了筒狀靶結(jié)構(gòu)，利用高精度激光干涉測速技術(shù)即激光測速探頭測量材料內(nèi)部自由面速度，作為表征材料動態(tài)響應(yīng)的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過磁流體動力學(xué)編碼的正反迭代計算，能夠最終得到待測材料的壓縮狀態(tài)。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
I本發(fā)明一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，能夠有效提升數(shù)據(jù)精度，閃光照相方法受制與多種因素局限，包括閃光機(jī)光斑、MC-1裝置復(fù)雜、靶區(qū)尺寸小、運(yùn)動模糊等因素，數(shù)據(jù)精度有限；而本發(fā)明中采用的激光干涉測速技術(shù)是目前沖擊動力學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的高精度測試技術(shù)，數(shù)據(jù)精度能夠提高5-10倍；
2本發(fā)明一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，能夠大大拓展研宄材料的種類和范圍，受制于測試原理的局限，目前的MC-1加載閃光照相實(shí)驗(yàn)只能針對氣體類低密度材料，研宄范圍極其有限，利用本發(fā)明方法樣品材料不受任何局限；
3本發(fā)明一種柱面等熵壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，大大降低測試成本及難度，目前MC-1加載柱面等熵壓縮需要的閃光照相裝置要求具備高能量、高分辨率性能，目前國內(nèi)類似裝置尚達(dá)不到技術(shù)要求，而且這類裝置造價極高，一般約為數(shù)千萬至數(shù)億元人民幣；本發(fā)明利用目前沖擊動力學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)測試技術(shù)一激光干涉測速技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，整套設(shè)備成本僅約數(shù)萬元人民幣，而且操作簡單，可靠，十分方便。
【附圖說明】
[0013]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的半剖結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1中柱面等熵