磁驅(qū)動(dòng)平面加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其在高壓物態(tài)方程研究中的應(yīng)用.pdf

1、隨著近20年來脈沖功率技術(shù)的快速發(fā)展，磁驅(qū)動(dòng)平面加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)已逐漸成為材料超高壓動(dòng)態(tài)特性研究的重要手段。目前主要采用n型平行電極板結(jié)構(gòu)，脈沖電流沿相反方向同時(shí)流經(jīng)兩個(gè)電極板，一個(gè)電極板平面上電流產(chǎn)生的磁場與另外一個(gè)電極平面上的電流相互作用產(chǎn)生平滑上升的磁壓力。作為介于準(zhǔn)靜態(tài)加載和沖擊加載的新型實(shí)驗(yàn)手段，它能同時(shí)加載多個(gè)樣品或飛片，一發(fā)實(shí)驗(yàn)可提供樣品從數(shù)十kbar到數(shù)Mbar的準(zhǔn)等熵參考線，發(fā)射宏觀鋁飛片的速度已達(dá)到45km/s。磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)

2、等熵加載下的材料響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)于校驗(yàn)材料本構(gòu)模型和狀態(tài)方程至關(guān)重要，在材料動(dòng)力學(xué)特性、武器物理、高能量密度物理和天體物理等方面也具有重要的應(yīng)用前景。
　　應(yīng)用磁驅(qū)動(dòng)平面加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)，要獲取更有應(yīng)用價(jià)值的高壓物態(tài)方程數(shù)據(jù)，基于裝置特性提高加載能力和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性顯得尤為重要。準(zhǔn)等熵加載獲取的偏離Hugoniot數(shù)據(jù)對(duì)于校驗(yàn)狀態(tài)方程的合理性至關(guān)重要，數(shù)據(jù)的不確定度決定了它的有效性和應(yīng)用范圍。從多個(gè)方面降低獲取數(shù)據(jù)的不確定度是現(xiàn)在磁驅(qū)動(dòng)

3、加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到材料狀態(tài)方程研究的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要從負(fù)載區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電流波形調(diào)節(jié)技術(shù)、多項(xiàng)診斷技術(shù)耦合研究、磁驅(qū)動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)狀態(tài)數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)處理方法和應(yīng)用等方面入手，分析實(shí)驗(yàn)和處理方法中可能存在的不確定度來源，逐步開展從模擬到設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)診斷到分析、裝置加載能力到應(yīng)用的相關(guān)研究，形成可為高壓物態(tài)方程研究提供高精度參考數(shù)據(jù)的磁驅(qū)動(dòng)平面加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
　　本文主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)磁驅(qū)動(dòng)加載負(fù)載區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　通

4、過開展負(fù)載區(qū)靜態(tài)磁場分布模擬，由初始構(gòu)型的磁場分布通過迭代計(jì)算逐步給出優(yōu)化的負(fù)載區(qū)構(gòu)型參數(shù)，以滿足磁驅(qū)動(dòng)加載平面性、均勻性和同步性的要求。其中，磁驅(qū)動(dòng)加載的均勻性和同步性是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不確定度的主要來源。
　　(2)電流波形調(diào)節(jié)技術(shù)研究
　　首先，根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的要求，參考相關(guān)電極和樣品材料的SESAME數(shù)據(jù)庫狀態(tài)方程數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)需求下的理想電流波形。再通過包含負(fù)載耦合的裝置全電路模型開展多支路脈沖功率發(fā)生器的計(jì)算分析并確定

5、相應(yīng)的匯流方案，實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)動(dòng)電流的波形優(yōu)化和調(diào)節(jié)，以獲取高精度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　(3)多項(xiàng)診斷技術(shù)耦合研究
　　為獲取超強(qiáng)磁場、超高壓加載下的實(shí)驗(yàn)信息，除開展負(fù)載電流波形測量外，還將通過無接觸測量技術(shù)開展樣品速度-時(shí)間歷史等波剖面信息測量，通過全光纖多普勒位移測量技術(shù)(DPS)、光波-微波混頻速度測量技術(shù)(OMV)、任意反射面位移干涉測速系統(tǒng)(DISAR)和線VISAR成像技術(shù)開展相關(guān)診斷。另外，為耦合診斷獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還將

6、通過時(shí)序控制將其關(guān)聯(lián)起來。
　　(4)磁驅(qū)動(dòng)平面加載實(shí)驗(yàn)狀態(tài)數(shù)值模擬
　　分別結(jié)合裝置等效電路模型和磁驅(qū)動(dòng)平面加載狀態(tài)模擬方法，開展不同裝置和負(fù)載結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)加載狀態(tài)模擬。從而計(jì)算負(fù)載電極和樣品中的壓力、密度和粒子速度等物理參量的計(jì)算，預(yù)估分析實(shí)驗(yàn)加載狀態(tài)，以指導(dǎo)各種應(yīng)用方向的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（高速飛片發(fā)射、磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵壓縮特性研究等）。另外，比較模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)校驗(yàn)和修正了模擬程序，形成了可指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)

7、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)加載狀態(tài)模擬方法，確保磁驅(qū)動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)的順利開展。
　　(5)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
　　數(shù)據(jù)處理主要包括由實(shí)驗(yàn)測量速度干涉信號(hào)到速度歷史的處理、波剖面信息到材料狀態(tài)方程信息的計(jì)算等。本文著重于數(shù)據(jù)處理方法、負(fù)載加工、參量測量等方面帶來的不確定度分析，并通過改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)獲取狀態(tài)方程數(shù)據(jù)的不確定度初步滿足狀態(tài)方程模型的校驗(yàn)需求。
　　(6)應(yīng)用于高壓物態(tài)方程研究
　　基于裝置的輸出特性，開展了超高速飛片發(fā)射實(shí)驗(yàn)

8、設(shè)計(jì)，發(fā)射尺寸φ10mm×0.725 mm的Ly12鋁飛片速度達(dá)到11.5 km/s以上。另外，開展了LiF窗口材料在準(zhǔn)等熵壓縮下的光學(xué)特性研究，標(biāo)定了LiF窗口材料直到50 GPa準(zhǔn)等熵壓力下的折射率系數(shù)和界面速度修正因子。從而開展了樣品/LiF窗口界面的速度歷史測量，初步獲取了鋁和鉭的準(zhǔn)等熵壓縮參考線。
　　本文基于裝置輸出特性，開展磁驅(qū)動(dòng)平面加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，形成了一套負(fù)載結(jié)構(gòu)、電極和樣品尺寸及電流波形的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)