高能密度物理实验装置FP-1及其应用
高能物理中的加速器科学及其应用
高能物理中的加速器科学及其应用高能物理是研究宇宙与物质本质的学科，而加速器是高能物理实验中最重要的工具之一。
加速器可以加速高能粒子，使其速度接近光速，进而产生高能粒子撞击实验目标，探索物质本质的奥秘。
本文将从加速器的发展历程、加速器的构造及其应用展开，探讨高能物理中的加速器科学及其应用。
一、加速器的发展历程加速器的发展历程可以追溯到20世纪初，最早的加速器是阴极射线管，用来产生电子束。
1909年，欧内斯特·卢瑟福发现了原子的结构中包含正电荷质子的概念。
随后，他提出了原子核的结构，并开创了粒子加速器的研究。
20世纪40年代，人们成功研制出了质子加速器，实现了质子的加速。
50年代初，人们发明了线性加速器，可以将质子加速到更高的能量。
50年代中期，建造了第一台环形加速器——双子座环形加速器。
60年代，建造了欧洲核子研究组织（CERN）的中心环形加速器（译注：也称超导反质子环形加速器），取得了很多重要发现，并证实存在Higgs玻色子。
此后，加速器的种类和能量都不断扩展，例如对撞机、同步加速器、超高能加速器等。
二、加速器的构造加速器可分为线性加速器和环形加速器两种类型。
线性加速器是加速器中能量最高的类型，通常被用于对撞实验。
环形加速器是加速器中最常见的类型，而且可以达到极高的能量，并被广泛应用于粒子物理等领域。
环形加速器分为同步加速器和反向直线同步器（synchrotron）两种。
同步加速器是一种特殊的环形加速器，也称为同步加速器环，由一个或多个脱离的环组成。
被加速粒子必须沿着环的轨道运动，这个轨道由电磁铁产生的强磁场控制。
此外，电子储存环、正负电子对撞机、末端保持环以及单光子源也是加速器的常见类型。
三、加速器在高能物理中的应用1. 发现基本粒子：加速器是高能物理研究的重要工具之一。
通过相互碰撞，加速器会产生许多基本粒子并对其进行研究。
放射性衰变、电离作用、高温高压以及宇宙辐射都可以产生基本粒子。
高考化学必备实验装置和仪器掌握常见实验装置的用途和原理
高考化学必备实验装置和仪器掌握常见实验装置的用途和原理实验是化学学习中不可或缺的一部分，通过实验可以增加学生对化学知识的理解和掌握。
在高考化学考试中，实验装置和仪器的使用十分重要。
本文将介绍高考化学中必备的实验装置和仪器，并详细解释它们的用途和原理。
一、滴定管滴定管是一种常见的实验器具，用于滴定实验。
滴定是化学分析中常用的定量分析方法，通过加入已知浓度的试剂，从而确定待测物质的浓度。
滴定管主要由玻璃制成，上部为乳胶橡胶头，下部精确刻度。
滴定管的用途是以滴定的方式加入试剂，通过观察颜色变化或指示剂的变化，确定滴定终点。
二、燃烧烧杯燃烧烧杯是一种用于燃烧实验的器具，常用于测定物质的燃烧性质和分析有机物中的碳、氢等元素。
燃烧烧杯通常由陶瓷或石英制成，具有较强的耐热性能。
它的主要原理是将待测物质放入燃烧烧杯中，在烧杯底部加热的条件下，使其中的物质发生燃烧反应，通过燃烧产生的气体、灰烬等进行分析。
三、酒精灯酒精灯是一种常见的实验加热装置，主要用于提供稳定的热源。
它由酒精燃烧器和灯芯组成，可以调节火焰大小。
酒精灯的原理是将酒精喷入燃烧器中，通过点燃酒精产生的淡蓝色火焰来提供热源。
四、分液漏斗分液漏斗是一种用于液体分离和提取的实验器具。
它通常由玻璃制成，具有锥形的下部和长颈管。
分液漏斗的主要原理是通过溶液的密度差异，在斜角状态下将两种不相溶的液体分离。
通过控制分液漏斗的滴流速度和倾斜角度，可以有效地将不同液体分离。
五、恒温水浴器恒温水浴器是一种用于保持实验中恒定温度的装置。
它由一个恒温槽和加热装置组成，可通过控制加热装置的温度来控制水温。
恒温水浴器的原理是通过加热装置对水进行加热，并通过传热使水保持恒温。
六、显微镜显微镜是一种用于观察微观结构和粒子的仪器。
它通过光学系统对被观察物体进行放大和放映。
显微镜的原理是利用凸透镜或反射镜将光线聚焦在物体表面上，然后通过透镜进入目镜，形成放大的图像。
通过调节目镜和物镜的焦距，可以控制放大倍率和清晰度。
现代科学技术-概论试卷
一、单项选择题1、大爆炸宇宙理论的提出者是美国物理学家（ A ） A.伽莫夫 B.弗里德曼 C.哈勃 D.威尔逊2、最早发明60进制计算系统的国家是（ D ） A．古中国 B．古印度 C．古埃及 D．古巴比伦3、集希腊古典数学之大成的《几何原本》作者是（B） A、阿喀琉斯 B、欧几里得 C、阿基米德 D、阿波罗尼4、《伤寒杂病论》的作者是中国医圣（ A ） A.张仲景 B.李时珍 C.华陀 D. 孙思邈5、《人体的构造》一书的作者（ A ） A．维萨里 B．哈维 C．塞尔维特 D．达芬奇6、使地心说成为一套完整的严密的理论体系的科学家是（ B ） A.亚里士多德 B.托勒密 C.哥白尼 D.泰勒斯7、电磁感应定律的发现者是（ B ） A．伏打 B．法拉第 C．奥斯特 D．伽伐尼8、英国医生( B )首先发现了植物细胞的细胞核。
A．施莱登 B. 布朗 C. 艾弗里 D.施旺9、生物分类学的代表人物是 ( A ) A．林耐 B．拉马克 C．施莱登 D．达尔文10、最先把机体分为内环境和外环境，内环境还是能够保持恒定的学者是( B ) A．马让迪B．贝尔纳C．桑克托留斯D．格列森11、《海陆的起源》一书的作者是（ A ）A．魏格纳B．达尔文C．丹纳D．博蒙12、发现了遗传的连锁与交换定律的科学家是（ B ）A．艾弗里B．摩尔根C．孟德尔D．德佛里斯13、达尔文生物进化学说的中心内容是（ B ）A．用进废退学说B．自然选择学说C．过度繁殖学说D．生存斗争学说14、分子生物学诞生的标志DNA双螺旋结构模型建立的时间是（ B ）A．1950 B．1953 C．1956 D．194815、生物技术的核心是（D ） A.细胞工程； B.酶工程； C.发酵工程； D.基因工程二、多项选择题（将正确答案的字母填入后面的括号中，每题2分，共10分，多选、错选、漏选都不给分1、现代科学的五大基本模型包括（ ABCDE ） A.宇宙演化的热大爆炸模型 B.粒子物理的标准模型 C.遗传物质DNA双螺旋结构模型 D.智力活动的图灵计算模型 E.地壳构造的板块模型2、技术的基本特征包括（ ABC ） A.中介性 B.自然属性 C.社会属性 D.解释性 E.探索性3、英国物理学家开尔文说道：“只是在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。
高中化学用到的四十种实验仪器完整介绍
高中化学用到的四十种实验仪器完整介绍高中化学实验课程是培养学生化学素养的重要环节。
在实验中，学生能够亲身体验化学实验的整个过程，探究化学规律，培养实验技能和实验操作的安全性。
高中化学实验课程需要使用许多实验仪器，以下是四十种常用的实验仪器以及使用和注意事项的介绍。
一、热学类1. 燃烧器：燃烧器是一种利用可燃气体进行燃烧的装置，可用于实验室示范或进行瓶装气体的加压。
使用方法：将瓶装气体接入燃烧器，打开燃气开关，并用点火装置点燃即可。
注意事项：使用时应保证周围没有易燃物品，避免发生火灾等危险。
2. 隔水加热器：隔水加热器可将容器中的液体进行沸腾加热，用于进行反应、加热固体和升华物质等操作。
使用方法：将隔水加热器与充水瓶连接，将加热器置于加热板上，将容器装入加热器中，加入适量的水或其他介质，通过加热板加热即可。
注意事项：使用时应注意加热过程中液面不能过高，避免加热过度和发生危险。
3. 加热板：加热板是一种用电加热的装置，可将实验容器加热到所需温度，用于进行物质的升华、溶解、热分解等操作。
使用方法：将加热板与电源相连接，将容器放置在加热板上，调节温度控制器以达到所需温度。
注意事项：使用时应注意温度控制不要过高，避免发生危险。
4. 烘箱：烘箱是一种用电或气体加热的装置，可对物质进行干燥和加热处理，用于实验中获得某些物质的晶体、晶体水或干燥物质。
使用方法：将待处理的物质放置在烘箱中，设定加热温度和时间，启动烘干装置即可。
注意事项：使用时应注意烘干过程中温度不要过高，避免发生火灾等危险。
二、分析类5. 台秤：台秤是一种用来称量物质重量的装置，精度较高，常用于定量分析等实验中。
使用方法：将待称量物质放在秤盘上，调整秤钩位置，读取秤盘所示的质量数值即可。
注意事项：使用时应注意秤盘的清洁和精度，避免影响实验结果。
6. 滴定管：滴定管是一种测定滴定液用量的装置，常用于酸碱滴定等反应中。
使用方法：将滴定管插入试剂瓶中，拔起活塞吸取一定量的试剂液，再慢慢将试剂液滴加到反应容器中直到反应终点。
中国科学院高能物理研究所
中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”）成立于1973年，是中国科学院下属的研究所之一，也是我国最大、最强的高能物理研究机构之一。
高能所的主要研究领域包括：高能物理、暗物质研究、核物理与强相互作用、加速器物理与技术、粒子探测技术、计算物理等。
高能所的历史可以追溯到上世纪五六十年代初期，那时候我国的学者们就开始接触和研究欧美的高能物理。
1964年，我国第一台高能物理实验室在北京大学成立，标志着我国高能物理的研究正式开始。
在之后的十几年时间里，我国高能物理研究的水平和领域不断拓展，1980年，高能所正式成立。
经过近50年的发展，高能所已经成为我国高能物理研究的重要基地，吸引了大量国内外优秀的科学家和研究生前来学习和研究。
高能所的主要研究方向是高能物理，这是现代物理学的一个重要分支。
高能所拥有一系列重要的高能物理实验装置，如中国大型科学装置——“北京顶点态电子-正电子对撞机”（以下简称“BEPC”）和“北京同步辐射装置”（以下简称“BSRF”），以及“Daya Bay”中微子实验等。
这些实验装置在高能物理、暗物质研究以及加速器物理等方面都取得了重要的成果。
高能所还致力于暗物质研究，这是现代天体物理学和粒子物理学中的热门问题之一。
高能所参与了许多暗物质探测实验，如“南极冰层下中微子天文台”（以下简称“IceCube”），该实验曾在南极发现了来自外太空的高能中微子信号，对暗物质研究做出了重要贡献。
此外，高能所还涉及核物理与强相互作用、粒子探测技术、计算物理等领域的研究。
在这些方面，高能所也多次取得了国际领先的成果。
高能所在人才培养方面也有着重要的作用。
高能所设立了研究生教育中心，每年都会吸引大量国内外的优秀研究生前来学习和研究。
同时，高能所还与国内外许多大学和科研机构开展合作，共同推动高能物理领域的发展。
未来，高能所将继续致力于高能物理研究的前沿问题，开展更加深入的暗物质研究，并继续在加速器物理、粒子探测技术等方面保持领先水平，为我国高能物理事业做出更多贡献。
物理学中的高能物理现象
物理学中的高能物理现象物理学是研究物质和能量相互关系的一门学科，可以分为许多领域，其中高能物理学是物理学研究的重要领域之一。
高能物理学专门研究高能粒子的运动和相互作用，是研究基础粒子物理学和宇宙学的重要工具。
本文将介绍一些高能物理学中的重要现象和实验探测方法。
1. 粒子加速器粒子加速器是物理学实验研究中用来加速和聚焦带电粒子（如质子、电子、质子等）的装置，是物理学研究高能粒子的重要工具之一。
通常使用强电场和磁场力来加速粒子，使其逐渐获得更高的速度和动能。
粒子加速器被广泛应用于高能物理学和核物理学，以及医学、生物学、材料科学等领域。
2. 粒子反物质与电子正负电子对湮灭反物质是指与通常物质相似的物质，但其所有量子数都相反。
当粒子与反粒子相遇时，它们可以通过电子正负电子对湮灭（即电子与正电子相遇，释放出能量）来相互毁灭。
电子正负电子对湮灭过程遵循质能守恒，即它们湮灭时所释放的能量等于它们加起来的静止能量。
电子正负电子对湮灭可以被广泛用于医学成像、核反应、光学脉冲等领域。
3. 强子共振强子是一种带有夸克的稳定粒子，包括质子、中子和多种介子等。
强子共振指的是在强子粒子与其他粒子（如光子或强子）碰撞时的一种短暂现象，这种现象导致强子粒子出现一系列峰和谷。
强子共振是被高能物理学家广泛利用于研究强子结构和强子动力学的工具。
许多强子共振都是在大型粒子加速器上产生的。
4. 中微子振荡中微子是一种电中性和微小质量（比电子小几百万倍）的粒子，它们是宇宙中最微小的粒子之一。
中微子振荡是指中微子在不同基态之间的转换，这种振荡可通过中微子产生的粒子相关震荡实验来检测。
中微子振荡是用于研究中微子性质和基本粒子物理学的重要工具。
5. 超新星爆炸超新星是一种极度亮且爆炸强度极大的天体现象，产生于超大质量恒星的死亡过程。
超新星爆炸在高能物理学中是一个重要研究领域，这是因为超新星爆炸是宇宙中能量释放最强的过程之一，产生了许多与基础粒子物理学有关的高能粒子。
高能物理学中的粒子探测技术
高能物理学中的粒子探测技术在高能物理学中，粒子探测技术是非常关键的，它们被用来探测、识别和测量高能粒子，帮助科学家研究基本粒子的性质和相互作用。
这些技术能够提供对粒子的能量、动量、路径和种类等重要信息，为物理学家进一步探索基本粒子世界打下了坚实的基础。
一种常见的粒子探测技术是径迹探测器。
径迹探测器能够追踪高能粒子在探测器中的路径。
其基本原理是利用辐射敏感材料和探测器的结构，记录粒子在材料中的轨迹。
传统的径迹探测器通常采用闪烁体、流星探测器或者氢-氖层次计数器等材料，来测量粒子路径上的能量损失和位置信息。
透过多层次的径迹探测器，物理学家可以重建出高能粒子在探测器中的运动轨迹，并进一步分析反应事件。
相比之下，时间投影室技术是另一种重要的粒子探测技术。
时间投影室是可以测量带电粒子轨迹并重建二维或三维图像的气体探测器。
它利用高压气体和导线产生电离，通过电子漂移和扩散的方式来测量粒子的位置。
时间投影室具有高空间分辨率、较大的活动面积和较短的响应时间等优点。
它可以应用于高能线性对撞机和环形加速器等大型实验装置，用来重建高能带电粒子的轨迹，并提供精确的位置和动量信息。
除了径迹探测器和时间投影室，高能物理学中还使用了许多其他粒子探测技术。
例如，电磁量能器用于测量带电或中性粒子的能量。
电磁量能器通常由闪烁体、电磁铁和光电二极管等组成，能够将粒子的能量转化为光信号，并测量其强度。
而强子量能器则用于测量强子的能量和位置，采用的是比较厚的吸收材料，可以抑制强子和软辐射的效应。
除此之外，色散器、吗仑计数器、湮灭探测器等技术在高能物理学中也都有广泛应用。
粒子探测技术的发展，推动了高能物理学的进步。
随着技术的不断创新和完善，探测器的性能不断提高，使得科学家们能够更加精确地测量粒子的能量、动量和相互作用等重要参数。
例如，在大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验中，探测器精确测量了希格斯玻色子的质量，进一步验证了标准模型的预测。
高能物理实验技术的研究与应用
高能物理实验技术的研究与应用高能物理实验技术是研究微观粒子和宇宙早期的重要手段，也是现代物理学的重要支撑。
它研究的对象主要是基本粒子的性质、相互作用和产生的宇宙尺度的效应等。
高能物理实验技术的研究与应用对于揭示物质的本质、认识宇宙的演化历史以及促进科学技术的发展具有深远的意义。
本文将从实验装置、探测器、数据处理和分析等方面对高能物理实验技术的研究与应用进行探讨。
高能物理实验装置是展开高能物理实验的重要工具。
加速器是高能物理实验装置的核心，它能够将带电粒子加速到非常高的能量，从而使粒子具有光速附近的速度，以便研究微观粒子的性质。
加速器的种类多种多样，如环形加速器、直线加速器等。
其中著名的加速器有欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），这是目前世界上最大的粒子加速器，它能够对撞产生数千亿电子伏特的能量，用于探索微观世界的奥秘。
除了加速器，探测器是高能物理实验的另一个重要组成部分。
探测器可以追踪、识别、测量带电粒子的轨迹、动量、电荷等性质，从而为研究微观粒子提供基础数据。
常见的探测器有示踪探测器、电磁量能器、半导体探测器等。
这些探测器通过粒子与物质的相互作用来产生电信号，然后通过放大、测量等技术将信号转化为可以进行精确测量的电信号。
高能物理实验技术的应用是广泛的。
首先，高能物理实验可以为物理学的基本理论提供实验验证，从而推动基本粒子物理的发展。
通过实验观测和测量，可以对粒子的性质进行深入研究，例如发现新的粒子、测量它们的质量、自旋、电荷等物理性质。
同时，这些实验结果还可以用来检验和修正理论模型，从而推动理论物理的发展。
此外，高能物理实验技术还涉及到核能的利用和核辐射的控制。
实验中需要使用到核能源和射线，这就要求对核能的利用和放射防护技术进行研究和应用。
另外，高能物理实验技术还涉及到高精度测量和探测器技术的发展。
高能物理实验中，往往需要进行高精度的测量，以便更加准确地获得实验数据。
因此，研究和应用高精度测量技术具有重要意义。
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第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号: 100124322(2002)0520767204高能密度物理实验装置FP 21及其应用Ξ杨礼兵, 孙承纬, 廖海东, 胡熙静(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要: 综述了由高能密度物理装置FP 21驱动的固体套筒内爆研究情况。
主要内容包括FP 21脉冲功率装置的特性和所进行的主要物理实验:铝套筒内爆、双套筒碰撞和微喷射、套筒的内爆脉冲屈曲等,给出了各类实验的典型结果。
关键词: 电磁内爆; 固体套筒; 物理实验 中图分类号: O361.3 文献标识码: A 对于研究在cm 3尺度上的强汇聚冲击驱动和等熵驱动压缩,固体套筒内爆技术有着独特的能力。
且由于测试和实验参数控制容易,使其在验证计算编码方面亦有优势[1],这项技术在国外受到相当重视[2～4],美国LANL 的Pegasus II 装置(4.3MJ )的驱动速度达13km/s ,内爆压力达0.1TPa 。
新建的A TLAS 装置(23MJ ,480kV ,16nH ,0.48亿美元)对47g 的标准套筒,驱动电流近30MA ,内爆速度近14km/s ,该装置于2000年年底已通过验收,并在2001年进行了17次系列实验,目前正迁往内华达实验场安装调试,准备投入次临界试验应用。
FP 21是近年来中物院组建的、应用于高能量密度物理实验的脉冲功率装置,是国内第一台同类的实验装置,它利用电磁驱动套筒内爆的技术,可广泛应用于特殊条件下套筒内爆动力学行为、高速飞片的驱动、材料特性以及基础科学和技术研究。
迄今为止,在FP 21装置上已正式进行了50余发典型的物理实验,主要包括套筒内爆行为、微喷射、内爆屈曲三大类。
本文将简要回顾FP 21装置概况,并给出相关物理实验的结果及分析。
1 FP 21脉冲功率装置概况 FP 21装置主要包括能源系统、汇流器件、靶室、闭合开关等。
能源系统由216台MCF5024脉冲电容器构成一个二级的Marx 电容器组,最大贮能为1.08MJ 。
电容器组额定电容量为216μF ,额定电压100kV (±50kV 充电),对圆柱形电感负载最大电流可达4MA ,上升沿约7μs 。
汇流器件均采用6mm 厚的T 字型铝合金板,中间采用不同的固体介质混合绝缘(聚酯薄膜和环氧板)。
闭合开关是FP 21装置上的一个关键部件[5]。
由于技术和工程上的因素,一直采用爆炸驱动的闭合开关,即用雷管(或加小量炸药)驱动特殊部件产生金属射流,进而穿透绝缘膜导通开关两极。
Fig.1 A typical solid liner图1 典型固体套筒示意图 为了限制反向电流,根据实验要求串入相应的熔断铝膜。
一个典型的负载套筒如图1所示。
它由L5纯铝材料制作而成,当脉冲功率对套筒放电时,电流分布在套筒的外表面趋肤层并产生一个强磁场。
几何参数的选择是由一维磁流体力学计算出来的,在此条件下能保证套筒内表面为固态。
套筒内部视物理实验要求可以是空的,也可以是其它负载,为了提高碰靶时的压力,在套筒内部覆一层重材料,这种结构也称为复合套筒,它在冲击压缩方面有着很重要的意义。
在测试系统方面,由于条件限制,现主要安装有电流探头和高速摄影机,需要增加的还有X 光照相、激光纹影、V ISAR 、光学探针等。
2 固体套筒内爆 根据安培定律,当套筒流过电流I 时磁场与电场的相互作用将会产生一个指向轴线的内聚力(图1),大小Ξ收稿日期:2002201209; 修订日期:2002206220基金项目:中国工程物理研究院行业预研基金资助课题(20010103)作者简介:杨礼兵(19682),男,硕士,副研究员,主要从事电磁内爆技术和Z 箍缩物理研究;绵阳9192108信箱。
为μ0I 2/8π2R 2,其中R 为套筒的外半径。
在电磁内爆进程中,在同样的电流作用下,这个向心力将越来越大,这是与炸药爆轰产物驱动的内爆有实质性区别的地方。
因此,在原理上电磁内爆可以把一定质量的套筒驱动到任意高的速度。
作为一般性概念,当1MA 电流流经10mm 半径的套筒时,在壁上产生的磁场强度为20T ,磁压力为160MPa 。
利用相关的磁流体力学模型,套筒内爆能获取的最大速度正比于金属爆炸时的比作用量,反比于材料的密度[6]。
金属纯铝因其低密度和高电导率特性,表明它是获取最大速度的较好材料。
Fig.2 Basic structure for liner or composite liner implosion图2 复合套筒内爆时的负载区基本结构图 当无内复合层(如铜、钨等材料)时,可进行单质套筒内爆研究。
当套筒内部有工作介质时(如易于产生X 射线的低密度泡沫材料或气体),主要进行套筒压缩靶的各种物理实验。
复合套筒是一个内爆黑腔,可形成性能良好、持续时间很长的辐射源,或得到物质的高压缩状态。
当套筒内部为真空时,只能单一的研究套筒的内爆行为。
图2是复合套筒内爆实验时的负载区示意图。
目前在FP 21上暂未进行复合套筒的技术研究。
图3,图4给出内爆过程的实验结果与一维数值模拟结果[7],其中FP 21装置工作电压70kV ,铝套筒直径<41.2mm ,壁厚0.6mm ,高20mm ,驱动电流为3.2MA ,内爆速度为3.0km/s 。
从图中可以清晰地看到套筒在轴线上碰撞以后的反弹现象。
12experimental current (MA );22computing current (MA );32inner radius (cm );42outer radius (cm );52inner boundaryvelocity (km/s );62outer boundary velocity (km/s )Fig.3 Results of experiment and computing 图3 实验结果与计算结果的比较Fig.4 Comparing experimental results to computing results of liner radius change soild line 2computing results ,signal 2experimental results 图4 内爆过程铝套筒内外半径变化实验与计算结果的比较3 微喷射实验 初始半径(r 0,r c )不同的双套筒碰撞产生微喷射是固体套筒内爆的一个具体应用,这时外套筒在电流驱动下内爆并碰撞静止的内套筒,引起后者壳层内产生聚心冲击波。
当冲击波传播到内套筒的内表面时,根据其材料的性质以及冲击波条件的不同,在材料内部或表面都会发生一系列的复杂现象。
如部分物质颗粒将以比自由面运动速度快得多的速度从自由面处喷射出来形成微射流或微粒子喷射,或者由于杂质存在而构成区域阻抗不匹配产生微层裂喷射,或因局部晶格之间剪切和相对滑移形成热点,造成局部熔化或汽化,进一步诱发离子喷射式射流。
就材料本身而言,因还有表面尖端毛刺、共晶体(易熔物)、颗粒、夹渣、空隙等缺陷,它们的存在就相当于金属内部存在密度的不连续性,因而在强冲击波的作用下,促使材料发生一系列动力学过程。
在外套筒碰撞内套筒时,其碰撞速度由下式决定v 2c =(μ02π)hI 2p m ln (r 0r c)(1)867强激光与粒子束第14卷考虑一个具体尺寸:r 0=24mm ,r c =15mm ,h =20mm ,m =3.4g ,从而v c =3.5km/s 。
碰撞时内套筒中冲击波压力的量级可由Hugoniot 关系得到,对于同种材料,冲击波压力为Fig.5 Configure of driver ,target and collimator 图5 驱动器、靶和狭缝配合示意图p S =14ρv c(2c +S v c )(2)ρ为套筒材料密度,c 为声速,S 为材料常数。
对于铝材料,c =5.33km/s ,S =1.33,从而p S =38GPa 。
原则上说,提高驱动电流就可以增加碰撞速度乃至增大冲击波压力,但是为了保证驱动套筒以固体状态(至少内表面必须如此)碰靶,就必须增大驱动套筒的质量和初始半径等,并优化内爆时间。
另一方面,如果v c 不变,采用高密度材料也可增加冲击波压力,然而系统地考虑电磁驱动内爆的特点和焦耳加热的制约,数值模拟结果表明铝仍是电磁驱动碰撞的最好材料。
对于复合套筒(外层为铝,紧贴内层为高密度材料钨或铂),可提高冲击波压力2～4倍。
但该类套筒的制作技术相当复杂,且其内爆动力学过程也有些差异。
图5是双套筒碰撞的实验布置结构,图6是分幅照相观察到的射流形成情况。
其中驱动器是纯铝空心套筒,直径为44.8mm ,壁厚0.4mm 。
靶套筒为合金铝(L Y12),直径为22mm ,壁厚1mm 。
狭缝套筒直径16mm ,壁厚1mm ,FP 21工作电压为70kV 。
利用一维多区计算得到碰靶时的压力约20GPa。
Fig.6 Results of micro jet (axial ,jet is on the right 2up position )图6 微喷射实验结果4 内爆屈曲行为 内爆屈曲是内爆动态加载条件下结构失稳的一种可能的不稳定性模式,又称之为Bell 2Plesset 不稳定性。
它属于二维乃至三维流体动力学研究范围,与材料的屈服弹性、应力2应变性能、加载条件等诸多因素有关[8]。
此项内容在导弹、火箭、舰艇等军用结构设计中考虑较多,但在电磁内爆技术研究范围中国内外少见报道,由于此类失稳是造成柱壳或球壳内爆中初始扰动的主要来源,其重要性不亚于加速过程中的R T 界面不稳定性和初始冲击时的RM 不稳定性。
在数值模拟方面,径向载荷下的动态脉冲屈曲理论及分析方法主要有[8]:无限长壳塑性流屈曲的“正切”模量理论,无限长壳的弹性流屈曲理论,无限长壳的弹塑性流屈曲综合理论,有限长壳动态脉冲屈曲理论等。
在线性化近似条件下每种方法都可给出壳体发生动态屈曲的临界载荷、临界波数、占优模式波数等结果。
Fig.7 Pulsed buckling during liner implosion 图7 内爆中的脉冲屈曲 根据相关的理论研究结果,表明在脉冲载荷下,某些谐波增长迅速,并将使壳体呈临界波数的皱纹形状。
对于具有相同半径厚度比值的球形或柱形壳体,其临界波数是相似的。
随着这个比值的增大,屈曲行为将从塑性转向弹2塑性,以至完全弹性行为。
实验中设计了几种不同材料、不同半径厚度比值的套筒(柱形壳体),相关的数值模拟及材料实验正在进行之中。