一种柱面等熵压缩的实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压缩科学实验技术研宄领域，具体是指一种柱面等熵压缩的实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]柱面内爆磁通量压缩发生器(以下简称MC-1)是利用炸药爆炸驱动金属套筒压缩其空腔内的初始磁通量，将炸药化学能转化为磁场能，使之在轴线附近体积内聚积，形成超强磁场，并对其中的样品靶实现等熵压缩。国际上从事这方面研宄的国家主要有俄罗斯和美国等少数国家，国内只有中国工程物理研宄院流体物理研宄所在从事相关技术和方法研宄。
[0003]目前，国际上在利用MC-1开展等熵压缩材料物理实验时，主要是利用闪光照相技术实现对材料压缩状态的动态观测(阴影照相，类似医院的X光照片)，配合磁流体动力学编码最终获得材料压缩状态实验数据。这种研宄方法，一方面，对实验条件要求较高:实现高能、高分辨率的闪光照相技术极为困难；另一方面，考虑到装置结构的复杂性及运动模糊等多方面因素，利用闪光照相方法获得的数据精度是极为有限的。另外，由于样品是密封在金属腔体内，受到闪光照相原理的局限，这种测试方法只能分辨与腔体材料密度反差大的材料，如气体材料等。而对于与腔体材料密度反差不大的材料，如密封在金属腔体中的另一种金属材料，由于密度相近，其界面难以分辨。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种柱面等熵压缩的实验装置及实验方法，解决目前MC-1等熵压缩物理实验存在的精度低、样品材料受局限的问题。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种柱面等熵压缩的实验装置，包括柱面内爆磁通量压缩发生器，柱面内爆磁通量压缩发生器包括一个金属筒体，金属筒体的外侧对称设置有两个固定的线圈，在两个线圈之间有一个炸药环，炸药环外侧设置有同步起爆网络，在金属套筒的内部设置有柱面等熵压缩靶，在柱面等熵压缩靶的内部安装有激光测速探头。目前，国际上主要是利用闪光照相的办法对样品压缩的状态进行测量，其工作原理类似医院的X光照片，是利用靶区不同材料对X光的吸收不同，在照片上得到样品区的压缩图像，从而得到样品的压缩度等数据，再通过磁流体力学模拟，最终得到材料的压缩状态。这种方法很难获得高精度的实验数据，例如俄罗斯实验物理研宄院利用大型闪光装置Betatron，其分辨率达到亚毫米量级，达到世界一流水平，开展MC-1等熵压缩氢及氘材料闪光照相，其获得的实验数据精度也仅约为20%，仍然达不到精密物理实验的需要。另外，目前利用闪光照相开展MC-1等熵压缩物理实验时样品材料严重受限。由于MC-1实验中样品腔体材料必须为金属材料，否则无法产生磁压力，其腔内待测材料如果为气体类低密度材料，则与腔体材料密度差异较大，容易在闪光照相图像上分辩；而如果是与腔体类似密度材料，则几乎无法在闪光图像上分辩。因此，目前国际上利用闪光照相开展MC-1等熵压缩物理实验时几乎全部是针对气体类材料。而本发明方法改变了现有的测量方法，设计了筒状样品靶结构，分为标准材料区及待测材料区，将MC-1装置磁场分布设计为严格对称，筒状样品靶也需严格对称安装，则标准材料区及待测材料区加载面压力可以保证相等。利用激光干涉测速技术同时获得标准材料及待测材料区两个测量点的自由面速度，利用获得的标准材料自由面速度数据，通过流体力学程序，能够得到标准材料加载面的压力历史，也就得到被测材料处的加载面压力历史，再利用获得的待测材料自由面速度数据，通过磁流体力学程序数值模拟、就可以最终得到待测材料的压缩状态。本发明通过设计新型的筒状等熵压缩靶改变了目前技术测量材料压缩度的方法，不需要复杂的闪光照相装置，大大降低了测量的技术难度，也降低了设备的费用；发明中涉及的激光测速技术是目前压缩科学领域的标准测试技术，技术成熟、可靠，测试精度可达1_2%，从而大大提高了测量数据的精度。
[0006]两个激光测速探头分别对准标准金属材料区、待测材料区，且两个激光测速探头的测量点关于准标准金属材料区与待测材料区的分界面成对称分布。利用获得的标准材料自由面速度数据，通过流体力学程序，能够得到标准材料加载面的压力历史，也就得到被测材料处的加载面压力历史，再利用获得的待测材料自由面速度数据，通过磁流体力学程序数值模拟、就可以最终得到待测材料的压缩状态。为了适用于不同种类材料的实验，测量材料段的结构有两种:
第一种:所述的待测材料区为内外两层结构，其中内层为待测量的固体样品，外层与标准金属材料区为相同材料制成的一体结构。
[0007]第二种:所述的待测材料区为三层依次套装的结构，其中内层为性质已知的材料制成的基础层，外层与标准金属材料区为相同材料制成的一体结构，中间层为待测的气体、液体、或固体材料。
[0008]这两种结构的柱面等熵压缩靶适用于不同的被测材料，根据被测材料的类型可以准确地选用不同的结构，从而大大地扩展了被测材料的总类。
[0009]以金属筒体的体心所在径向面为对称面，所述两个线圈、标准金属材料区与待测材料区、以及两个激光测速探头测点位置均关于该对称面呈对称分布。这样柱面内爆磁通量压缩发生器装置内磁场分布完全对称，待测样品处加载压力就能够与标准材料区保持一致。
[0010]一种柱面等熵压缩的实验方法，包括以下步骤:
(a)布置样品:以金属筒体的体心所在径向面为对称面，将柱面等熵压缩靶放置在金属筒体的轴线上，标准金属材料区与待测材料区关于该对称面呈对称分布；将两个激光测速探头在金属筒体的轴线上分别对准标准金属材料区与待测材料区，两个激光测速探头的测量点关于该对称面呈对称分布；
(b)柱面内爆磁通量压缩发生器的两个线圈通电，在金属套筒内部建立初始磁场；
(C)当初始磁场的强度达到最大值时，利用同步起爆网络引爆炸药环，驱动金属套筒压缩内部磁场，磁场对其中的柱面等熵压缩靶施加磁压力；
Cd)两个激光测速探头分别测量并获得标准金属材料区与待测材料区的自由面速度历史；
(e)数据处理:首先由测量得到的标准材料的自由面速度历史，配合流体动力学编码，得到标准金属材料区加载面处的加载压力历史；
Cf)由实验测得的待测材料区的自由面速度历史与加载面压力历史，通过磁流体力学数值模拟，最终获得待测材料的压缩状态数据。
[0011]本发明还提供了一种柱面等熵压缩的实验方法，利用本发明的装置进行上述步骤的操作，可以根据被测材料的种类来选取不同的柱面等熵压缩靶，从而实现等熵压缩，利用激光测速技术进行自由面速度的测量可以大大降低测量的困难度，现有技术是利用闪光X光对位于装置中心的样品靶区进行透视照相，由于柱面内爆磁通量压缩发生器结构复杂、样品区尺寸较小等因素，这里对闪光照相技术要求极高，技术难度极大并且需要庞大的人力、物力等支持，即便具备闪光照相技术，数据精度也难以达到精密实验的要求。本发明利用柱面内爆磁通量压缩发生器内磁场对称分布的特点，创新性地将靶区设计为标准材料区与待测材料区两部分，两区高度相同；靶区安装时，标准材料区与待测材料区两部分的分界面应与上下线圈等距；上下两个激光测速探头测点同样应距离分界面等距；这样待测样品处加载压力就能够与标准材料处保持一致，另外，本发明巧妙地设计了筒状靶结构，利用高精度激光干涉测速技术即激光测速探头测量材料内部自由面速度，作为表征材料动态响应的有效实验数据，通过磁流体动力学编码的正反迭代计算，能够最终得到待测材料的压缩状态。
[0012]本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果:
I本发明一种柱面等熵压缩的实验装置及实验方法，能够有效提升数据精度，闪光照相方法受制与多种因素局限，包括闪光机光斑、MC-1装置复杂、靶区尺寸小、运动模糊等因素，数据精度有限；而本发明中采用的激光干涉测速技术是目前冲击动力学领域公认的高精度测试技术，数据精度能够提高5-10倍；
2本发明一种柱面等熵压缩的实验装置及实验方法，能够大大拓展研宄材料的种类和范围，受制于测试原理的局限，目前的MC-1加载闪光照相实验只能针对气体类低密度材料，研宄范围极其有限，利用本发明方法样品材料不受任何局限；
3本发明一种柱面等熵压缩的实验装置及实验方法，大大降低测试成本及难度，目前MC-1加载柱面等熵压缩需要的闪光照相装置要求具备高能量、高分辨率性能，目前国内类似装置尚达不到技术要求，而且这类装置造价极高，一般约为数千万至数亿元人民币；本发明利用目前冲击动力学领域的标准测试技术一激光干涉测速技术，其应用已经十分普遍，整套设备成本仅约数万元人民币，而且操作简单，可靠，十分方便。
【附图说明】
[0013]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明实施例一的半剖结构示意图；
图2为图1中柱面等熵