[發明專利]一種在固體材料中實現強磁壓斜波加載的裝置

有效

• 申請號: 201210403697.8
• 申請日: 2012-10-22
• 公開（公告）號: CN102879285A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 王桂吉;趙劍衡;吳剛;譚福利;莫建軍;孫承緯;蔡進濤
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01N3/38
• 分類號: G01N3/38
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 譚新民

技術領域

本發明涉及動高壓科學與技術、脈沖功率技術領域的一種強磁壓斜波加載裝置，具體是指一種在固體材料中實現強磁壓斜波加載的裝置。

背景技術

研究極端條件下材料的動力學行為及其復雜現象，是動高壓科學與技術、凝聚態物理、沖擊動力學等學科的重要研究方向。長期以來，其主要的加載裝置和技術有炸藥爆轟驅動、一級和二級氣體炮、電炮和激光驅動等。這些加載裝置和技術實現的主要是一種沖擊壓縮加載，在固體材料樣品中產生一個強間斷面的沖擊波，壓縮后的樣品處于一個高溫、高壓狀態，這種加載的特點是加載壓力從數GPa至數TPa，百吉帕壓力以上樣品的溫升由千開至數萬開，甚至更高，樣品很容易處于熔化狀態。

為了研究材料相空間狀態其它區域（高壓、低溫，相對于沖擊壓縮的Hugoniot狀態而言，稱之為偏離Hugoniot狀態）的特性，近十年來，一種新型的壓縮方法被提出來，即準等熵壓縮加載。當前，可實現固體材料的準等熵壓縮加載技術有磁驅動準等熵壓縮、激光驅動準等熵壓縮、密度梯度撞擊器技術、爆轟產物膨脹卸載準等熵壓縮和斜波發生器等。目前，主流的發展技術主要是前三種即磁驅動準等熵壓縮、激光驅動準等熵壓縮和密度梯度撞擊器技術。三者各有特點，激光驅動準等熵壓縮是利用激光直接燒蝕氣庫膜產生高壓等離子體經真空間隙膨脹后作用于靶樣品，或激光匯聚于一金黑體輻射腔產生x射線經腔體勻滑后作用于靶樣品或再燒蝕一氣庫膜產生高壓等離子體經真空間隙膨脹作用與樣品，該加載壓力波的上升時間較短，通常為10-30ns。密度梯度撞擊器技術主要是基于二級輕氣炮發射一個高速密度梯度撞擊器撞擊靶目標，在靶目標中產生一個上升時間為1ms左右的加載壓力波，由于阻抗匹配的原因，該壓力波通常有個初始跳躍的沖擊波，該初始沖擊波會在靶樣品中產生一個初始溫升。而磁驅動準等熵壓縮是依靠實驗裝置產生的隨時間變化的脈沖大電流流經方向相反的負載電極與自身的感應磁場相互作用產生的磁壓力（洛倫茲力）作用在加載電極表面，沿其厚度方向傳播，作用于材料樣品中。該磁壓力上升時間為300ns～800ns，隨時間變化平滑上升，是一種較為理想的準等熵壓縮途徑。

國際上從事磁驅動準等熵壓縮實驗裝置和方法研究的國家主要有美國、法國和英國等少數國家，國內只有中國工程物理研究院流體物理研究所在從事相關裝置和方法研究。代表性的裝置主要分為三類，一類是美國洛斯阿拉莫斯實驗室和俄羅斯實物院為代表的平板型爆炸磁壓縮大電流發生器；另一類是美國圣地亞實驗室的Z/ZR和中物院流體物理研究所在建的PTS等大型裝置，其中首次實現磁驅動平面準等熵壓縮是在Z裝置上完成的；第三類是2001年至今法國CEG武器研究中心、美國圣地亞實驗室、華盛頓州立大學和中物院流體物理研究所發展的基于電容器組儲能、平行板傳輸和固體薄膜絕緣的脈沖功率裝置，例如VELOCE、GENESIS（圣地亞在建）、GEPI、CEPAGE、CQ-1.5和CQ-4等。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在固體材料中實現強磁壓斜波加載的裝置，利用脈沖功率技術研制而成的一種大電流實驗裝置，實現固體材料樣品的斜波加載（準等熵壓縮），研究材料的動力學行為。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種在固體材料中實現強磁壓斜波加載的裝置，包括自上而下依次疊加形成板體的平行傳輸線上電極板、絕緣薄膜、以及平行傳輸線下電極板，在所述板體上設置有與板體連接的多個初級開關體、多個次級開關體和銳化電容器、以及一個負載腔體，所述多個初級開關體同時與高壓功率源和高壓脈沖觸發器連接。利用高壓功率源給多個初級開關體充電至預設電壓60kV～90kV，然后在高壓脈沖觸發器輸出脈沖電壓的作用下，初級開關體發生場畸變導通放電，初級開關體的能量瞬間在數微秒的時間尺度內釋放，經對稱結構的平行傳輸線上電極板、以及平行傳輸線下電極板傳輸給負載腔體，中間經銳化電容器和次級開關體進行放電波形調節；在靶樣品電極上，該脈沖大電流與自感應的磁場相互作用，產生一大的洛倫茲力，即磁壓力，作用在樣品上、下電極的加載面，沿厚度方向，自里向外傳播至樣品上、下電極膛孔內的固體樣品上，固體樣品獲得一個分布近似均勻的上升時間470ns～600ns、加載幅值1GPa～100GPa的磁壓力斜波，實現材料的準等熵壓縮。