纳秒脉冲激光对金属丝电爆炸过程的瞬态测量方法研究

位永辉，王石语，吴梦瑶，蔡德芳，过 振

(西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071)

引言

工业生产的许多领域对高品质的金属纳米粉具有大量的需求。制备金属纳米粉的一个重要方法是金属丝电爆炸，本研究中所使用的金属丝是直径为0.3 mm的铝丝。利用电爆炸瞬间产生高温等离子体，等离子体以一定的速度在高压气体的环境中迅速扩散，碰撞冷却，等离子体重新凝聚形成金属颗粒。金属颗粒的大小通常取决于爆炸过程中等离子体的扩散速度，扩散方式等因素。要形成高品质的纳米粉体，需要对粉体的产生过程进行清晰的检测。本文研究利用纳秒脉冲激光器对电爆炸铝丝过程中产生的纳米级等离子体粉粒浓度分布进行检测，以建立不同实验条件下电爆法演绎过程的物理图像。完成了爆炸过程测试方案的设计，对所获取的测试图像进行处理，得到了爆炸过程不同时刻等离子体铝粉粒浓度的分布，并勾勒出等离子体浓度的时间演化过程。

1 金属丝电爆炸的检测方案

我们采用图1所示装置对金属丝电爆炸过程进行测试。

图1 金属丝电爆炸测试装置Fig.1 Metal wire electrical explosion testing device

激光器采用532 nm波长的激光器，激光脉冲宽度6 ns，单脉冲能量约20 mJ, 激光经过扩束系统扩束后成为直径大约100 mm的平行光束，由全反射镜M5折向分光镜M1，M1将光束近似平均地分成两部分：一部分向上传播，作为探测光穿过金属丝的爆炸区；另一部分作为参考光射向全反射镜M2。穿过爆炸区的探测光束由全反射镜M3折射到合束镜M4，参考光亦由全反射镜M2折向合束镜M4，两束光通过合束镜进行相干合成，最终由全反射镜M6偏转射向光学成像组合透镜，于CCD传感器中形成干涉条纹。探测光经过的爆炸区加有高压气体，为了对由此引起的折射率变化进行补偿，在参考光的路径上引入了补偿镜组。

系统工作时，首先测量爆炸没有发生时两路光的背景干涉条纹；当爆炸发生时，通过同步控制电路提供指定延时的触发信号，触发激光器发射激光脉冲，通过CCD获取不同时刻的爆炸气团对干涉图样的扰动照片，由此即可以获取爆炸中某个瞬间等离子体或粉尘的浓度分布。

2 金属丝电爆炸等离子体中激光传播的计算模型

2.1 激光在等离子体中的传播

铝丝电爆炸时，首先会进入等离子体状态，然后由等离子体形成铝纳米粉末。激光进入等离子体，与一般电磁波的传播规律一致。分析电磁波在等离子体中的传输特性时，一般考虑它的介电常数来分析电磁波在其中的传输特性[1]。

等离子体的相对介电常数为

(1)

等离子体中的电磁波波动方程为

(2)

其均匀平面波解为

E(z)=E0e-ikz

(3)

式中：波数k=γ-iδ；

(4)

式中μ0为真空磁导率。

电磁波在等离子中传输一段距离后，有：

E(z)=E0e-i(γ-iδ)z=E0e-δz-iγz

(5)

其中指数项第一项表示电磁波幅度的衰减，第二项表示电磁波相位的延迟。

激光在等离子体中光功率密度的变化为

I(z)=|E(z)|2=|E0e-i(γ-iδ)z|2=

(6)

式中：I0为初始激光功率密度；α为衰减常数；n(z)为等离子体浓度。

2.2 计算模型

铝丝在进入电爆炸阶段之后，1.5 μs时间内会完全成为等离子体金属微粒，并在高电压、高气压的环境下迅速扩散，形成等离子体金属区域。由于金属微粒反射和折射的作用，光通过该区域的通过率很低，因此光线无法形成稳定的干涉条纹，如何在这种情况下测量等离子体的浓度分布，目前在文献中还没有可供参考的方法。为解决这个问题，我们依据激光透过率，利用以下方法进行测定。

依据公式：

(7)

式中；γ为激光透过率，指的是激光穿过等离子体区域后，透过光光强与入射光光强的比值；I0为激光穿过等离子体区域前的初始光强；I为激光穿过等离子体区域后的透过光强；α为等离子体对激光的衰减系数；n(z)为等离子体浓度，在等离子体区域中浓度分布不均匀，一般用积分值表示。其中I0、I可以测量得到，因此γ为已知值。

在实际的计算过程中，等离子体区域为圆柱体形，将此圆柱形区域划分为10个同心同轴的区域，每一个区域中，等离子体的浓度取平均值，(7)式可转换为

(8)

式中：γ、I0、I、α所指代的含义和(7)式中相同；n为区域等离子体的平均浓度；不同区域中n的值不同；z为激光穿过等离子体区域的距离，可通过计算获得，为已知量。

激光穿过爆炸区的示意图如图2所示。图2中将等离子体圆柱区域分为4个同轴区域，从外层到里层，4个区域的平均浓度分别设为n1、n2、n3和n4，如图3所示。

图2 激光穿过爆炸区的示意图Fig.2 Schematic diagram of laser passing through explosive zone

图3 爆炸区浓度计算示意图Fig.3 Schematic diagram of concentration calculation in explosive zone

3 干涉条纹采集与数据处理

3.1 干涉条纹的采集

我们利用自行开发的设备测定了电爆炸生产纳米铝粉的过程。用CCD相机同步拍摄了0、0.5 μs、1.0 μs、1.5 μs、3.0 μs、4.5 μs、5.0 μs、10.0 μs、18.0 μs时刻的干涉图样，结果如图4所示。图4中各个时刻的干涉图样中的带状模糊区为铝丝爆炸后等离子体所占据的区域，爆炸尚未波及的区域中干涉条纹稳定。等离子体区的宽度随着测量时刻的推后逐渐展宽，这反映了爆炸后等离子体的扩展过程。

以铝丝刚刚通电的瞬时为0时刻(测量中定时精度为50 ns)，此时铝丝处于固态加热阶段，尚未产生明显的膨胀；在0.5 μs时，略有膨胀；在1.5 μs时，等离子体区出现较为明显的增宽；随着时间推移，在10 μs等离子体区持续增宽。 18.0 μs的测量图显示，此时等离子体区几乎占据了整个测量视场。

图4 激光干涉法测量铝丝电爆炸过程的系列图样Fig.4 A sery of patterns of laser interferometry for measuring electrical explosion of aluminum wire

3.2 数据处理结果及结果分析

3.2.1 数据处理结果

对采集到的干涉图样进行处理，分析等离子体浓度三维分布和粒子浓度沿径向的统计分布，如图5～图8所示。

图5 0.5 μs的等离子体浓度分布Fig.5 Concentration distribution of 0.5 μs plasma

图6 5.5 μs的等离子体浓度分布Fig.6 Concentration distribution of 5.5 μs plasma

图7 10.0 μs的等离子体浓度分布Fig.7 Concentration distribution of 10.0 μs plasma

图8 18.0 μs的等离子体浓度分布Fig.8 Concentration distribution of 18.0 μs plasma

3.2.2 结果分析

在0.5 μs时刻，中心区域粒子浓度最大，峰值达到3×1021/cm3，粒子浓度沿径向呈现2个波峰，此时粒子占据的区域宽度大约为0.47 cm。从粒子总量沿径向的统计分布上看，粒子主要分布在半径为0.02 cm、0.15 cm和0.24 cm的环带上，最外侧的环带，即半径为0.24 cm环带上的浓度要明显高于其他带上的粒子浓度。

5.5 μs时刻，粒子占据区域宽度扩展到大约1.5 cm。粒子浓度沿径向的波峰数量增加，从中心往边缘呈现多个粒子分布环带，最大浓度出现于最外侧的环带中，最大粒子浓度约为1.1×1020/cm3。从此时的粒子分布统计图上看，从中心往边缘粒子分布起伏相对较小，粒子总量在各环带中的分布比较均匀。只有在最外侧半径约为0.75 cm环带上的粒子浓度明显大于爆炸体内部其他各环带。

在10.0 μs时刻，粒子占据区域宽度扩展到大约2.5 cm。粒子浓度仍然呈现多个环带的形式，最大浓度出现于最外侧的环带中，最大粒子浓度约为8×1019/cm3。从此时的粒子分布统计图上看，从中心往边缘粒子分布起伏相对较小，0.5 cm半径内粒子总量较小，粒子分布在半径大于0.5 cm的区域中，主要集中在0.7 cm～1.3 cm的环带中。图7中等离子浓度的测试精度为1×1019/cm3。

在18.0 μs时刻，粒子占据区域宽度扩展到大约2.8 cm。粒子浓度仍然呈现多个环带的形式，最大浓度出现于最外侧的环带中，最大粒子浓度约为1.1×1020/cm3。从此时的粒子分布统计图上看，从中心往边缘粒子分布起伏相对较小，0.3 cm半径内粒子总量较小，粒子分布在半径大于0.5 cm的区域中，主要集中在0.5 cm～1.3 cm的环带中。最外侧的环带中浓度最大，粒子总量也最大。图8中等离子浓度的测试精度为1×1019/cm3。

4 结论

采用纳秒脉冲激光干涉法获取不同时刻金属丝电爆炸的瞬态图像，利用激光透过等离子体爆炸区的计算模型，得到不同时刻等离子体浓度分布，实现电爆炸生产金属纳米粉粉体过程中等离子体扩散发展演化过程的测量。通电后，金属丝开始爆炸扩展，0.5 μs时刻直径扩展为0.47 cm，而中心区域粒子浓度最大，峰值达到3×1021/cm3，粒子浓度沿径向呈现2个波峰。5.5 μs时刻，粒子占据区域宽度扩展到大约1.5 cm，从中心往边缘呈现多个粒子分布环带，最大浓度出现在最外侧的环带中，最大粒子浓度约为1.1×1020/cm3；在10.0 μs时刻，粒子占据区域宽度扩展到大约2.5 cm，粒子浓度仍然呈现多个环带的形式，最大浓度出现于最外侧的环带中，最大粒子浓度约为8×1019/cm3；在18.0 μs时刻，粒子占据区域宽度扩展到大约2.8 cm，粒子浓度仍然呈现多个环带的形式，最大浓度出现在最外侧的环带中，最大粒子浓度约为1.1×1020/cm3。