微秒电脉冲驱动电爆炸等离子体光辐射特性研究进展

韩若愚,姚伟博,曹雨晨,李 琛,张永民

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室;2. 西北核技术研究所: 西安 710024;3. 北京理工大学 机电学院,北京 100081;4. 西安交通大学 电气工程学院,西安 710049)

电爆炸(electrical explosion)是指将一定参数的脉冲电流注入纤细导体(一般为金属丝或箔),在焦耳加热的作用下,导体发生急剧相变,经历固态、液态、气态及等离子体态,最终发展形成等离子体通道,同时伴随光辐射和冲击波等物理现象的过程[1]。电爆炸广泛应用于脉冲X射线源(丝阵Z箍缩)[2]、纳米材料制备[3]及电热化学武器[4]等国防技术领域。瞬态强闪光是电爆炸最显著的特征之一,早在20世纪20年代,Anderson[5]就针对金属丝电爆炸的光辐射现象开展了研究,估算出金属丝电爆炸温度可达2×104K。进入20世纪五六十年代,对电爆炸各方面的基础和应用研究迅速涌现,人们开始认识到电爆炸产生稠密等离子体辐射特征(X射线和分子/原子光谱),针对金属丝电爆炸现象先后召开了4次国际会议,并由Chace等编纂成著[6]。进入20世纪七八十年代,随着脉冲功率技术的进步,作为电感储能系统的断路开关,电爆炸技术得到充分研究[7-8]。自20世纪90年代以来,金属丝阵负载可为快Z箍缩装置提供初始等离子体来源,逐渐成为真空介质电爆炸研究的主要驱动力,高功率纳秒脉冲驱动的电爆炸研究成为热点[9-10]。

与基础物理研究对极端等离子体状态的追求不同,电爆炸等离子体工业应用呈现更多样化的趋势,在国防、能源和材料领域应用越来越广泛,主要包括:(1)电爆炸等离子体的动态力学效应,如电炮、冲击片雷管及冲击波源等[11-13];(2)电爆炸等离子体的热/辐射效应,包括电热化学炮和光敏含能材料起爆等[14-15];(3)电爆炸热等离子体合成纳米材料,包括2维材料的剥离修饰和高熵材料的合成等[16-17]。在这些应用中,宏观光辐射特性既与等离子体状态密切相关,又构成了传热的主要途径,是促进上述工业应用中电爆炸负载参数优化的技术关键。特别地,电爆炸产生的高密度金属等离子体通道一致性好、温度较高(1～10 eV)、辐射功率高(GW·m-2量级)[18-19]。这些特性使电爆炸等离子体与高能钝感炸药/发射药等含能材料作用时,能有效降低起爆阈值,缩短并稳定点火延迟及提高能量释放速率[20-21];还可将金属丝组成阵列实现准面光源,用于大面积光敏炸药的同步均匀起爆[22]。在这些场景中,人们发现冗余储能(储能显著高于导体完全汽化所需的能量)导致等离子体充分发展,光辐射效应强,能对含能材料的起爆及后续化学反应过程,甚至冲击波等物理效应产生影响[23]。

鉴于上述应用需求,近年来国内外学者对电爆炸过程中光辐射效应的关注增多,利用电爆炸等离子体的光辐射如何更好地服务工程,是当前电爆炸负载光辐射研究的基本导向。然而,电爆炸是复杂的瞬态物理、化学系统,受等离子体及光辐射等诸多因素影响,描述的复杂程度远高于冲击波效应。随着光辐射和光谱学观测及诊断手段的不断进步,电爆炸负载光辐射现象的更多物理细节得到揭示,但有效信息的碎片化程度增加,有必要对近年来电爆炸等离子体光辐射特性的研究进行回顾与总结,梳理形成体系化描述。

本文作者在多年工作的基础上,结合参考文献和团队近期工作,以光辐射现象为研究核心与出发点,介绍了相关实验手段及技术原理,对金属丝电爆炸过程中等离子体光辐射时空演化行为及介质氛围影响机制进行了系统归纳,主要包括金属丝电爆炸过程形貌研究、金属丝电爆炸过程辐射光谱研究及介质类型对金属丝电爆炸行为的影响。

1 实验手段及技术原理

对电爆炸工业应用而言,一般采用中小型脉冲功率装置驱动,在流体介质中实现微秒至毫秒量级的电爆炸。在该能量等级下,辐射光谱主要集中在紫外、可见光和近红外波段,辐射机制与热等离子体类似,通常为连续谱和线状谱的叠加,蕴含大量金属丝电爆炸等离子体的状态信息[24]。在实验诊断方面,主要针对光辐射效应围绕光辐射动态特性与辐射光谱特性开展。

图1为典型的用于微秒电爆炸光辐射实验的实验平台原理示意图。高压通过试验变压器T产生,通过整流硅堆D与限流电阻Rc对一只6 μF脉冲电容器C充电,到达预设电压后,触发开关S导通,电容对金属丝负载放电,驱动电爆炸,更多关于该平台的细节可见文献[25]。

(a) Circuit diagram

(b) Schematic of configuration图1 典型的用于微秒电爆炸光辐射实验的实验平台原理示意图[25]Fig.1 Schematic diagram of a typical experimental platform for microsecond electrical explosion optical radiation experiments[25]

在电物理参数诊断上,可采用PVM-5等高压探头测量负载两端的电压,采用Pearson 101等电流传感器测量回路电流。为计算沉积能量E与估算金属丝电阻RW的变化,通常需得到金属丝负载阻性电压降UR,可表示为

(1)

(2)

其中:U为探头测得的电压;I为电路电流;L为负载的电感。

光辐射诊断可分为2类:(1)光辐射的动态特性,包括等离子体的时空演化行为和光辐射强度的时空演变等,一般采用高速摄像机或ICCD记录等离子体自辐射时空分辨图像,或采用光电二极管/倍增管配合光纤获得不同位置等离子体辐射强度随时间变化的关系;(2)辐射光谱特性,在光电记录元件前增加分光系统,记录一定空间位置和可见光范围内的时间分辨或时间积分光谱,但光谱记录系统一般需在执行前进行波长(汞灯)和波长灵敏度(卤钨灯)校准。

2 电爆炸负载光辐射的动态特性

在光辐射动态特性研究方面,人们很早便认识到强光辐射起始于击穿过程,通过时间分辨光谱发现空气中电爆炸击穿过程存在O,N等元素的特征峰,而后续等离子体阶段特征峰主要以金属元素激发态为主,表明光辐射行为与等离子体演化过程密切相关[6]。2004年,Sarkisov等[26]通过经标定的光电管研究了真空中常见金属材质丝电爆炸光辐射功率-时间曲线,实验结果表明,光辐射存在2个功率峰值:第一个是由等离子体光辐射产生的强辐射峰,随放电过程的结束而快速下降;第二个是爆炸产物微粒的高温辐射及复合辐射引起的拖尾,持续时间远大于放电过程。他们定性分析了金属丝状态与光辐射功率特征之间的关系,发现负载击穿前沉积能量越高,等离子体通道形成时气态金属比例越高,第一个峰的峰值越高,拖尾现象越不明显。2009年,中国工程物理研究院周传明等[27]研究了不同脉冲电流下铝丝与铜丝电爆炸的光谱特性,指出光辐射强度与能量注入速率正相关。2013年,西安交通大学赵军平[28]针对不同氩气气压下铝丝电爆炸光辐射行为开展了系统细致的研究,指出介质氛围气压增加时,等离子体碰撞过程发生变化,光谱中连续谱占比增加。2017年,本课题组[29]研究了放电模式对等离子体光辐射强度与光谱特征的影响。综上,电爆炸过程十分复杂,即使对同一规格金属丝,不同电流源与介质也可能导致不同的电爆炸过程。

2.1 空气中不同模式电爆炸的光辐射动态特性

不同的实验条件会导致不同的放电模式,Chace等[6]根据电流特征对电爆炸的放电模式进行了分类。本课题组[29]主要研究4种放电类型:A型是指有电流暂停的导线爆炸;B型和C型分别为周期和非周期模式下的电路电流;E型意味着爆炸发生在第一个电流脉冲(半周期)之后。选择一定规格的金属丝负载,在500 J的储能下进行电爆炸实验,通过改变金属丝的粗细(质量),实现上述放电模式。长为4 cm铜丝在空气中爆炸的电流、光强度和自辐射图像如图2所示[30]。图2给出了每种放电情况的典型电流和光辐射强度波形,在光辐射-时间强度曲线上用绿色圆点标明了每一帧的起始时刻(两帧之间间隔为1.52 μs,单帧曝光时间为0.95 μs)。选择最初的10帧来展示爆炸产物的早期演变。

(a) Cu, 50 μm diameter, 4 cm length

(b) Cu, 100 μm diameter, 4 cm length

(c) Cu, 200 μm diameter, 4 cm length

(d) Cu, 300 μm diameter, 4 cm length图2 长为4 cm铜丝在空气中爆炸的电流、光强度和自辐射图像[30]Fig.2 Current, light intensity, and selected self-emissionimages for exploding 4 cm long Cu wires[30]

由图2可见,在最初的几微秒内,金属丝经历了快速的相变,形貌和光辐射强度发生了剧烈变化;随后膨胀变缓,辐射强度逐渐衰减。爆炸产物的时空演化在不同放电模式下表现出不同特征:

(1) 图2(a)中的放电模式A,电流间歇将相爆和击穿过程分开,强光辐射起始于二次击穿过程。自辐射图像出现了较为均匀的辐射区域,这与激光阴影下轮廓分明的放电通道(discharge channel, DC)不同[31]。其中,图2(a)的第1帧显示了相爆爆炸产物的模糊轮廓。然后,随着二次击穿后等离子体的发展,放电通道被同时点亮。

(2) 图2(b)给出了放电模式A与B之间的过渡状态,电流间歇的持续时间几乎为0。图2(b)的第1帧中捕获了一个有趣的现象,该帧的增强图像如图3所示。由图3可见,从较稠密和较冷的蒸气-液滴混合物中出现了几个锥形等离子喷射流。Tkachenko等[32]在真空中钛丝爆炸的激光阴影图像中也观察到了类似结构,指出,当电流突然下降时,电磁压力突然减小,放电通道中热的低密度物质和冷的高密度物质膨胀速率不同,最终导致等离子体喷射。从时间上来看,该帧的曝光从电流的二次击穿开始。此时,电极间刚刚形成连接两个电极的等离子体通道。从图2(b)中的第1帧到第3帧,等离子通道经历了快速膨胀过程。而且,放电等离子通道在爆炸金属丝内部形成。第2帧显示出覆盖内部等离子体通道的不均匀致密层(如倾斜的暗条纹)。这种现象可能与液体-蒸气相变的动力学过程有关。爆炸的金属丝可能演变成被致密的液体壳包围的空化(泡沫状结构)[33]。在二次击穿时刻,该空心结构已经建立。爆炸丝内部的密度较低,更容易被电离,等离子体通道在内部形成。

(a) Original image

(b) Enhanced image图3 图2(b)第1帧的增强图像[30]Fig.3 Enhanced image of frame 1 in Fig. 2 (b) [30]

(3) 图2(c)和图2(d)大体处于放电模式B,可看到相爆后伴随等离子体辐射产生与发展,没有电流间歇。从图2(c)到图2 (d),随着金属丝直径(质量)的增加,更多能量将用于气化金属丝,等离子体过程减弱,放电模式逐渐向C转换。此外,随着流过金属导体电流密度的下降(直径增加),电-热不稳定性发展加剧[34],爆炸产物的空间分布变得愈发不均匀。图2(c)中的中心暗区域疑似为铜气溶胶,不透明度较高,导致铜谱线被吸收。图2(d)中的黑色斑块应是铜的液滴,原因是液滴几乎是不透明的,内部等离子体辐射无法通过,且实验后发现小铜滴附着在熔融石英窗内表面,直径从微米量级到亚毫米量级不等,与图2(d)中黑色斑块的大小一致。

空气中铜爆炸产物膨胀过程与动力学行为如图4所示[30]。图4(a)中,标记了电爆炸时刻(tex)和二次击穿时刻(tre)。由图4(a)可推断,辐射区域的扩张在tex之后的最初几微秒内经历了一个快速膨胀阶段;然后,辐射区域达到稳定的“半径”。且随着初始线径的增加,膨胀速率和稳定的“半径”都增加,这表明较粗金属丝爆炸产物膨胀的更快,而更快的膨胀则产生更强的冲击波。由图4(b)可见,冲击波的强度随初始金属丝直径的增加而增加,与预期一致,表现在峰值压力的增加和压力波到达探头时刻的降低。由图4(c)可见,随着初始金属丝直径从50 μm增加到300 μm,峰值压力从(0.048±0.001) MPa增加到(0.108±0.003) MPa,到达时刻从(427.65±0.52) μs减少到(337.80±1.25) μs。需指出的是,金属丝与探头之间的距离约为180 mm,沿该路径声波(340 m·s-1)的到达时刻约为529 μs。

(a) Expansion curve of luminous region

(b) Pressure of blasts

(c) Statistics of the blasts图4 空气中铜爆炸产物膨胀过程与动力学行为[30]Fig.4 Expansion of Cu explosion products and related dynamics[30]

2.2 空气中不同材质电爆炸的光辐射动态特性

不同金属材料的物性存在显著差异,对电爆炸过程有本质影响。如,放电通道的结构高度依赖于金属自身的电学和热物理性质[35];金属丝材料的原子序数对光谱性质有影响[24];在某些情况下还应考虑爆炸金属丝与周围介质之间的化学反应[36]。在铜丝的基础上,选取了铁和钨作为典型材质,得到铁丝和钨丝在空气中爆炸的电路电流、光强和自辐射图像,如图5所示。

(a) Fe, 200 μm diameter, 4 cm length

(b) W, 200 μm diameter, 4 cm length图5 铁丝和钨丝在空气中爆炸的电路电流、光强和自辐射图像Fig.5 Current, light intensity, and selected self-emission images for exploding Fe and W wires

对比图2(c)和图5可见,铜、铁和钨3者的电爆炸形貌存在显著差异:铁的电阻率较高,会将电路电流抑制到电离之前的较低值,导致相爆时刻回路电感储能不足,爆炸不如铜剧烈[37];而钨丝则由于表面电子发射和电离,形成稀薄等离子体包覆稠密液态的结构,因而不会经历典型的金属-非金属转化,负载电阻低,回路电流波形更接近于短路放电。

空气中铜、铁、钨的爆炸产物膨胀过程与动力学行为如图6所示[30]。

(a) Radiation distribution

(b) Expansion curve of luminous region

(c) Pressure of blasts图6 空气中铜、铁、钨的爆炸产物膨胀过程与动力学行为Fig.6 Expansion of Cu,Fe,and W explosion products and related dynamics

图6(a)比较了3种材质金属丝电爆炸产物辐射的形貌特征,图6(b)与图6(c)给出了爆炸产物膨胀和冲击波的动力学特性。由图6(a)可见,铁丝电爆炸与铜丝差别不大,而钨丝则具有自己的特点:致密钨液核几乎不透光,强光发射主要集中在围绕芯约0.8 mm厚的电晕层上,在明亮晕层之外,光强度逐渐降低。这种现象可用等离子体和空气的密度分布来描述。根据卢一晗等[38]用双波长干涉仪进行的测量,等离子体集中在致密丝核周围。因此,在丝核-介质界面附近,具有较高密度的等离子体,通过去激发、复合和轫致辐射产生强烈的光辐射;在该区域之外,等离子体密度逐渐降低,且光发射强度也降低[39]。由图6(b)可见,对于200 μm的铜丝爆炸,辐射区域的半径从相爆时刻(tex)后0.94 μs内跃升至3.3 mm,并以约2 mm·μs-1的速度持续扩展,直到约6 μs时,扩散速度趋于平缓;对于铁丝电爆炸,一开始的膨胀速率很低,但很快就增加到2 mm·μs-1的水平,直到8 μs时刻。钨丝在最初的几微秒内,晕层区域(FWHM)的膨胀速率约为1.5 mm·μs-1,而致密丝核的膨胀速率极低,但随着放电的进行呈持续增加的趋势。相应地,铜丝产生的冲击波最强,钨丝产生的冲击波最弱。这一关于空气中冲击波特性的结果不仅符合上述的爆炸产物膨胀特性,也符合这些金属丝材料在真空和水下爆炸中的一般规律[40-41]。

2.3 不同流体介质中电爆炸的光辐射动态特性

由第2.2节结果可知,电爆炸丝的边界在等离子体辐射中起着至关重要的作用,界面上的气化、电子发射、等离子流喷射及冲击波等动态过程会影响等离子体的形成和演化。改变金属丝的表面状况,如表面镀膜或在不同的环境介质中,会产生较大的影响。如,在快速脉冲电流作用下,绝缘涂层可阻止钨丝表面电子发射[42];以水为代表的高密度或高介电强度的环境介质可显著改变等离子体演化过程[43]。图7为典型材质金属丝电爆炸在不同介质界面情况下的电流、光强度和自辐射图像[30]。

(a) Coated Cu, 180 μm diameter, 4 cm length, in air

(b) Cu, 200 μm diameter, 4 cm length, in water

(c) W, 200 μm diameter, 4 cm length, in water

(d) Al, 200 μm diameter, 4 cm length, in water图7 典型材质金属丝电爆炸在不同介质氛围下的电流、光强度和自辐射图像Fig.7 Current, light intensity, and selected self-emission images for exploding wires with different ambient interface

图7(a)展示了一种10 μm厚的聚酯(PET)涂层铜丝,对比图2(c)可见,镀膜铜丝和纯铜丝的电流波形之间几乎没有差异,表明,微秒尺度慢爆炸下薄绝缘涂层造成的影响有限。但等离子体辐射仍可能会受到影响,不透明的被离解/蒸发绝缘材料会对等离子体光辐射产生遮蔽效果,如图7(a)中的第1帧所示。图7(b)-图7(d)揭示了水介质的影响,由图7(b)-图7(d)可见,与空气中的电爆炸相比,水介质有效压缩了放电通道的膨胀速率和直径。如,空气中发光区域的直径可达数厘米(如图2-图6所示),而水中发光通道直径则被压缩到约1 cm。因此,水中金属丝电爆炸的等离子体密度和不透明度较高,导致空气和水中等离子体辐射的过程存在差异。具体而言,对空气中丝爆,光辐射与放电过程密切相关,且在放电结束后很快停止,如第2.1和第2.2小节中的典型结果。但对水介质中的丝爆而言,放电与光辐射过程并不同步,光辐射在放电结束之后持续相当长的时间,这是由爆炸产物—高温电离气体散热缓慢所致[44],光辐射过程的长短取决于气泡演化与电极传热[45]。值得注意的是,通过比较图7(b)与图7(c)可见,水中铜丝与钨丝放电通道的形态几乎没有差异(除膨胀速率不同外),这与空气中的结果有明显不同,空气中钨丝形成了明显的芯-晕结构。图7(d)中的铝丝,由于高温下铝和水之间的化学反应,铝丝电爆炸显示出最强的光辐射。由图7(d)的第4帧至第6帧可见,围绕放电通道-水介质界面径向上有不规则突起,这可能与界面处铝蒸气和水的化学反应有关。

借助阴影摄影法,可直观地呈现空气与水介质中爆炸产物的不同,图8为空气与水介质中金属铜丝电爆炸阴影背光图像[34]。

(a) Cu, 100 μm diameter, 4 cm length, in air

(b) Cu, 50 μm diameter, 4 cm length, in water图8 空气与水介质中金属铜丝电爆炸阴影背光图像[34]Fig.8 Shadow images of Cu wire explosions in air and water[34]

由图8可见,在电爆炸早期,无论是空气介质还是水介质,爆炸产物与环境介质都保持了较严整的界面。然而,随着爆炸产物的扩散,空气-爆炸产物界面失稳,部分电离的金属蒸气呈湍流状态;而凝聚态水介质则与气态爆炸产物一直保持完整的界面,水介质中电爆炸光辐射需通过这个界面,辐射会被畸变和吸收,导致难以直接获取通道内部的参数。

3 电爆炸负载的辐射光谱特性

与理想等离子体不同,电爆炸等离子体的辐射光谱十分复杂,这种复杂性既来自于电爆炸等离子体状态的演变,即金属通过欧姆加热变为温稠密等离子体,而后不断膨胀变为低密度的类电弧等离子体;又来自于电爆炸过程中的不稳定性发展及沿面放电等现象导致的负载等离子体及辐射在空间上不均匀性。根据等离子体光谱学,电爆炸中可观察到轫致辐射、辐射复合和退激发3个辐射来源[24],在可见光附近范围内表现为连续谱和较密集特征谱线的叠加。一方面,较高的温度和高电子密度使激发与退激发频繁发生,可观测到高价离子谱线[46];另一方面,对不同金属等离子体,随着原子数Z的增加,原子结构和跃迁“轨道”更复杂,特征谱线数增加,同时粒子间的频繁碰撞也能将这些谱线激发出来,对于高Z元素,这些特征谱线变得十分密集,导致类似“连续谱”的采集结果[24]。在等离子体光谱学诊断方面,一方面可通过分析发射光谱估算光谱仪采集区域等离子体部分参数(如组成成分、电子激发温度与密度),另一方面可通过光辐射的时空分布推断等离子体的发展过程与空间分布特性。2012年,康奈尔大学的Blesener[47]利用拍摄光谱的方法对真空铝丝电爆炸磁场(Zeeman展宽)、电子密度(Stark展宽)与电子激发温度(Boltzmann双线法)进行了测量,并拍摄了放电过程中负载同一截面在不同时刻的光谱,初步研究了铝丝电爆炸等离子体的时空分布特征(如Al2+,Al+分布)。2017年,赵军平[48]研究了真空与氩气氛围中铝丝电爆炸等离子体电子激发温度与密度,发现氩气氛围能显著提升电爆炸过程中电子的密度(由1018cm-3增至1019cm-3量级)。2022年,西安交通大学的丁卫东[49]等利用条纹相机记录了电爆炸铜丝和钽丝辐射光谱的演变情况,发现辐射光谱初始由连续谱主导,而后向特征谱为主导演变。但总体而言,从电爆炸光谱中提取有效信息并不容易,目前对辐射光谱分析仍以定性和半定量描述为主。

3.1 电爆炸辐射光谱的时间演变特性

利用延时控制积分光谱仪采集得到空气介质中不同放电阶段采集的电爆炸辐射光谱,如图9所示[50]。

(a) Optical emission process of a 200 μm diameter, 2 cm longcopper wire explosion in air under 330 J stored energy

(b) Representative recorded spectra after a delay of 0 and 10 μs

(c) Representative ones after a delay of 20 μs, 30 μs and 40 μs图9 空气介质中不同放电阶段采集的电爆炸辐射光谱[50]Fig.9 Electrical explosion radiation spectra collected at different discharge stages in air[50]

通过调整光谱仪触发延迟(td),将光谱仪的起始动作设定为电压峰值(强光辐射开始)之后的0～40 μs,当td=0时,采集全过程发光光谱,而当td=40 μs时,光谱仪采集40 μs之后的发光光谱。由图9可见,显然在金属丝爆炸过程中,随着等离子体状态演变,辐射光谱会发生变化;当td=0时,可观察到强烈的连续光谱辐射;当td=10 μs时,连续谱辐射下降,大量线状谱消失,且其中大多数消失的线状谱是属于Cu I和Cu II的;只有在td=0的情况下Cu III 585.1 nm和596.5 nm的谱线才被观察到,而Cu III谱线(Cu2+)的存在表明在光辐射的前10 μs内,爆炸产物有较高的电离度,且该谱线幅值较高,表明存在能量相对较高的电子(≥36 eV)[51];但当td=40 μs时,只剩下少量铜的原子谱线可被观测到。

结合电爆炸动力学过程分析可知,伴随着能量沉积到电爆炸负载中,稠密的金属蒸气/液滴混合物电离达到温稠密状态(高电子密度),此时的辐射光谱以轫致辐射为主,少量可观测的特征谱线也由于斯塔克(Stark)效应明显展宽[28]。随后电爆炸快速膨胀,电爆炸由温稠密状态向类电弧状态过渡[30],电子密度和温度不断下降,线谱辐射逐渐增强,需指出这个阶段的等离子体是非平衡状态,高速运动的激发态粒子辐射可能存在明显的多普勒(Doppler)效应。在后期的类电弧阶段,等离子体与环境介质的湍流混合已十分明显,等离子体密度和电离率低,能量沉积无法维持辐射与碰撞传热损失,以复合和退激辐射为主,观测到的光谱以线谱辐射为主。

3.2 不同条件下电爆炸的光谱特性

3.2.1 不同系统储能下的辐射光谱

研究了不同系统储能下相同规格金属丝负载的辐射光谱特性,不同系统储能下,直径为200 μm、长为4 cm的铜丝在空气中电爆炸的电路电流和光强度随时间的变化关系如图10所示[50]。

(a) Circuit current I vs. time

(b) Light intensity IR vs. time图10 不同系统储能下,直径为200 μm、长为4 cm的铜丝在空气中电爆炸的电路电流和光强度随时间的变化关系[50]Fig.10 Circuit current and light intensity vs. time of an electric explosion in air of a copper wire with diameter of 200 μm,a length of 4 cm, under different system storage energies[50]

由图10可见,随系统储存能量的增加,爆炸时刻提前、爆炸前平均电流上升速率提高,且最大电流和光强度呈正相关趋势[37]。相应地,采集了不同系统储能下,金属丝爆炸全过程时间积分光谱,如图11所示[50]。

图11 不同系统储能下,金属丝爆炸全过程时间积分光谱[50]Fig.11 Time integral spectroscopy of the entire process of metal wire electrical explosion under different system storage energies[50]

由图11可见,随着系统储能的增加,轫致辐射增强,线状谱的密度和半高宽都迅速增大,这种展宽机制主要是由斯塔克效应引起的。在749 J储能条件下,积分光谱呈现了多种来源的辐射光谱,线状谱变得十分密集,且交叠在一起,难以提取有效光谱信息。

3.2.2 不同放电模式下的辐射光谱

如第2.1节所述,不同放电模式下电爆炸等离子体的时空演化差异很大。为进一步研究不同放电模式下的电爆炸等离子体,选长为4 cm的金属铜丝,直径为50～300 μm时,在空气中实现了3种典型电爆炸放电模式,并采集了全过程时间积分光谱。

图12为3种典型放电模式下铜丝电流和光强度随时间的变化关系[50]。

(a) Type A, d=50 μm, l=4 cm, stored energy 500 J

(b) Type B, d=100 μm, l=4 cm, stored energy 500 J

(c) Type B, d=200 μm, l=4 cm, stored energy 500 J

(d) Type C, d=300 μm, l=4 cm, stored energy 400 J图12 3种典型放电模式下铜丝电流和光强度随时间的变化关系[50]Fig.12 Current and light intensity time under three discharge types[50]

与第3.2.1节结果类似,光强度与电路电流密切相关,如,细金属丝很快相爆电离形成高电导率的等离子体通道,因而伴随更大的回路电流和更强的光辐射。由图12(a)-图12(c)可见,随着金属丝直径增加,光辐射强度峰值虽然不断降低,但曲线的半高宽(FWHM)呈不断增加趋势。由图12(d)可见,对于放电模式C,只观察到一个窄的光辐射脉冲,这是因为电容器中剩余的能量不足,爆炸后电流很快被切断,导致等离子体发展不充分。

图13为3种放电类型下的时间积分光谱[50]。

(a) Type A, d=50 μm, l=4 cm

(b) Type B, d=100 μm, l=4 cm

(c) Type B, d=200 μm, l=4 cm

(d) Type C, d=300 μm, l=4 cm图13 3种放电类型下的时间积分光谱[50]Fig.13 Time integral spectra under three discharge types[50]

由图13(a)可见,放电模式A下观察到一系列的O和N原子的特征谱线,且强度较高,而在其他模式下未看到,表明空气介质参与了二次击穿过程。这种参与方式可能是二次击穿时电爆炸丝已混入相当部分的空气介质,也可能是沿面放电的发生所致,目前尚未有研究证实。随着放电模式A向模式C的过渡,连续光谱的比例上升,光辐射强度下降。结合图12中光强-时间曲线的变化趋势可推断:不同放电模式下,金属丝负载相变过程和等离子体过程能量占比不同,由图13(a)可见,对于放电模式A,仅有一小部分储能用于驱动金属丝相变,大部分能量在振荡放电中损耗,用于维持低密度的类电弧金属等离子体,因而辐射光谱以线谱辐射为主;由图13(d)可见,对于放电模式C,大部分能量用于相变和电离,最终等离子体处于低电导率的温稠密状态,辐射自然以连续谱为主;由图13(b)和图13(c)可见,放电模式B的能量分配介于模式A和模式C之间,等离子体和辐射光谱亦介于二者之间。

3.2.3 不同金属丝材料的辐射光谱

在空气中500 J的系统储能下,选取直径为200 μm、长为1 cm规格的金属丝,使电爆炸丝工作于放电模式A,比较不同材质等离子体的辐射特性。选取C,Al,Ti,Fe,Cu,Mo,Ag,Ta,W材质为研究对象,使用亚微秒和微秒尺度脉冲功率源驱动电爆炸,测得不同材质的电爆炸全过程时间积分光谱,如图14所示[52]。

(a) C

(b) Al

(c) Ti

(d) Fe

(e) Cu

(f) Mo

(g) Ag

(h) Ta

(j) Base line sustracted图14 不同材质的电爆炸全过程时间积分光谱[52]Fig.14 Time integral spectroscopy of the entire process of electric explosion with different materials[52]

这些光谱表现出一个整体趋势,即随着原子序数Z的增加,特征谱线的数量和密度不断增加,谱线之间不断交叠,呈现出“类连续谱”的表象。例如,对于低原子序数的C,辐射主要集中在某几条特征谱线辐射上;对于高原子序数、高熔点金属Mo,Ta,W而言,很少有某些特定跃迁态占据主导,整体表现为密集谱线叠加的形式。而从图14(j)可见,在250～900 nm之间3种中低Z元素辐射谱线没有重叠的谱线,表明空气介质参与有限,电爆炸等离子体仍然以各自元素金属蒸气为主。

3.2.4 不同介质环境中的辐射光谱

在空气和水介质中,开展相同储能、相同规格金属铜丝电爆炸实验,研究环境介质对电爆炸等离子体辐射特性的影响。图7为不同介质环境中的等离子体通道自辐射的时空演化情况,由图7可见,水介质中电爆炸辐射相对于放电过程存在“滞后效应”。在空气中电爆炸时,放电通道的膨胀受到轻微的阻碍,爆炸产物直径可在几微秒内膨胀到厘米量级。然而,放电通道在水中膨胀十分困难,爆炸产物的直径一开始只有几毫米。另一方面,电爆炸产物(等离子体)向环境介质飞散时,界面的演化过程呈现不同特点:空气中电爆炸时,爆炸产物-介质界面一开始较为清晰明确,而后随着界面不稳定性的发展,呈现湍流混合的趋势;水中电爆炸时,爆炸产物-介质界面一直比较清晰,爆炸产物以高温电离气体气泡形式存在于水介质中。对于外界接收到的光辐射而言,光辐射从等离子体到达接受光纤要经过放电通道-介质的界面。图15为500 J储能下的空气和水中铜丝电爆炸的光谱[53-54]。

图15 500 J储能下的空气和水中铜丝电爆炸的光谱[53-54]Fig.15 Normalized spectra of Cu wire electrical explosion in air and water under 500 J stored energy[53-54]

由图15可见,在等离子体充分发展的情况下,空气中电爆炸的光谱有明显的线谱辐射,而水介质中的情况则以连续谱为主,是因为在高压和强辐射的作用下,放电通道周围形成了一层薄薄的弱电离水层[53],复杂的放电通道-水边界屏蔽了放电通道内部的辐射,导致出现连续谱[54]。因此,水中金属丝电爆炸的光谱信息反映的是放电通道-水界面的参数情况,不宜作为爆炸产物参数的诊断手段。

4 总结

本文回顾了近年针对微秒尺度电爆炸等离子体光辐射行为的研究,以本文课题组开展的已有研究为基础,结合国内外相关工作,对电爆炸过程中等离子体形貌演化、辐射光谱特性及介质氛围影响进行了梳理与总结,归纳了不同放电模式、不同金属丝材质及不同介质环境中的金属丝电爆炸等离子体光辐射的动态特性和辐射光谱特性。主要结论为:

(1) 不同放电模式下,空气中爆炸丝的形态表现出明显不同的特征,绝缘层的存在可遮蔽部分等离子体辐射;对于水中金属丝爆炸,铝丝爆炸具有最强的光辐射强度;金属丝爆炸产物的不透明度对等离子体辐射具有很大的影响,这与爆炸产物的膨胀速率直接相关。

(2) 由于不同金属材质的电、热物性的差异,导致内部击穿和气体放电击穿2种模式,同时由于原子能级复杂程度的不同,高Z元素能产生更多的特征谱线,且互相交叠,表现出“连续谱”的形貌。

(3) 在典型的金属丝电爆炸过程中,金属丝电爆炸发射光谱主要有连续辐射和线谱辐射2种模式;储能增加,光强度和连续辐射也会增强;在3种放电模式下,从A模式到C模式,连续光谱的比例上升,而光强度下降;对于不同介质中金属丝电爆炸,水介质中的光辐射持续时间长,主要原因是放电通道扩展较慢。

同时,在以下方面还有待继续深入研究:

(1) 电爆炸等离子体空间约束调制。当前开展的研究多在开放空间的空气和水介质,电爆炸产物(等离子体)不断膨胀和自由扩散,而实际应用中,电爆炸可能发生在受限空间,等离子体和光辐射将受到影响,需进一步探索差异。

(2) 非纯金属材料的辐射特性。为获得更丰富的光辐射特性,半导体、合金等材质的辐射特性需进一步研究,如当前关注较多的半导体桥箔,其等离子体辐射机制和规律研究尚不足。

(3) 光辐射信息挖掘。等离子体光辐射是内在过程的表现,虽然电爆炸过程极为复杂,光谱内涵丰富,但当前可利用的谱线十分有限。寻找更多的光谱学特征,如可作为诊断对象的特征谱线,将对高密度等离子体的参数评估意义重大。