1 引 言

金属桥丝是电雷管的重要部件，它安全性高、抗干扰能力强，已经受到国内外研究人员的广泛关注^[1]。金属桥丝电起爆状态对火工品的发火状态尤为重要。目前爆炸桥丝的研究主要集中在静电放电对火工品的危害和对其性能的影响，电路模拟静电对桥丝式火工品的危害^[2,3,4,5]，以及金属桥丝起爆系统的性能检测与优化、仿真模拟^[6,7,8]。对电起爆状态的判断目前研究报道较少。褚恩义等^[9]利用Tucker的格尼能公式对电起爆状态的诊断进行了计算，通过理论计算和实验验证获得了冲击片冲击起爆的判断公式，但是Tucker的格尼能公式需要一定的经验修正，影响计算精度。谭迎新^[10]通过对爆炸后产生的碎片在药柱上产生的凹痕深浅来判断起爆状态，测量起爆后在铝鉴定块上产生的凹痕深度，并与已知的临界深度对比，判断爆炸情况。这两者方法操作复杂，没有办法实现快速的、实时的远距离在线判别。

金属桥丝起爆的原理^[11]是，起爆装置产生脉冲大电流并注入到桥丝上，在高密度脉冲电流作用下桥丝迅速释放能量产生电爆炸，金属桥丝在脉冲大电流作用下发生固态‑液态‑气态的转变形成高温高压等离子体，脉冲电流通过导体和由自由电子、带电粒子组成的等离子体的产生的电磁效应会发射电磁脉冲。桥丝电爆炸过程中产生的电磁脉冲辐射，有可能通过测量电磁脉冲辐射信号实现桥丝起爆状态的判断，为起爆实验提供诊断信息。因此为了研究金属桥丝电爆炸过程中产生的电磁辐射特性，本研究主要通过天线探测金属桥丝起爆过程中产生的电磁信号，对金属桥丝电爆炸过程中产生的电磁信号进行采集研究，对比不完全起爆和完全起爆时产生的电磁辐射特性，完成金属桥丝电爆炸程度的判断。

2 实验部分

2.1 仪器与材料

实验布局图如图1所示，包括高压电源、桥丝、示波器、天线、罗果夫斯基线圈和高压探头等。实验中采用的爆炸桥丝的材料为金丝，纯度99.99%。高压电源型号PS350/5000 V⁃25 W，加压范围0~5000 V，放电电流正弦波。天线为直径35 mm，高度26.5 mm，等效作用面积306.25 π，频率为0.005~12 GHz的宽带全向型天线^[12]。天线的方向性模拟如图2所示，天线在水平方向增益高，在垂直方向增益低，在水平方向上天线全向型好，对各个方向的电磁信号均能接收。示波器型号Tektronix DPO7014，带宽1 G，最高采样率40 GS·s^-1。

图1 桥丝电爆炸电磁效应测量实验布局图

Fig.1 The schematic for the experimental setup of the bridge wire electric explosive for testing the electromagnetic effect

图2 宽带天线方向性仿真图

Fig.2 The simulation diagram for the directionality of the broadband antenna

2.2 实验原理与步骤

采用罗果夫斯基线圈测量电爆炸过程中的爆发电流，高压探头测量爆发电压。实验中将天线水平侧向爆炸桥丝放置，距离爆炸桥丝2 cm，通过天线测量电爆炸过程中产生的电磁辐射信号，示波器记录存储数据，电压和电流通道示波器接1000倍衰减。实验前对电起爆装置的电爆特性进行测量，电起爆装置的短路电流曲线如图3所示，测试时充电电压为1000 V，电容容量为0.22 μF，放电周期为1.79 μs。根据R‑L‑C放电曲线^[12]，可以获得回路的电阻为229 mΩ，电感为364 nH。通过对比不同加载电压下电爆炸过程中产生的电压、电流和电磁辐射，分析不同加载电压下产生的信号特性与电爆炸状态的关系，最终实现电爆炸状态的判断。保持爆炸桥丝材料、天线放置取向不变、仅改变起爆电压进行验证实验。

图3 电起爆装置的短路电流曲线

Fig.3 The discharging current curve of circulation

3 结果与讨论

3.1 电爆炸状态判断及电磁信号与电爆炸过程的对应关系

为研究金属桥丝电爆炸过程中产生的电磁辐射信号与电爆炸程度之间的关系，对金属桥丝电爆炸过程中产生的电磁信号进行记录分析。桥丝电爆炸一般发生在电流的上升阶段，桥丝在脉冲大电流的作用下产生焦耳热，桥丝由固态变为液态最后转化为气态，电阻迅速增大，当桥丝的电阻达到最大值时，电压也到达峰值，发生爆炸。图4为加载电压500 V和1000 V时，金属桥丝电爆炸过程中产生的电流、电压以及电磁脉冲信号。由图4a可知，在加载电压为500 V时，金属桥丝的电压峰值出现在第0.743 μs，而电流的峰值出现在第0.502 μs，电压峰严重滞后于电流峰，能量转换率低，金属桥丝起爆需要更高的加载电压。由图4b可知，在加载电压为1000 V时，金属桥丝的电压峰值出现在第0.385 μs，而电流的峰值出现在第0.335 μs，电压峰略微滞后于电流峰，能量转换率高。所以在加载电压为500 V时，加载电压过低，金属桥丝电爆炸不充分；加载电压为1000 V时，金属桥丝电爆炸充分，完全起爆。

a. 500 V

b. 1000 V

图4 加载电压500 V时和记载电压1000 V时的信号

Fig.4 Tested signals at 500 V and 1000 V charged voltages

从图4看，电磁脉冲辐射分为三个阶段，对应图中的1，2，3。第一个阶段(1)由桥丝的加热初始阶段^[14,15,16]产生，此时脉冲强电流刚被加载到金属桥丝上，桥丝等效于一个微波天线，在脉冲强电流的激励下向空间辐射电磁信号，此阶段的特点是金属桥丝膨胀不明显，电磁脉冲频率低；第二个阶段(2)由桥丝的本征爆炸阶段^[14,15,16]产生，此阶段金属桥丝电阻显著增大一直到发生爆炸，电压峰值出现的起爆时刻产生强烈的等离子体辐射，其特点是产生电磁脉冲幅值大，频率较高，持续时间较短；第三个阶段(3)由等离子体阶段^[14,15,16]产生，此阶段气化的金属在持续加载的电流的作用下发生电离形成高浓度的等离子体，此时的等离子体运动速度快产生的电磁脉冲频率高，持续时间较长。

3.2 不同起爆状态下电磁信号的特性

由图4a可以看出，在不完全起爆状态下，桥丝的加热初始阶段（第一个电磁脉冲到第二个电磁脉冲）产生的电磁脉冲辐射持续时间为0.27 μs，桥丝的本征爆炸阶段（第二个电磁脉冲到第二个电磁脉冲峰值的十分之一）产生的电磁脉冲辐射持续时间为2.1 μs。在完全电起爆状态下，桥丝的加热初始阶段（第一个电磁脉冲到第二个电磁脉冲）产生的电磁脉冲辐射持续时间为0.18 μs，桥丝的本征爆炸阶段（第二个电磁脉冲到第三个电磁脉冲）产生的电磁脉冲辐射持续时间为1.34 μs，桥丝的等离子体阶段（第三个电磁脉冲到第三个电磁脉冲峰值的十分之一）产生的电磁脉冲持续时间为2.08 μs。当加载电压较小时，能量转化率低，桥丝初始加热阶段持续时间长，能量都被耗费在加热内能上，电阻增大慢，产生的电磁脉冲频率低。当加载电压较大时，能量转化率高，桥丝初始加热阶段持续时间短，本征爆炸阶段电阻迅速增大，桥丝在脉冲强电流的作用下气化产生高浓度的等离子体，带电粒子之间碰撞电离，产生的电磁脉冲频率高。当桥丝完全电起爆时，金属桥丝初始加热阶段和本征爆炸阶段产生的电磁信号持续时间短，等离子体阶段产生的电磁信号持续时间长；当桥丝没有完全电起爆时，金属桥丝初始加热阶段和本征爆炸阶段产生的电磁信号持续时间长，等离子体阶段产生的电磁信号持续时间短。

3.3 不同起爆状态下电磁信号的频率特性

图5是加载电压为500 V时、加载电压为1000 V时以及空载条件下的电磁脉冲辐射的频率对比。空载是指没有加载爆炸桥丝的情况下，回路产生的电磁脉冲辐射。由图5可知，在空载情况下，电磁脉冲频率极低，电磁频谱在5.8 MHz处出现峰值，幅度为0.001 V；加载电压为500 V时，电磁脉冲仅在低频区域出现两个峰值，频率分别10.7 MHz和29.6 MHz，幅度分别为0.0072 V和0.0125 V；加载电压为1000 V时，电磁脉冲在低频区域有两个峰值，高频区域有一个峰值，低频区域频率分别为10.8 MHz和29.7 MHz，幅度分别为0.008 V和0.0143 V，高频区域频率为96.3 MHz，幅值为0.0045 V。金属桥丝电爆炸过程中出现的第一个电磁频率峰值对应着电爆过程中的金属桥丝的初始加热阶段，是由脉冲强电流加载到金属桥丝上产生的空间电磁辐射，此时的电磁脉冲频率，幅值小；金属桥丝电爆炸过程中出现的第二个电磁频率峰值对应着电爆炸过程中的本征爆炸阶段，是电压达到峰值时产生的强烈的等离子体辐射，此时的电磁脉冲频率较高，幅值也比第一阶段大；金属桥丝电爆炸过程中出现的第三个电磁频率峰值对应着电爆炸过程中等离子体阶段，此时产生的等离子体浓度高，运动速度快，产生的电磁脉冲频率高。通过对电磁场频域的分析，可以判断爆炸桥丝起爆系统的状态。没有完全起爆时，电磁辐射频率较低，主要集中在40 MHz以下；完全起爆时，电磁辐射出现较高频成分，除了40 MHz以下的电磁辐射还存在100 MHz的较高频电磁辐射。

图5 加载电压500 V和加载电压1000 V和空载情况下的电磁场频谱对比

Fig.5 Comparison of the electromagnetic field spectrum with load voltage of 500 V, 1000 V and no‑load conditions

3.4 桥丝电爆炸电磁判断法的实验验证

根据爆炸桥丝起爆过程中电磁辐射特性的特点，又进行了验证实验。即保持爆炸桥丝材料、天线放置取向、罗果夫斯基线圈和高压探头的测量位置不变，分别在起爆电压为1200 V和400 V的情况下对其他两组爆炸桥丝的爆炸状态进行了判断，如图6所示。图6a是1^#和2^#桥丝的爆炸瞬间的时域信号，图6b为1^#桥丝和2^#桥丝的爆炸瞬间的频域信号。从图6a可以看出，1^#桥丝的加热初始阶段产生的电磁脉冲辐射持续时间为0.25 μs，桥丝的本征爆炸阶段产生的电磁脉冲辐射持续时间为2.2 μs，2^#桥丝的加热初始阶段产生的电磁脉冲辐射持续时间为0.17 μs，桥丝的本征爆炸阶段产生的电磁脉冲辐射持续时间为1.3 μs，桥丝的等离子体阶段产生的电磁脉冲持续时间为2.02 μs。从图6b可以看出，1^#桥丝频率主要集中在10~30 MHz的低频区域，频率分别为10.9 MHz和29.6 MHz，2^#桥丝频率分为两个阶段，第一阶段是10~30 MHz的低频区域，频率分别为10.9 MHz和29.8 MHz，第二阶段是90~100 MHz的高频区域，频率为96.8MHz。根据爆炸桥丝起爆过程中电磁辐射特性的特点可以判断，1^#的加载电压为400 V，桥丝未完全起爆；2^#的加载电压为1200 V，桥丝完全起爆。

a. time‑domain

b. frequency‑domain

图6 加载电压为400 V和加载电压为1200 V时的电磁场信号对比图

Fig.6 Comparison of electromagnetic field signals with load voltage of 400 V and 1200 V

4 结 论

研究了爆炸桥丝起爆过程中的电磁脉冲辐射效应，通过对爆炸过程中电磁脉冲效应时域和频域的分析，证明可以通过起爆瞬间产生的电磁脉冲的持续时间和频率范围实现爆炸状态的判断。实验发现，（1）金属桥丝没有完全电起爆时，产生的电磁脉冲频率低，集中在10~40 MHz范围内；金属桥丝完全电起爆时产生的电磁脉冲出现高频成分，主要集中在90~100 MHz范围内。（2）金属桥丝没有完全电起爆时初始加热阶段和本征爆炸阶段产生的电磁脉冲持续时间长，等离子体阶段的电磁效应产生的电磁信号持续时间短；金属桥丝完全电起爆时初始加热阶段和本征爆炸阶段产生的电磁辐射持续时间短，等离子体阶段产生的电磁辐射持续时间长。本次实验为冲击片雷管起爆系统的起爆状态的判断提供了依据，为进一步的等离子体演化的详细过程的电磁特性分析提供了实验基础，为复杂环境的起爆诊断提供了思路。

（责编： 姜 梅）

参考文献