2. 中国工程物理研究院化工材料研究所, 四川 绵阳 621900
2. Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang 621900, China
飞片速度是爆炸箔起爆器(exploding foil initiatiors, EFIs)的重要表征指标之一, 其对于爆炸箔起爆器可靠性设计与评估、性能优化具有重要参考意义。
国外对EFIs飞片速度的理论与试验研究较为成熟, 已掌握多种小飞片速度测试技术。Prinse等[1]采用Febry-Perot系统获得爆炸箔起爆器的小飞片速度历程, 但未对飞片参数进行介绍。Davies等[2]利用高速条纹相机研究了桥箔尺寸和炮筒长度对飞片速度的影响规律。Ralph Hodgin等[3]通过光子多普勒速度测量技术(photonic doppler velocimetry, PDV)获得了电爆炸驱动小飞片的速度历程, 结果表明, 与Febry-Perot系统对比, PDV测速系统具有经济、高效和高时间分辨率的优点, 但试验数据必须经过处理才能获得。国内采用试验手段研究小飞片速度的报道较少, 并且前期的研究仅局限于平均速度的测量[4-5]。何碧等[6]用激光速度干涉仪(VISAR)测量了电爆炸箔起爆器驱动Mylar飞片速度历程, 其飞片直径为Φ1.2mm; 邓向阳[7]、王桂吉[7-8]和钱勇等[10]采用相同的方法测量了更小飞片(Φ0.7 mm和Φ0.5 mm)的速度历程。但在VISAR测量中, 需要对飞片表面进行处理以获得漫反射表面, 否则很难测到信号。处理方法包括涂色、贴附抛光纸、镀膜和喷钢砂等[11]。这些处理方法改变了EFIs飞片状态, 增加了飞片质量, 使得测试飞片与实际飞片不符, 由此测得的速度将略低于实际速度。
EFIs的低能化和小型化发展, 使其飞片的直径越来越小、厚度越来越薄。由于VISAR系统结构复杂, 调试难度大, 很难获得更小飞片的速度历程。对于薄飞片来讲, 表面处理带来的质量增加将更加显著, 速度误差也更大。国内尚未见到有关未经表面处理的小飞片速度历程的报道。本研究采用PDV测速系统测量未经表面处理的小飞片速度历程, 为爆炸箔起爆器的优化设计提供依据。
2 试验原理与装置PDV是一种新型激光干涉测速技术, 由Strand等[12]于2004年提出。从国外的研究结果[13-15]来看, PDV的测试精度可以达到或超过VISAR系统, 将有可能在大多数应用上代替VISAR。
PDV对物体速度的测试是基于物体运动产生的光学多普勒效应, 具体原理如图 1所示。激光探头表面的反射光返回系统, 作为参考光; 飞片上反射回来的激光, 作为信号光。两次反射光发生干涉后, 利用探测器的平方检测特性, 检测参考光和信号光的差拍干涉信号, 并实现光电转换, 电信号放大后由示波器采集。
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图 1 试验原理示意图 Fig.1 Principle diagram of PDV system |
时频分析采用快速傅里叶变换(SFFT)[12]。设参考光光强为I0(cd), 频率为f0(Hz), 波长为λ0(m), 信号光光强为Id(cd), 频率为fd(Hz), 由多普勒效应和光场的干涉公式可得:
| $ I={{I}_{0}}+{{I}_{d}}+2\sqrt{{{I}_{0}}{{I}_{d}}~}{\rm{cos}}\left[4\pi \int_{0}^{t}{v\left( t \right)/{{\lambda }_{0}}\rm{d}\mathit{t}+\varphi } \right] $ | (1) |
式中, φ为两光束的初始相位差, rad。
令
| $ {{f}_{b}}={{f}_{d}}-{{f}_{0}}=2v\left( t \right)/{{\lambda }_{0}}=dN/\rm{d}\mathit{t} $ | (2) |
由此可得飞片运动速度:
| $ v\left( t \right)={{\lambda }_{0}}{{f}_{b}}/2=({{\lambda }_{0}}/2)dN/\rm{d}\mathit{t} $ | (3) |
由(3)式可以看出, PDV测得的速度与条纹数的微分有关, 而与条纹数无关。fb可以通过对干涉信号进行时频分析得到, 由于干涉信号fb较大, 需要记录系统具有高的带宽和采样率来保证记录信号不会失真。试验中使用的示波器为Agilent MSO-X 93204A, 采样率为40 GS·s-1, 带宽为32 GHz。
设计了一种电爆炸驱动小飞片的PDV测速装置, 其主要结构如图 2所示。桥箔材料为铜, 尺寸(宽度×厚度)为0.2 mm×3 μm; 飞片材料为聚酰亚胺, 尺寸为Φ0.35 mm×25 μm, 试验中未对飞片进行任何处理; 炮筒尺寸为Φ0.35 mm×0.4 mm。测试装置和光纤探头通过支架固定在平台上, 调整相对位置, 使炮筒孔与光纤探头对准。光纤探头前放置载玻片以保护探头。采用0.2 μF的放电电容, 充电电压为2800 V, 放电周期为1.14 μs。
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图 2 小飞片速度PDV测试装置示意图 1—插针, 2—基底, 3—桥箔, 4—壳体, 5—飞片, 6—载玻片, 7—光纤探头 Fig.2 Velocity measurement scheme of mini flyers driven by electrically exploded foils with PDV diagnostics 1—pins, 2—substrate, 3— bridge foil, 4—housing, 5—flyer, 6—glass slice, 7—probe |
电容释放出脉冲大电流, 激发金属桥箔发生电爆炸, 剪切并驱动飞片高速运动。飞片反射的光信号通过光纤及光电转换器由示波器记录, 其原始信号如图 3所示。示波器采集的原始信号通过快速傅里叶变换可获得飞片速度历程。
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图 3 示波器原始数据 Fig.3 Raw data of oscilloscope |
采用图 2装置, 对两发电爆炸驱动小飞片进行了速度测试。试验获得的飞片速度历程如图 4所示, 测到的有效时长约为160 ns。
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图 4 快速傅里叶变换后的速度曲线图像 Fig.4 Velocity profiles after Sucessive Fast Fourier Transform(SFFT) |
PDV测速系统是将示波器获得的频率信号处理为彩色图片, 通过颜色深浅来表征频率高低。需要采用图像处理软件处理后才可获得相应的速度细节。通过GRAFULA 3软件读取图 4中的数据, 获得两发试验的飞片速度历程, 如图 5所示。
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图 5 数据处理后的小飞片速度历程 Fig.5 Velocity histories of mini flyers after data treatment |
从图 5可以看出, 两发试验结果较为一致, 在主要时间段内两条曲线几乎重合, 仅在测试范围的末段略有差异。在0.86 μs时刻, 飞片速度出现拐点, 在此之前飞片速度上升较快, 在60 ns内达到了最终速度的75%。在速度拐点之后, 飞片速度上升相对变缓, 在100 ns内完成了剩余25%速度的增加。整个速度剖面反映了电爆炸驱动小飞片的物理过程, 并与文献[16]中的实验曲线相吻合, 也与VISAR的测试曲线[7, 11]吻合。两发飞片的最大速度分别为4520, 4330 m·s-1, 速度差约为4%。
通过对速度曲线进行积分可获得飞片位移, 从而获得飞片速度和位移的关系, 如图 6所示。
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图 6 飞片速度和位移的关系 Fig.6 Relationship of flyer velocity and displacement |
从图 6可以看出, 与图 5中的速度拐点相对应, 速度位移曲线也有拐点, 其出现在0.1 mm位移处。飞片位移在0.3 mm之前, 两条曲线较为一致, 而在0.3 mm之后, 飞片速度差逐渐增大。理论上, 在等离子体驱动飞片的前期(0.3 mm之前), 等离子体的压力较飞片在炮筒孔中飞行的摩擦力大数个量级, 摩擦力对飞片的影响非常小; 但是到了后期, 等离子体的压力逐渐降低, 摩擦力对飞片的影响逐渐增大。而飞片飞行的摩擦力与炮筒孔加工质量有关, 因此飞片速度差在0.3 mm位移后的增大, 与两发试验装置中的炮筒加工质量差异有关。
4 结论用PDV测速系统获得了电爆炸驱动小飞片的速度历程。
设计了一种电爆炸驱动小飞片测试装置, 可以产生Φ0.35 mm×25 μm尺寸的小飞片, 试验中未对飞片进行任何处理。对两发电爆炸驱动小飞片进行了PDV测速试验, 获得了小飞片的速度历程, 测得的有效时间约为160 ns; 两发飞片的最大速度分别为4520, 4330 m·s-1, 速度差约为4%, 一致性较好。
飞片速度剖面有明显拐点, 在拐点之前速度上升较快, 在60 ns(0.1 mm位移)内达到了最终速度的75%, 在拐点之后, 速度上升相对变缓, 在100 ns内完成了剩余25%速度的增加。炮筒孔的加工质量会影响飞片在加速后期的飞行状态, 飞片速度在0.3 mm位移之后分散性增大。
致谢: 试验得到了南京理工大学的吴立志博士和陈少杰博士的大力支持，在此表示感谢！| [1] |
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Velocities of mini flyers (Φ0.35 mm×25 μm) driven by electrically exploded foils were investigated by Photonic Doppler Velocimetry (PDV). The mini flyers with original states are assembled in the tests.