集成高壓平面開關的沖擊片雷管設計研究

周密， 同紅海， 任西， 王寅， 孟慶英， 李明， 閔杰

(陜西應用物理化學研究所， 應用物理化學國家級重點實驗室， 陜西 西安 710061)

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集成高壓平面開關的沖擊片雷管設計研究

周密， 同紅海， 任西， 王寅， 孟慶英， 李明， 閔杰

(陜西應用物理化學研究所， 應用物理化學國家級重點實驗室， 陜西 西安 710061)

為了降低沖擊片雷管系統體積和生產成本，設計一種在陶瓷基板的正面和背面分別制備爆炸橋箔和高壓平面開關，與其他零部件組裝成沖擊片雷管的集成高壓平面開關的沖擊片雷管，并且研究了其電爆炸性能。結果表明：該沖擊片雷管與使用火花隙開關的沖擊片雷管放電參數基本相同，該高壓平面開關能夠代替火花隙開關完成沖擊片雷管的起爆要求。

兵器科學與技術； 高壓平面開關； 小型化； 集成化； 沖擊片雷管

0　引言

沖擊片雷管由于其安全性好、可靠性高而應用于各類武器彈藥系統中。沖擊片雷管系統由沖擊片雷管和發火電路組成，目前發展趨勢是小型化和低能化[1-3]。其關鍵技術是各組成元器件的小型化和低電感技術，所以有必要將各個元器件集成或者部分集成，使沖擊片雷管系統體積在目前基礎上進一步下降。國內沖擊片雷管系統中使用的高壓開關是火花隙開關，這種開關體積較大、制作工藝復雜、成本高，與沖擊片雷管靠各類導線連接，這樣的結構不能使系統的體積最大程度地縮小，而且各類導線會增加系統的電阻和電感。有鑒于此，本文設計并且制備一種高壓集成高壓平面開關的沖擊片雷管，同時研究其電爆炸性能。

1　集成高壓平面開關的沖擊片雷管設計

集成高壓平面開關的沖擊片雷管主要結構如圖1所示，包括電極塞，高壓平面開關，陶瓷基板、爆炸橋箔、飛片、加速膛、輸出藥柱、殼體。電極塞有第1～第4電極棒，分別與陶瓷基板的第1～第4通孔對應，并通過電極棒與高壓平面開關和爆炸橋箔(橋區尺寸為0.45 mm×0.45 mm×5 μm)連接，飛片的一側涂約1 μm的膠膜后覆蓋在爆炸橋箔上，并通過熱壓工藝牢固附著在爆炸橋箔的橋區上，加速膛位于飛片之上且其膛孔正對爆炸橋箔的橋區。輸出藥柱位于加速膛的上方。殼體內底與輸出藥柱接觸且端口與電極塞連接，至此形成了一個集成高壓平面開關的沖擊片雷管，實物圖如圖2所示。

圖1　集成高壓平面開關的沖擊片雷管結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of integrated high voltage planar switch of exploding foil initiator

圖2　集成高壓平面開關的沖擊片雷管實物圖Fig.2　Sketch map of integrated high voltage planar switch of exploding foil initiators

高壓平面開關的設計如圖3所示，是在火花隙開關的基礎上，把兩主電極(陽極2-1，陰極2-2)的形狀設計為圓形，觸發電極(2-3)為細條狀。其中兩主電極間隙為2 mm，觸發電極寬度為1 mm，為了實驗連接方便，觸發電極的端點設計為圓形。因為該開關依靠空氣擊穿導通，若不進行封裝，使用環境將對該開關產生很大的性能影響，若對單個高壓平面開關進行封裝，將會增加開關及系統體積，所以將爆炸橋箔與高壓平面開關分別設計在同一陶瓷基板的正面和背面，在陶瓷基板上設有第1～第4通孔(3-1至3-4)，并且全部通孔金屬化，在陶瓷基板的正面，爆炸橋箔的兩端分別于第1、第2通孔相連。如圖4所示，高壓平面開關在陶瓷基板的背面，陽極設計為以第1通孔為中心的圓環狀，陰極設計以第3通孔為中心的圓環狀，觸發電極陰極和陽極中間的長條形狀并連接到第4通孔，如圖5所示，其中高壓開關的陽極通過第1通孔與爆炸橋箔的一端相連。在陶瓷基板的正面，第3和第4通孔周圍留有圓形金屬焊盤，是為了讓第3和第4電極棒與高壓平面開關的陰極和觸發極通過錫焊可靠連接。

圖3　高壓平面開關結構示意圖Fig.3　Schematic diagram of high voltage planar switch

圖4　陶瓷基板正面Fig.4　Observational side of ceramic substrate

圖5　陶瓷基板背面Fig.5　Reverse side of ceramic substrate

應用時，將集成高壓平面開關的沖擊片雷管的的第2電極棒和第3電極棒分別與高壓電容充電電源相連，第4電極棒與高壓開關觸發電路相連，當觸發信號到來時，開關導通，雷管起爆，如圖6所示。

圖6　電路連接示意圖Fig.6　Diagram of circuit connection

2　數學模型實驗與分析

將集成高壓平面開關的沖擊片雷管(稱裝置1)與使用火花隙開關的沖擊片雷管(稱裝置2)進行放電參數分析，裝置1與裝置2實物圖如圖7所示。兩種雷管其他參數一致，數據的采集采用無損耗檢測方法[4-6]，即在起爆線路上采用非接觸式感應線圈(羅果夫斯基線圈)記錄電流波形，通過示波器存儲爆炸橋箔爆發電流，測試電路示意圖如圖8所示，高壓直流源給儲能電容器充電，用高壓數字表檢測充電電壓，實驗裝置中的高壓電容為0.22 μF，實驗用沖擊片雷管均不含藥柱。

圖7　裝置1與裝置2實物圖Fig.7　Sketch map of Device 1 and Device 2

圖8　測試電路示意圖Fig.8　Sketch map of test circuit

在相同的發火電路中，分別使用裝置1和裝置2進行放電參數對比，選擇了4種不同的充電電壓進行對比，分別為1.2 kV、1.5 kV、1.8 kV和2.0 kV. 表1和表2分別為兩種裝置在不同充電電壓下的放電參數。

表1　裝置1在不同充電電壓下的放電參數

表2　裝置2在不同充電電壓下的放電參數

從表1、表2可以看出，隨著充電電壓的增大，放電回路中的爆發電流、峰值電流逐漸增大，爆發電流時間逐漸縮短，在同一發火裝置中，峰值電流時間基本相同，主要原因是實驗裝置是固定的，電感基本相同，周期是一樣，所以峰值電流時間也相同。從表中還可以看出，使用裝置1峰值電流時間比裝置2的峰值電流時間要短10 ns左右，主要是裝置1中高壓平面開關在爆炸橋箔的背面，比裝置2中使用火花隙開關減少了電路連線，并且有利于降低放電回路的寄生電感。

圖9和圖10分別為裝置1和裝置2的峰值電流和爆發電流對比圖。從圖9可以看出：隨著充電電壓的增大,放電回路峰值電流逐漸增大；在發火電壓為0.9 kV時，充電電壓在1.5 kV以上時，裝置1的峰值電流比裝置2峰值電流稍微高一點；在1.5 kV以下時，裝置1的峰值電流要稍微小一些。但二者的峰值電流之差最大不超過40 A，由于測量及讀數誤差，可以認為兩種裝置的峰值電流基本相近。從圖10可以看出：裝置1和裝置2的爆發電流曲線基本一致；裝置1的爆發電流稍微優于裝置2的爆發電流。

圖9　裝置1與裝置2峰值電流對比Fig.9　Peak currents of Device 1 and Device 2

圖10　裝置1和裝置2的爆發電流對比圖Fig.10　Burst currents of Device 1 and Device 2

圖11為兩種裝置開關延遲時間對比圖。從圖11可看出：當充電電壓小于1.5 kV時，高壓平面開關的延遲時間大于火花隙開關；當充電電壓大于1.5 kV時，情況相反。尤其是當充電電壓為2.0 kV時，高壓平面開關的延遲時間明顯短于火花隙開關，相差200 ns.

圖11　裝置1和裝置2的開關延遲時間對比Fig.11　Delay times of Device 1 and Device 2

根據爆發電流密度公式：

(1)

式中：Jb為爆發電流密度；Ib為爆發電流；l為橋區寬度；d為橋區厚度。根據(1)式獲得裝置1和裝置2在不同充電電壓下的爆發電流密度如表3所示，計算得到的爆發電流密度達到的數量級和文獻[7]得到的1×107A/cm2～3×108A/cm2數量級相同。從表3可以看出，裝置1的爆發電流密度在不同充電電壓都高于裝置2.

表3　不同充電電壓下爆發電流密度對比

根據Tucker等[7]和Stanton等[8]的電格尼能公式：

(2)

式中：vf為飛片速度；n、K為格尼常數；ρf、df分別對應于飛片的密度及厚度；ρe和de分別對應于橋箔的初始密度和厚度。

電格尼能公式表明，對于相同的放電回路，相同的放電電壓和相同的橋區尺寸，飛片速度vf與爆發電流密度Jb呈正比，爆發電流密度大的飛片速度大。從實驗結果看出，當橋區尺寸及發火電壓相同時，裝置1的爆發電流密度最大，對應的飛片速度最大，能量轉化率高。

3　結論

在陶瓷基板的正面和背面分別制備爆炸橋箔和高壓平面開關，與其他零部件組裝成集成高壓平面開關的沖擊片雷管。該雷管中的高壓平面開關制作工藝簡單，生產成本僅為火花隙開關的1%，并且有效地縮小了沖擊片雷管系統的體積。實驗結果表明：使用集成高壓平面開關的沖擊片雷管與使用火花隙開關的沖擊片雷管放電回路的放電參數基本相同，該高壓平面開關可以代替火花隙開關完成沖擊片雷管的起爆要求，并且集成高壓平面開關的沖擊片雷管對爆炸波起爆器系統的小型化、集成化和低成本化具有一定的優勢。

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Design of Integrated High Voltage Planar Switch of Exploding Foil Initiators

ZHOU Mi, TONG Hong-hai, REN Xi, WANG Yin, MENG Qing-ying, LI Ming, MIN Jie

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an 710061, Shaanxi, China)

In order to decrease the volume and manufacturing cost of exploding foil initiator system, an exploding foil initiator (EFI) with high voltage planar switch is designed. The exploding foil and high voltage planar switch are prepared on the observational side and the reverse side of ceramic substrate, respectively. That substrate and other parts are assembled into an exploding foil initiator, and the electrical explosion performance of the exploding foil initiator is studied. The results indicates that the exploding foil initiator with high voltage planar switch had similar initiating performance as the traditional exploding foil initiator which uses a spark gap switch. The high voltage planar switch could meet the initiating requirement of exploding foil initiator instead of spark gap switch.

ordnance science and technology; high voltage planar switch;miniaturization; integration; exploding foil initiator

2014-07-02

國防基礎科研項目(JCKY2013208C002)

周密(1984—)， 女， 工程師。 E-mail： mixueer2004@163.com

TJ450.2

A

1000-1093(2015)04-0626-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.008