多級柱面炸藥內爆磁通量壓縮技術研究

摘要： 柱面內爆磁通量壓縮發生器是利用炸藥內爆壓縮其內部磁通量至軸線附近小體積內從而實現超高磁場，傳統的單級裝置因受到金屬套筒內爆失穩等影響性能指標受限。開展了多級內爆磁壓縮技術研究，突破多項關鍵技術，包括研制特殊結構的密繞螺線管、脈沖功率源及大電流放電開關等，具備在直徑135 mm 套筒空間內實現20 T 以上初始磁場產生能力，并建立了動態磁光測量系統。利用磁流體力學編碼SSS-MHD 開展多級裝置設計，計算顯示，設計的多級裝置能夠將約42% 的初始磁通量壓縮至軸線附近直徑7 mm 的空間內。最終研制成功多級內爆磁壓縮裝置CJ-150，在亞立方厘米以上空間實現軸向峰值磁場強度906 T，數據不確定度5.35%。10 余發動態考核實驗顯示， CJ-150 裝置工作穩定，能夠滿足物理實驗需要。利用經實驗驗證的磁流體模型計算顯示，CJ-150 具備1 000 T 以上超強磁場產生能力，能夠對大尺寸樣品實現500 GPa 以上的準等熵加載。

關鍵詞： 炸藥內爆；磁通量壓縮；準等熵壓縮；超強磁場

中圖分類號： O361.3 國標學科代碼： 13025 文獻標志碼： A

柱面炸藥內爆磁通量壓縮技術是一種工作原理極為巧妙的極端條件動加載實驗技術，它利用炸藥驅動金屬套筒壓縮其內部預先設置磁通量，將炸藥化學能轉化為磁場能，由于爆炸加載過程短，絕大多數磁通量來不及擴散而被壓縮至套筒軸線附近小體積內形成超強磁場，并對其中的材料施加很高的磁壓力（洛倫茲力）。20 世紀50 年代，Sakharov 等[1] 和Fowler 等[2] 幾乎同時提出了爆磁壓縮的物理思想。

內爆磁通量壓縮裝置基本原理見圖1。早期研發的爆磁裝置可稱為單級裝置（只有一級套筒），這類裝置在套筒內爆壓縮過程中存在明顯的失穩現象且難以避免，無法保證實驗過程的穩定[3-4]。 20 世紀80～90 年代，針對單級裝置的局限性， Pavlovskii[5] 提出了多級MC-1 裝置的物理思想，其原理示意圖如圖2 所示：炸藥爆炸驅動一級套筒壓縮其內部磁通量，一級套筒在失穩前會碰撞二級套筒繼續壓縮磁通量，以此類推，利用套筒接力傳遞的方式壓縮其內部磁通量，這樣理論上就可以改善由于套筒失穩對磁通量壓縮的影響。

一級套筒是多級裝置的核心部件，起到產生初始磁場和作為一級套筒的雙重作用。一級套筒采用多層密繞螺線管結構，實驗開始時，首先對它通電產生軸向磁場，當磁場達到預定值后炸藥起爆，在爆轟波陣面（高溫高壓狀態）的驅動作用下，螺線管變成一個金屬套筒約束并開始壓縮其內部磁通量，一級套筒在失穩前撞上二級套筒并將二級套筒壓縮成一個金屬筒，從而約束其內部磁通量并繼續壓縮其內部磁通量，三級套筒結構與次級類似。

實驗表明，采用多級技術路線能夠提升內爆磁壓縮裝置的工作穩定性。Bykov 等[6] 發展了多種規格的MC-1 裝置，實現了最高峰值磁場強度達到2 800 T。1996～1998 年，Clark[7] 和Lindemuth 等[8] 針對超強磁場下凝聚態物質的新物理現象及超高壓力壓縮（聚能）材料特性進行研究，包括冷凍氣體的金屬化研究等。谷卓偉等[9] 和Zhou 等[10] 研制了單級內爆磁壓縮裝置CJ-100，能夠穩定實現600～700 T 的超強磁場。

本文中將利用磁流體力學編碼SSS-MHD 開展多級內爆磁壓縮技術研究，研制多級內爆磁壓縮CJ-150 裝置，以實現峰值磁場906 T。

1 實驗系統設計方案

多級內爆磁壓縮實驗系統主要包括初始磁場能源系統、控制與觸發系統、診斷系統及多級實驗裝置等，其中多級裝置包括柱面同步起爆網絡、柱狀環形炸藥、第1 級套筒（密繞螺線管）、第2 級套筒及樣品靶等。多級CJ-150 實驗系統如圖3 所示。

1.1 多級裝置設計

裝置的設計規模取決于物理需求、實驗室條件等多種因素。為研制能夠在亞立方厘米以上空間內實現千特斯拉量級的超強磁場多級裝置，并具備對材料數百吉帕量級準等熵加載能力，將炸藥當量設定為20 kg TNT 以內，利用一維爆轟磁流體程序SSS-MHD[11] 開展了多級磁壓縮過程數值模擬。SSSMHD可對材料動力學、反應流體動力學和磁流體力學進行多物理場、多介質、多組分和多連通區的一體化計算，其拉氏一維方程組的形式如下。

連續性方程：

式中：v 和u 分別為比容和速度，M 為質量坐標，r 為歐拉坐標，p、q、B、μ0、S 分別為流體壓力、人工黏性壓力、磁感應強度、真空磁導率、應力偏量，E、I、λ、T、η 分別為總能量、內能、熱傳導系數、溫度和電阻率。指數α 取值為0、1 時，分別代表平面、柱面的一維幾何情況。

金屬等材料的狀態方程采用列表式數據庫；炸藥的狀態方程采用HOM 模型[12]、爆轟反應采用Forest Fire 方程[13]；材料的電阻率采用Burgess 模型[14] 描述；材料強度采用SCG 修正模型[15]描述。

圖4 為三級裝置計算模型，由于各級套筒基本結構為多層密繞螺線管或密排漆包線，外層為起固定絕緣作用的環氧層，在建模上可簡化為銅層與環氧層，第3 級套筒內空腔直徑為12 mm，炸藥內徑 150 mm，外徑 300 mm，高度180 mm，炸藥采用RDX/TNT（60/40），TNT 當量約20 kg。

初始磁場設置為9.5 T，裝置軸心區域磁通量匯聚歷史見圖5。計算結果表明，多級磁通量匯聚效果顯著，約42% 的初始磁通量被最終壓縮至軸線周圍直徑約7 mm 的空腔內。軸心空腔區域及相鄰的第3 級套筒銅線層區域磁場分布見圖6。

三級套筒運動軌跡及壓縮磁場波形見圖7，可以看到第1 級套筒碰撞第2 級，第2 級碰撞第3 級，三級套筒反轉半徑約為3.5 mm，計算峰值磁場超過1 460 T。在靠近軸心空腔的第3 級套筒銅線層區域，對應的材料峰值壓力（計算值）超過500 GPa，見圖8。

1.2 線圈參數

多層密繞螺線管（第1 級套筒）是多級內爆磁壓縮裝置的核心部件，其結構主要參數如下。

（1） 第1 級套筒（密繞螺線管）：采用QZY 漆包線繞制；線圈匝數為2 匝；線圈內徑約136.6 mm；線圈外徑150 mm；高度約300 mm；螺旋線層采用直徑0.25 mm 的漆包線纏繞，共8 層；絕緣層采用GHG 絕緣膜；回流導體層為3 層漆包線。螺線管壁剖面設計示意圖見圖9。

（2） 第2 級套筒（線圈）：銅線型號為QZY-0.25（外徑），分10 層軸向緊密排布并繞；套筒內徑約28.5 mm、外徑約35 mm；銅線區軸向長約200 mm。

（3） 第3 級套筒（線圈）：銅線型號為QZY-0.25（外徑），分6 層軸向緊密排布并繞；套筒內徑約12 mm、外徑約15.2 mm；銅線區軸向長度約150 mm。

第1 級和第2 級套筒結構見圖10。

1.3 能庫電源設計

初始磁場能庫設計按照25 T 初始磁場的目標來設計。密繞螺線管線圈的磁場分布（歸一化）計算結果見圖11，線圈內磁通量及平均軸向磁場計算結果見圖12。

設計線圈電感最終按照0.3 μH 來考慮，多層密繞螺線管線圈電阻按照0.2 mΩ 選取。有限元模擬顯示，針對設計的線圈負載，輸入電流在約3.2 MA 時線圈最高磁場約為25 T，螺線管磁場分布見圖11，線圈內磁通量和平均軸向磁場分布見圖12。

電源系統的總放電電流確定為3.2 MA，由20 個160 kA 的放電模塊構成。160 kA 模塊由高壓電容、電流互感器、電阻分壓器、接地開關、泄放限流電阻、高壓放電電纜和安裝結構等組成。能庫電源模塊見圖13。

放電開關是能庫系統的關鍵部件。由于能庫電流輸出大，脈沖時間長，電荷量超過100 C，常規開關難以承受，因此采用爆炸開關技術路線。設計的多路爆炸開關結構見圖14，利用爆炸網絡板同步起爆，14 路開關相互獨立，能夠有效保證能庫電源安全。

爆炸網絡板采用927-H 裝藥，利用電探針技術開展了網絡板同步性測量，14 路爆炸開關同步性極差為175 ns，滿足裝置需要，實驗后回收的爆炸網絡板見圖15。

經過10 余發動態實驗考核，整個加載系統工作穩定，實驗實測的初始磁場分布及放電電流波形見圖16，從圖中可以看出，在螺線管中磁場分布均勻，脈沖上升沿小于50 μs。

2 實驗結果

裝配好的多級內爆磁壓縮裝置CJ-150 見圖17，實驗場景見圖18。

利用磁光測試系統[16] 開展了CJ-150 峰值磁場測量，磁光探針結構布局見圖19。磁光晶體采用熔石英晶體，探針尺寸約 3 mm×3 mm。

磁光探針原始信號如圖20 所示，信號信噪比非常好。磁場B 由下式得到：

式中：L 為磁光介質長度，V 為Verdet 常數，θ 為偏轉角。磁場偏量dB 由下式得到：

式中：dV 為Verdet 常數測量偏量，由磁光介質的波長色散特性決定，檢測機構給出；dθ 為偏轉角測量偏量，由數據處理精度決定； dL 為磁光介質長度測量偏量，由磁光晶體測量精度決定。

檢測機構給出的Verdet 常數測量不確定度dV/V=3.27%；法拉第偏轉角測量不確定度dθ／θ=9，條紋數與磁場值成正比，被測磁場值越高，條紋數越多，其測量不確定度越小；磁光介質長度測量精度可達1 μm。磁場測量不確定度dB/B 由Verdet 常數的測量不確定度、磁光介質長度精度和法拉第偏轉角的精度等3 個因素綜合得出。

最終得到的磁場曲線見圖21，CJ-150 實現了最高峰值磁場906 T，其數據不確定度為5.35%。文獻[17] 中同等規模裝置的測試結果也見圖21，可以看出，CJ-150 裝置指標與文獻[17] 的裝置水平相當。

利用內置式PDV 技術開展了CJ-150 加載一維區的實驗驗證。實驗布局見圖22，采用二級套筒結構，軸心安置銅管，內徑10 mm，外徑16.6 mm，壁厚3.3 mm。內置9 路PDV 探針（分為上、中、下3 個平面，間隔20 mm，每個面3 路探測，120°均布）。

測量結果見圖23。可以看出，9 路PDV 波形較為吻合，套筒均勻壓縮至直徑2.5 mm，面積壓縮比約16 倍。同一時刻3 個位置處（間距40 mm）的套筒位移偏差小于5%，套筒加載均勻區不小于40 mm。

3 結論與分析

圖24 是實驗數據與SSS-MHD 計算結果的對比，可以看出實驗數據與計算結果符合良好，但計算峰值與測試峰值差距較大。兩者差距較大的原因是由于磁光系統并沒有記錄到完整的磁壓縮過程信號。事實上，在這種極端的爆轟電磁環境中開展磁光測量一直是極為困難的，多級套筒為復合材料，在高速撞擊下內表面會發生微噴射現象，這些高速顆粒會嚴重損傷磁光探針，導致其提前失效。另外，爆轟過程帶來的振動等因素也會對磁光測試光路產生影響，最終多方面因素導致磁光測試系統無法記錄到完整的磁壓縮過程。

實驗表明，CJ-150 具備千特斯拉量級超強磁場產生能力。利用千特斯拉超強磁場未來在新型聚變點火機制研究、超強磁場下的新物質及新物理現象研究等方面具有廣闊的應用前景，對高能密度科學的基礎研究具有重要意義。

另外，CJ-150 具備對大尺寸樣品實現500 GPa 以上的準等熵加載能力，可為高壓物理研究提供一種全新的極端加載手段。特別要指出的是，這種內爆磁壓縮方式特別適合于針對低密度材料如氫氘材料的準等熵壓縮。理論研究表明，實現氫氘金屬化的壓力閾值約為500 GPa，利用CJ-150 能夠實現對氫氘材料500 GPa 以上準等熵壓縮，并且具有樣品體積大、容易密封等技術優勢，這對于開展氫氘金屬化相變及超高壓物性研究是極為有利的。

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（責任編輯 曾月蓉）

基金項目： 國家自然科學基金（11672276）