关于冲击波产生技术介绍

[拼音]：chongjibo chansheng jishu

[外文]：shock-wave production techniques

用脉冲加载方法对被测样品的表面作功，即可向样品内驱动一冲击波，对样品进行冲击压缩。根据脉冲加载的方式，可以分为下述三种主要的冲击波产生途径。

接触爆炸法

将炸药与被研究物体（样品）直接接触，利用炸药爆炸后产生的高温高压产物对样品表面作功的一种脉冲加载技术。有两种主要的接触爆炸方法。

装置原理见图1。平面波发生器是一个将散心爆轰波改造成平面爆轰波的装置。它是由高、低爆速炸药，按一定的速度比及几何配置设计而成的。用平面波发生器送出的平面爆轰波引发主炸药。主炸药一般用固体化学炸药制成。每公斤固体化学炸药爆炸后大约释放出1～2千大卡的能量，释放时间约10-6秒。由此可见，它的能量释放速率是很高的，因而可以在与它相接触的样品中产生强冲击波，冲击波压力约从数万到数十万巴，具体数值视炸药种类及样品材料而异。

由可以产生核反应的材料所制成的“核炸药”是一种比化学炸药猛烈得多的爆炸物质。例如，每公斤铀－235裂变后释放的能量约为化学炸药的107倍。C.E.拉根第三于1976年报道了这种装置的原理图（见图2）。他是利用核爆炸产生的强流中子束去引爆一块与之相距不远的铀－235层，使之发生裂变，引起加热，并对周围介质膨胀作功，从而在与它紧贴的样品中产生一强冲击波。他用这个方法在钼中测得了二千万巴的冲击压缩数据。

飞片撞击法

利用高速飞行的平板（飞片）与静止靶相撞后对靶表面作功的一种脉冲加载技术。当靶材料一定时，碰撞面的压强p大致与飞片密度ρ及飞片速度U的二次方的乘积成正比。例如，对中等密度（ρ0≈10克/厘米3）的材料，在飞片速度为一万米每秒时，靶中压强约为一千万巴，飞片速度为4万米每秒时，靶内压力约可达三亿巴。由此可见，要进行强压缩，就要设法使飞片获得高速度。

加速飞片的方式一般可以分为以下四种类型。

炸药爆炸加速飞片的装置如图3。飞片在爆炸产物推动下，经几厘米长的空腔，使飞片充分吸收爆炸产物的能量以达到一定的飞行速度。改变装药结构可以使飞片速度在几百米到一万米每秒的范围内调节。在同类炸药和同类样品材料的条件下，用这种方法获得的冲击压力一般比接触爆炸时提高三倍左右。在某些特殊的装药结构中，还可以提高到五倍以上。

气炮主要由高压室、d丸、发射管等部分组成。以一级炮为例(见图4a)，实验时，高压气体向高压室充气到预定压力时，膜片破裂，高压气体随之进入发射管，推动d丸飞行，最后平稳地与靶相撞。高压气体一般利用空气、氮气、氦气或氢气。飞片速度一般为数百米到一千多米每秒。如欲获得更高的飞行速度，可以改用二级轻气炮（见图4b）。它是利用火药推动活塞，去压缩泵管中预压过的氢气或氦气，使工作气体达到更高压力后再去驱动发射管中的d丸，最高速度可以达到8000米每秒。

电炮装置原理如图5所示。由储能电容器向金属桥箔放电，使箔片快速加热，因此在很短的时间内金属膜完成固-液-气态的相转变。由以上过程所产生的高密度金属蒸气会推飞片运动，经过几毫米长的炮筒的加速，可使飞片达到几百米至一万多米每秒的高速度。最后与静止靶相撞。由于电炮装置仅能驱动很薄的飞片（约数十微米），故击靶后在靶内形成的压力脉冲很窄，一般为10～20纳秒。

在两条平行的刚性金属导轨间，放置一个可运动的导电体与平头d丸（飞片）的组合体。导电体相当一个电枢，当强电流通过金属导轨与电枢所组成的回路时，导轨间存在一强磁场，这一磁场与流过电枢的电流相互作用，产生一洛伦兹推力F（F=LI2/2，I为电流，L为金属导轨单位长度的电感），推动组合体运动。装置原理如图6所示。电源系统一般采用电容器组成或磁通量压缩的脉冲电流发生器，也可采用单级发电机。1981年R.S.霍克等报道了在106安脉冲电流源驱动下组合体飞行速度达到一万米每秒的结果，并预计今后可望提高到四万米每秒的速度值。

能量沉积法

当某种脉冲辐射源辐照于靶表面上，其中的部分能量被反射，部分能量则沉积于一薄层靶材内，引起该层物质的内能、压力和密度等发生变化，并向与其邻近的“冷”靶材料中驱动一冲击波。这就是能量沉积产生冲击波的基本原理。脉冲辐照源可以是电子束、X射线束、离子束或激光束。

随着辐照功率密度的不同，能量沉积薄层内物质状态的变化是不同的，薄层对入射辐照能量吸收的机制也各有异。在较低辐射功率密度下（在激光束辐照时约相当于109瓦每平方厘米），薄层材料仅发生快速的固-液-气相的转变，炽热的致密气体通过热d性耦合对邻近的“冷”靶膨胀作功，驱动一冲击波对“冷”靶进行冲击压缩。目前公开报道较多的情况是脉冲电子束辐照源，电子能量一般在兆电子伏以下，能密度为几百卡每平方厘米，脉冲宽度为几十纳秒，束流近于均匀分布的面积约几个平方厘米。靶中压力可用以下方法估算：在离靶表面大于с0τ的位置上（с0为热层中的稀疏波速度，τ为能量沉积时间）的冲击波压力为：（式中E为比内能，v为比容）。由于格临爱森参数（见固体状态方程），而且在较低能密度情况下可视为比容v的函数，故有

下标0代表靶材料的初始状态。

当辐照功率密度较大时，能量沉积薄层内的物质在迅速转变为气态物质的基础上进一步转变为炽热的等离子体。由于这种等离子体的出现，又形成了新的能量吸收机制，并被称为等离子体吸收。对这种情况，目前公开报道最多的是强激光辐照源，功率密度大致对应于109瓦每平方厘米以上的辐照情况。这时激光与靶相互作用的主要过程是：强激光束入射到靶表面，先使被照射表面的一薄层形成等离子体。这一薄层等离子体继续吸收后继的激光能量，不断造成更深部靶材的加温和电离，产生新的高温等离子体层。连续造成的这种高温等离子体又不断地向后作快速飞散。根据动量守恒原理可知，这时由于反冲作用而会向“冷”靶材料中驱动一强冲击波。当激光脉冲停止后，受照表面的压力急剧地下降到零，冲击波的驱动力随之消失，这时又将向靶内传入一稀疏波。如果靶足够厚，这个稀疏波终将追赶上冲击波阵面，导致冲击波强度下降。

由以上讨论可知，如欲获得更高压力，靶不宜过厚，一般选用20微米左右。上述过程可参见图7。

强激光产生的冲击波压力p 随而变(I0为入射激光束功率密度，α为常数)。对激光波长λ埄1微米的情况，若I0为1012～5×1014瓦每平方厘米时，α=0.6～0.8。在上述过程中，靶对入射激光束能量的吸收效率随靶材、激光束功率密度、脉宽和波长而异，一般在10％～50％之间变化。所驱动的冲击波的内能增值约为被吸收激光能量的1％。

1981年美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室发表了利用强激光束打平面金靶，获得35兆巴冲击压力的实验结果。

参考书目

1. P.C.Chou and A.K.Hopkins， ed.，Dynamic Response of materials to Intense Impulsive Loαding，Chap.8，Air Force Materials Laboratory (USA)，Ohio，1973.
2. C.E.Ragan Ⅲ，et αl.，Journal of Applied Physics， Vol.48，No.7，P.2860，1977.