基于Z箍缩X射线源的热-力学效应实验

张朝辉; 张思群; 任晓东; 王贵林; 黄显宾; 周少彤; 王昆仑; 徐强; 蔡红春

doi:10.11883/bzycj-2021-0124

基于Z箍缩X射线源的热-力学效应实验

doi: 10.11883/bzycj-2021-0124

中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621999

基金项目: 国家自然科学基金（11605188，11905208）

详细信息

作者简介:
张朝辉（1979－　），男，博士研究生，副研究员，zhangzh108@caep.cn

通讯作者:
任晓东（1983－　），男，硕士，助理研究员，amsorxd@163.com

中图分类号: O536
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出版历程
- 收稿日期: 2021-04-09
- 修回日期: 2021-04-29
- 网络出版日期: 2021-08-24
- 刊出日期: 2021-09-14

Experiments for thermomechanical effects based on Z-pinch X-ray sources

Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, Sichuan, China

摘要

摘要: 材料或结构对强脉冲X射线的响应如热激波的传播和喷射冲量等，统称为X射线热-力学效应，在抗辐射加固研究、天体物理、行星科学等领域具有重要应用。利用驱动电流近10 MA脉冲功率装置上的丝阵Z箍缩X射线源开展了初步的热-力学效应实验。采用20 mm直径的双层铝丝阵产生了约230 kJ的X射线总辐射能，其中铝的K壳层产额约为30 kJ，距离源中心5 cm处的样品上的X射线能注量为732 J/cm²。受辐照样品为厚度2 mm、直径10 mm的铝制圆盘，其背面设置有铝衬套，样品与衬套的总质量为585 mg。采用全光纤光子多普勒测速（PDV）系统来测量受辐照样品后表面的运动过程。PDV测量的样品后表面速度历程显示，当热激波到达后表面时的自由面速度为2.12 km/s，样品最终的整体运动速度为180 m/s。根据冲击波关系式以及动量守恒原理，推导出X射线在样品中产生的热激波应力为19.2 GPa，单位面积上的喷射冲量为1341 Pa·s，进而由喷射冲量和X射线能注量测量结果可以推出冲量耦合系数为1.83 Pa·s·cm²/J。同时，对实验测量结果的可靠性和不确定度进行了讨论和分析。这些实验结果初步验证了将PDV技术应用于热-力学效应研究的可行性。
- Z箍缩X射线源 /
- 热-力学效应 /
- 光子多普勒测速 /
- 热激波 /
- 喷射冲量
Abstract: Responses of materials and structures to intense pulsed X-ray radiation, such as thermal shock wave propagation and blowoff impulse generation are referred to collectively as X-ray thermomechanical effects, which have been applied to radiation hardening, astrophysics, and planetary science. Preliminary experiments for thermomechanical effects have been performed utilizing wire array Z-pinch X-ray sources on a pulsed power facility with a drive current of about 10 MA. A total X-ray radiation energy of about 230 kJ was produced by a nested aluminum wire array of 20 mm in outer diameter, and theK-shell yield of about 30 kJ for aluminum was measured. An X-ray energy fluence up to 732 J/cm² was produced on an irradiated target which was positioned at 5 cm away from the X-ray source center. The irradiated target was an aluminum disk 2 mm in thickness and 10 mm in diameter, backed by an aluminum liner. The total weight of the disk and liner was 585 mg. An all-fiber photonic Doppler velocimeter (PDV) was used to monitor the motion of the rear surface of the irradiated target. The velocity history measured by PDV suggested a free-face velocity of 2.12 km/s when the shock wave arrived at the rear surface of the target, and the final velocity of the target is 180 m/s. Based on the Hugoniot relationships and the law of momentum conservation, a stress of the thermal shock wave of 19.2 GPa and a blowoff impulse per unit target area of 1341 Pa·s were deduced. Furthermore, a consequent coupling coefficient of 1.83 Pa·s·cm²/J was estimated from the measurements of blowoff impulse and the X-ray energy fluence. Finally, discussions on the reliability and uncertainty of the measurement were presented. These experimental results described here preliminarily validated the feasibility of the application of PDV to the research of X-ray thermomechanical effect.
- Z-pinch X-ray sources /
- thermomechanical effects /
- photonic Doppler velocimeter /
- thermal shock wave /
- blowoff impulse

HTML全文

水中兵器对舰船的破坏程度是由很多因素决定的,主要包括主装药的性质和质量、爆心与舰船的距离和位置、舰船的结构和性质等。在评价水中兵器的破坏威力时,引入了冲击因子Q这样一个衡量标准^[1],冲击因子的物理意义是,对于同一舰船,若冲击因子相等,则认为其水下爆炸的冲击响应近似相等。以前,使用一种基于冲击波超压的冲击因子考核潜艇结构生命力,这也是冲击因子的最早形式。由大量的实验和数值计算可发现,该形式的冲击因子不能很好地反映结构的破坏程度。随着对水下爆炸现象的进一步研究,越来越倾向于使用另一种基于平面波假定的冲击因子,这种冲击因子是从作用在结构上的冲击波能的角度定义的,远场时具有较好的效果,但该冲击因子没有考虑近场冲击波形状和能量损耗。姚熊亮等^[2]利用球面波理论对水中爆炸冲击因子进行了修正,考虑了冲击波形状对垂直投射到舰船结构的冲击波能的影响。但是,水中爆炸近场的能量损耗非常严重,如48%冲击波能损耗在25个装药半径的范围内^[3],而且不同种类炸药的能量释放特性也存在一定的差异。然而,传统冲击因子中描述炸药性能的TNT当量只是总化学能的一个比,并不能完全表征炸药水中爆炸的能量输出与衰减特性,尤其是水中爆炸近场。本文中,通过冲击波峰值压力和冲量相似方程的乘积推导一种适用于水中爆炸冲击波因子的计算方法,从冲击波毁伤作用角度描述该计算方法的物理意义,通过水中爆炸实验进行验证,并与传统的水下爆炸冲击因子进行对比。

1. 基于平面波的水中爆炸冲击因子

水中爆炸冲击波的毁伤作用可用冲击因子表示,基于平面波的冲击因子的表达式为^[4]:

$Q_{1}=\frac{1+\sin \alpha}{2} \frac{W^{n}}{R}$

式中:Q₁为冲击因子;W 为炸药的质量(TNT当量),kg;R为目标距爆心的距离,m;α为冲击波的入射角;n为通过实验确定的装药指数,常取n=0.5。式(1)仅适用于炸药在水底以上爆炸,如果炸药被淤泥覆盖,则相当多的炸药能量消耗在淤泥中,冲击因子不再适用。

对于潜艇目标,冲击波直接作用的结构表面即为垂直于冲击波传播方向的潜艇表面。此时,可认为α=90°,(1+sin90°)/2=1。当水面舰船遭受水下爆炸冲击时,冲击波是向各个方向传播的。其中,只有一部分冲击波能量对水面舰船起作用,这部分能量与水面舰船在垂直于冲击波方向的投影面积成正比,通常用(1+sinα)/2表示到达水面船只的冲击波方向的影响。在特定的攻击位置和方位,可把水底和水面的影响因素可看作一个常数,因此式(1)可简化为^[5]:

$Q_{1}=W^{0.5} / R$

这种冲击因子实际上是基于平面波假设,并从结构遮挡冲击波能量的角度定义的,与冲击波能的关系可表述为^[2]:

$Q_{1}^{2}=\frac{4 \pi E_{\mathrm{s}}}{\rho_{\mathrm{e}} \eta_{\mathrm{e}} S_{\mathrm{e}}}$

式中:E为冲击波总能量,MJ/kg;E_s为结构遮挡的冲击波能,MJ/kg;S_e为结构在垂直于冲击波阵面上的投影面积,m²;ρ_e为炸药的质量化学能,MJ/kg;η_e为炸药化学能转化为冲击波能的比例。

由式(3)可知,当水下爆炸冲击波为平面波时,无论目标距爆心的距离大小如何,S_e为常数。在爆炸远场,匀化冲击波可近似为平面波,而且冲击波能基本恒定,Q为E_s的函数。在爆炸近场,冲击波能在不断衰减,冲击波的形状不能近似为平面波,此时,Q为η_e、E_s的函数,在某一距离处,η_e与炸药的性能有关,E_s与冲击波的形状和目标结构有关。因此,炸药的TNT当量并不能完全表征近场冲击波的特性,基于平面波的水中爆炸冲击因子具有一定局限性。而通过水中爆炸实验得到的冲击波相似方程包含了η_e的特性,反映了炸药水下爆炸的能量释放和衰减特性,下面以冲击波相似方程为基础对冲击因子进行推导。

2. 冲击因子的推导

2.1 水中爆炸相似方程

水中爆炸的相似方程为^[3]:

$Y=K\left(W^{1 / 3} / R\right)^{\alpha}$

式中:W 为炸药的质量,kg;R为测点距爆心的距离,m;K和α为与炸药相关的系数,K为相似常数,α为相似指数;冲击波参数Y 包括峰值压力p_max、比时间常数θ/W^1/3、比冲量I/W^1/3和比能流密度E/W^1/3。

2.2 压力和冲量乘积推导

由水中爆炸实验得到的峰值压力的经验计算公式为:

$p_{\max }=K_{p}\left(W^{1 / 3} / R\right)^{\alpha_{p}}$

冲量的计算公式为:

$I_{+}=K_{I} W^{1 / 3}\left(W^{1 / 3} / R\right)^{\alpha_{I}}$

将峰值压力p_max和冲量I₊相乘,得到:

$p_{\max } I_{+}=K_{p} K_{I} \frac{W^{\alpha_{p} / 3} W^{1 / 3} W^{\alpha_{I} / 3}}{R^{\alpha_{p}} R^{\alpha_{I}}}$

整理得:

$\left(\frac{p_{\max } I_{+}}{K_{p} K_{I}}\right)^{1 /\left\langle\alpha_{p}+\alpha_{I}\right)}=\frac{W^{\left(\alpha_{p}+\alpha_{I}+1\right) / 3\left(\alpha_{p}+\alpha_{I}\right)}}{R}$

可简化为^[6]:

$A\left(p_{\max } I_{+}\right)^{m}=\frac{W^{n}}{R}$

式中:m=1/(α_p+α_I),A=(K_pK_I)^m,n=其中m和A为冲击波参数的影响因子,n为装药指数。

通过水中爆炸实验得到的冲击波相似系数^[7],计算了几种典型炸药的装药指数n,见表1。

表 1 几种典型炸药的相似系数和装药指数

Table 1. Exponentsα，K，nfor various high explosives

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由表1可看出,在实验精度许可范围内,所有以TNT为基本组分的炸药,式(9)中装药指数n均可近似等于0.5。因此,冲击因子可表示为:

$Q_{2}=A\left(p_{\max } I_{+}\right)^{m}=\frac{W^{0.5}}{R}$

式(10)将峰值压力p_max冲量I的毁伤作用双曲线与冲击因子的R-W关系曲线联系起来,从冲击波的毁伤作用角度表述了水中爆炸冲击因子的物理意义。

3. 实验

3.1 样品

TNT、RDX基和HMX基含铝炸药,全部为圆柱形压装炸药,配方组成和爆热见表2。药柱的长径比为(1.0~1.2)∶1,一端带雷管孔。Al粉为球形,直径为4.5~5.5μm。黏结剂中,w(F₂₆₀₃)=1.5%,w(蜡)=3%,w(石墨)=0.5%。试样质量均为25g,采用8号铜电雷管端面起爆。

表 2 炸药配方及爆热

Table 2. Explosive formulation and explosion heat

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3.2 装置

水池∅3.2m×2.6m,水深2.4m,池底和池壁均由8mm钢板焊接而成。入水深度1.6m,为总水深的2/3,满足冲击波和气泡的测试要求,可以消除边界效应的影响^[8]。爆心与传感器的距离分别为23、32、44、58和90cm,测量的是炸药柱中心轴向的径向冲击波,实验布局如图1所示。

测试系统包括138系列ICP型压电式电气石水下激波传感器和482A型信号适配器、高低频数据记录仪。冲击波信号的采样频率为10MHz。

图 1 实验布局图

Figure 1. Experimental layout

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4. 结果与分析

4.1 装药指数

通过实验测量的冲击波参数,拟合得到了不同组分炸药的相似系数和装药指数,见表3。

由表3可知,由p_maxI₊推导的冲击因子计算的理想炸药、RDX基和HMX基含铝炸药的装药指数n都非常接近于0.5,平行性也非常好。可见,基于平面波假设的冲击因子的装药指数同样适合于RDX、HMX基的含铝炸药。

表 3 不同组分炸药的相似系数和装药指数

Table 3. Exponentsα，K，nfor various explosives compositions

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4.2 冲击因子

为了对比基于平面波的水中爆炸冲击因子与由峰值压力与冲量的乘积p_maxI₊推导的冲击因子计算公式的差异,依据实验数据计算了测距23、58和90cm的冲击因子,3个距离的水中爆炸冲击波参数见表4,不同距离处的冲击因子见表5和图2。

表 4 水中爆炸冲击波峰值压力和冲量

Table 4. Shock wave peak pressure and impluse of underwater explosion

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由表5和图2可知,在爆炸远场,Q₁与Q₂一致性很好,但随着测距的减小,Q₁与Q₂的误差逐渐增大。例如在90cm处,Q₁与Q₂非常接近,但在23cm处,Q₁基本都大于Q₂,并且随着铝含量的增加误差越来越大。这是由于,冲击因子Q₁仅包含炸药质量、爆距等参数,没有包含冲击波形状、炸药的能量输出结构和冲击波衰减特性对冲击因子的影响。在近场,冲击波形状不能完全使用球面波理论近似^[9],应根据炸药的形状和爆距确定。另外,铝粉含量也会影响冲击波能、气泡能的分配比例和冲击波能量的衰减,例如,对于铝含量为0%~30%的RDX基含铝炸药,冲击波能占总化学能的比例在40%~60%,药柱18倍半径处,初始冲击波能损失了约50%~60%^[10]。因此,炸药的TNT当量难以全面反映水下爆炸冲击波的特性,结合冲击形状的影响,水中爆炸冲击因子可用下式计算:

表 5 不同距离处的冲击因子

Table 5. The shock factors at different distances

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Q₂ =AB(p_maxI₊)^m (11)式中:B为装药形状影响因子^[11]。在近场,球形装药和L/D=1的圆柱形装药,B=1.00;L/D=6的圆柱形装药,B=1.08~1.10;锥形装药,B=1.02~1.03。在远场时,B≈1.00,式(11)可简化成式(10)。

图 2 不同距离处的冲击因子

Figure 2. The shock factors at different distances

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5. 结论

(1)水中爆炸冲击因子装药指数n=0.5,不仅适合所有以TNT为基本组分的炸药,也适合于RDX、HMX基的含铝炸药。

(2)由峰值压力与冲量的乘积p_maxI₊推导的冲击因子计算公式,从冲击波的毁伤作用的角度表述了水中爆炸冲击因子的物理意义,结合冲击形状对冲击波能的影响,计算近场冲击因子时具有更高的准确性。

图 1 X射线热-力学效应实验布局

Figure 1. Setup of the X-ray thermomechanical effect experiment

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图 2 双层铝丝阵典型实验结果（Shot 477）

Figure 2. Typical results from the nested Al wire array experiment (Shot 477)

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图 3 典型铝丝阵X射线分幅图像和K壳层辐射谱

Figure 3. Typical X-ray framing images and K-shell emission spectrum from the Al wire array experiment

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图 4 典型PDV测量结果（Shot 477）

Figure 4. Typical results of the PDV measurement (Shot 477)

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施引文献

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1. 基于平面波的水中爆炸冲击因子
2. 冲击因子的推导
2.1 水中爆炸相似方程
2.2 压力和冲量乘积推导
3. 实验
3.1 样品
3.2 装置
4. 结果与分析
4.1 装药指数
4.2 冲击因子
5. 结论

基于Z箍缩X射线源的热-力学效应实验

doi: 10.11883/bzycj-2021-0124

作者简介: 张朝辉（1979－ ），男，博士研究生，副研究员，zhangzh108@caep.cn

通讯作者: 任晓东（1983－ ），男，硕士，助理研究员，amsorxd@163.com

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