[发明专利]一种在固体材料中实现强磁压斜波加载的装置

说明书

技术领域

本发明涉及动高压科学与技术、脉冲功率技术领域的一种强磁压斜波加载装置，具体是指一种在固体材料中实现强磁压斜波加载的装置。

背景技术

研究极端条件下材料的动力学行为及其复杂现象，是动高压科学与技术、凝聚态物理、冲击动力学等学科的重要研究方向。长期以来，其主要的加载装置和技术有炸药爆轰驱动、一级和二级气体炮、电炮和激光驱动等。这些加载装置和技术实现的主要是一种冲击压缩加载，在固体材料样品中产生一个强间断面的冲击波，压缩后的样品处于一个高温、高压状态，这种加载的特点是加载压力从数GPa至数TPa，百吉帕压力以上样品的温升由千开至数万开，甚至更高，样品很容易处于熔化状态。

为了研究材料相空间状态其它区域（高压、低温，相对于冲击压缩的Hugoniot状态而言，称之为偏离Hugoniot状态）的特性，近十年来，一种新型的压缩方法被提出来，即准等熵压缩加载。当前，可实现固体材料的准等熵压缩加载技术有磁驱动准等熵压缩、激光驱动准等熵压缩、密度梯度撞击器技术、爆轰产物膨胀卸载准等熵压缩和斜波发生器等。目前，主流的发展技术主要是前三种即磁驱动准等熵压缩、激光驱动准等熵压缩和密度梯度撞击器技术。三者各有特点，激光驱动准等熵压缩是利用激光直接烧蚀气库膜产生高压等离子体经真空间隙膨胀后作用于靶样品，或激光汇聚于一金黑体辐射腔产生x射线经腔体匀滑后作用于靶样品或再烧蚀一气库膜产生高压等离子体经真空间隙膨胀作用与样品，该加载压力波的上升时间较短，通常为10-30ns。密度梯度撞击器技术主要是基于二级轻气炮发射一个高速密度梯度撞击器撞击靶目标，在靶目标中产生一个上升时间为1ms左右的加载压力波，由于阻抗匹配的原因，该压力波通常有个初始跳跃的冲击波，该初始冲击波会在靶样品中产生一个初始温升。而磁驱动准等熵压缩是依靠实验装置产生的随时间变化的脉冲大电流流经方向相反的负载电极与自身的感应磁场相互作用产生的磁压力（洛伦兹力）作用在加载电极表面，沿其厚度方向传播，作用于材料样品中。该磁压力上升时间为300ns～800ns，随时间变化平滑上升，是一种较为理想的准等熵压缩途径。

国际上从事磁驱动准等熵压缩实验装置和方法研究的国家主要有美国、法国和英国等少数国家，国内只有中国工程物理研究院流体物理研究所在从事相关装置和方法研究。代表性的装置主要分为三类，一类是美国洛斯阿拉莫斯实验室和俄罗斯实物院为代表的平板型爆炸磁压缩大电流发生器；另一类是美国圣地亚实验室的Z/ZR和中物院流体物理研究所在建的PTS等大型装置，其中首次实现磁驱动平面准等熵压缩是在Z装置上完成的；第三类是2001年至今法国CEG武器研究中心、美国圣地亚实验室、华盛顿州立大学和中物院流体物理研究所发展的基于电容器组储能、平行板传输和固体薄膜绝缘的脉冲功率装置，例如VELOCE、GENESIS（圣地亚在建）、GEPI、CEPAGE、CQ-1.5和CQ-4等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在固体材料中实现强磁压斜波加载的装置，利用脉冲功率技术研制而成的一种大电流实验装置，实现固体材料样品的斜波加载（准等熵压缩），研究材料的动力学行为。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种在固体材料中实现强磁压斜波加载的装置，包括自上而下依次叠加形成板体的平行传输线上电极板、绝缘薄膜、以及平行传输线下电极板，在所述板体上设置有与板体连接的多个初级开关体、多个次级开关体和锐化电容器、以及一个负载腔体，所述多个初级开关体同时与高压功率源和高压脉冲触发器连接。利用高压功率源给多个初级开关体充电至预设电压60kV～90kV，然后在高压脉冲触发器输出脉冲电压的作用下，初级开关体发生场畸变导通放电，初级开关体的能量瞬间在数微秒的时间尺度内释放，经对称结构的平行传输线上电极板、以及平行传输线下电极板传输给负载腔体，中间经锐化电容器和次级开关体进行放电波形调节；在靶样品电极上，该脉冲大电流与自感应的磁场相互作用，产生一大的洛伦兹力，即磁压力，作用在样品上、下电极的加载面，沿厚度方向，自里向外传播至样品上、下电极膛孔内的固体样品上，固体样品获得一个分布近似均匀的上升时间470ns～600ns、加载幅值1GPa～100GPa的磁压力斜波，实现材料的准等熵压缩。