（理论物理专业论文）氢氦及其混合物稠密气体制备技术与状态方程实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文针对二级轻气炮加载方式，建立了套低温压缩气体靶系统，包括 高压充气系统，液氮冷却系统及热电偶测温系统。该系统成功用于制备稠密 氢氮及其混合物气态样品。在利用二级轻气炮多次冲击压缩实验方面进行了 有益的探索。在以下三个方面取得明显进步： 、 ( 1 ) 低温压缩气体靶系统的建立是本文在稠密气体制备技术上取得的显著进 步。该系统在液氮温度条件下将气体样品压缩到4 0 m p a ，制备出稠密气态样 品。与前人类似工作比较，样品初始密度提高了将近4 0 倍。通过压缩混合气 体获得稠密样品可以有效克服样品分层问题，后者是液态样品直接进行混合 的技术瓶颈。建立该系统过程中解决了两个关键技术：( i ) 本文采用液压驱动 方法压缩气体方法，解决了低压气体的增压问题，并建立了一套小型气体增 压系统。系统不需特制的高压气体压缩机，提供了一种制备稠密气体样品的 低成本途径。该技术特别适用于少量稀有气体的增压，可以在实验室推广使 用。最高压力达到4 0 归a ，压力测量精度达0 0 2 m p a ；( i i ) 本文利用金属密 封与低温胶密封相结合的方法，解决了在高压气体与液氮低温下气体密封问 题。在制各氢氮混合样品时，压力达3 0 肝a ，其形变量可以忽略。 ( 2 ) 在多次冲击过程测量技术方面取得明显进步。在测量辐射历史时采用光 电倍增管，具有很好的上升前沿，实验中观测到比较完整的多次冲击辐射历 史。在过去类似实验中最多观测到2 ，3 次冲击过程，而本文首次直接测量到 卜8 次冲击过程。由各次冲击过程的持续时间，可以确定多次冲击状态的热 力学参量。这一技术进步，使多次冲击压缩技术应用于状态方程得研究成为 可能。 ( 3 ) 利用二级轻气炮加载手段，在实验室首次获得了氨氮混合物体系在接近 1 0 0 g p a 和3 0 0 0 一5 0 0 0 k 区域的高温高压状态，并分别获得了一组氢、氮及其 混合物状态方程数据。为进一步完善物态方程理论模型提供了依据，以及研 究它们在高温高压下其它物理化学性质创造了条件。 关键词：低温压缩气体靶：氢、氮混合物：状态方程；多次冲击过程 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，an e wc r y o g e n i ct a r g e ts y s t e mi ss e tu pf o rp r e p a r l n g t h ed e n s eg a s e o u ss a m p l e so nt h et w o s t a g e1 i g h t g a sg u n ， i ti n c l u d e s t h r e es u b s y s t e s ：t h ef i l l i n gs y s t e mo fh i g h l yc o 硼p r e s s e dg d s ， t h e 1 i q u i dn i t r o g e nc 0 0 1 i n gs u b s y s t 锄，a n dt h et h b r m o c o u p l e e a s u r e m e n t s u b s y s t e m i ti ss u c c e s s f u l l yu s e dt op r e p a r ed e n s eh e l i u m ，h y c l r o g e n ， a n dt h e i rm i x t u r es 唧1 e s a n da l s o ，v a l u a b l ei n v e s ti g a t i o n sa r e d e r f o r m e do nt h e 叫l t i s h o c kc o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t sb yt 一s t a g e 1 i g h t g a sg u n t h ei m p o r t a n ta c h i e v e m e n t si nt h r e ea s p e c t sa r e s u 咖a r i z e da sf o l l o 州s ( 1 ) t h ee s t a b l i s h e n to fac r y o g e n i ct a r g e ts y s t e mf o rp r e p a r i n g h i g h l yc o m p r e s s e dg a si so n eo fa p p a r e n tt e c h n i c a la c h i e v e m e n t s i t c a ni n c r e a s et h ep r e s s u r eo fg a ss a m p l et o4 0 m p au n d e r1 0 wt e m p e r a t u r e o f1 i q u i dn i t r o g e n ，a n dt h ei n i t i a ld e n s i t yo ft h ep r e p a r e dd e n s e r g a s e o u ss 锄呻l e sa r en e a r l y4 0t i m e sa st h a to ft h es i m i l a rs a m p l eu s e d b e f o r e t h ed i f f i c u l t yo fs e p a r a t i o no fd i f f e r e n tc o m p o n e n t si s e f f e c t i v e l yo v e r c o m eb yd i r e c t l yc o m p r e s s i n gt h em i x i n gg a s ，w h i c hi s at e c h n i c a lb o t t l e n e c ko fl i q u i dm i x t u r es 唧l ep r e p a r a t i o n t w ok e y t e c h n i c a lp r o b l e m sa r es 0 1 v e di nt h en e ws y s t e m ： ( i ) ah y d r a u l i c p r e s s u r ed r i v e nt e c h n i q u ei sa d o p t e dt oc o m p r e s sg a ss a m p l e so fl o w p r e s s u r e s ，a n dam i n i a t u r ep u m pf o ri n c r e a s i n gp r e s s u r ei ss e tu p i t p r o v i d e sa1 0 旷p r i c ew a yf o rp r e p a r i n gd e n s eg a s e o u ss 锄p l e ， b e c a u s e n os p e c i a lm a d eg a sc c 曲p r e s s o ri sn e e d e d t h en e ws y s t e mi se s p e c i a l l y u s e f u lf o rp r e p a r i n gr a r eg a so fs m a l lq u a n t i t y ，a n di tc a nb ew i d e l y u s e di n1 a b o r a t o r y t h er e a c h e di n a x i i m 皿p r e s s u r ei s4 0 m p aw i t ha c c u r a c y o f0 0 2 m p a ； ( ii ) t h eg a s1 e a k a g ep r o b l e mu n d e rt h ec o n d i t i o no f1 0 w t e m p e r a t u r eo fli q u i dn i t r o g e na n dh i g hg a sp r e s s u r eiss o l v e db y c 1 b i n a t i o n o fm e t a la n dg l u es e a lt e c h n i q u e w h e np r e p a r i n gt h e m i x t u r eo fh y d r o g e na n dh e l i 岫，3 0 m p 8o n l yp r o d u c e dan e 9 1 e c t e d d e f o r 【i a t i o no nt a r g e tu n d e r7 9 k 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 ( 2 )a p p a r e n ta c h i e v e m e n ti s1 l l a d eo nm e a s u r e m e n to f 眦l t 卜s h o c k 口r o c e s s e s p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ( p r r ) i su s e dt om e a s u r et h er a d i a t i o n h i s t o r y ，a n daw h 0 1 em u l t i s h o c kp r o c e s si sc l e a r l yr e c o r d e d i nt h e s i m i l a re x p e r i m e n t s ，a tm o s tt h ef i r s t ， s e c o n d ，a n dt h i r ds h o c k e d p r o c e s s e sw a so b s e r v e d ， b u ti no u re x p e r i m e n t st h e1 8 t e rh i g h e ro r d e r s h o c k e dp r o c e s s e su pt oa t1 e a s t8 埔s h o c ka r ea l s od i s t i n g u i s h e d t h e t h e r m o d y n a m i cq u a n t i t i e so ft h e 叫l t i s h o c k e ds t a t e sa r ed e t e r m i n e d b a s e do nt h em e a s u r e dt h e1 a s t i n gp e r i o d s s u c hat e c h n i c a li l p r o v e m e n t m a k e si tp o s s i b l et oi n v e s t i g a t et h ee q u a t i o no fs t a t eo fg a s e o u s s u b s t a n c e sb yn n n t i s h o c ke x p e r i m e n t s ( 3 ) b yu s eo ft w o s t a g e1 i g h t g a sg u n ，t h et h e r m o d y n 锄i cs t a t e so f h y d r o g e n h e l i u mm i x t u r ea t1 0 0 g p aa n d3 0 0 0 一5 0 0 0 ki sf i r s t l yr e a c h e d a n da c t u a l l ym e a s u r e di nl a b o r a t o r y ， a n ds o m ei sd a t ao ft h e mi s r e s p e c t i v e l yo b t a i n e d t h e yw i l lb ee x p e r i m e n t a lp r o o ff o 茁f u r t h e r i m p r o v i n gt h et h e o r e t i c a le o sm o d e l ， a n dm a k ei tp o s s i b l et os t u d y o t h e rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa t h i g hp r e s s u r e s a n d t e i i l p e r a t u r e s k e yw o r d s ：c r y o g e n i ct a r g e tf o rp r e p a r i n gd e n s eg a s ：h y d r o g e n h e li u i n m i x t u r e ：e q u a t i o no fs t a t e ： l i i u l t i s h o c kp r o c e s s e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 重 第1 章绪论 1 1 研究背景及科学意义 研究氢、氮及其混合物高温高压状态方程对于解决某些科学问题和工程 应用问题具有重要意义。 尽管氢、氮分别是最简单的双原子分子和单原子分子，其电子结构简单， 但目前仍然难以对其凝聚态行为做出精确的理论描述，必需借助于简化的理 论模。作为研究极端条件下凝聚态物质性质的典型例子，它们一直是理论研 究与实验研究关注的前沿研究领域之一。根据实验确定一定温度压力范围的 物态方程，限定原子分子之间的相互作用，并为理论模型参数的确定提供依 据。另外一方面，理论模型的正确与否，必须用实验加以验证，或者通过实 验限定理论模型的适用范围。采取理论外推的方法得到较宽温度和压力范围 的物态方程。自从1 9 3 5 年w 虹乒c r 指出氢在足够高的压力和密度下可以发生 金属化相变以来，金属氢的研究一直是科学界研究的重点课题之一。金属氢 是新型的功能材料，具有各种优异的性能，如果金属氢能在常态下实现，还 是良好的超导体。人们一直在寻找金属氢存在的直接证据，通过实验证实金 属氢的存在以及发生金属化的条件。在实验证实金属氢的存在，无疑会对理 论和产生重要影响，也会对新材料与新能源的开发其巨大的推动作用。 氢和氨是宇宙中含量最丰富的元素。按原子数比例计，氢原子约占总数 的9 3 ，氮原子约为7 ，其它元素原子数总和不过万分之一。按质量比例计， 氢约占四分之三，氦约占四分之一，其他元素不超过百分之二。在太阳系中， 土星和木星由处于高温高压状态下的氢、氮混合流体组成，其中氢占9 0 ， 氦占l o 。建立这类星体的结构模型，研究它们的辐射特性，解释地震波 现象和磁场特征，都必须以氢、氨及其同位素在宽广温度压力范围内的物态 方程与物性为基础o ，。 能源短缺是人类生存所面临的重大问题。在化石燃料供应日趋紧张的情 况下，核聚变能源的开发利用具有良好的发展前景，因此，利用氢的同位素 氘、氚进行激光诱导惯性约束核聚变( i c f ) 成为人们非常关注的研究热点之 一。在实现核聚变过程中，氨及其同位素物质密度将被压缩达到原来密度的 千倍以上。利用惯性约束机制，在激光能量驱动下实现中心点火条件并放出 聚变能量。1 。在设计这类压缩装置时，氘、氚及其混合物的压缩特性是必要的 参数之一，有必要研究处此类流体在高温高压下流体的物态方程。在某些武 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 器的能量释放过程也与此类似，所以，研究氢、氘、氮混合流体的高温高压 物态方程对于核武器的设计与优化有重要参考价值。 1 2 氢、氦状态方程研究现状 1 2 1实验研究 实验研究一直以来都是人们获得氨、氮及其混合物状态方程的重要途径。 研究氢、氮状态方程的实验技术手段主要有两种：一种是基于金刚石对顶针 砧( d a c ) 的静高压技术，另一种是利用惯性约束机制的动高压技术。随着这 两项加载技术的发展，为在更宽温度压力范围内获得氢、氨状态方程的研究 工作提供了技术支持。圈卜l 为氡的p t 图，图卜2 为氮p t 图。1 。 p t q p 矗， 图1 1 氢的p 玎图。图中实点位静压数据，虚线为理论模型预测的熔化 线，箭头为静压实验所经过的路经 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 硬 g 户( g p a ) 图1 2 氮p _ t 图，图中点为实验点 在静高压d a c 研究方面，已经实现了固态氨和固态氢的等温压缩线的精 密测量，压力分别达到6 0 g p a 和1 2 0 g p a ，高压下相应密度分别达到其常态下 密废的六倍和七倍1 ；在2 0 0 g p a 压力范围以内，对固态氢的拉曼光谱进了 详细的研究；压力作用下固态氢的光学特性研究已把压力范围扩展到 3 4 0 g p a 以上“。 在动高压研究领域也取得了重大进展。八十年代以来，人们对液态单质 氢( 液氘) 、氨样品进行了冲击压缩实验，冲击压力分别达到了7 6 g p a 和 5 6 g p a “”1 。最近十年多次冲击准等熵加载技术用于液态单质氢和氘样品， 在1 8 0 g p a 压力范围内首次直接实现了电导率的测量，并在1 4 0 g p a 附近获得 金属化相变的证据“”“”。强激光驱动飞片技术用于加载单质液态氢( 氘) 样 品，获得了更高压力的实验数据，压力达到了3 0 0 g p a 以上“”。强磁场技术 的应用，也在高压区域提供了一批等熵压缩数据m 1 嘲，通过对液氘多次冲击， 最高压力达到了4 0 0 g p a ”“。 俄罗斯科学家在冲击加载气态样品方面开展了研究工作。在制备高密度 氢样品方面，使用加压同时降温以及使用液态样品的办法，获得了高密度样 品。在样品初始状态在6 0 ，9 6 m p a ，7 7 4 k 以及液态的条件下，使用飞片增 压技术，最终冲击压力分别达到了1 0 6 、1 2 3 、1 5 0 g p a ，同时测量了样品辐射 与电导率，发现了氢样品金属化的迹象。对于氢、氮混合气体样品，在压 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 力为8 m p a ，温度7 7 4 k 条件下，按照木星大气氢、氮比例制备样品，冲击之 后也发现样品电导率的增加现象渊。此外，使用超高压手段制备气体样品， 并用球形内爆方法加载方面，也取得了实验数据。 1 2 2理论研究 在描述氢、氦及其混合物理论研究方面，与高温高压实验研究相比，显 得相对滞后，目前只能借助某些近似模型进行理论描述，所得结果只在一定 温度和压力范围内适用。化学模型的应用是一个显著特点，通常假定体系由 某些化学组分组成( 如原子、分子、离子等) ，针对不同的状态区间，合理构 造体系的自由能函数，即可完全确定体系在某些相空间区域的热力学性质。 1 9 8 3 年，r o s s ，r e e 和y o n g 为解决高密度下的理论方法，发展了由实验数据 给出分子间有效作用势的方法，得到了适用于较高压力范围氢、氘咐理论物 态方程。“。1 9 9 1 年，s a u m o n 等人发展了h e l l l o l t z 自由能模型，考虑了压致 离解和温致离解的影响。这其中的重点集中在温度对高压氢体系性质的贡献， 包括氢原予分子离解和电离，以及体系中原子、分子、离子、电子问相互作 用的贡献。 近期理论研究的显著特点是大量采用从头计算和分子动力学方法，尽可 能排除有关作用势的人为假定，试图从基本的量子力学原理出发，得到问题 的解，即物理描述方法。该方法在同一理论框架下处理原子核和电子的量子 运动及各种激发态粒子的物理图象删。针对不同温度和压力区域的状态特 点，选用多种理论方法计算单质氢、氘、氨的状态方程。在零温或极低温条 件下，单质体系的高压物态方程可以由能带论( l m t 0 和l a p w ) 给出”；在有 限温度( 原子分子的离解和电离可以忽略) 条件下，基于经验性等效对势的 液体微扰理论( m c r s r ) 4 ”3 。随着温度进一步升高，氢分子或氘分子的离解过 程和电离过程越显重要，基于密度泛函理论的从头算分子动力学方法( d f t m ) 和基于紧约束方法的分子动力学方法( t b 一) 可以给出单质体系的部分物态 方程数据点。还有一种更严格的量子统计方法，即路径积分的蒙特卡罗模 拟方法( p i m c ) “1 ，该方法可以同时描述原子核与电子的量子运动行为，也 可以给出单质体系的部分物态方程数据点。在上述基于第一原理的几种物理 描述方法中，不存在经验参数的选择问题，但它们所需的计算量比通常化学 模型计算量高出几个数量级。而有关氢、氘、氨混合物的高温高压物态方程 的理论研究工作迄今也未见报道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 覆 1 2 3国内研究现状 在国内，在经福谦院士领导下，自九十年代以来开展了氢、氘、氮、及 其混合物的状态方程研究工作。已经在实验与理论方面展开研究，取得了阶 段性的成果。在理论方面，从分子间经验势函数出发，分别采用分子流体的 微扰变分理论和经典分子动力学方法求解状态方程”。另方面，基于固体 的多体展开理论和从头计算方法，计算固氢固氨零温和常温压缩曲线“，根 据理想气体状态方程求解多种粒子复杂体系的s a h a 方程1 。在实验方面，利 用气体压缩技术增大样品初始密度的办法，测量了氢、氘及其混合物气体的 冲击压缩特性，包括h u g o n i o t 曲线和光谱辐射特性，但是并未使用低温 冷却技术。 1 3 存在问题及解决方案 常温常压下，氢和氮都以气态形式存在，密度低，对其直接冲击加载， 难以达到较高压缩状态，比如一次冲击压缩实验所能达到的h u 9 0 n i o t 状态压 力只有几百m p a 。为了获得更高压力区的实验数据，需要提高样品初始密度。 尽管液态样品具有较高初始密度，并且一次冲击压缩实验可以达到较高的压 力，但是液化气体样品技术只适合于单质的冲击压缩实验。对于混合样品， 由于低温下不同种类样品之问很难互溶，以致样品制各方面存在技术瓶颈。 采用气态样品，原则上可以避免不同样品按比例混合方面存在的技术问 题。以弥补液体样品冲击实验的不足。然而，直接冲击压缩常温低压气体样 品冲击压力受到限制。为了打破技术瓶颈，一方面尽量提高气态样品的初始 密度，比如对初始气体样品施压和降温，另一方面，利用多次冲击压缩技术 获得更高的终态压力。由此可见，建立同时增压和冷却降温的气体靶技术， 以及建立多次冲击过程的测量技术和数据处理方法对于研究气态物质的高温 高压状态方程是必要的。 理论计算表明，若将气体样品的初始压力提高到1 0 h 心a 以上，样品中一 次冲击压力可接近1 g p a ，二次冲击状态的压力能达到5 g p a 以上，三次、四 次、五次冲击状态压力分别可以达到1 5 g p a 以上、3 0g p a 以上、5 0g p a 以上， 甚至更高。但是，随着冲击次数的增加，信号的判读越来越重要，因此，发 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 _ 耍 展多次冲击压缩过程的实验测量技术和相应的数据分析方法，是利用现有气 炮加载条件开展氢、氮、及其混合物体系高温高压状态方程研究的关键性技 术。目前可用于多次冲击过程的测量手段还很有限。其中，辐射测量技术相 对比较成熟，它可以被用于测量前几次冲击过程的持续时间，从而确定多次 冲击状态。 在以往国外的类似实验中，样品的初始压力达到8 m p a 左右，温度降到 接近液氮温度7 7 k 。使用化爆加载方式，已使压力达到上百g p a 。但是从发 表的实验信号分析，多次冲击过程对应的特征并不明显，冲击起始时刻不易 判断。分析其原因，可能与样品的初始密度低有关。虽然经过加压降温后样 品的密度有所提高，但是在8 m p a 压力条件下，气态样品密度比液态样品密 度仍低很多。另一方面，使用球形内爆加载方式，可以达到较高的压力，但 是其冲击波平面性并不是很理想，可能是造成实验信号不易判读的原因。为 了获得更好的多次冲击实验信号，达到要求的时间判读精度，样品密度还有 待再提高。采用二级轻气炮作为加载手段，是提高冲击波平面性的有效途径 之一。 在已经发表的氢氮混合气体实验中，由于样品初始密度太低，一次冲击 压力仅能达到几百m p a 范围。此时，体系的热力学性质主要由温度所致，而 粒子间短程作用贡献不突出，因此，研究结论向高密度区外推的压缩范围很 有限。相比之下，俄罗斯科学家达到的压缩密度和压力更高，但发表数据大 都以数值计算或模拟结果为主，而实际测量数据报道不多。为了检验各种理 论模型的可靠性，特别是混合物冲击压缩数据欠缺的情况下，发展多次冲击 压缩技术并在更高密度区获得一批实验数据是非常必要的。 1 4 本文研究内容 本实验室已建立了二级轻气炮加载设备和比较先进的光电测试系统。为 了研究稠密气体的高温高压状态方程，必须解决样品制备问题。我们首先建 立一套低温压缩气体靶系统，其中包括气体压缩装置，液氮制冷系统，以及 样品温度监测系统。该系统用于制备高密度气体样品，使气体样品的初始密 度显著提高。对于研究混合样品，采用压缩混合气体的办法可以尽量避免不 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 同组分分层问题。利用新建系统制备出氢、氮混合气体样品并用于二级轻气 炮冲击压缩实验，同时，用光纤瞬态高温计和示波器系统记录样品辐射历史。 根据辐射信号幅度的变化特征，确定样品在基板和窗口之间多次冲击压缩过 程的持续时间，再采用冲击阻抗匹配技术获得各次冲击状态的物态方程参量 值。在同一发冲击加载实验中，在不同的温度压力区域获得多个l l u 9 0 i l i o t 实 验数据点。这一实验技术和测量方法的探索，将大大丰富气态物质高温高压 物态方程数据，具有广阏的应用前景。 第一章是绪论，简要介绍本文的研究意义与研究现状，以及存在问题与 解决方案。 第二章是多次冲击实验原理。首先简要介绍二级轻气炮工作原理。其次 介绍多次冲击过程中冲击波在基板、窗口之间来回反射过程，以及样品的多 次压缩过程。利用基板和窗口的冲击h u g o n i o t 关系以及g r u n e i s e n 物态方程。 基于阻抗匹配原理( 即在样品与基板界面以及与窗口界面处达到粒子速度与 压力的连续条件) ，根据测量确定的各次冲击波速度确定冲击状态的熟力学 量。其中还包括高温计测试系统。 第三章是实验设计。介绍实验中使用的低温压缩气体靶的设计以及整个 实验系统连接与装配，包括气体压缩系统，液氮灌注系统，以及热电偶测温 系统。 第四章是实验结果。首先确定样品初始状态，然后介绍m c r 理论计算模 型。从获得的多次冲击信号，判断多次冲击持续时间，分析多次冲击过程， 确定多次冲击状态参量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章多次冲击压缩实验原理 2 1 引言 由于气态样品的初始密度低，采用一次冲击实验技术难于在样品中达到 很高的压力，而采用多次冲击准等熵压缩技术是提高终态压力的有效手段。 如果将低冲击阻抗的样品夹在冲击阻抗较高的基板与窗口之间，那么从基板 进入样品的冲击波将经过样品在基板样品界面与窗口样品界面之间来回反 射，并对样品进行多次冲击压缩。在一次冲击压缩实验中，冲击状态的热力 学量是通过测量冲击波运动速度参数间接确定的。类似地，在多次冲击压缩 过程中，如果能通过测量各次冲击过程持续的时间确定出各次压缩过程对应 的冲击波速度，再结合基板和窗口的物态方程，那么，样品所经历的压缩状 态也可以通过冲击阻抗匹配方法确定。目前针对多次冲击过程持续时间的测 量手段还不多，仅光辐射测量技术相对比较成熟。本章介绍基于二缓轻气炮 加载技术的多次冲击实验原理，以及光电测试技术。 2 2 二级轻气炮工作原理 二级轻气炮是在实验室获得高温高压状态的重要动高压加载设备之一， 它的结构如图2 1 所示。它由火药室、泵管、活塞、高压段、发射管、靶室 等部分组成。火药室与泵管用大膜片隔开，泵管与发射管用小膜片隔开。工 作时。泵管内充以适量的轻质工作气体( 如氤气或氢气) ，发射管与靶室抽成 真空，火药室安装适量火药。点火发射时，火药燃烧首先在火药室产生大量 高压气体，后者冲破大膜片进入泵管并推动活塞加速运动。随蓑活塞的运动， 泵管内气体的体积被快速压缩，气体中形成的冲击波在活塞与小膜片之间来 回反射，导致其压力和温度骤然升高。当冲击波强度达到一定强度时，泵管 内高压气体将冲破小膜片，进入发射管，推动弹丸加速运动，最后使弹丸达 到一个很商的速度。弹丸出炮口后与样靶碰撞，在样靶中产生的冲击波将样 品加载到高温高压状态。 二级轻气炮与一般压缩气体炮相比，由于采取了火药室与泵管耦合的措 施，大幅提高了泵管内气体压力，为一般压力容器的1 2 个数量级，通过调 整活塞尺寸，可为弹丸底部保持近于恒定的高压值，因此弹丸速度也远大于 整活塞尺寸，可为弹丸底部保持近于恒定的高压值，因此弹丸速度也远大于 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 压缩气体炮速度，最高速度可以达到7 】m 蜘。发射管和靶室抽成真空，可以 消除弹丸和靶板之间气体的影响刚。 二级轻气炮 l 火药室2 火药3 大膜片4 活塞5 泵管 6 工作气体7 高压段8 小膜片9 弹丸 1 0 发射管l l 磁测速1 2 靶室1 3 样靶 2 3 弹速测量原理 图2 1 二级轻气炮结构示意图 飞片速度w 的测量在确定冲击状态中是一个重要参量，速度测量准确与否 对实验精度的影响至关重要。在本实验二级轻气炮中飞片速度的测量使用磁 测速系统来实现。其原理是利用运动金属飞片在不均匀强磁场中产生涡流， 变化涡流在线圈中产生感应电动势，利用数字示波器记录产生电动势，即可 知飞片经过线圈位置的时刻。原理见图2 2 ，典型信号如图2 3 所示，线圈 间距为已知距离d ，示波器记录经过两线圈时间差为出，则飞片速度为 矽。旦 f 2 一l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 f i ver w 图2 2 磁测速原理剖面图 图2 3 磁测速信号 2 4 多次冲击压缩状态测量原理 2 4 。1 多次冲击过程概述 在实验中，低密度的气体样品密闭于基板与窗口之间。由于基板与窗口 材料的冲击阻抗比气体样品高得多，在飞片与基板碰撞产生的冲击波进入样 b西万矿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 耍 品后，将在基板与窗口之间来回反射，对气体样品进行多次冲击加载。整个 冲击波演变过程如图2 - 4 所示。 f l y e r s a m p l e p 鬻 三i 饕： 冀避 暑 美 ：；| ，：，= 、 黧 嚣 。 w b a s e p l a t ew i n d o w 图2 4 多次冲击状态 m a s sv e l o c i t y 高速飞行的铜飞片与样品盒前面壁( 即基板) 碰撞，产生强冲击波压缩 基板。基板中冲击波到达基板与气体样品界面时，由于初始气体样品冲击阻 抗相当低，基板经历一次等熵膨胀过程后，其表面几乎以自由面的速度压缩 气体样品。运动界面在气体样品中产生冲击波，使气体样品被冲击压缩到状 态1 。当气体样品中冲击波到达与窗口界面时，由于窗口冲击阻抗比气体样 品高，气体样品运动受到窗口阻力产生反向压缩，样品中形成的反射冲击波 将气体样品压缩到状态2 。与此同时，窗口也产生一列透射冲击波。当在窗 口界面产生的反射冲击波到达基板界面时，同样会发生反射过程，将样品再 次压缩到状态3 。如此类推，气体样品将在各次反射波作用下依次到达状态4 ， 5 ，6 ，。综上所述，在基板界面反射的冲击波对样品产生奇数次冲击， 而在窗口界面反射的冲击波对样品产生偶数次冲击。在多次冲击过程中，基 板粒子速度逐次降低，而窗口粒子速度依次增加。达到最终冲击状态，基板、 气体样品以及窗口三者的粒子速度将相等。多次冲击波系图如2 5 所示，考 虑到来自飞片后表面的追赶波将影响多次冲击的进程，发生完整的多次冲击 次数将取决于飞片、基板、样品三者之间的厚度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 兰重 o x 图2 5 多次冲击波运动示意图，s 表示冲击波，r 表示稀疏波 多次冲击压缩过程中，样品受到第一次冲击压缩时熵增比较明显，其后 再冲击压缩引起的熵增通常较小，故称为准等熵压缩过程。在这准等熵压缩 过程中，气体样品在基板界面和在窗口界面处必须满足压力和速度连续条件， 因此，界面处冲击阻抗匹配条件是确定冲击状态参量的基本约束条件。常态 基板材料和窗口材料的冲击压缩线已知，借助材料的g n m e i s 吼物态方程， 它们的再冲击压缩线和等熵卸载线也可以计算得到。在已知样品冲击波速度 的情况下，根据阻抗匹配方法，可以计算获得再冲击过程中样品、基板、窗 口三者热力学状态参量。 整个碰撞加载过程从飞片击靶开始，直到样品、基板、窗口三者速度和 压力相等为止。它可以划分为飞片碰撞基板过程，基板等熵膨胀与再冲击过 程，气体样品压缩与再压缩过程，窗口压缩与再压缩过程。现将它们的特点 分别叙述如下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 2 飞片碰撞基板过程 经轻气炮加速后，飞片达到每秒几公里的飞行速度。当飞片与基板正碰 时，分别在飞片与基板中产生两列反向传播的冲击波，即飞片和基板被同时 冲击压缩。处于冲击压缩压缩状态的飞片和基板，其粒子速度和压力相匹配， 其中的状态如图2 6 所示。 一 晶，一o p o ，一0 po f 置。， e 6 t po ， “o | 一0 d ， d 。 图2 6 飞片击靶加载示意图 冲击波是一种有物质流通过的界面，并且物质流的速度矢量垂直于波阵 面。大量的冲击波实验证实，在一定的冲击压力范围内，冲击波速度与波阵 面后的粒子速度存在线形关系。 d c ；+ 工 2 2 式中d 为冲击波速度c 。为声速，九为比例常数。 在冲击波阵面上，根据冲击波阵面上质量守恒，动量守恒和能量守恒， 推导出飞片与基板的冲击压缩状态如下 p ，- p o ，卜c o ，+ a ，0 ，一) 】 ，一) p 。p o l ( ( + l 姐， 2 3 2 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 e 一目一三。+ p 。) 以一y ) 以及以下有用关系式 。一k 甚 ”眠厩 2 5 2 6 2 7 式中p 。，、晶，、。，分别为飞片初始密度、压力与内能，分别为飞片速度， p m 、晶，、分别为基板初始密度、压力、内能与初始粒子速度，只、 p ，、“，、e ，为飞片冲击压缩后的相应状态，丑，n ，“。，置为基板冲击压 缩后的相应状态，d ，b 分别为飞片与基板中的冲击波速度。在已测得材 料c 。，a 参数的情况下，可以直接写出冲击压缩线表达式 晶嗍四若爵 z 一8 式中叩一1 一号 为压缩率，代表材料的相对压缩性。 70 当飞片与基板为同种材料时，称为对称碰撞。根据以上几式，可以求得 粒子速度与飞片速度的关系为 “三 2 9 2 。 当飞片与基板为不同材料时，联立以上2 2 ，2 3 两式，并考虑到边界的连续 性条件p ，一p | p ，- “，一即可解出碰撞过程中的粒子速度 一占+ 压f 瓦硒 加瓦广 2 一l o 式中 4 。p 町一p 0 | b - 一p o ，c o ，一2 0 砰，p o ，一p o t c m 亘塑壅望查堂堕主塑塞兰堂垡丝奎 蔓! ! 要 c - p o ，形( 0 彤+ c 0 ，) 根据已知冲击参数，求出粒子速度u ，利用以上给出的冲击波关系式，又可 依次求出p ，p ，e 等冲击压缩状态参数。在本论文中使用的参数选取如 表2 1 所示。 表2 1 飞片、基板与窗口参数p ” 2 4 3 基板等熵膨胀与样品第一次冲击压缩过程 当冲击波到达基板与气体样品界面，此时基板压力高，气体样品初始压 力低，基板将向气体样品方向等熵膨胀，对气体样品进行第一次冲击压缩。 基板等熵膨胀过程中，除了原有粒子速度“，以外，它还将获得一个由稀疏波 引起的附加粒子速度“，。在弱冲击波的情况下，有一“，界面速度约等于 基板粒子速度两倍。一般情况下基板与气体样品界面处的冲击压缩与反射， 当基板粒子速度增大时为膨胀，粒子速度减小为再冲击压缩。根据冲击阻抗 匹配原理与基板的反射波p u 线确定各自的冲击状态，原理如图2 7 所示。 当基板与样品冲击阻抗相差不大时，可以通过基板p u 线的镜像反演线 确定反射波线。在尸一平面中，冲击绝热线为脚) 一p 。d “，斜率为p o d 的 波直线o a 与冲击绝熟线的交点，地) 为基板内的状态点，通过点( e ，地) 作 横轴的垂线，以此线作p 0 ) 一p 。p “的镜像反演线，即为等反射波线驱一2 r 。 在基板与样品冲击阻抗相差较大时，上述确定反射波线的方法不是很严 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 格，为了获得较宽压力范围的反射波线，应从基板材料的热力学性质推导。 对于德拜固体，它的物态方程可以用格临爱森物态方程描述，并假设 p y p o y o ，得 y p 一只。参( e e ) 2 - 1 1 p 镜像反演法 图2 _ 。等熵膨胀示意图 推导法 耻砜) - 掣阶e 】 一砜) i 掣坷舢 e 。一三日( ，一k ) e 。一三p 坩。一) 联立方程2 一l l 、2 1 2 、2 1 3 、2 1 4 解之可得 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 即譬券 z “。，一“。一而f i 形习丽 2 一1 7 当反射波是稀疏波时，基板等熵膨胀，可以直接写出格临爱森关系式 弓缈) 一石) - 等晦) 一e ，) 】 2 1 8 式中下标i 表示等熵膨胀线上的点，h 代表基板冲击绝热线上点。可以把上 两式写成如下差分形式，从冲击点开始，通过逐步计算，即可得到整条等熵 膨胀线m 。 # 一一 1 + ( 兰) f = 与峨，一叱峨) 警 “，- ，。+ e 再= ：i = _ 耵 2 2 0 2 2 l 2 2 2 代入基板f e 的冲击h u g o n i o t 参数，分别计算了冲击绝热线的镜像反演线 与用格临爱森物态方程计算的反射波线，如下图2 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 图2 8f e 的反射波线 2 4 4 冲击波在基板样品界面反射过程 多次冲击过程中，冲击波到达基板样品界面处，将受到基板的反射。在 实验测定每次冲击过样品冲击波速度d 条件下，根据h u 9 0 n i o t 关系，样品对 应热力学状态为与运动学参量为 一晶+ 矽“p e 。一e 。丢+ 晶) 一巧) v ”，爵 2 2 3 2 2 4 2 2 5 式中晶、p 、o 、占。分别为前一次冲击下的压力、密度、体积粒子速度 和内能，、l 。、k 、b 分别为当前次冲击的压力，粒子速度，体积和内 能。在上节中已讨论基板的等熵膨胀与反向冲击，联立方程2 2 0 、2 2 2 、2 2 3 、 2 2 5 ，根据粒子速度与压力相等，即可求得基板等熵膨胀下样品的冲击状态。 当样品对基板反向冲击时，联立方程2 1 6 ，2 1 7 、2 2 3 ，2 2 5 即可得到对应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 的反向冲击状态。 在已知冲击持续时间t 与样品厚度d 的情况下，可以根据样品厚度直接求 出冲击波速度d d f ，根据以上推导进而求出冲击压力。在冲击运动参量 未知情况下，可以运用理论模型建立气体样品的物态方程p 缈，r ) ，同时满足 h u g o n i o t 关系，确定其中各个状态参量的关系。在给定气体初始状态的条件 下，基板对气体样品的冲击压缩，根据理论模型计算得出样品的能量，体积， 压力，温度关系，同时样品还满足h u 9 0 n i o t 关系，可以得到其运动学参量关 系，再根据匹配阻抗原理，样品与基板粒子速度和压力相等，最后得到气体 的冲击压缩状态。 2 4 5 冲击波在样品窗口界面反射过程 经过冲击压缩之后的气体样品，在其中形成的冲击波到达窗口时，对窗 晶嘣c ；f 爵 2 喇 式中，7 1 一号，为窗口冲击压缩率。利用材料的g n l i l e i s c n 状态方程 p 一只一号僻一疋) ，假定p y 一几，可以得到多次冲击过程中的g n l n e i s c n 即竺迎娑型 。哪 ! 一言( 参) - - 以一k - ) 对应于前一次冲击点以，毋) 上的再次冲击。根据h l l 9 0 d i o t 关系得到对应冲击 “。，。“。+ 、石i i 二j i j 西丽 2 2 8 实验确定样品冲击波速度d 。确定之后，根据阻抗匹配原理，样品与基板粒子 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 q 夏 速度和压力相等，联立2 2 7 、2 2 9 两式，即可确定冲击状态。 2 4 6 多次冲击过程的理论计算方法 在确定各次冲击持续时间，即冲击波速度的条件下。根据已知基板与窗 口g m d s e n 方程，按照上述分析过程，即可计算各次冲击状态对应的热力学 参量。若采用广泛使用的分子流体的微扰变分理论，计算氢，氦，状态方程， 运用一定的混合规则，还可计算氢氮混合物的冲击压缩状态方程。根据以上 分析，编制程序流程如图2 9 所示 图2 9 多次冲击流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 5 多次冲击过程的光辐射测量原理 样品受到冲击压缩后温度会升高，同时向外辐射能量，热辐射强度随波长 分布通常采用灰体辐射模型描述。设冲击温度为t ，发射率为p ，在给定波 长处，则其光谱辐亮度为 ， ，( ，r ) - 矿( ，r ) 一f 。矿【e x p ( j 基一1 】1 2 3 0 式中c 1 1 1 9 1 0 x 1 0 “9 矽m 2 曲，c 2 1 4 3 8 8 x 1 0 - 2