CN106970140A - 一种适于mc‑1柱面准等熵压缩的测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合于MC‑1柱面准等熵压缩的测量结构及测量方法，包括金属筒体，以及内部的柱面准等熵压缩靶，柱面准等熵压缩靶的内部安装有测量探头，并使所述测量探头的激光测速光纤探针的测量点和磁感应线圈位于柱面准等熵压缩靶的中平面上；在测量探头内设置有多路激光测速光纤探针、多个磁感应线圈、支撑定位杆、绝缘保护套。该测量结构利用激光测速技术测量样品靶内壁速度，同时利用磁感应原理测量待测材料和标准材料的界面速度历史。所获得的自由面和界面速度历史利用磁流体动力学编码进行数据处理，即得到待测绝缘材料高精度的高压物性数据，本发明解决了现有MC‑1准等熵压缩物理实验存在的测量数据有限且精度较低的问题。

Description

一种适于MC-1柱面准等熵压缩的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及压缩科学实验技术研究领域，具体涉及一种适合于MC-1柱面准等熵压缩技术的测量结构及测量方法。
背景技术
柱面内爆磁通量压缩发生器(以下简称MC-1)是利用炸药爆炸驱动金属筒体压缩其空腔内的初始磁通量，将炸药化学能转化为磁场能，使之在轴线附近体积内聚积，形成超强磁场，并对其中的样品靶实现准等熵压缩，其具有加载压力高(TPa)，温升低(1000K量级)、样品尺寸大和等熵好的特定。
目前，国际上在利用MC-1开展准等熵压缩材料物理实验时，主要是利用闪光照相技术实现对材料压缩状态的动态观测(阴影照相，类似医院的X光照片)，配合磁流体动力学编码最终获得材料压缩状态实验数据。这种研究方法存在三方面的问题，一是对实验条件要求较高，需要高能、高分辨率的闪光照相设备；二是MC-1实验装置结构复杂，且存在运动模糊等问题导致利用闪光照相方法获得的数据精度是极为有限的，其获得的实验数据精度也仅约为20％，达不到精密物理实验的需要；三是利用闪光照相方法每次实验只能获得有限几幅照片，因而获得的数据量有限，仅有几个离散时间点的数据。
另外国内也有利用激光测速法测量柱面准等熵压缩靶内壁自由面速度的方法获得材料高压物性数据，虽然该方法能够克服上述闪光照相方法难以获得高精度连续的自由面速度数据的问题，但是由于其难以获得非透明材料的界面速度，给后续的数据带来了困难，并且导致其最终得到的高压物性数据精度受限。
本发明提出了适合于MC-1柱面准等熵压缩的新测量结构及测量方法，该新测量结构及测量方法通过新型的双层筒状准等熵压缩靶设计，以及利用磁感应原理测量界面速度，激光测速法测量样品靶内壁自由面速度，解决了难以同时获得界面和自由面速度的难题。本测量方法不需要复杂的闪光照相装置，大大降低了测量的技术难度，并显著提高了高压物性数据精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构及测量方法，解决现有MC-1准等熵压缩物理实验存在的测量数据量有限，难以同时获得界面和自由面速度的难题，以及测量精度较低的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构，包括金属筒体，在金属筒体的内部轴线 处设置有柱面准等熵压缩靶，在柱面准等熵压缩靶的内部轴线处安装有测量探头；通过样品管限位塞将测量探头限位固定到柱面准等熵压缩靶的端部，使测量探头的至少一路激光测量点和至少一个磁感应线圈位于柱面准等熵压缩靶的中平面上。
所述的柱面准等熵压缩靶为两层中空管形靶，包括轴向长度相等的绝缘待测材料区、标准金属材料区，绝缘待测材料区为柱面准等熵压缩靶的内壁，标准金属材料区为柱面准等熵压缩靶的外壁，绝缘待测材料区和标准金属材料区的轴线与金属筒体的轴线位于同一直线，且共中平面。进一步的，上述柱面准等熵压缩靶设计为双层筒状结构，柱面准等熵压缩靶外层为柱面标准材料区，内层为绝缘待测材料区。绝缘待测材料区和标准金属材料区长度相等，实验装配时保证柱面准等熵压缩靶的轴线与金属筒体的轴线位于同一直线，且共中平面。
所述的测量探头包括多路激光测速光纤探针、支撑定位杆和绝缘保护套，所述支撑定位杆位于测量探头的轴线上，多路激光测速光纤探针按特定轴向和周向排布粘接固定在支撑定位杆上；绝缘保护套设置在激光测速光纤探针、支撑定位杆外部，且激光测速光纤探针的激光束能够无遮挡地通过绝缘保护套的开孔。进一步的，上述测量探头包括至少一路激光测速光纤探针、支撑定位杆、绝缘保护套、和至少一个磁感应线圈。测量探头装配时，首先在支撑定位杆中平面凹槽处使用绝缘细导线绕制磁感应线圈，并将其引线双绞后经过支撑定位杆的轴向线槽引出；然后将至少一路激光测速光纤探针周向均布地粘接到支撑定位杆上，并激光测速光纤探针的激光测量点位于支撑定位杆中平面上；而后套装绝缘保护套，并保证激光测速光纤探针的激光束能够无遮挡地通过绝缘保护套的开孔，并利用两个测量探头限位塞进行限位固定；最后使用绝缘细导线在套装绝缘保护套开孔边分别绕制至少一个磁感应线圈，并将该磁感应线圈的引线双绞后沿绝缘保护套外壁轴向引出。
还包括至少1个第一磁感应线圈，所述第一磁感应线圈设置在支撑定位杆的中平面的环向凹槽处，由绝缘细导线周向方向缠绕而成，其引线双绞后经由支撑定位杆的轴向线槽引出。
还包括第二磁感应线圈，所述第二磁感应线圈设置在绝缘保护套开孔边缘，由绝缘细导线沿绝缘保护套外表面周向方向缠绕，并将其引线双绞后沿绝缘保护套的轴向引出。
基于上述的测量结构的测量方法如下：
(a)安装测量探头：利用样品管限位塞将测量探头限位固定于柱面准等熵压缩靶的轴线处，并使测量探头的至少一路激光测速光纤探针的激光测量点和至少一个第二磁感应线圈位于柱面准等熵压缩靶的中平面上；
(b)布置柱面准等熵压缩靶：将装配有测量探头的柱面准等熵压缩靶安装在金属筒体的轴线处，并保证柱面准等熵压缩靶的中平面与金属筒体的对称面重合；
(c)柱面内爆磁通量压缩发生器的两个线圈通电，在金属筒体内部建立初始磁场；
(d)当初始磁场的强度临近最大值时，利用同步起爆网络引爆炸药环，驱动金属筒体高速内爆压缩内部磁场，磁场对其中的柱面准等熵压缩靶施加磁压力；
(e)分别测量多路激光测速光纤探针和多个第一磁感应线圈、第二磁感应线圈的输出信号，从而得到柱面准等熵压缩靶内表面自由面速度历史和感应电压信号；
(f)数据处理：首先由第一磁感应线圈、第二磁感应线圈测量得到的感应电压信号进行数据处理获得磁场-时间曲线，而后依据磁通守恒原则及相应的修正算法获得绝缘待测材料区和标准金属材料区界面速度历史；
(g)最后该界面速度历史结合由激光测速光纤探针获得的柱面准等熵压缩靶内表面自由面速度历史，利用流体动力学编码，最终获得绝缘待测材料区的高压物性数据。
本发明创新性地利用磁场可以穿透绝缘材料的性质，及柱面内爆磁通量压缩发生器在靶区存在初始背景磁场的特点，利用磁感应的原理测量绝缘待试材料和外层金属材料界面速度历史。这样能够同时获得自由面和界面速度历史，可以为磁流体动力学编码的提供高精度的速度信息，因而能够最终得到待测材料高精度的高压物性数据。
本发明改变了柱面准等熵压缩靶的结构，将柱面准等熵压缩靶直接设置为等高的一体结构，即绝缘待测材料区、标准金属材料区高度相等，绝缘待测材料区设定在内层，标准金属材料区设定在外层，绝缘待测材料区与标准金属材料区同轴紧密配合安装，所安装形成的柱面准等熵压缩靶为中心对称结构；通过将柱面准等熵压缩靶的两端都设置为一样的材质和结构，使之受到的磁压力都均匀、相等，解决了因误差因素影响测量精度的问题。
还包括样品管限位塞，所述样品管限位塞与柱面准等熵压缩靶的端面匹配，且位于安装有测量探头的一端。进一步的，样品管限位塞安装在设定有测量探头的一端，因为测量探头的测量点必须位于柱面准等熵压缩靶的中平面上，柱面准等熵压缩靶有多个沿径向方向的面，该中平面是指多个沿径向方向的面中位于中间的那个面，样品管限位塞用于稳定测量探头，从而保证测量探头的测量点位于中平面上。
相比现有的MC-1柱面准等熵压缩实验仅仅只能对待测材料自由面速度数据进行测定，本发明创新性地利用磁场可以穿透绝缘材料的性质，及柱面内爆磁通量压缩发生器在靶区存在初始背景磁场的特点，利用磁感应的原理测量绝缘待试材料和外层金属材料界面速度历史。这样能够同时获得自由面和界面速度历史，可以为磁流体动力学编码的提供高精度的速度信息，因而能够最终得到待测材料的高压物性数据的精度大幅提高，且使数据处理过程简化。同时因为利用激光测速技术进行内表面自由面速度的测量，以及利用磁感应的方法测量界面速度历史，可以大幅度提高现有的MC-1柱面准等熵压缩实验的数据测量精度、并且能够降低测量的困难度，不需要昂贵的闪光照相设备。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)本发明创新性地利用磁场可以穿透绝缘材料的性质，及柱面内爆磁通量压缩发生器在靶区存在初始背景磁场的特点，利用磁感应的原理测量绝缘待试材料和外层金属材料界面速度历史。同时利用激光测速技术进行筒状样品靶内表面自由面速度的测量，这样能够同时获得自由面和界面速度历史，可以为磁流体动力学编码的提供完整和高精度的速度信息，这样能够简化后续数据处理，并大大提高了待测材料的高压物性数据的精度；
(2)由于采用激光测速和磁感应测速方法，避免了在闪光照相技术中需要的大型闪光设备，并能够获得连续的数据信号；
(3)本发明改变了柱面准等熵压缩靶的结构，将柱面准等熵压缩靶直接设置为等高的一体结构，即绝缘待测材料区、标准金属材料区高度相等，绝缘待测材料区设定在内层，标准金属材料区设定在外层，绝缘待测材料区与标准金属材料区同轴紧密配合安装，所安装形成的柱面准等熵压缩靶为中心对称结构；避免现有柱面准等熵压缩靶中要求解决了样品靶所受到的磁压力关于中平面必须对称和均匀的要求，可显著提高数据测量精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为图1中柱面准等熵压缩靶的放大结构示意图；
附图中标记及对应的零部件名称：
1-金属筒体，2-线圈，3-炸药环，4-同步起爆网络，5-测量探头，6-绝缘待测材料区，7-标准金属材料区，8-样品管限位塞，501-激光测速光纤探针，502-支撑定位杆，503-绝缘保护套，504-第一磁感应线圈，505-第二磁感应线圈，9-测量探头限位塞。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示，本发明一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构及测量方法，本实施例是对绝缘材料进行的柱面准等熵压缩实验，获得其高压物性数据。实验装置包括柱面内爆磁通量压缩发生器，柱面内爆磁通量压缩发生器包括一个金属筒体1，金属筒体1的外侧对称设置有两个线圈2，在两个线圈2之间有一个炸药环3，炸药环3外侧设置有同步起爆 网络4，在金属套筒1的内部设置有柱面准等熵压缩靶，柱面准等熵压缩靶为双层筒状结构，其外层为标准金属材料区7、内层为绝缘待测材料区6。准金属材料区7和绝缘待测材料区6轴向高度相同，并紧配合安装为一体。柱面准等熵压缩靶轴线处设置有测量探头5，测量探头5包含2个激光测速光纤探针501和2个第一磁感应线圈504，1个第二磁感应线圈505，设置多组探头和线圈可获得更多的实验数据，其可以互为备份，保证了实验数据获取成功率，并有利于后续的数据处理工作。
测量探头5包括两个激光测速光纤探针501、支撑定位杆502、绝缘保护套503、第一磁感应线圈504和第二磁感应线圈505，测量探头5装配时，首先在支撑定位杆502中平面环向凹槽处使用绝缘细导线绕制第二磁感应线圈505，并将其引线双绞后经过支撑定位杆502的轴向线槽引出；然后将两个激光测速光纤探针501粘接到支撑定位杆502上，粘接时使两个激光测速光纤探针501呈180度，且其出光点位于支撑定位杆502中平面上；而后套装绝缘保护套503，并保证两个激光测速光纤探针501的激光束能够无遮挡地通过绝缘保护套503的开孔，并利用两个测量探头限位塞9进行限位固定；最后使用绝缘细导线在套装绝缘保护套503开孔边分别绕制磁感应线圈504，并将两个第一磁感应线圈504的引线双绞后沿绝缘保护套503外壁轴向引出。
基于上述的测量结构的测量方法如下：
(a)安装测量探头5：利用样品管限位塞8将测量探头5限位固定于柱面准等熵压缩靶的轴线处，并使测量探头5的至少一路激光测速光纤探针501的激光测量点和至少一个第二磁感应线圈505位于柱面准等熵压缩靶的中平面上；
(b)布置柱面准等熵压缩靶：将装配有测量探头5的柱面准等熵压缩靶安装在金属筒体1的轴线处，并保证柱面准等熵压缩靶的中平面与金属筒体1的对称面重合；
(c)柱面内爆磁通量压缩发生器的两个线圈2通电，在金属筒体1内部建立初始磁场；
(d)当初始磁场的强度临近最大值时，利用同步起爆网络4引爆炸药环3，驱动金属筒体(1)高速内爆压缩内部磁场，磁场对其中的柱面准等熵压缩靶施加磁压力；
(e)分别测量多路激光测速光纤探针501和多个第一磁感应线圈504、第二磁感应线圈(505)的输出信号，从而得到柱面准等熵压缩靶内表面自由面速度历史和感应电压信号；
(f)数据处理：首先由第一磁感应线圈504、第二磁感应线圈505测量得到的感应电压信号进行数据处理获得磁场-时间曲线，而后依据磁通守恒原则及相应的修正算法获得绝缘待测材料区(6)和标准金属材料区7界面速度历史；
(g)最后该界面速度历史结合由激光测速光纤探针501获得的柱面准等熵压缩靶内表面自由面速度历史，利用流体动力学编码，最终获得绝缘待测材料区6的高压物性数据。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构，包括金属筒体(1)，其特征在于，在金属筒体(1)的内部轴线处设置有柱面准等熵压缩靶，在柱面准等熵压缩靶的内部轴线处安装有测量探头(5)；通过样品管限位塞(8)将测量探头(5)限位固定到柱面准等熵压缩靶的端部，使测量探头(5)的至少一路激光测量点和至少一个磁感应线圈位于柱面准等熵压缩靶的中平面上。
2.根据权利要求1所述的一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构，其特征在于，所述的柱面准等熵压缩靶为两层中空管形靶，包括轴向长度相等的绝缘待测材料区(6)、标准金属材料区(7)，绝缘待测材料区(6)为柱面准等熵压缩靶的内壁，标准金属材料区(7)为柱面准等熵压缩靶的外壁，绝缘待测材料区(6)和标准金属材料区(7)的轴线与金属筒体(1)的轴线位于同一直线，且共中平面。
3.根据权利要求1所述的一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构，其特征在于，所述的测量探头(5)包括多路激光测速光纤探针(501)、支撑定位杆(502)和绝缘保护套(503)，所述支撑定位杆(502)位于测量探头(5)的轴线上，多路激光测速光纤探针(501)按特定轴向和周向排布粘接固定在支撑定位杆(502)上；绝缘保护套(503)设置在激光测速光纤探针(501)、支撑定位杆(502)外部，且激光测速光纤探针(501)的激光束能够无遮挡地通过绝缘保护套(503)的开孔。
4.根据权利要求3所述的一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构，其特征在于，还包括至少1个第一磁感应线圈(504)，所述第一磁感应线圈(504)设置在支撑定位杆(502)的中平面的环向凹槽处，由绝缘细导线周向方向缠绕而成，其引线双绞后经由支撑定位杆(502)的轴向线槽引出。
5.根据权利要求3所述的一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量结构，其特征在于，还包括第二磁感应线圈(505)，所述第二磁感应线圈(505)设置在绝缘保护套(503)开孔边缘，由绝缘细导线沿绝缘保护套(503)外表面周向方向缠绕，并将其引线双绞后沿绝缘保护套(503)的轴向引出。
6.一种适合于MC-1柱面准等熵压缩的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)安装测量探头(5)：利用样品管限位塞(8)将测量探头(5)限位固定于柱面准等熵压缩靶的轴线处，并使测量探头(5)的至少一路激光测速光纤探针(501)的激光测量点和至少一个第二磁感应线圈(505)位于柱面准等熵压缩靶的中平面上；
(b)布置柱面准等熵压缩靶：将装配有测量探头(5)的柱面准等熵压缩靶安装在金属筒体(1)的轴线处，并保证柱面准等熵压缩靶的中平面与金属筒体(1)的对称面重合；
(c)柱面内爆磁通量压缩发生器的两个线圈(2)通电，在金属筒体(1)内部建立初始磁场；
(d)当初始磁场的强度临近最大值时，利用同步起爆网络(4)引爆炸药环(3)，驱动金属筒体(1)高速内爆压缩内部磁场，磁场对其中的柱面准等熵压缩靶施加磁压力；
(e)分别测量多路激光测速光纤探针(501)和多个第一磁感应线圈(504)、第二磁感应线圈(505)的输出信号，从而得到柱面准等熵压缩靶内表面自由面速度历史和感应电压信号；
(f)数据处理：首先由第一磁感应线圈(504)、第二磁感应线圈(505)测量得到的感应电压信号进行数据处理获得磁场-时间曲线，而后依据磁通守恒原则及相应的修正算法获得绝缘待测材料区(6)和标准金属材料区(7)界面速度历史；
(g)最后该界面速度历史结合由激光测速光纤探针(501)获得的柱面准等熵压缩靶内表面自由面速度历史，利用流体动力学编码，最终获得绝缘待测材料区(6)的高压物性数据。
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