CN113028905B - 一种原位集成微型起爆单元及激光飞片起爆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光飞片起爆装置，包括一种小型化脉冲激光器和原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置，其中，原位集成微型起爆单元通过MEMS阵列一体化集成加工而成，再通过集成化和封装制备成激光飞片起爆装置。本发明采用MEMS一体化原位制备，结构紧密、无间隙；采用AZ5200和Su8原位制备提高了工艺准确性；原位集成微型起爆单元能够效防止了等离子体横向膨胀和扩展造成的能量耗散，提高了等离子体能量利用率。本发明实现了微型起爆单元中飞片换能元部件的集成封装，实现了激光飞片起爆装置的一体化集成，起爆装置整体体积小确保了装置的可靠性与安全。

Description

一种原位集成微型起爆单元及激光飞片起爆装置

技术领域

本发明涉及一种小型化激光点火起爆系统，特别是涉及一种原位集成微型起爆单元及激光飞片起爆装置。

背景技术

随着空间电磁环境和作功系统内部电磁兼容环境的不断恶化，要求火工品具有抗强电磁干扰能力。目前，我国大量使用的电火工品不具备抗强电磁干扰的能力，高的敏感性不能保证其在复杂工作环境下的高安全性。因此，具有良好安全性的激光驱动飞片点火和冲击起爆技术发展成为一种新型点火起爆技术，同时在航空航天、工程建设等各大重要领域具有广泛应用价值。

激光驱动飞片起爆系统(Laser-driven Flyer Plates Initiator system，LFPIs)是一种高安全直列式起爆系统，其主要由脉冲激光器单元和飞片换能元起爆单元组成，脉冲激光器单元主要是为飞片换能元起爆单元提供光能，其包括冷却系统、谐振腔、调Q晶体、集成电源和泵浦灯等；飞片换能元起爆单元主要包括金属飞片靶、加速膛、钝感装药和起爆器壳体。由于利用光能代替电能完成非线性换能作功实现钝感炸药起爆，直接避免了电火工品无法抗强电磁干扰的先天缺陷，具有抗强电磁干扰、防射频静电和耐高压冲击等优点；并且光能传输同步性非常好，在同步起爆和爆炸逻辑网络中具有重要的应用价值，是一种适应复杂战场环境且极其安全可靠的钝感装药起爆装置。

小型化的激光器采用金属冷却系统代替传统的水冷系统，舍弃其重复多次输出模式，保留其单点脉冲输出；不仅省去近20Kg的水冷却系统，而且将激光器谐振腔尺寸降低到42mm×48mm×140mm，重量0.84Kg，与传统激光器谐振腔(可达405mm×91.2mm×112mm)相比体积大大减小；同时小型化的激光器实现了封闭光路的传输，可实现LFPIs的封装集成。

多层飞片能量转换元件(Multilayer Flyer Energy Conversion Element，MFECE)芯片是一种基于MEMS技术的原位集成新型飞片换能元，该种飞片与现阶段常用的组合式飞片换能元相比，其具有结构简单、紧密无间隙，转换效率高，易与其它部件集成封装等优点；与DL Paisley和Mike Bowden等人研发的一种基于光纤传输的激光飞片雷管系统及王猛等人设计的激光冲击片雷管系统中的飞片换能元相比，MFECE芯片具有工作介质集中、含能、阵列集成生产等优点，能够耐高过载等复杂环境，故其是一种适用于LFPIs微型化全集成的飞片换能元，能有效地提高了激光冲击飞片起爆系统的可靠性与安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位集成微型起爆单元，其次提供一种小型化原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置。

本发明通过以下技术方案实现目的：

一种原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置，其中起爆单元包括K9玻璃基底、环氧树脂Su8腔体，腔体内包括TiO₂/Al烧蚀层、金属氧化物Al₂O₃隔热层、金属Al飞片层、环氧树脂Su8加速膛；小型化激光器包括高压源和谐振腔；

环氧树脂Su8腔体内的TiO₂/Al烧蚀层即是首先采用光刻技术在K9玻璃基底上原位制备中间带有小圆孔的AZ5200空腔，然后采用磁控溅射在腔体内制备TiO₂/Al薄膜作为MFECE的烧蚀层，其中TiO₂层作为激光能量吸收层的同时与Al层构成多层飞片的含能烧蚀层。

环氧树脂Su8腔体内的金属氧化物Al₂O₃隔热层即设置在TiO₂/Al层上磁控溅射沉积制备的Al₂O₃层，Al₂O₃完全覆盖MFECE的烧蚀层作为隔热防烧蚀层，保护飞片层在飞行过程中的完整性，防止高温高压等离子体对飞片层的侵蚀。

环氧树脂Su8腔体内的金属Al飞片层即设置在Al₂O₃层上磁控溅射沉积制备的Al层，完全覆盖MFECE的隔热层作为飞片撞击层，在高速加速飞行后撞击药室的钝感炸药实现冲击起爆。

环氧树脂Su8腔体即设置在去除AZ5200光刻胶后的TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层侧面光刻技术原位制备的中间带有小圆孔的环氧树脂腔体，小圆孔完全包裹并高出TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层的侧面，但不包裹在金属Al飞片层的表面；环氧树脂Su8良好的热稳定性保证了TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层侧面的坚固性并起到约束等离子体防止能量向四周扩散。

环氧树脂Su8加速膛即是在MFECE构成的金属Al飞片层上，采用光刻技术原位制备的中间带有小圆孔的Su8加速膛，即环氧树脂Su8腔体包裹在TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层侧面的高出部分；Su8加速膛与环氧树脂腔体合二为一，不仅省去了加速膛的装配过程，而且去除了加速膛与TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层间隙，减少了能量的耗散，飞片便能经过加速膛实现加速，达到更高的速度和动能。

原位集成微型起爆单元的MFECE芯片即是通过MEMS技术阵列集成生产制备而成。

本发明中Su8层的厚度H需要进行控制，飞片厚度d＝4μm，H为220.8μm。

小型化激光器即是激光飞片起爆装置中的能量源，减小了激光器整体体积(≤290cm³)，同时保证了激光飞片起爆装置的输入能量(≥50mJ)。

本发明通过以下技术方案实现目的：

一种小型化原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置，包括：

所述的通过阵列加工生产制备而成的MFECE芯片，其是整个激光飞片起爆装置的核心部件，是保证装置正常工作的基础。

光纤耦合器即是LFPIs的激光耦合器件，其将能量源输出的激光耦合至光纤传输线的光能传输装置。

光纤传输线即是LFPIs的激光传输器件，其将经过光纤耦合器的激光能量传输至MFECE芯片表面吸收层的光能传输装置。

所述的激光飞片起爆器壳体即是对生产的MFECE芯片及炸药柱进行封装、填充、隔离、保护的外壳体。

钝感装药炸药柱即设置于加速膛末端的装药，药室内装有低感度单体猛炸药六硝基茋炸药HNS-Ⅳ，装药密度为理论密度的85％-95％。

药柱帽壳即是对封装后所装药柱的保护壳体，在装置未启动时起到保护药柱与固定药柱的作用；当装置正常启动时可起到聚能效果，对外产生金属射流，提高装置的输出能量。

K9玻璃基底、TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层的一体化集成，可有效保证飞片层在高温高压等离子体作用下的加速飞行。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明所述的小型化原位集成微型起爆单元的MFECE芯片将K9玻璃基底和飞片换能元和TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层、加速膛达到了一体化集成，结构紧密、无间隙，实现了MFECE芯片的整体约束，消除了多层飞片与自身材料的剪切以及与传统加速膛的分离间隙所造成的能量消耗，确保了等离子体冲击波能量的高效利用；加速膛为利用AZ5200和环氧树脂Su8光刻胶原位制备，提高了工艺水准；微型MFECE芯片采用阵列集成生产、可实现批量化生产。

(2)本发明的小型化原位集成微型起爆单元的MFECE芯片采用以环氧树脂Su8腔体为约束，将TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层侧面完全包裹；环氧树脂Su8良好的热稳定性保证了TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层侧面的坚固性并起到约束等离子体防止能量向侧面扩散，有效的确保了等离子体能量的高效利用；同时采用了激光反射率较低的TiO₂材料吸收激光能量以及添加了金属Al薄膜组成铝热薄膜实现更高的等离子体能量释放，在保证激光能量高效利用的同时进一步提高了等离子体的能量。

(3)本发明的小型化原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置将金属散热系统镶嵌于小型化的激光器中实现散热的目的，并将小型化激光器和原位集成微型起爆单元的MFECE芯片、光纤耦合器、光纤传输线等零部件组装集成，实现了激光飞片起爆装置的一体化集成，起爆装置整体体积小(≤3cm³)。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

附图说明

图1为小型化激光器示意图。

图2为集成原位集成微型起爆单元的MFECE芯片示意图。

图3为集成原位集成微型起爆单元的MFECE芯片的纵剖图。

图4为原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆器装置封装示意图。

图5为集成小型化激光器和原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置封装效果图。

图6为飞片速度-时间关系曲线图。

具体实施方式

一种小型化激光器和原位集成微型起爆单元的MFECE芯片及起爆装置

如图1、3、4、5所示，本实施例包括：高压电源1、导线2、激光器谐振腔3、Su8层4、Su8加速膛5、多层含能飞片6、TiO₂激光吸收层7、金属Al烧蚀层8、Al₂O₃隔热层9、金属Al飞片层10、K9玻璃基底11、光纤耦合器12、光纤传输线13、激光飞片起爆器壳体14、MFECE芯片15、HNS-IV炸药柱16、药柱帽壳17。

本发明中，环氧树脂Su8腔体设置在K9玻璃基底上，采用光刻原位制备的中间包裹并高出TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层的Su8腔，腔体包裹部分为激光致等离子体提供一个内壁密封的环境，利用Su8腔的封闭作用约束等离子体冲击波作用在Al飞片层上，防止等离子体向内壁周边扩散，同时省去了飞片层脱离MFECE时的剪切作用，最大限度的减小等离子体能量的消耗；腔体的高出部分作为Su8加速膛。

本发明的工作过程是给高压电源1接通220V交流电，按下工作按钮中后，高压源内部大电容充电至850V-900V，当按下单次按钮后，激光器开始工作，通过导线2将电容放电传输至谐振腔3激励晶体输出一个激光脉冲；脉冲激光通过光纤耦合器12耦合进入光纤传输线13，通过光纤传输线将激光能量传输至激光飞片起爆器壳体14内部的MFECE芯片15表面，之后脉冲激光透过K9玻璃基底11入射到TiO₂激光吸收层7时，TiO₂激光吸收层7、金属Al烧蚀层8发生熔化、液化、气化、等离子体化后剪切同时驱动Al₂O₃隔热层9、金属Al飞片层10形成飞片，飞片高速撞击HNS-Ⅳ炸药柱16致使其发生爆炸至，最后通过药柱帽壳17的聚能作用对外输出爆轰。

本发明中Su8层4的厚度通过PDV测速系统测试的飞片速度-时间关系曲线确定。设Su8层4的厚度为H，飞片层厚度为d,Su8加速膛5的厚度为h；则有H＝d+h,其中h由飞片速度-时间曲线的积分得到。如图6所示，当飞片速度达到最大时，飞片动能最高，此时飞片飞行的位移便是h的长度公式(1)如下：

h＝∫₀ ^tv(t)td

于是得到H，d，h三者之间的关系公式(2)如下：

H＝d+∫₀ ^tv(t)dt

结合图6所示飞片速度-时间曲线积分得到67ns处最大位移h＝216.8μm，以及所使用的含能飞片厚度d＝4μm得到Su8层4的厚度H为：

H＝d+∫₀ ^tv(t)dt＝(4+216.8)μm＝220.8μm

通过公式(1)和(2)可以确定Su8层4的厚度，以此来确定MFECE芯片的结构设计，获取最佳的芯片，可进一步提高激光飞片起爆器的能量转换效率。

Claims (2)

1.一种原位集成微型起爆单元，其特征在于，该单元包括：激光飞片起爆器壳体(14)、MFECE芯片(15)、钝感装药炸药柱(6)、药柱帽壳(17)，其中，MFECE芯片(15)、HNS-IV炸药柱(16)依次设置在激光飞片起爆器壳体(14)内，激光飞片起爆器壳体开口处设置药柱帽壳(17)进行密封，MFECE芯片(15)包括K9玻璃基底(11)、环氧树脂Su8腔体(5)、复合飞片层，K9玻璃基底(11)上涂覆的环氧树脂Su8层(4)并在中心形成环氧树脂Su8腔体，该腔体底部设置复合飞片层，复合飞片层与K9玻璃基底(11)及环氧树脂Su8腔体(5)紧密贴合，复合飞片层为依次设置的TiO₂激光吸收层(7)、金属Al烧蚀层(8)、金属氧化物Al₂O₃隔热层(9)、金属Al飞片层(10)；复合飞片层制备方法为在K9玻璃基底上采用光刻原位制备的中间带有圆孔的AZ5200光刻腔，采用磁控溅射在其上制备复合飞片层作为能量转换元件，最后将AZ5200光刻胶去除，留下腔体内的TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层，其中TiO₂激光吸收层(7)作为激光能量吸收层的同时与金属Al烧蚀层(8)层构成MFECE的含能烧蚀层、金属氧化物Al₂O₃隔热层(9)作为MFECE的隔热防烧蚀层、金属Al飞片层(10)为飞片撞击层，为MFECE的能量输出做功层；环氧树脂Su8腔体设置在去除AZ5200光刻胶后的TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层侧面，并在高出TiO₂/Al/Al₂O₃/Al层的部分形成圆孔加速膛；钝感装药炸药柱设有钝感度单体猛炸药六硝基茋炸药HNS-Ⅳ，装药密度为理论密度的85％-95％。

2.一种基于权利要求1所述的原位集成微型起爆单元的激光飞片起爆装置，其特征在于，还包括小型化激光器、光纤耦合器、光纤传输线，其中，小型化激光器依次连接光纤耦合器、光纤传输线及原位集成微型起爆单元；小型化激光器为依次相连的高压电源(1)、导线(2)、激光器谐振腔(3)；小型化激光器作为激光飞片起爆装置中的能量源，激光飞片起爆装置的输入能量≥50mJ；光纤耦合器、光纤传输线均为LFPIs的激光耦合器件。

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