衝擊波產生技術

衝擊波產生技術是用脈衝載入方法對被測樣品的表面作功，即可向樣品內驅動一衝擊波，對樣品進行衝擊壓縮。

衝擊波產生技術

正文

用脈衝載入方法對被測樣品的表面作功，即可向樣品內驅動一衝擊波，對樣品進行衝擊壓縮。根據脈衝載入的方式，可以分為下述三種主要的衝擊波產生途徑。
接觸爆炸法　將炸藥與被研究物體（樣品）直接接觸，利用炸藥爆炸後產生的高溫高壓產物對樣品表面作功的一種脈衝載入技術。有兩種主要的接觸爆炸方法。
用化學炸藥　裝置原理見圖1。平面波發生器是一個將散心爆轟波改造成平面爆轟波的裝置。它是由高、低爆速炸藥，按一定的速度比及幾何配置設計而成的。用平面波發生器送出的平面爆轟波引發主炸藥。主炸藥一般用固體化學炸藥製成。每公斤固體化學炸藥爆炸後大約釋放出1～2千大卡的能量,釋放時間約10-6秒。由此可見，它的能量釋放速率是很高的，因而可以在與它相接觸的樣品中產生強衝擊波，衝擊波壓力約從數萬到數十萬巴，具體數值視炸藥種類及樣品材料而異。

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用核炸藥　由可以產生核反應的材料所製成的“核炸藥”是一種比化學炸藥猛烈得多的爆炸物質。例如，每公斤鈾－235裂變後釋放的能量約為化學炸藥的107倍。C.E.拉根第三於1976年報導了這種裝置的原理圖（見圖2）。他是利用核爆炸產生的強流中子束去引爆一塊與之相距不遠的鈾－235層,使之發生裂變，引起加熱，並對周圍介質膨脹作功，從而在與它緊貼的樣品中產生一強衝擊波。他用這個方法在鉬中測得了二千萬巴的衝擊壓縮數據。
飛片撞擊法　利用高速飛行的平板（飛片）與靜止靶相撞後對靶表面作功的一種脈衝載入技術。當靶材料一定時，碰撞面的壓強p大致與飛片密度ρ及飛片速度U的二次方的乘積成正比。例如,對中等密度（ρ0≈10克/厘米3）的材料，在飛片速度為一萬米每秒時,靶中壓強約為一千萬巴，飛片速度為4萬米每秒時,靶內壓力約可達三億巴。由此可見，要進行強壓縮，就要設法使飛片獲得高速度。
加速飛片的方式一般可以分為以下四種類型。
化學爆炸驅動　炸藥爆炸加速飛片的裝置如圖3。飛片在爆炸產物推動下，經幾厘米長的空腔，使飛片充分吸收爆炸產物的能量以達到一定的飛行速度。改變裝藥結構可以使飛片速度在幾百米到一萬米每秒的範圍內調節。在同類炸藥和同類樣品材料的條件下，用這種方法獲得的衝擊壓力一般比接觸爆炸時提高三倍左右。在某些特殊的裝藥結構中，還可以提高到五倍以上。

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氣炮驅動　氣炮主要由高壓室、彈丸、發射管等部分組成。以一級炮為例(見圖4a)，實驗時，高壓氣體向高壓室充氣到預定壓力時，膜片破裂，高壓氣體隨之進入發射管，推動彈丸飛行，最後平穩地與靶相撞。高壓氣體一般利用空氣、氮氣、氦氣或氫氣。飛片速度一般為數百米到一千多米每秒。如欲獲得更高的飛行速度，可以改用二級輕氣炮（見圖4b）。它是利用火藥推動活塞，去壓縮泵管中預壓過的氫氣或氦氣，使工作氣體達到更高壓力後再去驅動發射管中的彈丸，最高速度可以達到8000米每秒。
電炮驅動　電炮裝置原理如圖5所示。由儲能電容器向金屬橋箔放電，使箔片快速加熱，因此在很短的時間內金屬膜完成固-液-氣態的相轉變。由以上過程所產生的高密度金屬蒸氣會推飛片運動，經過幾毫米長的炮筒的加速，可使飛片達到幾百米至一萬多米每秒的高速度。最後與靜止靶相撞。由於電炮裝置僅能驅動很薄的飛片（約數十微米），故擊靶後在靶內形成的壓力脈衝很窄，一般為10～20納秒。

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軌道炮驅動　在兩條平行的剛性金屬導軌間，放置一個可運動的導電體與平頭彈丸（飛片）的組合體。導電體相當一個電樞，當強電流通過金屬導軌與電樞所組成的迴路時，導軌間存在一強磁場，這一磁場與流過電樞的電流相互作用，產生一洛倫茲推力F（F=LI2/2,I為電流，L為金屬導軌單位長度的電感）,推動組合體運動。裝置原理如圖6所示。電源系統一般採用電容器組成或磁通量壓縮的脈衝電流發生器，也可採用單級發電機。1981年R.S.霍克等報導了在106安脈衝電流源驅動下組合體飛行速度達到一萬米每秒的結果，並預計今後可望提高到四萬米每秒的速度值。
能量沉積法　當某種脈衝輻射源輻照於靶表面上，其中的部分能量被反射，部分能量則沉積於一薄層靶材內，引起該層物質的內能、壓力和密度等發生變化，並向與其鄰近的“冷”靶材料中驅動一衝擊波。這就是能量沉積產生衝擊波的基本原理。脈衝輻照源可以是電子束、X射線束、離子束或雷射束。
隨著輻照功率密度的不同，能量沉積薄層內物質狀態的變化是不同的，薄層對入射輻照能量吸收的機制也各有異。在較低輻射功率密度下（在雷射束輻照時約相當於109瓦每平方厘米）,薄層材料僅發生快速的固-液-氣相的轉變，熾熱的緻密氣體通過熱彈性耦合對鄰近的“冷”靶膨脹作功，驅動一衝擊波對“冷”靶進行衝擊壓縮。目前公開報導較多的情況是脈衝電子束輻照源，電子能量一般在兆電子伏以下，能密度為幾百卡每平方厘米，脈衝寬度為幾十納秒，束流近於均勻分布的面積約幾個平方厘米。靶中壓力可用以下方法估算：在離靶表面大於с0τ的位置上（с0為熱層中的稀疏波速度,τ為能量沉積時間）的衝擊波壓力為：（式中E為比內能，v為比容）。由於格臨愛森參數（見固體狀態方程），而且在較低能密度情況下可視為比容v的函式,故有

下標0代表靶材料的初始狀態。
當輻照功率密度較大時，能量沉積薄層內的物質在迅速轉變為氣態物質的基礎上進一步轉變為熾熱的電漿。由於這種電漿的出現，又形成了新的能量吸收機制，並被稱為電漿吸收。對這種情況，目前公開報導最多的是強雷射輻照源,功率密度大致對應於109瓦每平方厘米以上的輻照情況。這時雷射與靶相互作用的主要過程是：強雷射束入射到靶表面，先使被照射表面的一薄層形成電漿。這一薄層電漿繼續吸收後繼的雷射能量,不斷造成更深部靶材的加溫和電離,產生新的高溫電漿層。連續造成的這種高溫電漿又不斷地向後作快速飛散。根據動量守恆原理可知，這時由於反衝作用而會向“冷”靶材料中驅動一強衝擊波。當雷射脈衝停止後,受照表面的壓力急劇地下降到零,衝擊波的驅動力隨之消失，這時又將向靶內傳入一稀疏波。如果靶足夠厚，這個稀疏波終將追趕上衝擊波陣面，導致衝擊波強度下降。
由以上討論可知，如欲獲得更高壓力，靶不宜過厚，一般選用20微米左右。上述過程可參見圖7。

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強雷射產生的衝擊波壓力p 隨而變(I0為入射雷射束功率密度，α為常數)。對雷射波長λ埄1微米的情況，若I0為1012～5×1014瓦每平方厘米時,α=0.6～0.8。在上述過程中，靶對入射雷射束能量的吸收效率隨靶材、雷射束功率密度、脈寬和波長而異，一般在10％～50％之間變化。所驅動的衝擊波的內能增值約為被吸收雷射能量的1％。
1981年美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室發表了利用強雷射束打平面金靶，獲得35兆巴衝擊壓力的實驗結果。
參考書目
　P.C.Chou and A.K.Hopkins, ed.,Dynamic Response of materials to Intense Impulsive Loαding,Chap.8,Air Force Materials Laboratory (USA),Ohio,1973.
　C.E.Ragan Ⅲ,et αl.,Journal of Applied Physics, Vol.48,No.7,P.2860,1977.

配圖

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