基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的方法及装置
阅读说明：本技术 基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的方法及装置 (Method and device for loading high-speed flyer based on electric explosion and laser coupling ) 是由 朱朋 汪柯 吴立志 张伟 胡艳 叶迎华 沈瑞祺 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的方法及装置。包括高压电容放电单元,MCT高压开关驱动模块,固体脉冲激光器,光学元件和数字延时发生器：高压电容放电单元包括高压电容,MCT高压开关和基于透明玻璃基底的爆炸箔芯片；数字延时发生器用于向MCT高压开关驱动模块和固体脉冲激光器发送脉冲信号,当金属桥箔在电容放电作用下发生电爆炸后,激光光束通过透明玻璃基底入射到电爆炸产物即等离子体,对等离子体进行二次赋能,实现电爆炸和激光耦合加速飞片。本发明将激光和电爆进行结合,利用激光对金属电爆炸产物进行二次赋能,提高等离子体的温度和压力,实现二次加速,为冲击动力学的研究提供一种新的手段。(The invention discloses a method and a device for loading a high-speed flyer based on electric explosion and laser coupling. The device comprises a high-voltage capacitor discharge unit, an MCT high-voltage switch driving module, a solid pulse laser, an optical element and a digital delay generator: the high-voltage capacitor discharge unit comprises a high-voltage capacitor, an MCT high-voltage switch and an exploding foil chip based on a transparent glass substrate; the digital time delay generator is used for sending pulse signals to the MCT high-voltage switch driving module and the solid pulse laser, when the metal bridge foil is subjected to electric explosion under the capacitive discharge effect, laser beams enter an electric explosion product, namely plasma, through the transparent glass substrate, secondary energization is carried out on the plasma, and electric explosion and laser coupling acceleration flyer is achieved. The invention combines laser and electric explosion, utilizes the laser to carry out secondary energization on metal electric explosion products, improves the temperature and the pressure of plasma, realizes secondary acceleration and provides a new means for the research of impact dynamics.)
技术领域
本发明属于高速飞片加载领域，具体涉及一种基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的方法及装置。
背景技术
在冲击动力学领域，为了研究材料在极端力学环境下的响应，常需要借助动高压加载手段，例如电炮、激光驱动、爆炸驱动等。
这些手段都依赖高速或超高速飞片撞击目标材料实现GPa-TPa量级动态高压的加载。电炮的原理是通过高压电容放电产生脉冲大电流，金属桥箔在焦耳热作用下发生电爆炸产生的等离子体来驱动飞片。但是单纯的电爆炸驱动的能量是有限的，驱动的飞片的速度也是有限的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的方法及装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的装置，包括高压电容放电单元，MCT高压开关驱动模块，固体脉冲激光器，光学元件和数字延时发生器：
所述高压电容放电单元包括高压电容，MCT高压开关和基于透明玻璃基底的爆炸箔芯片；
所述MCT高压开关驱动模块用于对从数字延时发生器发送过来的脉冲信号进行放大，从而控制MCT高压开关闭合；
所述固体脉冲激光器发射的激光光束通过光学元件聚焦在爆炸箔芯片的玻璃基底和金属桥箔之间；
所述数字延时发生器用于向MCT高压开关驱动模块和固体脉冲激光器发送脉冲信号，当金属桥箔在电容放电作用下发生电爆炸后，激光光束通过透明玻璃基底入射到电爆炸产物即等离子体，对等离子体进行二次赋能，实现电爆炸和激光耦合加速飞片。
进一步的，还包括用于为高压电容充电的脉冲高压电源。
进一步的，还包括用于为MCT高压开关驱动模块供电的直流恒压电源。
进一步的，所述透明玻璃基底为光学玻璃。
进一步的，所述光学玻璃为Borofloat 33玻璃。
进一步的，所述固体脉冲激光器用于发送纳秒级脉宽的激光束。
进一步的，光学元件包括两个全反射镜和平凸透镜；
固体脉冲激光器发射的激光光束依次通过两个全反射镜的反射之后通过平凸透镜聚焦于玻璃基底与金属桥箔之间的界面上。
一种采用上述的装置加载高速飞片的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：打开固体脉冲激光器，通过调节全反射镜、平凸透镜角度，并调节平凸透镜和爆炸箔芯片的距离，使光束从爆炸箔芯片背部通过玻璃基底垂直聚焦在金属桥箔位置
步骤(2)：将脉冲高压电源的高压端和接地端分别与高压电容的两端相连，为高压电容供电，电压设置为1000V；将恒压直流源的正极和地分别与MCT高压开关驱动模块的VCC和GND相连，为驱动模块提供工作电源，电源电压设定为10V；
步骤(3)：设置数字延时发生器的通道参数；脉冲1和脉冲2分别连接固体脉冲激光器的CLK-In和Q-In接口，用于触发激光器，脉冲1的上升沿t1和脉冲2的上升沿t2的时间差Δt控制着激光的能量，脉冲2的上升沿t2到激光器出光t3的时间是固定的，即激光器的延迟时间为(t3-t2)，脉冲3控制着MCT高压开关闭合，脉冲3的上升沿t4到电容放电回路中电流的起始点t5是固定的，即MCT开关的延迟时间是(t5-t4)；在激光能量固定的条件下，即t1,t2保持不变，通过改变t4即可调节t3和t5的相对时间差，从而控制电能和激光的作用时间；
步骤(4)：利用数字延时发生器发送控制信号，MCT高压开关闭合，回路电流开始增长，桥箔在电流作用下发生电爆炸，电爆炸产物剪切并驱动飞片沿加速膛运动，之后，激光从玻璃基底后入射到爆炸产物，爆炸产物吸收激光的能量，温度升高，压力增大，从而再次加速飞片。
进一步的，步骤(3)中设置数字延时发生器的通道参数具体为：1通道脉冲参数设置为0-50μs，1通道上升沿t1为0ns，脉宽为50μs，2通道参数设置为660μs-710μs，上升沿t2为660μs，脉宽为50μs；1通道和2通道分别与固体脉冲激光器上的CLK-in和Q-in接口相连接，用于触发激光器；激光器的固定延迟时间(t3-t2)为900ns，其中t3为激光器出光的时间，激光器发射激光的时刻为660μs_900ns，3通道脉冲上升沿t4设置为660μs_500ns，脉宽为10μs，3通道的脉宽大于回路电流持续时间，确保储存在电容里的能量可以释放完全；MCT高压开关的固定延迟时间(t5-t4)为100ns，其中，t5为电容放电回路中电流的起始点，回路电流的初始时刻为650μs_600ns，即电能作用于桥箔的初始时刻，激光作用时刻为650μs_900ns，激光作用时间相比电流起始点延迟300ns。
一种上述的装置的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：采用MEMS工艺制备以Borofloat 33玻璃为透明基底的爆炸箔芯片，玻璃基底厚度为0.4-0.8mm；
步骤(2)：分别将0.22μF高压陶瓷电容、MCT高压开关、MCT开关的驱动模块焊接在PCB板上，并利用固定装置将PCB板固定；
步骤(3)：将数字延时发生器分别与固体脉冲激光器和MCT开关驱动模块连接，MCT开关驱动模块与MCT高压开关连接，固体脉冲激光器之后设置光学元件。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明通过将电炮装置和激光加载装置进行联合，在依靠金属电爆炸产生的等离子体加速飞片的过程中，通过引入激光对等离子体进行辐射，提高等离子体温度和压力，继而增大飞片速度；与现有的电炮加载装置而言，实现了电能和激光能量的耦合，增加了电炮装置的飞片发射速度极限。
附图说明
图1是本发明电爆炸和激光耦合驱动高速飞片装置的电容放电单元电路图。
图2是本发明电爆炸和激光耦合驱动高速飞片装置的激光光路图。
图3是本发明电爆炸和激光耦合驱动高速飞片装置的控制信号时序图。
图4是本发明电爆炸和激光耦合驱动高速飞片装置的总示意图。
附图标记说明：
1-脉冲高压电源，2-电容放电单元，2-1-高压电容，2-2-爆炸箔芯片，2-3-MCT高压开关，3-MCT开关驱动模块，4-直流恒压电源，5-固体脉冲激光器，6-光学元件，7-数字延时发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
传统电爆炸装置单纯依靠电爆炸产生的等离子体驱动飞片，激光驱动则是利用高能激光烧蚀金属薄膜形成的等离子体来驱动飞片。由于二者的作用原理以及装置存在差异，因此并未出现将二者结合加载飞片的相关报道。另一方面，由于电炮和激光加载装置的有限工作时间不超过1个微秒，如何在纳秒以及微秒时间尺度内精确控制二者的耦合也面临困难。
为了进一步提高电炮装置的飞片发射能力，本专利通过采用合适的控制手段，将激光加载飞片装置和电爆装置进行结合，利用激光对金属电爆炸产物进行二次赋能，提高等离子体的温度和压力，从而实现二次加速。
本发明通过将电炮和激光加载飞片装置结合，创新性地将电能和光能两种能量形式结合起来用于飞片加速，极大增加了电炮装置的飞片速度。本发明采用MCT开关作为高压开关，相比传统的气体开关和平面介质开关，作为新型半导体开关，MCT开关的低电压触发特性和高的延迟一致性有利于实现对电容放电的精确控制。另一方面，采用高性能的数字延时发生器，实现了在微秒乃至纳秒量级时间尺度内同时对电能和激光的准确控制，从而实现二者的耦合。
如图1-4所示，一种基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的装置，该装置包括：脉冲高压电源1、电容放电单元2、MCT开关驱动模块3、恒压直流电源4、固体脉冲激光器5、光学元件6、数字延时发生器7。所述脉冲高压电源1用于给电容放电单元2中的高压电容2-1充电；所述的MCT开关用于控制高压电容放电回路的导通，从而在回路中产生脉冲大电流，从而导致爆炸箔芯片发生电爆炸；所述的MCT开关驱动模块3用于对从数字延时发生器发送过来的脉冲信号进行放大，从而使MCT开关快速有效闭合；所述恒压直流电源4为MCT开关驱动模块3供电；所述固体脉冲激光器5可以发送特定波长和脉宽的激光，激光器可以采用外部触发方式进行触发；所述光学元件用于激光光路调节，确保激光光束准确聚焦在爆炸箔芯片的玻璃基底和金属桥箔之间。所述数字延时发生器用于发送脉冲信号同时控制MCT开关闭合和激光器工作。
脉冲1和脉冲2分别连接固体脉冲激光器的CLK-In和Q-In接口，用于触发激光器。脉冲1的上升沿t1和脉冲2的上升沿t2的时间差Δt控制着激光的能量。脉冲2的上升沿t2到激光器出光t3的时间是固定的，即激光器的延迟时间为(t3-t2)。脉冲3控制着MCT开关闭合，脉冲3的上升沿t4到电容放电回路中电流的起始点t5是固定的，即MCT开关的延迟时间是(t5-t4)。在激光能量固定的条件下，即t1,t2保持不变，通过改变t4即可调节t3和t5的相对时间差，从而控制电能和激光的作用时间。
实施例
本实施例设计了基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的装置。所述飞片加载装置包括脉冲高压电源1、电容放电单元2、MCT开关驱动模块3、直流恒压电源4、固体脉冲激光器5、光学元件6、数字延时发生器7。脉冲高压电源1在该装置中用于给电容放电单元供电；恒压直流源用于给MCT开关的驱动模块供电；固体脉冲激光器用于发送纳秒级脉宽的激光束；数字延时发生器用于控制MCT开关的闭合和激光器发射激光。
所述基于电爆炸和激光耦合加载高速飞片的装置制备步骤如下：
第一步，采用MEMS工艺制备以硼酸玻璃为透明基底的爆炸箔芯片，玻璃基底厚度为0.6mm，玻璃基底材质为Borofloat 33。
第二步，分别将0.22μF高压陶瓷电容、MCT开关、MCT开关的驱动模块焊接在PCB板上，并利用固定装置将其固定。
第三步，打开激光器，通过调节全反射镜、平凸透镜等元件，以及调节平凸透镜和爆炸箔芯片的距离，使光束能够从芯片背部通过玻璃基底垂直准确地聚焦在桥箔位置。
第四步，将脉冲高压电源的高压端和接地端分别与高压电容的两端相连，为高压电容供电，电压设置为1000V。将恒压直流源的正极和地分别与驱动芯片的VCC和GND相连，为驱动模块提供工作电源，电源电压设定为10V。
第五步，设置数字延时发生器的通道参数。本案例中采用DG645型数字延时发生器。如图3所示，1通道脉冲参数设置为0-50μs(上升沿t1为0ns，脉宽为50μs)，2通道参数设置为(660μs-710μs，上升沿t2为660μs，脉宽为50μs)。1通道和2通道分别与激光器上的CLK-in和Q-in接口相连接，用于触发激光器。激光器的固定延迟时间(t3-t2)为900ns。因此，激光器发射激光的时刻为660μs_900ns.3通道脉冲上升沿t4设置为660μs_500ns，脉宽为10μs。3通道的脉宽必须大于回路电流持续时间，确保储存在电容里的能量可以释放完全。MCT开关的固定延迟时间(t5-t4)约为100ns。因此，回路电流的初始时刻为650μs_600ns，即电能作用于桥箔的初始时刻。激光作用时刻为650μs_900ns，因此激光作用时间相比电流起始点延迟300ns.
第六步，利用数字延时发生器发送控制信号，MCT开关闭合，回路电流开始增长，桥箔在电流作用下发生电爆炸，电爆炸产物剪切并驱动飞片沿加速膛运动。一段时间之后，激光从玻璃基底后入射到爆炸产物，爆炸产物吸收激光的能量，温度升高，压力增大，从而再次加速飞片。
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