1 北京理工大学 物理学院，北京 100081
2 西安交通大学 电气工程学院，西安 710049
开展了水中铜丝电爆炸引燃铝粉悬浮液的实验研究，将铝粉悬浮液置于有机玻璃管中，同轴心方向穿过200 μm的金属铜丝，经脉冲功率驱动后快速相变发生电爆炸为铝粉爆燃提供反应条件。通过比对不同质量球状铝粉（μm粒径）的悬浮液在相同脉冲电容器储能条件下的放电和冲击波参数，获得了电爆炸驱动铝粉放电特性和冲击波增强效应的规律。实验发现，电爆炸起爆铝粉的冲击波有两个明显的波峰，分别对应于金属丝电爆炸（一次冲击波）和由产物气体胀裂管壁产生的二次冲击波，且铝粉爆燃对二次冲击波的增强效应非常显著，在300 mg铝粉的悬浮液环境中，二次冲击波峰值达到2.77 MPa，是无铝粉添加环境中二次冲击波的2.25倍，冲击波冲量增强了约50%。对不同储能条件下200 mg铝粉的悬浮液环境中金属丝爆的冲击波进行了对比研究，发现随着驱动源储能的增加，电爆炸引发的主冲击波和二次冲击波压力均逐渐增大，600 J时分别达到了3.17和1.91 MPa，冲击波冲量也随储能增加而增加，在600 J储能条件时的冲量为41.12 Pa·s，储能条件约300 J时20.24 Pa·s冲量的2倍。
金属丝电爆炸 冲击波 含能材料 等离子体诊断 脉冲功率技术 underwater electrical wire explosion shock wave energetic materials plasma diagnostics pulsed power technology 强激光与粒子束
2022, 34(7): 075015
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
3 Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Beijing 100031, China
4 Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China
Underwater shock waves generated by pulsed electrical discharges are an effective, economical, and environmentally friendly means of stimulating reservoirs, and this technology has received much attention and intensive research in the past few years. This paper reviews the main results of recent work on underwater electrical wire explosion (UEWE) for reservoir stimulation. A platform is developed for microsecond single-wire explosions in water, and diagnostics based on a voltage probe, current coil, pressure probe, photodiode, and spectrometer are used to characterize the UEWE process and accompanying shock waves. First, the UEWE characteristics under different discharge types are studied and general principles are clarified. Second, the shock-wave generation mechanism is investigated experimentally by interrupting the electrical energy injection into the wire at different stages of the wire-explosion process. It is found that the vaporization process is vital for the formation of shock waves, whereas the energy deposited after voltage collapse has only a limited effect. Furthermore, the relationships between the electrical-circuit and shock-wave parameters are investigated, and an empirical approach is developed for estimating the shock-wave parameters. Third, how the wire material and water state affect the wire-explosion process is studied. To adjust the shock-wave parameters, a promising method concerning energetic material load is proposed and tested. Finally, the fracturing effect of the pulsed-discharge shock waves is discussed, as briefly are some of the difficulties associated with UEWE-based reservoir stimulation.
Matter and Radiation at Extremes
2020, 5(4): 047201
1 西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室, 西安 710049
2 西安贯通能源科技有限公司, 西安 710068
介绍了复合电热化学法产生冲击波的机理和冲击波改善储层物性的机制; 给出了脉冲大电流引爆含能材料弹丸的结构和典型的放电参数,开展了冲击波致裂储层的实验研究; 检测了样品在冲击作用下的动态应变及影响储层解吸附特性的关键参数(包括孔隙度、渗透率、抗拉、抗压强度等),并在实验前后进行了测量和对比。研究表明,电热化学法产生的冲击波可在圆柱形砂岩样品上产生幅值为1000με~1500με的应变量,使砂岩出现了宏观裂缝; 样品平均孔隙度由15.24%增至15.62%,平均渗透率由1.749 09×10-3 μm2增至2.467 08×10-3 μm2; 抗压、抗拉和抗剪强度均下降了约30%。
脉冲放电 含能材料 等离子体引爆 冲击波 物性参数 储层改造 pulsed discharge energetic materials plasma-ignited explosion shock wave petrophysical parameters reservoir transformation 强激光与粒子束
2016, 28(4): 049001
强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室(西北核技术研究所), 西安 710024
针对系统电磁脉冲效应研究需求, 项目组对“闪光二号”加速器进行了适应性改造, 以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构, 重点进行了水开关设计, 并完成了实验调试。装置输出电压650 kV~1.3 MV稳定可调, 脉冲宽度60 ns, 前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns, 在国内首次成功驱动串级二极管, 产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。
水线 脉冲X射线 加速器 开关 waterline pulsed X-ray accelerator switch 强激光与粒子束
2016, 28(1): 015103
强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室（西北核技术研究所）, 西安 710024
设计制作了一台大功率高压恒流充电源。该电源采用全桥串联谐振恒流充电拓扑结构,实现了0～30 kV范围内输出可调,设计最大平均充电功率5 kW。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行了电路仿真和初步实验研究。实验中,使用该电源对18 μF电容实现了30 kV,0.1 Hz重频充电,充电功率约1.35 kW,目前电源已累计充放电万余次,运行稳定可靠。
脉冲功率技术 高压恒流充电 大功率 串联谐振 重频 pulsed power technology high voltage constant current capacitor charging high power series resonant repetition rate 强激光与粒子束
2015, 27(9): 095006
西北核技术研究所, 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西安 710024
串级二极管悬浮电极支撑控制系统主要包括支撑结构、驱动电路和同步控制三部分。支撑结构采用基于电磁铁工作原理的支撑针，对悬浮电极进行三点定位；驱动控制采用高压脉冲电容放电驱动螺线电磁铁，使电磁铁支撑针在5 ms内移动30 mm，悬浮电极在撤去支撑的5 ms内自由落体125 μm；同步控制采用螺线电磁铁线圈信号作为同步控制初始信号，对该信号延时5 ms，触发“闪光二号”的前级触发源，启动“闪光二号”主机工作，实现螺线电磁铁与“闪光二号”主机的同步。使用该套支撑控制系统用于串级二极管前期研究，初步实现了两级间隙串联工作。
串接二极管 悬浮电极 支撑结构 同步控制 硬X射线源 series diode suspension electrode support structure synchronization control hard X-ray source 强激光与粒子束
2013, 25(11): 3073
针对目前脉冲硬X射线源能谱硬、辐照面积小、辐射场电子份额高无法开展系统电磁脉冲效应实验研究的技术难题，提出了采用复合薄靶软化脉冲硬X射线能谱、降低电子份额的方法。采用MCNP程序数值模拟了电子和光子在不同材料中的输运规律，分析了复合靶结构和材料厚度对X射线能谱、电子份额的影响。以“闪光二号”加速器为电子束源，设计了复合薄靶、X射线窗。实验得到的X射线参数：平均能量121 keV;均匀性2∶1情况下，700 cm2平均剂量40 rad(Si)，500 cm2平均剂量170 rad(Si);光子数与电子数的比值大于103，可以开展系统电磁脉冲效应初步实验研究。
轫致辐射 脉冲硬X射线 能谱 复合靶 系统电磁脉冲 bremsstrahlung pulsed hard X-ray energy spectrum composite converter system generated electromagnetic pulse
以闪光二号加速器为研究平台，实验研究了前沿80 ns和34 ns脉冲电压下的二极管工作稳定性，通过对比实验结果和数值模拟结果，分析了脉冲前沿对二极管启动时间、阴极发射均匀性和阻抗重复性的影响，探讨了脉冲前沿对平面阴极二极管工作状态的影响机制。实验结果表明：脉冲前沿、二极管启动时间增加时，二极管的阻抗重复性降低; 平面阴极易于在中心位置形成强区域发射，等离子体覆盖整个阴极发射面的时间随脉冲前沿增大而增加; 屏蔽效应对阴极发射的影响随前沿增加而变大，进而导致阴极表面不均匀强点发射，等离子体运动速度增加，阴极有效发射面积减小，在等离子体运动速度和阴极有效发射面积共同作用下，二极管工作稳定性下降。
强流二极管 电子束 稳定性 阻抗特性 high current diode electron beam stability impedance characteristic 强激光与粒子束
2012, 24(10): 2488
介绍了“闪光二号”加速器在实验运行过程中，Marx发生器、水介质同轴线和二极管的常见故障。Marx发生器200 kV气体开关、水介质同轴线的主开关和预脉冲开关、二极管阴极表面电场和阴阳极间隙等是各部分出现故障的主要原因，针对故障采取相应的维护措施和注意事项，可实现“闪光二号”加速器正常稳定的运行。
闪光二号加速器 运行维护 故障分析 表面电场 间隙 Flash-Ⅱ accelerator operation maintenance fault analysis surface electric field gap
分析了用于纳秒脉冲电流测量的微分环标定难点，提出微分环现场标定方法。通过脉冲形成线脉冲充电以解决微分环标定中信噪比较低、可信度较差等问题；分析了脉冲形成线充电时间、充电电压及脉冲形成开关击穿电压等回路参数对标定结果的影响。基于闪光二号加速器，对测量二极管电流的微分环进行了现场标定，前级隔离开关平均击穿电压为25 kV时，微分环标定回路电流达到1.3 kA，微分环灵敏度为9.31×1010，方差为0.15×1010。
微分环 分布参数 现场标定 信噪比 脉冲形成线 differential ring distributed parameter field calibration signal-to-noise ratio pulse forming line
