一种爆磁准等熵加载低温样品实验装置及其方法

摘要

本发明公开了一种爆磁准等熵加载低温样品实验装置及其方法，属于高压物理爆磁准等熵加载技术领域。其实验装置包括：样品靶腔同轴设于爆炸磁通量加载装置内，低温冷源固定封板设在爆炸磁通量加载装置上进行密封；制冷冷头设在爆炸磁通量加载装置上方且通过导热材料与样品靶腔连接；真空罩罩设在制冷冷头上方。本发明提供的爆磁准等熵加载低温样品实验装置采用制冷冷头作为样品靶腔降温冷源设计，减少实验现场低温工质使用、便于实验热容量控制和对靶温度调节；冷源和样品靶分体设计及采用导热连接，方便样品靶更换提高实验效率；通过管路和线路远程控制制冷、制靶，提高了在爆轰场所实施的爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验的可操作性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及高压物理爆磁准等熵加载技术领域，具体涉及一种爆磁准等熵加载低温样品实验装置及其方法。

背景技术

动高压加载实验中样品初始温度是影响样品加载热力学路径的重要参数之一，通过调节初始温度还可以调节样品的初始相态和密度，是获得材料宽域高压物性的重要实验技术手段。尤其对气体材料，如氢、氦、氧、氮等，由于常温常压下初始密度低，动高压加载常温气体的方法很难实现较高压力加载，而利用低温样品靶将其液化或固化后加载，通过大幅提高样品初始密度则是拓宽研究压力范围的重要技术途径。爆磁准等熵加载是重要的动高压加载实验技术之一，原理上具有加载压力高(最高可达TPa量级)、温升低(1000K量级)、样品尺寸大(cm

目前已有爆磁低温样品装置以低温工质(液氮或液氦)作为制冷剂，实验前将低温工质存储在储液容器内，利用低温工质液体或蒸汽冷却样品室。该类型低温装置依靠消耗低温工质制冷，将冷却样品升温后的工质气体直接排放至大气中，系统绝热效率低，工质损耗大；为了在低温工质消耗完前完成实验，实验通过低温工质消耗规律控制实验进度，导致实验实施过程无法主动控制，使用可操作性差；实验前需要在爆炸场所使用大量制冷工质，爆轰实验零前需要人员现场操作低温工质和拆除管路，进一步导致实验流程和安全管控难度大；利用储存低温工质的体积容量控制实验热容量，导致低温装置对不同样品材料、样品尺寸兼容性差，不利于更换实验靶样品；另外现有采用低温工质降温的低温装置样品温度调节能力差，装置所能达到的最低温度是固定的，导致实验中样品温度调节范围受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爆磁准等熵加载低温样品实验装置及其方法，以解决现有爆磁低温样品装置中以低温工质(液氮或液氦)作为制冷剂，存在损耗大，主控性和可操作性差的问题，致使实验流程和安全管控难度大，样品负载不方便更换等问题。本发明为爆炸磁通量准等熵加载实验样品提供初始液氦温区实验环境，减少实验现场低温工质使用，实现具有实验样品负载易更换、样品温度易控制调节优点，达到爆轰场所实验过程远程制靶、远程升降温主动控制的目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种爆磁准等熵加载低温样品实验装置，包括：中空的爆炸磁通量加载装置、样品靶腔和密封冷却机构；所述样品靶腔同轴设于所述爆炸磁通量加载装置内；

所述密封冷却机构包括：中部开孔的低温冷源固定封板、制冷冷头和真空罩；与所述爆炸磁通量加载装置端部适配套的所述低温冷源固定封板设在所述爆炸磁通量加载装置上进行密封；所述制冷冷头设在所述爆炸磁通量加载装置上方，且所述制冷冷头端部穿过所述低温冷源固定封板并延伸至所述爆炸磁通量加载装置内且通过导热材料与所述样品靶腔连接；所述真空罩罩设在所述制冷冷头上方。

进一步地，所述爆炸磁通量加载装置包括：由外向内同轴设置的爆炸磁通量加载炸药起爆网络板和所述爆炸磁通量加载金属内筒；所述爆炸磁通量加载炸药起爆网络板与所述爆炸磁通量加载金属内筒构成的中空空间填充有爆炸磁通量加载炸药层，在所述爆炸磁通量加载炸药层两端设有爆炸磁通量加载初始磁场线圈。

进一步地，沿所述制冷冷头外部设有冷屏。

进一步地，所述样品靶腔通过样品气路连接样品气瓶以提供靶样品。

进一步地，所述制冷冷头通过循环制冷管路连通有压缩机。

进一步地，所述循环制冷管路上设有爆轰靶场管路转接。

进一步地，所述样品靶腔和所述制冷冷头均设有温度计，且所述温度计通过温度监控路线与温控仪连接。

进一步地，所述温度监控路线上设有温控路线转接。

进一步地，所述样品气路上设有样品气路密封转接。

本发明还提供一种爆磁准等熵加载低温样品实验方法，基于上述的爆磁准等熵加载低温样品实验装置，包括以下步骤：

将低温冷源固定封板安装于爆炸磁通量加载装置上后，安装连接上样品靶腔、冷屏和制冷冷头，将制冷冷头与低温冷源固定封板固定后，安装上真空罩，在完成连通管路和连通线路连接后，完成爆炸磁通量压缩起爆组件安装，通过远程起爆完成爆磁准等熵加载低温样品实验。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的爆磁准等熵加载低温样品实验装置采用制冷冷头作为样品靶腔降温冷源设计，减少实验现场低温工质使用，减小了利用储存低温工质的体积容量控制实验热容量对靶温度调节限制，提高了低温装置样品温度调节能力；冷源和样品靶分开设计准备，采用冷源和样品靶导热连接，有利用更换实验样品靶腔提高了实验对不同样品材料、样品尺寸靶的兼容性。冷源与样品靶分离设计便于样品靶腔更换，固定于非金属低温冷源固定封板上防止受电磁力破坏，可通过管路和线路控制实现爆轰场所实验过程远程制冷和远程制靶，提高了爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验的可操作性和安全性。

本发明提供的爆磁准等熵加载低温样品实验装置在样品靶腔和制冷冷头处均设有温度计，通过温控仪监控温度变化，实现远程主动升降温控制，提高了爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验的可操作性和安全性。

本发明提供的爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验装置，可用于低温固体、液体、气体爆炸磁通量准等熵压缩加载从而提升爆炸磁通量准等熵加载实验技术能力，适应性更广。

本发明提供的爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验装置，结构紧凑，操作安装方便，实验样品更换容易，样品温度易控制，在爆轰场所实验中能远程制靶、远程升降温主动控制，避免在爆轰实验现场制靶导致的设备使用和人员操作过程的安全隐患，操作性和安全性高。

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为本发明的爆磁准等熵加载低温样品实验装置中实施例1的结构示意图；

图2为本发明的爆磁准等熵加载低温样品实验装置中实施例1中样品靶区域放大的结构示意图；

图3为本发明的爆磁准等熵加载低温样品实验装置中实施例2的结构示意图。

图中：100-爆炸磁通量加载装置，101-爆炸磁通量加载炸药起爆网络板，102-爆炸磁通量加载金属内筒，103-爆炸磁通量加载炸药层，104-爆炸磁通量加载初始磁场线圈，2-样品靶腔，3-低温冷源固定封板，4-制冷冷头，5-真空罩，6-冷屏，7-样品气路，8-样品气瓶，9-循环制冷管路，10-压缩机，11-爆轰靶场管路转接，12-温度监控路线，13-温控仪，14-温控路线转接，15-样品气路密封转接，16-真空管路，17-隔墙。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参照图1和2，本实施例的爆磁准等熵加载低温样品实验装置，包括：爆炸磁通量加载装置100、样品靶腔2和密封冷却机构。

爆炸磁通量加载装置100为中空结构，爆炸磁通量加载装置100包括：爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101和爆炸磁通量加载金属内筒102，爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101和爆炸磁通量加载金属内筒102由外向内同轴设置，爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101的内侧壁与爆炸磁通量加载金属内筒102的外侧壁构成一中空空间，该中空空间内填充有爆炸磁通量加载炸药层103，在爆炸磁通量加载炸药层103两端设有爆炸磁通量加载初始磁场线圈104。在爆炸磁通量加载装置100内筒具有维持真空能力，通常常温常压真空度需小于0.1Pa。爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101和爆炸磁通量加载金属内筒102的形状可以为圆筒形、方筒形或其他异形筒形，爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101和爆炸磁通量加载金属内筒102的形状根据不同实验类型可以更换和改变内部结构。优选地，爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101和爆炸磁通量加载金属内筒102的形状为圆筒形，圆筒便于磁场箍缩，爆炸磁通量加载装置100也更容易安装。爆炸磁通量加载初始磁场线圈104能产生预置初始磁场，产生的预置初始磁场与爆炸磁通量加载炸药起爆网络板101和爆炸磁通量加载金属内筒102轴线方向平行。在本发明其他实施方案中，磁场线圈还可以替换成螺线圈。

样品靶腔2与爆炸磁通量加载装置100同轴设置，且位于爆炸磁通量加载装置100的轴线中心位置，以样品靶腔2能充分压缩。样品靶腔2的形状可以圆柱形、方柱形或其他异形柱形，样品靶腔2的形状可以根据不同实验类型可以更换和改变内部结构。样品靶腔2可以为单层套管结构或是多层同轴套管结构，样品靶腔2可根据不同测试类型改变选择适合数目的层数同轴套管结构。在样品靶腔2最外层管通常采用导电率较好的金属材料，如铜、铝等，用于爆炸磁通量压缩过程中产生感应加载洛仑兹力和减小磁扩散烧蚀。样品靶腔2内用于装载样品靶，可预置金属、非金属样品，样品可为固体、液体、气体状态。

在一种可行的实施方案中，样品靶腔2通过样品气路7连接样品气瓶8以提供靶样品，样品气路7管路在进入样品靶腔2时从制冷冷头4附近穿过，以减小样品腔漏热。同时不可离制冷冷头4过近，防止气体提前固化冷冻堵塞样品气路7管路。样品气路7可根据实验选配，如果采用常温常压下为气体的材料作为样品材料则需要样品气路7用于供气制样，若采用常规金属材料作为样品则不需要气路。

密封冷却机构包括：低温冷源固定封板3、制冷冷头4、真空罩5、冷屏6。

低温冷源固定封板3与爆炸磁通量加载装置100端部适配套，设在爆炸磁通量加载装置100上起到真空密封目的。低温冷源固定封板3的基体材料采用密实的非金属绝缘材料，防止在爆炸磁通量加载装置100磁通量压缩过程中金属部件会感应受洛仑兹力，具有良好真空密封效果。在低温冷源固定封板3中部设有开孔，用于制冷冷头4的通过，低温冷源固定封板3还具有固定制冷冷头4的目的。该开孔的位置与爆炸磁通量加载金属内筒102中心轴线相对应，开孔的尺寸和形状同制冷冷头4的尺寸和形状适配套，以确保制冷冷头4的轴线、低温冷源固定封板3的开孔中心线和样品靶腔2的轴线在同一垂直直线上。制冷冷头4通过循环制冷管路9连通有压缩机10，压缩机10通过压缩传冷介质热交换用于降低制冷冷头4温度。

制冷冷头4设在爆炸磁通量加载装置100上方，且制冷冷头4端部穿过低温冷源固定封板3延伸至爆炸磁通量加载装置100内，且制冷冷头4端部通过导热材料与样品靶腔2连接。制冷冷头4位于样品腔正上方，用于导热降温。制冷冷头4连通低温冷源或是制冷机，制冷冷头4的形状一般采用细长型结构的冷头，这样便于伸入到爆炸磁通量加载装置100中，达到减弱金属部件在磁场中感应受洛仑兹力作用的效果。其中，连接制冷机的制冷冷头4在爆炸磁通量压缩装置磁通量压缩过程中金属部件会感应受洛仑兹力，将冷头电气部分置于爆炸磁通量压缩腔的外部，防止实验中对冷头提前破坏。

真空罩5罩设在制冷冷头4上方，且真空罩5的端部位于低温冷源固定封板3，将制冷冷头4完全罩设在真空罩5内，真空罩5通过真空管路16与压缩机10连通，通过压缩机10维持真空环境。

在一种可行的实施方案中，沿制冷冷头4外部设有冷屏6，用于减少辐射漏热。冷屏6起到包裹制冷冷头4部分，即伸入到爆炸磁通量加载装置100内的部分，但并不包裹样品靶腔2。冷屏6的形状大小同制冷冷头4相适配，冷屏6通常采用圆柱形结构。在本发明的实施方案中，冷屏6采用多块延圆周拼接而成，或者在垂直于磁场方向的面上延圆周径向开细长槽，减弱金属部件在磁场中感应受洛仑兹力作用的效果。

在一种可行的实施方案中，样品靶腔2和制冷冷头4均设有温度计(图中未指出)，且温度计通过温度监控路线12与温控仪13连接，温度监控路线12包括温度监测路线和温度控制路线两线并行，通过温控仪13监测温度变化并进行及时控制，实现远程主动升降温控制，提高了爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验的可操作性和安全性。

实施例2

请参照图2和3，实施例的爆磁准等熵加载低温样品实验装置是基于实施例1基础上进一步改进。

请参照图1，本实施例的爆磁准等熵加载低温样品实验装置通过隔墙17分隔出爆炸靶场和控制间，爆炸磁通量加载装置100、样品靶腔2和密封冷却机构设在爆炸靶场上，对爆炸磁通量加载装置100、样品靶腔2和密封冷却机构的描述同实施例1，与实施例1相比，本实施例的不同之处在于，压缩机10、样品气瓶8和温控仪13设在控制间内。

在一种可行的实施方案中，爆炸靶场上的制冷冷头4通过循环制冷管路9与控制间内的压缩机10连通，在该循环制冷管路9上设有爆轰靶场管路转接11，该爆轰靶场管路转接11设在隔墙17靠近控制间的一侧。爆轰靶场管路转接11采用钢制结构，控制间一侧配钢制阀门，实验零前关闭控制间一侧阀门。爆轰靶场一侧采用爆轰防护钢板防护，防止爆轰实验过程中产物延管路进入控制室。

在一种可行的实施方案中，爆炸靶场上设在样品靶腔2和制冷冷头4的温度计通过温度监控路线12与控制间内的温控仪13连通，在该温度监控路线12上设有温控路线转接14，温控路线转接14设在隔墙17靠近控制间的一侧。

在一种可行的实施方案中，爆炸靶场上的样品靶腔2通过样品气路7与控制间内的样品气瓶8连通，在该样品气路7上设有样品气路密封转接15，该样品气路密封转接15设在隔墙17靠近控制间的一侧。样品气路7在控制间一侧设置气路切断阀门。

利用隔墙17以及通过管路和线路控制实现爆轰场所实验过程远程制冷和远程制靶，提高了爆炸磁通量准等熵加载低温样品实验的可操作性和安全性。

实施例3

本实施例的一种爆磁准等熵加载低温样品实验方法，基于实施例1或2的爆磁准等熵加载低温样品实验装置的基础上进行的，包括以下步骤：

将低温冷源固定封板安装于爆炸磁通量加载装置上后，安装连接上样品靶腔、冷屏和制冷冷头，将制冷冷头与低温冷源固定封板固定后，安装上真空罩，在完成连通管路和连通线路连接后，完成爆炸磁通量压缩起爆组件安装，通过远程起爆完成爆磁准等熵加载低温样品实验。

具体包括以下步骤：

(1)将低温冷源固定封板安装于爆炸磁通量加载装置上；

(2)将样品靶腔、冷屏与制冷冷头安装连接；

(3)安装好的制冷冷头与低温冷源固定封板连接固定；

(4)将真空罩罩设在制冷冷头上并与低温冷源固定封板连接固定；

(5)连接循环制冷管路、爆轰靶场管路转接、压缩机、样品气路、真空管路、温度监控路线；

(6)完成爆炸磁通量压缩装置起爆组件安装；

(7)人员由爆轰靶场撤离至控制区域，关闭爆轰靶场门；

(8)控制线路通电检查，进行样品靶腔制冷、样品腔充气制靶、温度调控；

(9)达到预定制靶要求时，切断样品气路，关闭爆轰靶场管路转接阀；

(10)起爆完成爆磁准等熵加载低温样品实验。

以上的具体实施方式，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。