動態超高壓技術

動態超高壓技術（dynamic ultra-high pressure technique）極強的衝擊波（即激波）在介質（主要指固體）中傳播時，會使介質的壓力、密度、溫度等狀態參量發生急劇變化。這種狀態稱為動態超高壓狀態，產生強衝擊波的技術稱為動態超高壓技術。動態超高壓技術及其理論是在第二次世界大戰後期發展成熟的。它的任務通常是研究固體靶在動態超高壓（壓力達100千巴以上，1巴等於105帕）條件下的力學性質。在這種情況下，靶材料的剪下剛度對它們力學回響特性的影響可忽略不計。

形成原理

產生強衝擊波的方法主要有：①接觸爆炸法；②高速碰撞法；③能量快速沉積法；④衝擊波馬赫反射法。

接觸爆炸法

利用爆轟的高溫高壓產物對其周圍介質的膨脹做功，產生巨大的衝擊作用。化學炸藥與固體靶接觸爆炸(裝置見圖1[化學炸藥的接觸爆炸裝置示意圖])時，在靶中能產生數十千巴到數百千巴的衝擊壓力。核爆炸比化學炸藥爆炸猛烈得多。在封閉式核爆炸條件下（裝置見圖2[封閉式核爆炸的高壓裝置]），核爆炸的高溫產物也對周圍介質產生巨大的衝擊壓力。一個兆噸級TNT當量的核爆炸,在鄰接爆室壁的被研究樣品中約可產生數兆巴到20兆巴的衝擊壓力。另外，如果用核爆炸產生的中子去引發相距不遠的U,也可以在貼緊鈾塊的固體材料中產生強衝擊波。美國的C.E.拉根（第三）等就用這方法在鉬樣品中產生了20兆巴壓力的衝擊波（裝置見圖3[拉根（第三)等設計的核爆高壓裝置]）。

圖1 化學炸藥的接觸爆炸裝置示意圖

圖2封閉式核爆炸的高壓裝置

圖3 拉根（第三）等設計的核爆高壓裝置

高速碰撞法

高速彈丸與靜止靶相碰，可以在靶中產生強衝擊波。當靶材料一定時,碰撞面上的壓力p同彈丸密度ρ、彈丸速度v的關係如下: p∝ρv。加速彈丸的方法主要有氣炮加速法和爆炸加速法。

氣炮裝置一般由高壓室、快門機構(活塞頭或膜片)、發射管、彈丸等組成（圖4 [氣炮結構示意圖]）。

圖4 氣炮結構示意圖

實驗時，先向高壓室充氣，達到預定壓力時，快門機構迅速打開，高壓氣體隨之進入發射管，彈丸作加速運動，最後平穩地與靶相碰。工作氣體通常為空氣或氮氣，彈丸速度在每秒2000米以下，靶壓力在數百千巴以下。如果改用火藥推動的活塞壓縮高壓室中的氣體，然後驅動發射管中彈丸，還能進一步提高彈丸的速度。這種裝置稱為二級輕氣炮（圖5[二級輕氣炮結構示意圖]）, 工作氣體為氦氣或氫氣，固體靶中壓力可達6～7兆巴。如果用金屬箔電爆炸產生的高壓蒸氣代替高壓室氣體，就成為一種電炮裝置（圖6 [電炮結構示意圖]）。

圖5 二級輕氣炮結構示意圖

圖6 電炮結構示意圖

在這種裝置中，飛片（即彈丸）由金屬蒸氣推動，經過幾毫米長的發射管加速，也可以得到每秒幾百米到一萬多米的速度。電炮的飛片很薄，所以靶內衝擊脈衝作用時間較短。化爆加速飛片的典型裝置如圖7 [化爆加速飛片裝置示意圖]所示。

圖7 化爆加速飛片裝置示意圖

飛片在爆轟產物的推動下，在數十毫米長的飛行空腔內充分吸收爆轟產物提供的能量，最後達到穩定速度，其值為每秒近一千米到一萬多米。聚能裝藥是一種產生高速射流(可視為無數彈丸的集合體)的裝置（圖8[聚能裝藥裝置和射流形成過程示意圖]之a）。在爆轟波作用下,金屬罩發生軸向運動,在軸線處相碰，並形成一股沿軸線運動的高速射流以及後隨的低速杵體（射流形成過程見圖8[ 聚能裝藥裝置和射流形成過程示意圖]之b）。頭部射流速度可高達每秒20千米以上,但是射流形狀和速度不易嚴格控制。此外，還有靜電加速和電磁場加速彈丸等方法。這些方法驅動彈丸的質量較小，彈丸性能也難以精確控制，較少採用。

圖8 聚能裝藥裝置和射流形成過程示意圖

能量快速沉積法

在雷射、電子束或核爆炸產生的強X射線等高功率輻照源的照射下,固體靶表面的一薄層物質會在能量快速沉積作用下迅速加熱，因而產生一個向深處的“冷”靶內傳播的強衝擊波（見粒子束爆炸）。已發表的資料多數是脈衝電子束的實驗結果，其壓力從數十千巴到一兆巴左右。另外，根據美國的R.J.特雷納等人的分析，利用雷射裝置Shiva（能量10焦耳，雷射脈衝半寬度1納秒）,可望在氘、氫化鋰、鐵和鈾中產生50～100兆巴的衝擊壓力。

衝擊波馬赫反射法

如果採取措施使利用上述方法產生的強衝擊波形成馬赫反射(見空中爆炸)，可以提高衝擊壓力。蘇聯的..阿爾特舒勒等人提出了如圖9 [平面衝擊波馬赫反射高壓裝置]所示的高壓裝置。

圖9 平面衝擊波馬赫反射高壓裝置

實驗中，用 420千巴的平面入射衝擊波，在鐵靶中發生馬赫反射，產生1.71兆巴的高壓（在馬赫波區）；當入射波壓力提高到1.7兆巴時，鐵靶中馬赫波後的壓力為6兆巴。法國的德博蒙等人還設計成錐形會聚衝擊波的馬赫反射高壓裝置(圖10[錐形會聚衝擊波馬赫反射高壓裝置])：銅飛片在爆轟產物推動下，同時撞擊一錐形靶表面，在靶中產生錐形會聚衝擊波，並在中心軸的部位上發生馬赫反射。他利用這個裝置，分別在鈾和銅中產生15兆巴和12兆巴的壓力。

圖10 錐形會聚衝擊液馬赫反射高壓裝置

技術套用

動態超高壓技術在物態方程測量、人工合成新材料（如金剛石）、地球內部結構研究、衝擊引爆機理、隕石成坑及對空間飛行器的破壞，以及穿甲、侵徹、爆炸加工等研究工作中是一項重要技術，被廣泛套用於固體物理、天體物理、地球物理、固體化學、爆炸力學、軍事科學等學科以及許多工業技術的研究工作中。

參考書目

R.S. Bradley，ed.,High Pressure Physics and Chemistry，Vol.2，Chap.9，Academic Press，New York，1963.

P.C. Chon and Hopkins，ed.,Dynamic Response of Materials to Intense Impulsive Loading，Chap.8，p.405，U.S.A.，1973.