CN104502624B - 一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，包括激光器、聚焦镜、真空室、示波器和直流电源，真空室中设置相互平行的飞片靶和撞击靶。在真空环境采用等离子信号接收装置，收集测量飞片靶处激光烧蚀金属产生的高温高压等离子体信号，以及撞击靶处飞片高速撞击产生的等离子体信号，用飞片靶和撞击靶间的距离和两次信号的时间差计算飞片平均速度。此方法针对激光驱动飞片技术本身特点，采集等离子信号提高了信号来源的分辨率，准确测定飞片起始和最终撞击的时间。具有采集信号幅度大，信噪比高；不需要额外的放大电路，易于实现，成本低廉；测量过程对微粒速度的影响很小，几乎无影响等优点；可实现激光驱动飞片过程中飞片的伴飞测速。
Description
技术领域
本发明属于等离子体信号测量的应用领域，尤其涉及一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置。
背景技术
研究微小空间碎片撞击效应经济有效的手段是地面超高速模拟实验，其中激光驱动飞片技术在几年发展比较迅速，它有着广泛的应用范围。
作为超高速碰撞特性研究的重要参数之一，速度测量是模拟试验研究中不可或缺的一部分。因此，地面超高速模拟的首要任务就是要在发射出超高速颗粒的基础上有效测量到颗粒的速度，这是深入进行有效的空间碎片超高速地面模拟研究的基础。
然而由于激光驱动飞片尺寸小、速度快，测量其速度并不容易，接触式测速法不可行，高速摄影仪可以测量飞片平均速度，但测不了飞片的瞬时速度和加速度。光学干涉法是目前用的最多的测速方法，主要包括VISAR、ORVIS、FPI、AFDI、PDV和CIVAR等。还有一种方法，利用飞片两次切割He：Ne激光束，从而通过光电二极管记录下相应的波谷，来反推飞片速度。该方法在实际操作中须保证He：Ne激光束直径比较小，这样才能保证飞片切割激光束时，对应的示波器上会出现相应的波谷。由于飞片在飞行中会逐渐支离破碎，所以该方法测到的波形第二个波谷不像第一个那样明显，甚至测不到。
以上测速方法总得来说，技术比复杂，操作繁琐，所需设备成本高。有人探索了一些简单、成本较低的飞片平均速度测试方法，比如压电测量法。谷卓伟利用石英传感器或聚酰亚胺压电薄膜来测量飞片的束度；魏强等利用两个压电薄膜，利用飞片靶等离子驱动时的振动和撞击进的振动信号测量飞片的平均速度。这两种测试虽然简单，成本低，但由于压电信号属于机械振动信号传递，与撞击时间相比误差较大。李宏伟等人设计了两种传感器收集高速撞击过程中的等离子体信号测定，一种置于飞片飞行途中，对于飞片速度会略有影响，第二种为网状接收器也会对撞击过程产生一定影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，实现对激光驱动飞片平均速度高精确度、成本低廉、装置简单的测量。
为实现上述目的，本发明提供的一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置的技术方案是：该装置包括由激光器、聚焦镜、真空室、示波器和直流电源，所述真空室设有透光窗，所述真空室中设有相互平行的飞片靶和撞击靶，所述激光器发射出激光后经聚焦镜调节后，透过真空室上的透光窗聚焦于飞片靶上；所述飞片靶和撞击靶之间且位于所述飞片靶一侧设有第一等离子信号接收探针，所述飞片靶和撞击靶之间且位于所述撞击靶一侧设有第二等离子信号接收探针；所述第一等离子信号接收探针通过导线连接至位于真空室外的第一分压电阻，所述第二等离子信号接收探针通过导线连接至位于真空室外的第二分压电阻，所述示波器及直流电源的正极并联于所述第一分压电阻和第二分压电阻的另一端。
进一步讲，所述真空室的压强小于0.1Pa。
所述第一等离子信号接收探针和所述第二等离子信号接收探针均为金属探针，所述第一等离子信号接收探针和所述第二等离子信号接收探针上施加的正直流偏压为10-200V。
所述第一等离子信号接收探针与飞片靶激光烧蚀处的距离为1-15mm，所述第一等离子信号接收探针与所述飞片靶靶面的夹角为20-70°；所述第二等离子信号接收探针与所述撞击靶撞击处的距离为2-10mm，所述第二等离子信号接收探针与所述撞击靶靶面的夹角为30-80°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对激光驱动飞片技术自身特点，采用等离子信号接收装置，收集测量飞片靶处激光烧蚀金属产生的高温高压等离子体信号，以及撞击靶处飞片高速撞击产生的等离子体信号，提高了信号来源的分辨率，准确测定了飞片起始和最终撞击的时间。采集到的初始信号幅度大，信噪比高，不需要额外的放大电路，易于实现，成本低廉。测量过程对微粒速度的影响很小，几乎无影响。本发明所测定的激光飞片速度为1-15km/s。
附图说明
图1为采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置示意图；
图2为第一和第二等离子信号接收探针两种结构示意图；
图3示波器显示收集两探针信号波形图。
图中：1-激光器，2-聚焦镜，3-真空室，4-飞片靶，5-撞击靶，6-飞片，7-第一等离子信号接收探针，8-第一等离子信号接收探针，9-第一分压电阻，10-第二分压电阻，11-示波器，12-直流电源，13-接地。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明方法做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，包括由激光器1、聚焦镜3、真空室3、示波器11和直流电源12，所述激光器1选用纳秒激光器，所述真空室3的压强小于0.1Pa，所述真空室3设有透光窗，所述真空室3中设有相互平行的飞片靶4和撞击靶5，所述激光器1发射出激光后经聚焦镜2调节后，透过真空室3上的透光窗聚焦于飞片靶4上；所述飞片靶4采用石英玻璃表面磁控溅射镀铝的结构或采用石英玻璃表面硅油粘铝膜的结构；所述撞击靶5为太阳能电池片或为石英玻璃片；所述飞片靶4和撞击靶5之间且位于所述飞片靶4一侧设有第一等离子信号接收探针7，所述飞片靶4和撞击靶5之间且位于所述撞击靶5一侧设有第二等离子信号接收探针8，所述第一等离子信号接收探针7与飞片靶激光烧蚀处的距离为1-15mm，所述第一等离子信号接收探针7与所述飞片靶4靶面的夹角为20-70°；所述第二等离子信号接收探针8与所述撞击靶5撞击处的距离为2-10mm，所述第二等离子信号接收探针8与所述撞击靶5靶面的夹角为30-80°；所述第一等离子信号接收探针7和所述第二等离子信号接收探针8均为金属探针，所述第一等离子信号接收探针7通过导线连接至位于真空室3外的第一分压电阻9，第一和第二等离子信号接收探针的两种结构如图2中的(a)和(b)所示；所述第二等离子信号接收探针8通过导线连接至位于真空室3外的第二分压电阻10，所述示波器11及直流电源12的正极并联于所述第一分压电阻9和第二分压电阻10的另一端，直流电源12接地13，所述第一等离子信号接收探针7和所述第二等离子信号接收探针8上施加的正直流偏压为10-200V。
实验例1：
利用如图1所示采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置在真空压强为0.1Pa进行激光驱动飞片撞击试验，飞片靶4为石英玻璃表面磁控溅射镀铝的结构，撞击靶5为太阳能电池片，飞片靶4与撞击靶5间的距离为10mm。第一等离子信号接收探针7施加80V正直流偏压，距离飞片靶激光烧蚀处距离为10mm，且与飞片靶4靶面的夹角为30°；第二等离子信号接收探针8施加150V正直流偏压，距离飞片靶激光烧蚀处距离为8mm，且与飞片靶5的靶面夹角为50°。采用脉冲宽度为纳秒激光器1作为发光源，该激光器1发射的激光先经过一聚光镜2调节后通过真空室透光窗口聚焦于飞片靶4上，烧蚀飞片靶4后驱动飞片6，最终撞击于撞击靶5。采用示波器11收集第一等离子信号接收探针7和第二等离子信号接收探针8的脉冲信号，如图3所示，收集测量飞片靶处激光烧蚀金属产生的高温高压等离子体信号，以及撞击靶处飞片高速撞击产生的等离子体信号，接收到的两信号时间差为1.57×10-6s；最终，采用飞片靶和撞击靶间的距离和两次信号的时间差计算飞片的平均速度为6.36km/s。
实施例2：
利用如图1所示采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置在真空压强为0.01Pa进行激光驱动飞片撞击试验，飞片靶4为石英玻璃表面硅油粘铝膜的结构，撞击靶5为石英玻璃片，飞片靶4与撞击靶5间距离为20mm。第一等离子信号接收探针7施加50V正直流偏压，距离飞片靶激光烧蚀处距离为15mm，且与飞片靶4的靶面夹角为60°；第二等离子信号接收探针8施加180V正直流偏压，距离飞片靶激光烧蚀处距离为12mm，且与飞片靶夹角为70°。同实施例1，采用脉冲宽度为纳秒激光器1作为发光源，该激光器1发射的激光先经过一聚光镜2调节后通过真空室透光窗口聚焦于飞片靶4上，烧蚀飞片靶4后驱动飞片6，最终撞击于撞击靶5。采用示波器收集第一等离子信号接收探针7和第二等离子信号接收探针8的脉冲信号；最终，采用飞片靶和撞击靶间的距离和两次信号的时间差计算飞片的平均速度为3.15km/s。
实施例3：
利用如图1所示采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置在真空压强为0.001Pa进行激光驱动飞片撞击试验，飞片靶4为石英玻璃表面硅油粘铝膜的结构，撞击靶5为石英玻璃片，飞片靶4与撞击靶5间距离为30mm。第一等离子信号接收探针7施加90V正直流偏压，距离飞片靶激光烧蚀处距离为20mm，且与飞片靶的靶面夹角为50°；第二等离子信号接收探针8施加130V正直流偏压，距离飞片靶激光烧蚀处距离为15mm，且与飞片靶5的靶面夹角为60°。同实施例1，采用脉冲宽度为纳秒激光器1作为发光源，该激光器1发射的激光先经过一聚光镜2调节后通过真空室透光窗口聚焦于飞片靶4上，烧蚀飞片靶4后驱动飞片6，最终撞击于撞击靶5。采用示波器11收集第一等离子信号接收探针7和第二等离子信号接收探针8的脉冲信号；最终，采用飞片靶和撞击靶间的距离和两次信号的时间差计算飞片的平均速度为4.37km/s。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，包括激光器(1)、聚焦镜(2)、真空室(3)、示波器(11)和直流电源(12)，其特征在于，所述真空室(3)设有透光窗，所述真空室(3)中设有相互平行的飞片靶(4)和撞击靶(5)，所述激光器(1)发射出激光后经聚焦镜(2)调节后，透过真空室(3)上的透光窗聚焦于飞片靶(4)上；所述飞片靶(4)和撞击靶(5)之间且位于所述飞片靶(4)一侧设有第一等离子信号接收探针(7)，所述飞片靶(4)和撞击靶(5)之间且位于所述撞击靶(5)一侧设有第二等离子信号接收探针(8)；所述第一等离子信号接收探针(7)通过导线连接至位于真空室(3)外的第一分压电阻(9)，所述第二等离子信号接收探针(8)通过导线连接至位于真空室(3)外的第二分压电阻(10)，所述示波器(11)及直流电源(12)的正极并联于所述第一分压电阻(9)和第二分压电阻(10)的另一端。
2.根据权利要求1所述一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，其特征在于，所述真空室(3)的压强小于0.1Pa。
3.根据权利要求1所述一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，其特征在于，所述第一等离子信号接收探针(7)和所述第二等离子信号接收探针(8)均为金属探针，所述第一等离子信号接收探针(7)和所述第二等离子信号接收探针(8)上施加的正直流偏压为10-200V。
4.根据权利要求1所述一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，其特征在于，所述第一等离子信号接收探针(7)与飞片靶激光烧蚀处的距离为1-15mm，所述第一等离子信号接收探针(7)与所述飞片靶(4)靶面的夹角为20-70°；所述第二等离子信号接收探针(8)与所述撞击靶(5)撞击处的距离为2-10mm，所述第二等离子信号接收探针(8)与所述撞击靶(5)靶面的夹角为30-80°。
5.根据权利要求1所述一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，其特征在于，所述激光器(1)选用纳秒激光器。
6.根据权利要求1所述一种采用等离子体信号测定激光驱动飞片速度的装置，其特征在于，所述飞片靶(4)采用石英玻璃表面磁控溅射、蒸发或面硅油粘接制备的金属膜。
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