CN105258823A - 一种瞬态冲击波温度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光谱测温技术领域，具体涉及一种瞬态冲击波温度测量系统。传统的辐射高温计无法测量持续时间约为10ns的激光驱动冲击波的温度，现有的适合测量激光驱动冲击波温度高温计结构复杂、调试繁琐、标定工作量大；采用本发明所提供的测量系统，包括设置在瞬态冲击波产生装置外侧的信号收集器，通过光纤与所述信号收集器连接的光纤接头，连接所述光纤接头的光谱仪，连接所述光谱仪的计算机，分别连接所述光谱仪、计算机、瞬态冲击波产生装置的脉冲延时器，连接所述脉冲延时器的同步触发器；能够测试持续时间约为10ns的激光驱动冲击波的温度，结构简单，调试方便，测量精度高。

Description

一种瞬态冲击波温度测量系统及方法

技术领域

本发明属于光谱测温技术领域，具体涉及一种瞬态冲击波温度测量系统及方法。

背景技术

传统(轻气炮)动高压加载物态方程研究中冲击波温度测量方法主要是“辐射高温计法”，飞片及靶厚度都较厚(mm～cm)，样品与窗口达到热平衡的时间尺度在几百微秒量级。而激光驱动的高速飞片及靶厚度都在微米量级，冲击波持续时间只有10ns左右，所以传统辐射高温计无法用于激光驱动高压物态方程研究。2007年J.E.Miller【1】等提出并研制了扫描光学高温计系统(streakedopticalpyrometersystem——SOP)用于测量激光驱动冲击波温度。它是利用条纹相机对冲击波发光进行扫描，根据条纹相机CCD输出数字信号大小确定辐射光强度(CCD为Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件,也叫图像控制器)，该光学测量系统较复杂，整个系统标定工作相当繁琐，很容易引入测量误差。所以研制相对简单、便捷的能够满足测量激光驱动冲击波温度的系统很有必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种适于激光驱动冲击波温度测量的系统及方法，其系统简单、标定过程不繁琐、精度高、操作简便。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种瞬态冲击波温度测量系统，包括设置在瞬态冲击波产生装置外侧的信号收集器，通过光纤与所述信号收集器连接的光纤接头，连接所述光纤接头的光谱仪，连接所述光谱仪的计算机，分别连接所述光谱仪、计算机、瞬态冲击波产生装置的脉冲延时器，连接所述脉冲延时器的同步触发器。

进一步，所述信号收集器只收集焦点发出的光线信号。

进一步，所述光谱仪中包括光栅与ICCD，所述光谱仪能够获取持续时间≥2ns的信号，并且能够设置获取信号的时间尺度。

进一步，在所述瞬态冲击波产生装置和所述信号收集器之间还依次设置有望远镜和二向色镜，还设置有与所述计算机、脉冲延时器连接的激光速度干涉仪，所述激光速度干涉仪能够发射和接收探针光束，所述二向色镜能够反射所述探针光束。

为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述系统的瞬态冲击波温度测量方法，包括以下步骤：

(S1)所述同步触发器向所述脉冲延时器发出一个脉冲信号，所述脉冲延时器发出信号触发所述瞬态冲击波产生装置；

(S2)所述瞬态冲击波产生装置产生冲击波并射出热辐射光；

(S3)所述信号收集器收集从所述瞬态冲击波产生装置射出的所述热辐射光的光线信号，并将所述光线信号通过所述光纤传送给所述光谱仪；

(S4)所述脉冲延时器向所述光谱仪、计算机发出信号，所述光谱仪开始获取所述信号收集器发送来的所述光线信号，测量并获得光谱信号并向所述计算机输出；所述计算机开始对所述光谱仪输出的光谱信号进行采集，获得热辐射光谱；

(S5)根据所述计算机得到的所述热辐射光谱的峰值波长，通过维恩位移定律计算得到冲击波温度。

本发明还公开了一种用于以上所述系统的瞬态冲击波温度测量方法，通过该方法能够获得完全物态方程，所述瞬态冲击波产生装置内设置有用于产生冲击波并发射热辐射光的内部材料，包括如下步骤；

(S1)所述同步触发器向所述脉冲延时器发出一个脉冲信号，所述脉冲延时器发出信号触发所述瞬态冲击波产生装置；所述脉冲延时器发出信号触发所述激光速度干涉仪；

(S2)所述瞬态冲击波产生装置的内部材料产生冲击波并射出热辐射光；所述激光速度干涉仪向所述二向色镜发射探针光束，所述探针光束被所述二向色镜反射到所述瞬态冲击波产生装置的内部材料上，并被所述内部材料再次反射回来，通过所述望远镜并经过所述二向色镜反射进入所述激光速度干涉仪，在所述干涉仪内产生干涉作用，生成干涉图像，并输出给所述计算机；所述脉冲延时器向所述计算机发出信号，所述计算机开始获取所述激光速度干涉仪输出的所述干涉图像；

(S3)所述信号收集器收集从所述瞬态冲击波产生装置射出的所述热辐射光的光线信号，并将所述光线信号通过所述光纤传送给所述光谱仪；

(S4)所述脉冲延时器向所述光谱仪、计算机发出信号，所述光谱仪开始获取所述信号收集器发送来的所述光线信号，测量并获得光谱信号并向所述计算机输出；所述计算机开始对所述光谱仪输出的光谱信号进行采集，获得热辐射光谱；

(S5)根据所述计算机得到的所述热辐射光谱计算得到冲击波温度；根据所述计算机得到的所述干涉图像计算得到材料运动学参量，根据所述材料运动学参量通过雨贡钮方程得到冲击绝热线，再根据所述冲击绝热线利用格临爱森理论模型计算得到完全物态方程。

本发明的有益效果在于：

1.系统结构简单，大大降低了现有技术的复杂性，减少了各种误差的引入；

2.标定过程不繁琐、操作简便，节省调试时间，提高工作效率，只需要利用标准光源把信号收集器、传输光纤及光谱仪一起标定即可，不需要频繁更换光学部件；

3.测温精度高；

4.各个部件具有同步及测量时间截止功能，有效减少杂散光对测量的影响；

5.光学元器件少，节省大量光学材料；

6.可对持续时间约为10ns的热辐射进行测量；

7.与成像型激光速度干涉仪(VISAR)配合，能够同时获得材料的运动学参量与热力学参量，从而得到完全物态方程。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述瞬态冲击波温度测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例2中所述设有激光速度干涉仪的瞬态冲击波温度测量系统的结构示意图；

图中：1-激光驱动器，2-烧蚀层，3-飞片靶，4-真空腔，5-金属靶，6-LiF窗口，7-信号收集器，8-光纤，9-光纤接头，10-光谱仪，11-计算机，12-脉冲延时器，13-同步触发器，14-望远镜，15-二向色镜，16-激光速度干涉仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本测温方法的基本原理是利用黑体热辐射特性，冲击波温度与辐射光谱间存在唯一对应关系。由维恩位移定律可知，测量辐射光谱最大强度对应的波长可推得冲击波温度。

实施例1:

如图1所示，被测量温度的冲击波由瞬态冲击波产生装置所产生，瞬态冲击波产生装置包括依次连接的激光驱动器1、飞片靶3、真空腔4、金属靶5、LiF窗口6，其中飞片靶3的靠近激光驱动器1一面设有烧蚀层2。

本发明提供的一种瞬态冲击波温度测量系统，包括设置在瞬态冲击波产生装置的LiF窗口6外侧(远离金属靶5一侧)的信号收集器7，通过光纤8与信号收集器7连接的光纤接头9，连接光纤接头9的光谱仪10，连接光谱仪10的计算机11，分别连接光谱仪10、计算机11、瞬态冲击波产生装置中的激光驱动器1的脉冲延时器12，连接脉冲延时器12的同步触发器13。

在本实施例中，受激光驱动能力限制，飞片靶3(铝制)厚度在5-10μm，所以金属靶5厚度在20μm左右，在LiF窗口6尽量厚的前提下，金属靶5内的冲击波持续时间也就在10ns左右，所以要求光谱测量部件要对如此短的脉冲信号进行有效获取，也就是要求光谱仪10具有快速获取能力，此外，由于激光驱动飞片靶3产生飞片的过程中产生的等离子体辐射持续时间要长的多，为了防止这部分等离子体辐射的信号干扰，要求光谱仪10具有获取信号截止功能，就是能够设置获取时间尺度，只获取因飞片撞击金属靶5所产生的热辐射光的光线信号，因此我们选择ICCD作为光谱仪部件，这样光谱仪就能够对≥2ns的信号进行获取，并可设置获取信号的时间尺度，它是进行激光驱动冲击波温度测量的关键部件(ICCD即增强电荷耦合器件IntensifiedCCD:通过光纤与电子管式或微通道板式图像增强器相连的CCD摄像机)；此外，由于本发明的冲击波测量工作需要在真空靶室内进行，真空靶室会漫反射激光驱动等离子体产生的各种辐射光，为了尽量减少这部分光进入热辐射光中，采用信号收集器7对热辐射光的光线信号进行获取，本实施例中的信号收集器7具有激光对焦功能，它只收集焦点处发出的光线信号，其它地方发出的光线信号不会被收集，所以利用信号收集器7可以大大提高测量的准确度。信号收集器7获取的光线信号经光纤8和光纤接头9传输到光谱仪10，光谱仪10主要由光栅与ICCD构成，光栅把热辐射光色散开，然后输送到ICCD，获得光谱。光栅刻线数决定光谱测量精度。通过设置ICCD的测量时间尺度可减少干扰信号对热辐射光谱的测量影响。

由于冲击波传输到金属自由面时会产生卸载并且热辐射光只能在金属内传输10nm量级距离就会被吸收掉，所以要在金属靶5后表面加透明窗口(本实施例中此窗口为LiF窗口6)阻止冲击波在金属靶5的靶背表面处发射卸载，还要求窗口在高压下仍保持透明而不影响热辐射光传输出去，此外还要采用特殊工艺保证金属靶5与LiF窗口6之间无间隙。所以制靶也是冲击波温度测量一道重要工艺。

为了获得金属高压冲击波辐射光谱，整个系统采用脉冲延时器12进行时间上同步，包括激光驱动器1、光谱仪10(用于光谱采集与测量)、计算机11(用于热辐射光谱采集)

实施例2：

设有激光速度干涉仪的瞬态冲击波温度测量系统(也可以认为是“瞬态冲击波温度测量的完全物态方程实验诊断系统”)

如图2所示，本发明所提供的瞬态冲击波温度测量系统，配合激光速度干涉仪(本实施例中激光速度干涉仪16为成像型激光速度干涉仪VISAR)，能够同时获得材料的运动学参量与热力学参量(所述的材料为瞬态冲击波产生装置内设置的用于产生冲击波并发射热辐射光的内部材料，即金属靶5)，从而得到完全物态方程，具体的方案是：

被测量温度的冲击波由瞬态冲击波产生装置所产生，瞬态冲击波产生装置包括依次连接的激光驱动器1、飞片靶3、真空腔4、金属靶5、LiF窗口6，其中飞片靶3的靠近激光驱动器1一面设有烧蚀层2。其中，金属靶5为台阶型结构，LiF窗口6同样配合金属靶5的台阶型结构，两者之间仍为无间隙。

设有激光速度干涉仪的瞬态冲击波温度测量系统，包括设置在瞬态冲击波产生装置的LiF窗口6外侧(远离金属靶5一侧)的信号收集器7，通过光纤8与信号收集器7连接的光纤接头9，连接光纤接头9的光谱仪10，连接光谱仪10的计算机11，分别连接光谱仪10、计算机11、瞬态冲击波产生装置的激光驱动器1的脉冲延时器12，连接脉冲延时器12的同步触发器13，在瞬态冲击波产生装置的LiF窗口6和信号收集器7之间还依次设置有望远镜14和二向色镜15，还设置有与计算机11、脉冲延时器12连接的激光速度干涉仪16。激光速度干涉仪16能够发射和接收探针光束(向二向色镜15发射探针光束，并接收从二向色镜15反射回来的探针光束)。二向色镜15能够反射探针光束，即二向色镜15能够将激光速度干涉仪16发射的探针光束反射到瞬态冲击波产生装置的内部材料(金属靶5)的后表面，并将内部材料(金属靶5)后表面反射回来的探针光束反射回激光速度干涉仪16。在实施例2中，脉冲延时器12还控制激光速度干涉仪16的工作时间，达到对运动学参量与热力学参量的同时测量目的。二向色镜又称双色镜，常用于激光技术中。其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。

根据实施例1中本发明所提供的一种瞬态冲击波温度测量系统，还公开了一种瞬态冲击波温度测量方法，包括以下步骤：

(S1)同步触发器13向脉冲延时器12发出一个脉冲信号，脉冲延时器12发出信号触发瞬态冲击波产生装置的激光驱动器1；

(S2)瞬态冲击波产生装置的激光驱动器1输出强激光打在飞片靶3的烧蚀层2上，压缩波驱动飞片靶3产生高速飞片通过真空腔4在零压状态下撞击金属靶5，在金属靶5内部产生冲击波，冲击波输运到金属靶5后表面产生热辐射光(可见与近红外光)从LiF窗口6射出；(激光与靶烧蚀层2作用产生压缩波克服侧向剪切力作用，把飞片加速到高速度、高速飞片飞行一段距离后达到零压状态与金属靶5撞击，在金属靶5内产生高压冲击波，即第一冲击波，第一冲击波向金属靶5内传输；同时向飞片靶3内发射一冲击波，即第二冲击波；第二冲击波输运到飞片靶3前表面时发生卸载，又向飞片靶3内传输一稀疏波，即第一稀疏波；由于第一稀疏波速度更快，所以第一稀疏波最终会追上金属靶5内的第一冲击波，造成第一冲击波压力下降而热辐射过程结束；此外，第一冲击波传输到LiF窗口6的后表面卸载时也会反射回来一稀疏波，即第二稀疏波，所以要尽可能选用较厚的LiF窗口防止窗口引入的第二稀疏波较快影响第一冲击波发光。)

(S3)信号收集器7收集从瞬态冲击波产生装置的LiF窗口6射出的热辐射光的光线信号，并将光线信号通过光纤8传送给光谱仪10；

(S4)脉冲延时器12向光谱仪10、计算机11发出信号，光谱仪10开始获取信号收集器7发送来的光线信号，测量并获得光谱信号并向计算机11输出；计算机11开始对光谱仪10输出的光谱信号进行采集，获得热辐射光谱。(当热辐射光产生前一刻，脉冲延时器12给光谱仪10发出一信号，让其开始在设定好的时间尺度内捕获信号收集器7发送来的光线信号，同时计算机11获得数据采集指令，对光谱仪10输出光谱信号进行采集，获得热辐射光谱。)

(S5)根据计算机11所得到的热辐射光谱的峰值波长，通过维恩位移定律计算得到冲击波温度(瞬态冲击波产生装置的金属靶5中的冲击波的温度)。

根据实施例2中设有激光速度干涉仪的瞬态冲击波温度测量系统，本发明还公开了一种瞬态冲击波温度测量方法，通过该方法能够获得内部材料(即金属靶5)的完全物态方程(在前面所诉的瞬态冲击波温度测量方法的基础上，脉冲延时器12还控制激光速度干涉仪16的工作时间，达到对运动学参量与热力学参量的同时测量目的)，包括如下步骤：

(S1)同步触发器13向脉冲延时器12发出一个脉冲信号，脉冲延时器12发出信号触发瞬态冲击波产生装置中的激光驱动器1；脉冲延时器12发出信号触发激光速度干涉仪16；

(S2)瞬态冲击波产生装置中的激光驱动器1输出强激光打在飞片靶3的烧蚀层2上，压缩波驱动飞片靶3产生高速飞片通过真空腔4在零压状态下撞击金属靶5(内部材料)，在金属靶5内部产生冲击波，冲击波输运到金属靶5后表面产生热辐射光从LiF窗口6射出；激光速度干涉仪16向二向色镜15发射探针光束，探针光束被二向色镜15反射到金属靶5后表面并被金属靶5再次反射回来，通过望远镜14并经过二向色镜15反射进入激光速度干涉仪16，在激光速度干涉仪16内产生干涉作用，生成干涉图像，激光速度干涉仪16把干涉图像传输给计算机11；脉冲延时器12向所述计算机发出信号，计算机11开始获取激光速度干涉仪16输出的干涉图像；

(S3)信号收集器7收集从瞬态冲击波产生装置的LiF窗口6射出的热辐射光的光线信号，并将光线信号通过光纤8传送给光谱仪10；

(S4)脉冲延时器12向光谱仪10、计算机11发出信号，光谱仪10开始获取信号收集器7发送来的光线信号，测量并获得光谱信号并向计算机11输出；计算机11开始对光谱仪10输出的光谱信号进行采集，获得热辐射光谱；

(S5)根据计算机11得到的热辐射光谱计算得到冲击波温度，根据所述计算机得到的所述干涉图像计算得到材料运动学参量，根据所述材料运动学参量通过雨贡钮方程得到冲击绝热线，再根据所述冲击绝热线利用格临爱森理论模型计算得到完全物态方程。

金属靶5受冲击产生的热辐射光(可见与近红外光)与金属靶5后表面反射的由激光速度干涉仪16(VISAR)发射的探针光束(532nm)一起经望远镜14传输到二向色镜15，探针光束经二向色镜15反射进入激光速度干涉仪16(VISAR)，而热辐射光透过二向色镜15经信号收集器7输运到光谱仪10。由光谱仪10测量的热辐射光谱得到冲击波温度，通过激光速度干涉仪16(VISAR)可获得金属靶5背自由面(后表面)速度与冲击波速度，得到材料运动学参量，冲击波温度与材料运动学参量相配合，再通过相关物理模型计算得到完全物态方程。

此外，由于本发明所提供的瞬态冲击波温度测量系统中包括信号收集器、光纤、光纤接头以及望远镜、二向色镜等光学元器件等，都会造成色散、像差等光学过程发生，改变光谱特性，为了保证测量的准确度，需要对系统的各个光运输部件进行严格标定。标定工作是利用标准光源(乌灯)对光传输部件进行修正的过程，比照标准源光谱与测量的光谱，达到光谱修正目的。整个标定工作要求与实验时测量系统几何完全一致。

本发明所述的系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种瞬态冲击波温度测量系统，其特征是：包括设置在瞬态冲击波产生装置外侧的信号收集器(7)，通过光纤(8)与所述信号收集器(7)连接的光纤接头(9)，连接所述光纤接头(9)的光谱仪(10)，连接所述光谱仪(10)的计算机(11)，分别连接所述光谱仪(10)、计算机(11)、瞬态冲击波产生装置的脉冲延时器(12)，连接所述脉冲延时器(12)的同步触发器(13)。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是：所述信号收集器(7)只收集焦点发出的光线信号。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是：所述光谱仪(10)中包括光栅与ICCD，所述光谱仪(10)能够获取持续时间≥2ns的信号，并且能够设置获取信号的时间尺度。

4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征是：在所述瞬态冲击波产生装置和所述信号收集器(7)之间还依次设置有望远镜(14)和二向色镜(15)，还设置有与所述计算机(11)、脉冲延时器(12)连接的激光速度干涉仪(16)，所述激光速度干涉仪(16)能够发射和接收探针光束，所述二向色镜(15)能够反射所述探针光束。

5.一种采用权利要求1-3任一项所述系统的瞬态冲击波温度测量方法，包括如下步骤：

(S1)所述同步触发器向所述脉冲延时器发出一个脉冲信号，所述脉冲延时器发出信号触发所述瞬态冲击波产生装置；

(S2)所述瞬态冲击波产生装置产生冲击波并射出热辐射光；

(S3)所述信号收集器收集从所述瞬态冲击波产生装置射出的所述热辐射光的光线信号，并将所述光线信号通过所述光纤传送给所述光谱仪；

(S4)所述脉冲延时器向所述光谱仪、计算机发出信号，所述光谱仪开始获取所述信号收集器发送来的所述光线信号，测量并获得光谱信号并向所述计算机输出；所述计算机开始对所述光谱仪输出的光谱信号进行采集，获得热辐射光谱；

(S5)根据所述计算机得到的所述热辐射光谱的峰值波长，通过维恩位移定律计算得到冲击波温度。

6.一种采用权利要求4所述系统的瞬态冲击波温度测量方法，其特征是：所述瞬态冲击波产生装置内设置有用于产生冲击波并发射热辐射光的内部材料，包括如下步骤：

(S1)所述同步触发器向所述脉冲延时器发出一个脉冲信号，所述脉冲延时器发出信号触发所述瞬态冲击波产生装置；所述脉冲延时器发出信号触发所述激光速度干涉仪；

(S2)所述瞬态冲击波产生装置的内部材料产生冲击波并射出热辐射光；所述激光速度干涉仪向所述二向色镜发射探针光束，所述探针光束被所述二向色镜反射到所述瞬态冲击波产生装置的内部材料上，并被所述内部材料再次反射回来，通过所述望远镜并经过所述二向色镜反射进入所述激光速度干涉仪，在所述干涉仪内产生干涉作用，生成干涉图像，并输出给所述计算机；所述脉冲延时器向所述计算机发出信号，所述计算机开始获取所述激光速度干涉仪输出的所述干涉图像；

(S3)所述信号收集器收集从所述瞬态冲击波产生装置射出的所述热辐射光的光线信号，并将所述光线信号通过所述光纤传送给所述光谱仪；

(S4)所述脉冲延时器向所述光谱仪、计算机发出信号，所述光谱仪开始获取所述信号收集器发送来的所述光线信号，测量并获得光谱信号并向所述计算机输出；所述计算机开始对所述光谱仪输出的光谱信号进行采集，获得热辐射光谱；

(S5)根据所述计算机得到的所述热辐射光谱计算得到冲击波温度；根据所述计算机得到的所述干涉图像计算得到材料运动学参量，根据所述材料运动学参量通过雨贡钮方程得到冲击绝热线，再根据所述冲击绝热线利用格临爱森理论模型计算得到完全物态方程。