CN106358355A - 测量碰撞等离子体的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超高速碰撞实验技术领域，特别涉及瞬态等离子体光电测量。其技术方案是：一种测量碰撞等离子体的装置，它包括：光电探头(1)，过真空装置(2)，延时触发器(3)，等离子体光电采集仪(4)以及储存示波器(5)；本发明可以同时测量某一空间点的等离子体参数和等离子体闪光参数。等离子光电采集仪的电信号处理电路使用可调电压输入，根据实验工况满足不同碰撞等离子体的测量要求，并使用单片机运算直接得到等离子体的电子温度信号和电子密度信号；光路整形器通过安装不同的滤光片和衰减片，可以满足不同等离子体闪光的测量要求，对研究超高速碰撞条件下的等离子体闪光物理机制具有实用指导意义。
Description
技术领域
本发明属于超高速碰撞实验技术领域，特别涉及瞬态等离子体光电测量。
背景技术
固态物质在受到超高速碰撞时，会发生断裂、破碎、成坑并出现粒子云的膨胀，一般会发生多形性固-固相变，还可能出现熔化现象，在更高碰撞速度下，还会出现气化，产生等离子体，并伴随从低频到高频的电磁辐射，如微波和可见光等。
在实验室条件下，以轻气炮作为加载手段研究超高速碰撞产生的等离子体和闪光，对于反弹道导弹技术、陨石撞击下宇宙飞船的防护技术、类地行星表面陨石坑研究、高速撞击下发生热核反应的概念研究、以及高压下材料响应特性等研究领域具有非常重要的意义。常见二级轻气炮的结构如附图1所示，由高压气室、一级段、高压锥段、二级段和靶室等部分组成，可以将直径6mm以内的弹丸加速至3～6km/s。
在弹丸与靶板的超高速碰撞过程中，弹靶材料会产生等离子体相变，由于碰撞等离子体的瞬时特性，带电粒子云分布和膨胀的随机性以及等离子体闪光的短暂性等特点，目前对于碰撞等离子体的特征参数和等离子体闪光的测量存在很大难度。低温等离子体常使用朗缪尔探针作为诊断工具，如单探针，双探针，三探针，四探针和发射探针等。若用于碰撞等离子体测量，存在的主要问题是无法兼顾瞬态等离子体的测量和等离子电子温度的测量精度，不能同时分析等离子的闪光特性。
发明内容
本发明的目的是：提供一种测量碰撞等离子体装置及方法，用以提高瞬态等离子体电子温度的测量精度，并同步获得某一空间点的等离子体参数和等离子体闪光参数。
本发明的技术方案是：一种测量碰撞等离子体的装置，它包括：光电探头，过真空装置，延时触发器，等离子体光电采集仪以及储存示波器；
光电探头的外部为用于接收和传输等离子体产生的电信号的钨合金探针，内部为用于接收和传输等离子体产生的光信号的光纤；钨合金探针与电缆连接，光纤与航空专用接头连接；
过真空装置用于连接光电探头与等离子体光电采集仪，包括：开孔法兰盘，穿过开孔法兰盘的两根不锈钢过真空圆杆，密封开孔法兰盘和不锈钢过真空圆杆间隙的O形密封圈，压实O形密封圈的压紧头；电缆穿过其中一根不锈钢过真空圆杆，中间断开处采用对接焊连；航空专用接头穿过另一根不锈钢过真空圆杆，中间断开处使用对接头相连；每根不锈钢过真空圆杆的中间空隙处由环氧树脂填充，两端由不锈钢堵头封住；
延时触发器接收二级轻气炮中磁测速装置发出的弹丸出膛信号，延迟预定时间后触发等离子体光电采集仪接受光电探头输出的电信号和光信号；
等离子体光电采集仪包括：电信号处理电路，可调电压输入电路，单片机，光路整形器，感光元件，时序同步电路；光路整形器配置有滤光片和衰减片；光电探头输出的电信号经电信号处理电路处理后输出由单片机运算得到等离子体的电子温度信号和电子密度信号；光电探头输出的光信号经光路整形器做滤光、衰减处理后，由感光元件得到等离子体的闪光强度信号；电子温度信号和电子密度信号、闪光强度信号经时序同步电路同步后输出至储存示波器。
有益效果：本发明可以同时测量某一空间点的等离子体参数和等离子体闪光参数，探究等离子体闪光信号与等离子参数在时域上的内在关系；此外，光电一体化探头可以测量任意空间位置点等离子体的闪光与等离子体电子温度以及电子密度。等离子光电采集仪的电信号处理电路使用可调电压输入，根据实验工况满足不同碰撞等离子体的测量要求，并使用单片机运算直接得到等离子体的电子温度信号和电子密度信号；光路整形器通过安装不同的滤光片和衰减片，可以满足不同等离子体闪光的测量要求，对研究超高速碰撞条件下的等离子体闪光物理机制具有实用指导意义。
附图说明
图1为本发明背景技术中二级轻气炮的结构示意图；
图2为本发明的结构框图；
图3，图4，图5为本发明中光电探头的结构示意图；
图6，图7，图8为本发明中过真空装置的结构示意图；
图9为本发明中等离子光电采集仪的结构框图。
具体实施方式
参见附图，一种测量碰撞等离子体的装置，它包括：光电探头1，过真空装置2，延时触发器3，等离子体光电采集仪4，储存示波器5；
光电探头1的外部为用于接收和传输等离子体产生的电信号的钨合金探针11，内部为用于接收和传输等离子体产生的光信号的光纤12；钨合金探针11与电缆25连接，光纤12与航空专用接头13连接；
过真空装置2用于连接光电探头1与等离子体光电采集仪4，包括：开孔法兰盘21，穿过开孔法兰盘21的两根不锈钢过真空圆杆22，密封开孔法兰盘21和不锈钢过真空圆杆22间隙的O形密封圈23，压实O形密封圈23的压紧头24；电缆25穿过其中一根不锈钢过真空圆杆22，中间断开处26采用对接焊连；航空专用接头13穿过另一根不锈钢过真空圆杆22，中间断开处使用对接头30相连；每根不锈钢过真空圆杆22的中间空隙处由环氧树脂27填充，两端由不锈钢堵头28封住；
延时触发器3接收二级轻气炮中磁测速装置发出的弹丸出膛信号，延迟预定时间后触发等离子体光电采集仪4接受光电探头1输出的电信号和光信号；
等离子体光电采集仪4包括：电信号处理电路41，可调电压输入电路42，单片机43，光路整形器44，感光元件45，时序同步电路45；光路整形器44配置有滤光片和衰减片；光电探头1输出的电信号经电信号处理电路41处理后输出由单片机43运算得到等离子体的电子温度信号和电子密度信号；光电探头1输出的光信号经光路整形器44做滤光、衰减处理后，由感光元件45得到等离子体的闪光强度信号；电子温度信号和电子密度信号、闪光强度信号经时序同步电路46同步后输出至储存示波器5。
进一步的，更好地接收测点处的光信号，排除其他信号的干扰，可在光电探头1的光纤12与钨合金探针11的输出端处有设定长度的缩进距离。
测量碰撞等离子体时按以下步骤进行操作：
A.在测量点布置光电探头1，连接延时触发器3，过真空装置2，等离子体光电采集仪4和储存示波器5；
B.根据所测量的等离子体参数，通过可调电压输入电路42设置合适的输入电压，在光路整形器44配置滤光片和衰减片；
C.连接磁测速装置，根据弹丸的速度和磁测速装置距离靶板的距离计算弹丸碰撞靶板的时间，据此设置延时触发器3的延迟时间；
D.手动触发延时触发器对整个系统进行调试，一切正常后将测量碰撞等离子体的装置置于待触发状态；
E.启动二级轻气炮发射弹丸进行实验。
Claims (3)
1.一种测量碰撞等离子体的装置，其特征是：它包括：光电探头(1)，过真空装置(2)，延时触发器(3)，等离子体光电采集仪(4)以及储存示波器(5)；
所述光电探头(1)的外部为用于接收和传输等离子体产生的电信号的钨合金探针(11)，内部为用于接收和传输等离子体产生的光信号的光纤(12)；所述钨合金探针(11)与电缆(25)连接，所述光纤(12)与航空专用接头(13)连接；
所述过真空装置(2)用于连接所述光电探头(1)与所述等离子体光电采集仪(4)，包括：开孔法兰盘(21)，穿过所述开孔法兰盘(21)的两根不锈钢过真空圆杆(22)，密封所述开孔法兰盘(21)和所述不锈钢过真空圆杆(22)间隙的O形密封圈(23)，压实所述O形密封圈(23)的压紧头(24)；所述电缆(25)穿过其中一根所述不锈钢过真空圆杆(22)，中间断开处采用对接焊连；所述航空专用接头(13)穿过另一根所述不锈钢过真空圆杆(22)，中间断开处使用对接头(30)相连；每根所述不锈钢过真空圆杆(22)的中间空隙处由环氧树脂(27)填充，两端由不锈钢堵头(28)封住；
所述延时触发器(3)接收二级轻气炮中磁测速装置发出的弹丸出膛信号，延迟预定时间后触发所述等离子体光电采集仪(4)接受所述光电探头(1)输出的电信号和光信号；
所述等离子体光电采集仪(4)包括：电信号处理电路(41)，可调电压输入电路(42)，单片机(43)，光路整形器(44)，感光元件(45)，时序同步电路(45)；所述光路整形器(44)配置有滤光片和衰减片；所述光电探头(1)输出的电信号经所述电信号处理电路(41)处理后输出由所述单片机(43)运算得到等离子体的电子温度信号和电子密度信号；所述光电探头(1)输出的光信号经所述光路整形器(44)做滤光、衰减处理后，由所述感光元件(45)得到等离子体的闪光强度信号；所述电子温度信号和所述电子密度信号、所述闪光强度信号经所述时序同步电路(46)同步后输出至所述储存示波器(5)。
2.根据权利要求1所述的测量碰撞等离子体的装置，其特征是：所述光电探头(1)内的所述钨合金探针(11)采用三根并联。
3.根据权利要求1或2所述的测量碰撞等离子体的装置，其特征是：所述光纤(12)与所述钨合金探针(11)的输出端有设定长度的缩进距离。
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