CN110220775B - 一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动态加载技术领域，具体涉及一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，包括轻气炮、真空仓和信号收集装置，通过一组电探针产生电信号用于判断飞片和基板相碰撞的时间点，另一组电探针接通激发激光器，让激光器开始发射激光，激光通过半透镜产生反射光和透过光，反射光射向样品室，并最终由第一光探针、第二光探针分别收集反射光信号、透过光信号，光信号传递至信号收集装置并产生波形曲线，通过计算参考光与样品光的比值来判断样品透射率的变化，即实现了通过原位检测冲击压力下物体透射率的变化来确定物体是否发生相变，对于固体、液体，甚至是气体都适用，具有非常高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及动态加载技术领域，具体涉及一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置。
背景技术
动态加载技术及其原理兴起于20世纪40年代，被应用于极端条件下研究凝聚态物质的性质及其变化规律。与传统的静态加载技术不同在于它能够在瞬间使物质内部的压力和温度发生突变，从而为研究高温高压下的相变行为提供了一种可用的动态加载手段。与传统静高压相比，冲击波加载实验的独特特性是：加载时间快、弛豫时间短以及瞬间可以改变样品的压力和温度状态等。因此，冲击波加载技术是冲击波加载技术在物态方程测量、人工合成新材料(如金刚石)、地球内部结构研究、冲击引爆机理、陨石成坑及对空间飞行器的破坏，以及穿甲、侵彻、爆炸加工等研究工作中是一项重要技术，被广泛应用于固体物理、天体物理、地球物理、固体化学、爆炸力学、军事科学等学科以及许多工业技术的研究工作中。同时，冲击波加载技术研究物质相变动力学过程最为合适的方法之一。冲击相变对揭示高温高压条件下结构与物态变化具有重要的科学意义故也是冲击波物理研究的热点领域之一。
目前已有的动态加载手段有，激光加载技术、炸药炮轰技术、气体炮加载技术等。气体炮是在火炮加载技术基础上发展起来的一种动高压加载装置。火炮装置简单但是由于火药室能承受的火药点火时的峰值压强有限，一般火炮弹丸底部允许的平均压强不超过150MPa，因此弹丸的速度调节范围十分小，只能达到1km/s～2km/s。而气体炮克服了这个困难，气体炮能发射各种形状的弹丸，弹丸的材料、质量、尺寸和速度均有较大的选择范围。更为突出的优点是，弹丸在承受较低加速度或较低应力的驱动下就可以获得较高的速度，因此气炮驱动有较大的通用性，是目前我国动压加载技术最常用的技术之一。光学诊断技术常作为一种诊断手常与气炮加载技术相结合应用于各领域科学研究中。常用的光学诊断技术有：光反射技术、X衍射测量技术、光透射测量技术、激光拉曼光谱技术。光透射测量技术常被应用于实验诊断中，光透射率技术能够直接反应物质的结构信息，是用来判断物体是否发生相变的一个重要指标，并经常与高压加载技术相结合用来判断物体是否发生了高压相变。
高压相变是指物质由高压力环境所感生的相变。这种相变起源于高压作用下原子间距缩短时由点阵和电子的相互作用所引起的系统不稳定性，从而引起物质内的能量状态发生变化。当达到一定的高压或高压高温条件时，物质中的原子排列、晶体结构或电子结构就会发生变化，并表现出该物质物理性质的突变，如绝缘体转变为金属，电阻和体积发生显著改变等，这种现象称为高压相变。高压相变的研究为高压合成提供重要的理论与实验依据。高压相变还表现出丰富的物理行为，已成为凝聚态物理研究的一个重要的前沿领域。近百年来物体的高压相变研究及其应用一直为学术界所关注，而如何确定物体的相变压力点就是一个非常重要的问题，尤其是液体和气体材料的确定就显得十分的困难。
本发明提供了一种通过原位检测冲击压力下物体透射率的变化来确定物体是否发生相变的实验技术，对于固体，液体甚至是气体都适用，有着非常高的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，通过飞片与基板相碰撞，让四根电探针与基板接通，一组电探针产生电信号用于判断飞片和基板相碰撞的时间点，另一组电探针接通激发激光器，让激光器开始发射激光，激光通过半透镜产生反射光和透过光，反射光射向样品室，并最终由第一光探针、第二光探针分别收集反射光信号、透过光信号，光信号传递至信号收集装置并产生波形曲线，通过计算参考光与样品光的比值来判断样品透射率的变化，即实现了通过原位检测冲击压力下物体透射率的变化来确定物体是否发生相变，对于固体、液体，甚至是气体都适用，具有非常高的实用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，包括轻气炮、真空仓和信号收集装置，所述真空仓内设置有固定靶，所述固定靶包括基板、探针固定机构、前窗口、后窗口、样品室、半透镜、激光器、第一光探针、第二光探针、以及两个第一电探针、两个第二电探针，所述轻气炮用于向固定靶的基板左侧发射飞片，所述基板为导电基板，所述探针固定机构设置在基板的右侧，探针固定机构和基板之间设有间隙，所述第一电探针、第二电探针的左端分别穿过探针固定机构与间隙连接，且第一电探针与第一电源构成回路，第二电探针与第二电源、激光器构成回路，所述前窗口、样品室、后窗口从左向右依次设置在探针固定机构内，所述探针固定机构的右端设置有光室，所述半透镜设置在光室内，所述激光器发射的光线射向半透镜，并产生反射光和透过光，所述反射光依次穿过后窗口、样品室、前窗口，所述第一光探针用于收集反射光信号，所述第二光探针用于收集透过光信号，所述信号收集装置分别与第一电源、第一光探针、第二光探针连接。
进一步地，所述基板、探针固定机构分别为不透光材质。优选地，所述前窗口、后窗口分别为透明材质，用于密封保护样品室。
进一步地，所述基板、探针固定机构分别为铝材圆柱形结构。通过将基板、探针固定机构分别设置为铝材圆柱形结构，能够有效防止漏光，保证实验的精确性。
进一步地，所述探针固定机构的右端具有反光层。
进一步地，所述样品室的侧壁上分别设置有进口管和出口管，所述进口管和出口管分别穿过探针固定机构与样品室连通。
进一步地，所述第一电探针、第二电探针的左端端点位于同一水平面。
进一步地，所述第一电探针以探针固定机构中轴线对称设置，所述第二电探针以探针固定机构中轴线对称设置。通过设置两根第一电探针与第一电源构成回路，且两跟第一电探针以探针固定机构中轴线对称设置，在飞片撞击基板时，两个第一电探针可以有效在减少因为飞片碰撞靶时因两者间的倾斜度而产生的时间误差，从而更精确的判断飞片撞击基板的时间点；此外，通过设置两根第二电探针与第二电源、激光器构成回路，且两根第二电探针以探针固定机构中轴线对称设置，可以稳定控制激光器的出光时刻，并与飞片撞击靶的时间点保持同步。
进一步地，所述第一电探针分别设置在探针固定机构的0°和180°位置上，所述第二电探针分别设置在探针固定机构的90°和270°位置上。
进一步地，所述第一光探针、第二光探针分别通过瞬态高温计与信号收集装置连接。
进一步地，所述信号收集装置包括示波器。
进一步地，所述激光器、第一光探针、第二光探针分别设置在光室的侧壁上，且激光器、第一光探针、第二光探针的位置分别能够自由调节。通过调节激光器、第一光探针、第二光探针的位置，使得光路调节一致，便于收集实验中的光信号。
进一步地，所述基板与探针固定机构通过密封胶水粘合，且基板与探针固定机构留设有间隙。
进一步地，所述间隙的长度为0.05～0.15mm。优选地，所述间隙的长度为0.1mm。
进一步地，所述轻气炮为一级轻气炮、二级轻气炮、三级轻气炮中任意一种。
一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量方法，包括以下步骤：控制轻气炮向固定靶的基板左侧发射飞片，当飞片与靶的基板相碰撞时，同时使得四根电探针与基板接通，两根第一电探针与接入的第一电源形成一个回路，产生相应的电信号通过信号收集装置进行收集记录，用于判断飞片和基板相碰撞的时间点，同时，两根第二电探针与激光器、第二电源构成的回路连通，激光器开始发射激光，激光射向半透镜，并产生反射光和透过光，所述反射光依次穿过后窗口、样品室、前窗口，第一光探针收集反射光信号，第二光探针收集透过光信号，第一光探针、第二光探针接收到光信号后通过瞬态高温计将光信号转化为电信号，并最终二者都传递至信号收集装置上，并在信号收集装置的示波器上产生波形曲线，并通过计算反射光光照强度与透过光光照强度的比值来判断样品透射率的变化，即透射率＝反射光光照强度/透过光光照强度。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，通过飞片与基板相碰撞，让四根电探针与基板接通，一组电探针产生电信号用于判断飞片和基板相碰撞的时间点，另一组电探针接通激发激光器，让激光器开始发射激光，激光通过半透镜产生反射光和透过光，反射光射向样品室，并最终由第一光探针、第二光探针分别收集反射光信号、透过光信号，光信号传递至信号收集装置并产生波形曲线，通过计算参考光与样品光的比值来判断样品透射率的变化，即实现了通过原位检测冲击压力下物体透射率的变化，来确定物体是否发生相变，对于固体、液体，甚至是气体都适用，具有非常高的实用价值。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图；
图2为本发明固定靶的结构示意图；
图3为本发明电探针与固定靶的连接结构示意图；
图4为本发明电信号收集装置的结构示意图；
图5为本发明试验例中冲击实验所得到的光信号示意图；
图6为本发明试验例中冲击实验所得到的电信号示意图
图中，1-轻气炮，2-真空仓，3-信号收集装置，4-固定靶，5-基板，6-探针固定机构，7-前窗口，8-样品室，9-后窗口，10-半透镜，11-激光器，12-第一光探针，13-第二光探针，14-间隙，15-进口管，16-出口管，17-第一电探针，18-第二电探针，19-第一电源，20-第二电源，21-光室，22-压力加载装置，23-发射管，24-磁测速装置，25-飞片。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例
如图1～4所示，一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，包括轻气炮1、真空仓2和信号收集装置3，所述真空仓2内设置有固定靶4，所述固定靶4包括基板5、探针固定机构6、前窗口7、后窗口9、样品室8、半透镜10、激光器11、第一光探针12、第二光探针13、以及两个第一电探针17、两个第二电探针18，所述轻气炮1用于向固定靶4的基板5左侧发射飞片25，所述基板5为导电基板，所述探针固定机构6设置在基板5的右侧，探针固定机构6和基板5之间设有间隙14，所述第一电探针17、第二电探针18的左端分别穿过探针固定机构6与间隙14连接，且第一电探针17与第一电源19构成回路，第二电探针18与第二电源20、激光器11构成回路，所述前窗口7、样品室8、后窗口9从左向右依次设置在探针固定机构6内，所述探针固定机构6的右端设置有光室21，所述半透镜10设置在光室21内，所述激光器11发射的光线射向半透镜10，并产生反射光和透过光，所述反射光依次穿过后窗口9、样品室8、前窗口7，所述第一光探针12用于收集反射光信号，所述第二光探针13用于收集透过光信号，所述信号收集装置3分别与第一电源19、第一光探针12、第二光探针13连接。
具体地，所述基板5、探针固定机构6分别为不透光材质。
具体地，所述基板5、探针固定机构6分别为铝材圆柱形结构。通过将基板5、探针固定机构6分别设置为铝材圆柱形结构，能够有效防止漏光，保证实验的精确性。
具体地，所述探针固定机构6的右端具有反光层。优选地，所述探针固定机构6的右端精密抛光。
具体地，所述样品室8的侧壁上分别设置有进口管15和出口管16，所述进口管15和出口管16分别穿过探针固定机构6与样品室8连通。
具体地，所述第一电探针17、第二电探针18的左端端点位于同一水平面。
具体地，所述第一电探针17以探针固定机构6中轴线对称设置，所述第二电探针18以探针固定机构6中轴线对称设置。通过设置两根第一电探针17与第一电源19构成回路，且两根第一电探针17以探针固定机构6中轴线对称设置，在飞片25撞击基板5时，两个第一电探针17可以有效的减少因为飞片25碰撞固定靶4时，因两者间的倾斜度而产生的时间误差，从而更精确的判断飞片25撞击基板5的时间点；此外，通过设置两根第二电探针18与第二电源20、激光器11构成回路，且两根第二电探针18以探针固定机构6中轴线对称设置，可以稳定控制激光器11的出光时刻，并与飞片25撞击固定靶4的时间点保持同步。
具体地，两根第一电探针17分别设置在探针固定机构6的0°和180°位置上，两根第二电探针18分别设置在探针固定机构6的90°和270°位置上。
具体地，所述第一光探针12、第二光探针13分别通过瞬态高温计与信号收集装置3连接。
具体地，所述信号收集装置3包括示波器。
具体地，所述激光器11、第一光探针12、第二光探针13分别设置在光室21的侧壁上，且激光器11、第一光探针12、第二光探针13的位置分别能够自由调节。通过调节激光器11、第一光探针12、第二光探针13的位置，使得光路调节一致，便于收集实验中的光信号。优选地，激光器11产生的光线与半透镜10之间的夹角为45°；优选地，半透镜10与样品室8之间的夹角为45°。
具体地，所述基板5与探针固定机构6通过密封胶水粘合，且基板5与探针固定机构6留设有间隙14。
具体地，所述间隙14的长度为0.05～0.15mm。优选地，所述间隙的长度为0.1mm。
具体地，所述轻气炮为一级轻气炮、二级轻气炮、三级轻气炮中任意一种。
试验例
轻气炮是一种特殊的可控高速发射装置，通常由压力加载装置22及发射管23和靶室组成。一级轻气炮、二级轻气炮、三级轻气炮这三种气炮的压力加载装置22各不相同，有很大差异，但是原理及流程大体相近，都是通过压力加载装置22把发射管23内的飞片25驱动到很高的速度，飞片25经过发射管23后与真空仓内的固定实验靶相撞击，飞片25的速度可由发射管23前端的磁测速装置24测得，实验者可以根据自身的需要来控制飞片25的速度从而控制产生的冲击压力；在碰撞时可获得几万大气压到五百万个大气压的冲击压力以及数十万摄氏度的高温高压状态，然后通过一系列的信号收集装置3对实验数据进行收集以及进一步的分析研究。
本试验基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量方法，采用的样品为纯水，将样品通过进口管注入样品室内，密封，然后控制轻气炮工作，让轻气炮向固定靶的基板左侧发射飞片，当飞片与靶的基板相碰撞时，同时使得四根电探针与基板接通，两根第一电探针与接入的第一电源形成一个回路，产生相应的电信号通过信号收集装置的宽带示波器进行收集记录显示，用于判断飞片和基板相碰撞的时间点，同时，两根第二电探针与激光器、第二电源构成的回路连通，产生相应的电信号通过信号收集装置的宽带示波器进行收集记录，显示如图6所示，同时激光器开始发射激光，激光射向半透镜，并产生反射光和透过光，所述反射光依次穿过后窗口、样品室、前窗口，第一光探针收集反射光信号，第二光探针收集透过光信号，第一光探针、第二光探针接收到光信号后通过瞬态高温计将光信号转化为电信号，并最终二者都传递至信号收集装置上，并在信号收集装置的示波器上产生波形曲线，如图5所示，并通过计算反射光光照强度与透过光光照强度的比值来判断样品透射率的变化，通过图5可以得出，反射光光照强度为1eV，透过光光照强度为3.25eV，从而得到样品的透射率为30％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，包括轻气炮、真空仓和信号收集装置，所述真空仓内设置有固定靶，所述固定靶包括基板、探针固定机构、前窗口、后窗口、样品室、半透镜、激光器、第一光探针、第二光探针、以及两个第一电探针、两个第二电探针，所述轻气炮用于向固定靶的基板左侧发射飞片，所述基板为导电基板，所述探针固定机构设置在基板的右侧，探针固定机构和基板之间设有间隙，所述第一电探针、第二电探针的左端分别穿过探针固定机构与间隙连接，且第一电探针与第一电源构成回路，第二电探针与第二电源、激光器构成回路，所述前窗口、样品室、后窗口从左向右依次设置在探针固定机构内，所述探针固定机构的右端设置有光室，所述半透镜设置在光室内，所述激光器发射的光线射向半透镜，并产生反射光和透过光，所述反射光依次穿过后窗口、样品室、前窗口，所述第一光探针用于收集反射光信号，所述第二光探针用于收集透过光信号，所述信号收集装置分别与第一电源、第一光探针、第二光探针连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述基板、探针固定机构分别为不透光材质。
3.根据权利要求2所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述基板、探针固定机构分别为铝材圆柱形结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述探针固定机构的右端具有反光层。
5.根据权利要求1所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述样品室的侧壁上分别设置有进口管和出口管，所述进口管和出口管分别穿过探针固定机构与样品室连通。
6.根据权利要求1所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述第一电探针、第二电探针的左端端点位于同一水平面。
7.根据权利要求6所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述第一电探针以探针固定机构中轴线对称设置，所述第二电探针以探针固定机构中轴线对称设置。
8.根据权利要求6所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述第一电探针分别设置在探针固定机构的0°和180°位置上，所述第二电探针分别设置在探针固定机构的90°和270°位置上。
9.根据权利要求1所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述第一光探针、第二光探针分别通过瞬态高温计与信号收集装置连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于轻气炮冲击加载下样品透射率的测量装置，其特征在于，所述信号收集装置包括示波器。
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