超高速碰撞2024－T4鋁靶產(chǎn)生的膨脹等離子體云的電磁特性＊

唐恩凌，相升海，張 薇，李樂(lè)新，于 輝，趙新穎

（沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

流星體或空間碎片與在軌航天器的碰撞能明顯地引起材料升溫，導(dǎo)致局部溫度高達(dá)10kK，甚至更高。碰撞過(guò)程的早期階段，在這樣極端的條件下噴出物的部分物質(zhì)會(huì)發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體［1－6］。由于超高速碰撞產(chǎn)生的瞬態(tài)等離子體具有時(shí)間分布率高、波動(dòng)性大、粒子分布不均勻和壽命短等特點(diǎn)，對(duì)該等離子體的診斷不能采用常用的由直流電源提供偏壓的穩(wěn)態(tài)等離子體診斷方法。已有的研究［2－15］表明，由正弦電壓驅(qū)動(dòng)的掃描朗繆爾探針診斷系統(tǒng)、提供直流偏壓的朗繆爾三探針診斷系統(tǒng)可用于診斷瞬態(tài)等離子體的特征參量（電子密度、電子溫度等），感應(yīng)線圈系統(tǒng)可用于測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度。本文中擬利用自行構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，掃描朗繆爾探針、朗繆爾三探針診斷系統(tǒng)及感應(yīng)線圈測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量2種不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下超高速碰撞產(chǎn)生的等離子體的電子溫度、電子密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)及診斷系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由彈丸加載系統(tǒng)、等離子體診斷系統(tǒng)及相關(guān)附屬系統(tǒng)組成。圖1為實(shí)驗(yàn)和朗繆爾探針診斷系統(tǒng)示意圖。

掃描朗繆爾探針?biāo)璧膾呙桦妷河珊瘮?shù)信號(hào)發(fā)生器提供，實(shí)驗(yàn)中掃描頻率為0.5MHz，采樣長(zhǎng)度為20ms；示波器記錄掃描電壓（即CH4）以及實(shí)際加在探針1上的電壓（CH5），CH4的電壓與CH5的電壓之差除以電阻R即為流過(guò)探針1的電流。以彈丸飛過(guò)磁測(cè)速線圈的瞬間所激發(fā)的電動(dòng)勢(shì)脈沖作為數(shù)字示波器的外觸發(fā)信號(hào)，示波器一經(jīng)觸發(fā)便記錄CH4、CH5兩路電壓此后20ms內(nèi)的變化情況。原則上，要求朗繆爾探針的伏安特性曲線在等離子體處于某一穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。這里，假設(shè)在掃描電壓的每半個(gè)周期（100μs）內(nèi)等離子體的狀態(tài)是近似不變的。因此，對(duì)應(yīng)掃描電壓的每一個(gè)周期都可以測(cè)得一條伏安特性曲線，而由每一條伏安特性曲線可推算得到等離子體的電子溫度等參數(shù)，故可以求得探針?biāo)谖恢玫碾娮訙囟群碗娮用芏鹊入S時(shí)間的變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)和朗繆爾探針診斷系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic of the experiment and Langmuir probe diagnostic systems

在圖1的朗繆爾三探針診斷系統(tǒng)中，采集三探針中Tip2的漂浮電勢(shì)V2，Tip1和Tip3作為漂浮對(duì)稱(chēng)雙探針。Tip1的電勢(shì)V1為正，相對(duì)于Tip3的電壓為直流，電源可由干電池組或蓄電池提供，其值可選擇。V2相對(duì)于V1的電壓差可以決定等離子體的電子溫度，進(jìn)而可決定等離子體的電子密度等特征參量。示波器的CH2通道用來(lái)記錄Tip1的電壓，CH3通道記錄Tip2的電壓、CH1通道記錄流過(guò)Tip1和Tip3等2探針間的電流。當(dāng)靶板上空不存在等離子體時(shí)，由于沒(méi)有形成回路，CH1、CH2和CH3沒(méi)有電流和電壓輸出；當(dāng)靶板上空出現(xiàn)等離子體并覆蓋探針時(shí)，三探針中Tip1和Tip3間形成了回路，CH1便有電流輸出；與此同時(shí)，CH2和CH3與測(cè)量系統(tǒng)形成了回路，因此有相應(yīng)的電壓輸出。實(shí)驗(yàn)和線圈測(cè)量系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)和線圈測(cè)量系統(tǒng)布局Fig.2Layout of the experiment and coil measurement systems

利用二級(jí)輕氣炮發(fā)射彈丸碰撞靶板，線圈放在下彈道；纏有鋁薄防護(hù)的線圈通過(guò)支撐固定在靶板墊板上給定的位置；產(chǎn)生膨脹等離子體云的電測(cè)信號(hào)由線圈采集，采集的弱電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大輸入示波器的輸入端。線圈的2個(gè)輸出端輸入運(yùn)算放大器的2個(gè)輸入端，對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器的單端輸出，輸入示波器的一個(gè)通道。示波器得到的電壓信號(hào)為?B／?t，需對(duì)電壓信號(hào)積分，并結(jié)合系統(tǒng)標(biāo)定，得到期望的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與時(shí)間t的關(guān)系。

1.2 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

彈丸為實(shí)心球體，直徑為6mm；靶板厚25mm；彈丸和靶板材料均為2024－T4鋁。彈丸碰撞角度（彈道與靶板平面的夾角）均為30°，彈丸的著靶速度分別為5.10和5.90km／s，靶室的真空度分別為133和142Pa。

掃描朗繆爾探針和朗繆爾三探針均垂直于靶板，對(duì)稱(chēng)分布于彈道兩側(cè)。2種探針的材料均為鎢絲，長(zhǎng)度為10mm，直徑為0.28mm，用來(lái)測(cè)量等離子體的特征參量。線圈內(nèi)徑為30mm。以彈丸著靶點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)O（0，0，0），指向上彈道的方向作為空間三維坐標(biāo)y軸的正方向，垂直于靶板平面且方向向上為z軸的正方向，x軸的方向滿足右手定則。

2發(fā)實(shí)驗(yàn)中，掃描朗繆爾探針在靶板墊板上的坐標(biāo)均為（50mm，0，75mm），朗繆爾三探針在靶板墊板上的坐標(biāo)均為（－50mm，0，75mm），線圈1在靶板墊板上的坐標(biāo)均為（50mm，185mm，180mm），線圈2在靶板墊板上的坐標(biāo)均為（－50mm，185mm，180mm）。

2 診斷系統(tǒng)理論

2.1 掃描朗繆爾探針理論

當(dāng)探針的電位Vpr大于等離子體的空間電勢(shì)Vp時(shí)，大部分探針電流Ipr是由于電子引起的

離子飽和電流

式中：n為等離子體的粒子密度，Mi為離子質(zhì)量。由式（1）得

可以通過(guò)ln（Ipr／A）～Vpr的關(guān)系得到電子溫度。

2.2 朗繆爾三探針理論

朗繆爾三探針陣列由3組平行的柱狀鎢絲組成，其余部分由三氧化二鋁屏蔽。使用三探針結(jié)構(gòu)測(cè)量等離子體特征參量是通過(guò)采集Tip1的漂浮電勢(shì)V1，Tip2的電勢(shì)V2，Tip2相對(duì)于Tip3的電壓值為Vb＝10V。V2相對(duì)于V1的電壓值可以決定等離子體的電子溫度Te，Te值遵循下列關(guān)系

電子溫度Te可通過(guò)下列關(guān)系計(jì)算

由電子溫度Te可計(jì)算電子密度

式中：A為探針暴露部分的表面積，Mi為原子質(zhì)量或離子質(zhì)量，I＝Vd3／R。

2.3 線圈測(cè)量理論

感應(yīng)式線圈是用來(lái)測(cè)量等離子體磁場(chǎng)時(shí)空演化的一種傳感器。將該線圈置于等離子體內(nèi)部，由變化的磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)定該線圈面積內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，線圈內(nèi)產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)

式中：N為線圈的匝數(shù)，S為線圈的面積。通過(guò)對(duì)電動(dòng)勢(shì)的積分可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以實(shí)驗(yàn)1為例分析典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。著靶點(diǎn)到探針1中心的距離為90.13mm，由圖3可知探針感受信號(hào)的起始時(shí)間為（52±10）μs，持續(xù)到2.4ms。

圖3 實(shí)驗(yàn)1中掃描朗繆爾探針的電位和電流隨時(shí)間的變化Fig.3Variation of potential and current on the sweep Langmuir probe with time in experiment 1

圖4 實(shí)驗(yàn)1中朗繆爾三探針的原始信號(hào)Fig.4Raw signals on the triple Langmuir probe in experiment 1

著靶點(diǎn)到探針2中心的距離為90.13mm，由圖4信號(hào)判讀可知，探針感受信號(hào)的起始時(shí)刻為（54±10）μs，持續(xù)到0.9ms。實(shí)驗(yàn)中，掃描朗繆爾探針1與朗繆爾三探針2不能安裝在同一位置，因?yàn)閽呙枥士姞柼结樀墓ぷ餍枰也⊕呙桦妷禾峁┹d波信號(hào)，會(huì)對(duì)朗繆爾三探針產(chǎn)生干擾，使測(cè)量信號(hào)失真。由圖3～4可知，通過(guò)對(duì)稱(chēng)安裝的掃描朗繆爾探針和朗繆爾三探針信號(hào)可知，碰撞產(chǎn)生的等離子體云的膨脹速度約為1.73km／s。掃描朗繆爾探針信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于朗繆爾三探針信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是由于靶室實(shí)驗(yàn)條件的制約，從圖3中0.9～2.4ms的信號(hào)可以斷定，碰撞靶室的碎片反彈產(chǎn)生二次等離子體云使掃描朗繆爾探針感受到疊加的次級(jí)信號(hào)。

由圖3～4可知，無(wú)論是探針感受到信號(hào)的起始時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間［4－5］，還是掃描朗繆爾探針1與朗繆爾三探針2信號(hào)出現(xiàn)的先后，都說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中有等離子體產(chǎn)生。圖5為實(shí)驗(yàn)2磁場(chǎng)特性測(cè)量中感生電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖5 實(shí)驗(yàn)2中線圈的感生電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的變化Fig.5Variation of induced electomotive force of the coils with time in experiment 2

上述實(shí)驗(yàn)采集的波形、波形的波動(dòng)及數(shù)據(jù)量級(jí)與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近［5，11］，同時(shí)也說(shuō)明，超高速碰撞產(chǎn)生的等離子體具有分布不均勻、波動(dòng)性大的特點(diǎn)；可物理解釋為超高速碰撞產(chǎn)生的等離子體在噴射的過(guò)程中經(jīng)歷著在熔池中醞釀，當(dāng)溫度超過(guò)彈靶材料的第一電離能時(shí)，等離子體開(kāi)始產(chǎn)生，而且產(chǎn)生的過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短。下面對(duì)典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

以實(shí)驗(yàn)1的探針1為例，觸發(fā)后200～300μs半個(gè)掃描周期內(nèi)Ipr－Vpr和ln（Ipr／A）－Vpr關(guān)系如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)1中探針1的電流與電位典型的關(guān)系曲線Fig.6Typical relationship between current and potential for probe 1in experiment 1

根據(jù)圖6（b）結(jié)合式（3）得到電子溫度Te約為0.6eV。用同樣的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)1～2中的掃描朗繆爾探針采集的數(shù)據(jù)每半個(gè)掃描周期100μs進(jìn)行處理，得到圖7中的眾多離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。由此可以得到2發(fā)實(shí)驗(yàn)中掃描朗繆爾探針得到的電子溫度和電子密度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

由圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)1～2中掃描朗繆爾探針1的平均電子溫度分別為0.4和0.8eV，朗繆爾三探針2的平均電子溫度分別為0.5和0.9eV，電子密度在1012cm－3量級(jí)。另外，比較掃描朗繆爾探針和朗繆爾三探針的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，二者得到的特征參量診斷結(jié)果較接近。圖8為實(shí)驗(yàn)2中線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，對(duì)稱(chēng)位置安放線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值接近。

圖7 電子溫度和電子密度隨時(shí)間的變化Fig.7Variation of electron temperature and electron density with time

圖8 實(shí)驗(yàn)2中線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.8Variation of magnetic induction intensity of coils with time in experiment 2

在圖8中，線圈1和2的曲線變化趨勢(shì)出現(xiàn)了一定的差異，一方面說(shuō)明超高速碰撞產(chǎn)生的等離子體分布的不均勻，另一方面也說(shuō)明線圈連入電路的方向是有區(qū)別的。由等離子體的特征參量診斷可以看出，在碰撞角度和傳感器布局均相同的條件下，等離子體羽在膨脹、冷卻和重組的整個(gè)過(guò)程中電子溫度和電子密度的峰值隨著碰撞速度的增大而升高。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可解釋為：碰撞產(chǎn)生的等離子體的電子溫度和電子密度的變化與加熱材料彈坑所暴露的面積增加一致。高的碰撞速度使彈丸的侵入深度增加，熔池?cái)U(kuò)大，使暴露部分面積增大，更多的材料將從成坑中噴出，大多數(shù)沿下彈道方向。這些因素導(dǎo)致輻射材料的大部分暴露于探測(cè)器的探頭。

4 結(jié) 論

采用掃描朗繆爾探針、朗繆爾三探針診斷系統(tǒng)和線圈測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)2024－T4鋁彈丸分別以30°的入射角度（彈道與靶板平面的夾角），5.10和5.90km／s的初始速度碰撞2024－T4鋁靶產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行了診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用掃描朗繆爾探針和朗繆爾三探針診斷系統(tǒng)診斷超高速碰撞產(chǎn)生的等離子體的電子溫度和電子密度是可靠的，用線圈測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度是可行的。掃描朗繆爾探針和朗繆爾三探針的診斷結(jié)果表明，二者診斷的結(jié)果較接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在碰撞角度和傳感器布局均相同的條件下，隨著碰撞速度的增大，電子溫度和電子密度的幅值升高；同一實(shí)驗(yàn)中，對(duì)稱(chēng)空間位置磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值接近。

實(shí)驗(yàn)中得到西南交通大學(xué)高壓物理實(shí)驗(yàn)室的劉福生教授、張明建老師和薛學(xué)東老師等的幫助，在此謹(jǐn)表謝意。

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