基于電探針及光探針的沖擊加載時刻測量技術

廖文強，孫燕云，吳浪，黃曦晨，劉福生，張明建

（西南交通大學 物理科學與技術學院，四川成都，100191）

0 引言

沖擊波是一種速度達數千米每秒的應力波。一直以來科研學者們對檢測極端條件下的沖擊波加載樣品的準確時刻有著濃厚的興趣[1～3]。考慮到沖擊波獨特的物理特性，電探針是一種可行的檢測沖擊波加載時刻的測量手段，電探針的工作原理是通過沖擊波壓縮探針，迫使通電的電極瞬間導通并在輸出端產生電脈沖，通過該電信號發生的時刻即為沖擊波的加載時刻。但電探針的安裝要求較為苛刻，并非適用于任何實驗條件，因此開發其它記錄沖擊波加載時刻的手段是十分必要的。

研究表明當沖擊波加載氣泡時，受壓縮的氣泡會瞬間發光[4,5]，通過該光輻射信號出現的時刻亦可說明沖擊波加載氣泡所在區域的時刻，該技術即本文中所指的光探針技術。由于工作原理不同，光探針技術和電探針技術在不同的測量場合可以互為補充，同時亦可彼此校驗。

基于上述實驗需求，本文提出了將電探針與光探針相結合的方式的原位測試方法記錄沖擊波加載確定探測位置的具體時刻，意在進一步提高與時間變量相關的實驗數據及其變化規律的測試精度。

1 實驗裝置及電探針設計原理

本文中的沖擊加載實驗基于二級輕氣炮平臺，其加載原理是高電流促使火藥爆炸，釋放能量推動活塞，活塞迅速壓縮輕質氣體，輕質氣體被壓縮至某一極限時撐開膜片，最后驅動飛片高速加載后撞擊靶體，形成沖擊波[6,7]。沖擊波將會對樣品進行沖擊壓縮，使其達到高溫高壓狀態。

沖擊壓縮是一個迅速的過程，時間多為納秒級，因此對實驗時的檢測裝置的時間采集能力有較高的要求。本文實驗中主要用到的檢測裝置是輻射高溫計和數字示波器，輻射高溫計是利用光電轉換原理將光信號轉化為電信號的儀器，擁有檢測范圍廣，響應時間快的特點，能夠同步地將光信號轉換為與之對應幅值的電信號。數字示波器的作用是將電信號以數字信息的方式呈現在顯示器上，本文實驗中的數字示波器采樣率為20GS/S，數據讀取誤差不超過1ns。

飛片的直徑為24mm，厚度3mm，該尺寸的設計保證了樣品在實驗期中不會受到追趕波和邊側稀疏波的影響，且飛片在實驗前經過平面拋光處理，故在靶體中形成的是一維平面波，理論上若飛片能絕對平整且飛行時不傾斜，電探針在受到平面沖擊時應該同時觸發。鋁蓋板的厚度為1mm，兩個電探針端口的直線距離為20mm，小于飛片直徑，可保證在實驗時碰撞觸發。電探針表面的絕緣漆可避免實驗前出現誤觸發的情況，為防止飛片在高速飛行時撞損電探針，實驗中將電探針扭為“L”型并在外層套入熱算管進行雙重防護，隨后將其嵌入基板中，同時在周圍利用絕緣的聚甲基丙烯酸甲酯固定，檢查基板兩側沒有電探針裸露在外時

進行磨平并拋光處理，盡可能保證電探針和基板的平整和光滑，降低實驗誤差。電探針的電壓幅值大小在實驗前通過電源進行調節，調節的目的在于防止電壓的幅值過高，超過示波器的量程甚至擊穿示波器的顯示通道，導致實驗數據失真，影響實驗結果判讀。

銅箔的厚度為0.1mm，制作時要使注意其內直徑略大于電探針之間的距離，外直徑與基板直徑相同即可，這樣的內徑差設計可避免銅箔和電探針接觸。本文實驗中銅箔為方便實驗操作時的接地，在銅箔兩邊進行了延展。銅箔，鋁基板，鋁蓋板之間都用聚甲基丙烯酸甲酯年進行粘接，該黏結劑在固定前為液體狀態，由于其可能會流動到電探針表面，凝結后會導致電探針無法觸發，因此實驗前使用要多次少量。

上述的尺寸與材料設計皆是為了在飛片碰靶之前保證電探針端面與鋁蓋板絕緣，在飛片碰靶后可保證沖擊波達到時即刻觸發。電探針設計原理如圖1所示，圖中的兩個電探針成對角設計，沖擊波到達靶心的時刻用呈對角線關系的一對電探針的平均觸發時刻記錄。

實驗前在注入液體的過程中要快速來回抽動，以保證液體內可因湍流生成氣泡依附窗口界面處，本文實驗中是液體樣品，需采用下進上出的方式，觀察直到上出口出現液體代表已經注滿。若實驗樣品為固體，則使用間隙發光代替氣泡發光，間隙發光的原理是沖擊壓縮間隙中的氣體，致使其達到高溫高壓狀態，從而產生熱輻射的現象，利用光纖收集光輻射信號即為沖擊波的加載時刻，其余實驗操作步驟相同即可。液體中的氣泡發光實際上也是間隙發光的一種特殊形式，沖擊加載過程中，受壓縮的氣泡瞬間升溫升壓，由于熱輻射效應的存在，此時會伴有很強的氣泡發光現象。

表1展示了以高濃度雙氧水為探測液體的一次沖擊加載試驗的加載條件及飛片參數，表2給出了該次實驗的其他基本參數。

表1 實驗加載條件及飛片參數（W表示飛片速度）

表2 實驗材料中的基本參數（d0表示樣品的初始厚度，t表示沖擊波經過樣品的時間，P表示樣品中的沖擊壓強，T0表示初始的環境溫度）

圖2為光輻射測量裝置，實驗中高速飛行的飛片撞擊到基板，形成沖擊波，沖擊波透過基板進入98wt%雙氧水，氣泡產生的輻射光信號穿過后窗口，經半球透鏡聚焦后由光纖收集傳輸到輻射高溫計，最后在數字示波器上記錄輻射變化歷程。在實際實驗中的氣泡是十分細小且數量眾多的，雙氧水在湍流且自身分解生成氣泡，考慮到數學隨機分布，為簡化問題，圖2中的氣泡模型僅為示意。

本次實驗為捕捉更全面的光信號，光信號的接收光纖有兩根，兩根光纖的材料參數相同，實驗前光纖的自由端面已磨平拋光處理。實驗時其中一根光纖收集的光信號經過濾波寬度為650 10±nm的濾波片，隨后傳輸進入輻射高溫計，記錄為紅色光信號；另一根光纖收集的光信號直接傳入輻射高溫計，記錄為白光信號。

實驗中光纖的直徑為1mm，孔徑角為12°，光纖的接光面積較窄。因此本實驗中增加一個半球透鏡輔助光纖接收光信號，半球透鏡的半徑為3mm，焦距為6mm，由于實驗材料在裝配時無法完全排除人工影響，例如透鏡傾斜等，為使實驗時盡可能收集到較多的光信號，光纖的實際安裝位置并非一定在焦距處，在實驗中確定光纖的最佳收光位置的方法是在光源固定的前提下，拖動光纖位置直到能在光纖另一端觀察到的光強最強，此時該位置為光纖的最佳收光位置。在后面的實驗操作中，固定該光纖保證光路不再改變即可。實驗前對光輻射的強度僅是通過普朗克公式計算得出，并非實際光輻射強度，因此為避免實驗時的光輻射強度過高，致使數據失真，實驗前需調節輻射高溫計的增益大小和示波器的量程范圍，保證采集到完整且清晰的實驗數據。后窗口為融石英，其特點是無色透明，融石英的表面在實驗前經過光學拋光處理，沖擊壓縮下的氣泡的光輻射可完全透過，

2 實驗現象及分析

電探針觸發如圖3所示，實驗發現兩個電探針雖布置于同一平面，但并未同時觸發,1t時刻位于-101ns處，2t時刻位于-44ns處，表明電探針在制作及安裝時未達到完全平整，但該誤差僅約57ns，符合實驗及工程需求，在加工誤差允許的范圍內。利用求平均值的方法最終確認沖擊波到達電探針所在平面中心的時刻為-72.5ns。兩個電探針的最高幅值相差極小，均約為27.5V，且從上升到回落的整個信號狀態相似，均可表明兩個電探針的安裝良好且一致。

本文中使用的輻射高溫計可響應的光譜波段約在300nm～650nm之間，根據普朗克公式可知，白光強度是各譜段光強度的總和，因此該實驗中白光強度應該為譜段在300～650nm的光強的總和。光輻射強度信號如圖4所示。

沖擊波進入98wt%雙氧水后立即有光輻射行為，這是含能材料起爆的特征，根據整體的光輻射行為表明整個裝置狀態良好，能保證良好的實驗數據采集，2Et時刻附近有一個尖銳且時長極短的信號，整個時長約10ns左右，這種發光行為來自沖擊壓縮下的氣泡發光[8,9]。2Et為通過熱力學計算得到的沖擊波抵達窗口時刻，圖4實驗中的實際光脈沖信號的發生時間與 2Et僅相差了約9ns，該一致程度表明用光探針技術探測得到的沖擊波抵達氣泡所在位置處的時刻結果合理[10,11,12]，可靠度高。

在EXP0106實驗中，電探針的觸發記錄了沖擊波作用到該位置時的時刻，響應速度快，精度高，實驗證明該方法可完成納秒級的檢測，電探針測試法為了保證未被沖擊波作用時探針端面不會被提前觸發且絕緣，往往要求探針端面所對應的材料為固體（如圖1中的鋁蓋板），因此很難直接應用于液體材料的相關測量。

與之相對照的，光探針測試技術不僅擁有響應快精度高，而且適用范圍更廣，既適用于液體材料，也適用與固體材料的相關測量。對于液體材料的測量，能夠做到不添加任何雜質且無額外裝置的情況下實現時間檢測。因為沖擊加載下的物質可存在多種狀態[13,14,15]，雜質或額外裝置的存在均可能對實驗結果造成復雜的影響。不利于完成高質量數據的采集。在實際的實驗及工業生產中，這一點尤為重要。若樣品材料本身為固體，則固體樣品與窗口間的間隙內的氣泡在沖擊波的作用下也存在瞬間發光現象[16]，記錄該光脈沖的發生時刻也即記錄了沖擊波抵達該間隙的時刻，且不引入新的雜質。

3 實驗結論

電探針作為一種電開關裝置，利用沖擊波強壓縮性質實現開關，實驗精度達到了納秒級，直觀地反映了沖擊波在該位置的觸發時刻，分析電探針的數據模型，亦可得實驗時的觸發效果。其“L”型結構使得電探針既能完成正面碰撞的同時，又能保證原位觸發，提高了實驗精準度及實驗效率。

光探針測試技術中的氣泡并不屬于外物所加的雜質粒子，不會對樣品的整體光輻射信號有影響，適用于多種樣品材料的沖擊加載時間測量，實現了實時的原位測量。綜上所述，本文通過電探針和光探針相結合的方式多角度探討了記錄沖擊波抵達確定位置的設計方案，為相關研究提供了參考和依據。