超高速碰撞产生等离子体电磁特性的研究进展

 综述了国外在超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究方面的现状,主要包括电子温度、等离子体的粒子密度、等离子体的振荡频率及产生的磁场特征等方面。利用等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针系统、磁感应强度测量的线圈系统及实验系统,进行了超高速碰撞产生等离子体实验,分析了实验中产生等离子体的电磁特性。     

超高速碰撞产生等离子体云的粒子能量时空分布

为了研究超高速碰撞产生等离子体的粒子能量对航天器电路中元器件的毁伤,获得超高速碰撞产生等离子体粒子能量的时空分布特性是十分必要的。基于超高速碰撞产生稀薄等离子体中带电粒子的运动速度、等离子体的扩散特点,推导出等离子体的粒子能量密度与带电粒子密度及带电粒子运动速度的关系式。进而通过对超高速碰撞2024-T4铝靶实验采集的原始数据分析,利用Matlab编程得到了超高速碰撞2024-T4铝靶产生膨胀等离子体云物理过程中,等离子体的粒子能量密度与带电粒子持续时间及被测点到碰撞点距离的时空分布规律。     

超高速碰撞产生等离子体的频谱响应特征

 针对探针与接地极板间的阻抗匹配问题,通过对超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断系统的理论分析,获得了超高速碰撞产生等离子体的频率组成特征;基于该理论特征建立了一种适用于超高速碰撞产生等离子体的探针测量系统,并利用该探针测量系统进行了LY12实心球形铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶实验,得到了该实验中超高速碰撞产生等离子体的功率谱特征。理论分析及实验获得的功率谱结果均表明超高速碰撞产生的等离子体具有低频为主的频谱特征：当频率低于5.8 kHz时,功率谱线比较平滑且幅值较小;频率达到11.0 kHz时,功率谱线的峰值和功率全谱峰值相近。因此频率在5.8~11.0 kHz范围的低频频段对功率谱线的峰值贡献较大,频率超过11.0 kHz时,功率谱线的大幅度抖动对功率谱线的峰值贡献较小。理论及实验结果证明了实验系统的可靠性和实现过程的合理性。     

超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律

为了描述超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律,利用瞬态光纤高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统,开展了弹丸以30°的入射角度和不同碰撞速度条件下的超高速撞击实验。基于闪光辐射强度和辐射温度的实验数据处理得到了超高速碰撞2A12铝板在撞击点附近产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度,基于大量实验,建立了撞击点附近最大闪光辐射的空间演化模型。并结合Origin软件对实验所得数据的拟合,得到了最大闪光辐射强度和辐射温度随探测点到着靶点间距离变化的拟合函数关系式。实验结果还表明:在相近碰撞速度、相同碰撞角度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度差别不大,验证了撞击产生的闪光辐射以近似椭球的形状向外膨胀,随着等离子体云的向外膨胀,离碰撞点越远产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度均越小;在相同碰撞角度、不同碰撞速度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度均随碰撞速度的增加而增大。该研究在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。     

超高速碰撞产生磁场的1维模型

 为研究超高速弹丸碰撞靶板产生等离子体诱生的磁场,引用已有关于激光产生等离子体的磁场理论,结合麦克斯韦方程和法拉第电磁感应定律得到了超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的1维理论模型。基于已有关于超高速正碰撞产生半球状等离子体云诱生磁场的偏微分方程,建立了柱坐标系下超高速斜碰撞产生部分椭球状等离子体云的偏微分方程。通过感应线圈进行了磁感应强度的实验测量,实验结果与模型预言表明,该模型可近似地描述超高速斜碰撞产生等离子体诱生的磁感应强度。     

膨胀等离子体云的粒子密度时空分布

为了获得超高速碰撞产生等离子体粒子密度的时空分布特性,利用点电荷电场的1维理论模型,综合运用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和麦克斯韦方程,推导出了等离子体在膨胀过程中粒子密度的时空分布规律。通过对超高速碰撞2024-T4铝靶实验采集的原始数据分析,得到了超高速碰撞2024-T4铝靶产生膨胀等离子体云粒子密度的时空演化规律。     

超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征

材料受到强冲击会产生闪光和等离子体效应。通过超高速碰撞实验并结合多种先进测试手段,推导出了适用于计算超高速碰撞产生等离子体电离度的沙哈(Saha)公式,为超高速碰撞过程中弹丸和靶板的物质组成分析提供了强有力的工具。基于二级轻气炮加载系统结合等离子体特征参量诊断的Triple Langmuir probe诊断系统和光谱辐射测量的ESA4000光谱仪系统,进行了3种不同碰撞速度条件下的超高速碰撞实验。实验结果表明,超高速碰撞2A12铝靶产生闪光辐射中包含Al+的光谱辐射;通过实验数据的解析进一步揭示了光谱强度与弹丸速度的关系。随着弹丸速度的增加,Al+的辐射光谱强度增大,由2A12铝激发的Al+光谱中小波长所对应谱线的辐射光谱强度比长波长所对应谱线的辐射光谱强度增加更快。关于2A12铝靶在超高速撞击载荷下产生铝离子的光谱辐射特征以及辐射温度研究在航天器防护空间碎片、导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值,此外,等离子体的特征参量测量和光谱辐射特征研究,对于在微观层面深刻揭示超高速碰撞现象具有重要的理论意义。     

超高速碰撞产生弱磁场线圈测量系统

为了测量超高速碰撞过程中产生瞬态弱磁场的磁感应强度,设计了弱磁场测量的线圈系统。阐述了线圈的设计、线圈等效电路的分析、运算放大器的选择及其功能。理论上探讨了自积分电阻对测量频率的影响。通过超高速碰撞实验得到了产生的弱磁场信号,实验记录的测量信号光滑,表明该测量系统具有较好的抗干扰性能。该测量系统的建立将为超高速碰撞产生等离子体的性能研究提供新的手段。     

超高速碰撞2024-T4铝靶产生的等离子体对逻辑芯片的干扰

 为了掌握超高速碰撞产生等离子体对航天器上常用典型逻辑芯片产生的干扰,利用自主设计的朗缪尔三探针诊断系统,进行了弹丸（入射速度为6.10 km/s,入射角度为30°）超高速碰撞2024-T4铝产生等离子体的特征参量诊断,测量了给定位置和方位角处等离子体的电子密度,利用数据采集系统对实验给定位置和方位角处逻辑芯片的干扰情况进行了评价。实验结果表明,超高速碰撞产生的等离子体对航天器上常用的逻辑芯片将产生严重干扰。     

碰撞等离子体中电中性条件对单探针测量的约束

在碰撞等离子体中使用单探针测量系统测得的伏安特性曲线会发生畸变. 实验中分别测量了非碰撞条件下(20 Pa)和碰撞条件下(400 Pa)氩气(Ar)电感耦合等离子体的单探针伏安特性曲线, 并进一步通过在400 Pa下测量不同位置处的单探针伏安特性曲线和引入干扰电极调节整体电中性约束的程度的方法来分析研究曲线的畸变现象. 结果表明碰撞等离子体中整体电中性约束条件会对非碰撞探针测量系统进行约束, 并通过理论分析和实验证明:在单探针测量过程中, 以真空室壁为电位参考点, 等离子体将通过改变自身等离子体电位来满足整体电中性的要求, 此时, 单探针测得的伏安特性曲线就不是理论上的单探针的鞘层伏安特性.     

超高速碰撞2024-T4铝靶产生等离子体的朗缪尔双探针诊断

 有些等离子体,本身并不存在电极和参考点,而该电极或参考点是提供偏压朗缪尔探针所必需的。为了获得超高速碰撞所产生等离子体的特征参量,建立了一种新的静电探针诊断技术,该技术不需要扫描频率,其探针可用于测量与时间相关的电子温度、电子密度。该诊断系统基于双通道电路,电流和电压谱通过数字示波器同步输出。研究的主要目的是,应用双朗缪尔探针诊断2024-T4铝弹丸超高速碰撞2024-T4铝靶时产生的瞬态等离子体。     

超高速碰撞产生电磁辐射的微波诊断

为了诊断超高速碰撞产生的电磁辐射,建立了超高速碰撞产生电磁辐射的实验和微波诊断系统。利用建立的微波诊断系统,进行了碰撞速度分别为4.60和4.66 km/s条件下超高速碰撞LY12铝靶产生电磁辐射的微波诊断,分析了实验中产生电磁辐射与靶板厚度及裂纹数的关系。实验结果表明:在实验条件相近的情况下,靶板厚度越小,产生的微波辐射强度越大 ;微波辐射功率正比于碰撞产生的微裂纹数。同时揭示了热激发产生电子和裂纹的存在为超高速碰撞产生电磁辐射的物理机制。     

超高速碰撞喷出物气化与等离子体形成的物理机制

 为了了解超高速碰撞产生等离子体的物理机制,采用理论方法对超高速碰撞LY12铝靶各物理过程的能量分配进行了分析,涉及到熔化相变、气化相变及等离子体形成过程的能量消耗。揭示了碰撞喷出物形成过程中各物理阶段对气化、等离子体形成的影响因素,包括碰撞的附加热机制、材料碰撞后等离子体羽的形成及等离子体羽膨胀的物理机制,并给出了模型描述。