高速碰撞天然白云石板誘發(fā)的光輻射特征實(shí)驗(yàn)研究

韓雅菲，唐恩凌，賀麗萍

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 沈陽 110159)

高速碰撞過程中的光輻射特征依賴于碰撞條件及彈靶材料的性質(zhì)[1-4]。目前國內(nèi)外科研人員對高速碰撞產(chǎn)生的光輻射特征的研究主要采用光電二級管、光譜儀、高溫計(jì)等測量儀器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過理論計(jì)算獲得光輻射特征各物理量。美國NASA Ames Vertical Gun Range(AVGR)實(shí)驗(yàn)室開展了銅彈丸以2～5.5 km/s的碰撞速度、45°碰撞角度下的超高速碰撞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中利用兩套ICCD攝像機(jī)及光譜儀作為測試設(shè)備，發(fā)現(xiàn)光譜的持續(xù)時(shí)間在彈丸接觸靶板后的0.5～2.5 μs，這基本與碰撞過程出現(xiàn)噴濺物的持續(xù)時(shí)間一致[5-6]。Baird[7]從理論上推導(dǎo)了閃光輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系；進(jìn)一步地，Goel[8]采用球狀鐵彈丸撞擊鎢、銅、太陽能電池等7種不同靶材模擬微流星體對航天器的撞擊，得到了閃光輻射強(qiáng)度與質(zhì)量和速度的關(guān)系式；Reinhart[9]測量了不同沖擊壓力下的閃光輻射溫度；Thomas[10]和Jaime[11]則對高速撞擊產(chǎn)生的閃光輪廓演化特征進(jìn)行了研究。研究高速撞擊產(chǎn)生的光輻射特征對于反演碰撞條件、推斷彈靶材料組分及評估碰撞造成的毀傷具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前對高速碰撞誘發(fā)的光輻射特征研究多側(cè)重于不同碰撞條件下碰撞產(chǎn)生閃光強(qiáng)度或等離子體電子溫度等單一物理量的演化特征。為進(jìn)一步明確高速碰撞誘發(fā)光輻射的物理過程，本研究建立了二級輕氣炮加載及光輻射特征采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了相同入射角度、不同碰撞速度條件下光輻射特征物理量的采集，得到了光譜強(qiáng)度、閃光輻射強(qiáng)度、閃光輻射溫度、電子激發(fā)溫度等多個(gè)相關(guān)物理量，通過光譜分析驗(yàn)證利用光譜信息推斷彈靶材料元素組成的可行性；總結(jié)了閃光的輻射強(qiáng)度及溫度的演化特征，同時(shí)對比了電子激發(fā)溫度與閃光輻射溫度的區(qū)別，為深刻理解高速碰撞誘發(fā)光輻射的物理機(jī)制提供參考。

1 理論模型

1.1 電子激發(fā)溫度

來自中性原子發(fā)射線的光譜輻射強(qiáng)度為

(1)

(2)

為了清晰地描述高速碰撞誘發(fā)光輻射的激發(fā)溫度，作如下基本假設(shè)：碰撞產(chǎn)生閃光的輻射為光學(xué)薄的球狀等離子體云，且處于局域平衡態(tài)，根據(jù)原子和分子輻射原理。粒子自發(fā)躍遷的輻射強(qiáng)度為

(3)

式中：I為輻射強(qiáng)度；h為普朗克常數(shù)；v為光子頻率；A為自發(fā)躍遷系數(shù)；g為粒子權(quán)重；Z為配分函數(shù)；E為能級；k為波爾茲曼常數(shù)；T為激發(fā)溫度；N0為基態(tài)粒子數(shù)。將式(3)進(jìn)行變換可得

(4)

1.2 閃光譜輻射強(qiáng)度

在熱平衡輻射條件下，閃光輻射強(qiáng)度符合普朗克熱平衡輻射理論，即單位面積黑體在半球方向、單位時(shí)間的單色輻射強(qiáng)度

(5)

式中：C1為第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W·m2；C2為第二輻射常數(shù)，1.438 8×10-2W·K；λ為波長(m)；T為黑體輻射溫度(K)。當(dāng)波長在0.3～1 μm，溫度小于3 000 K時(shí)，普朗克定律可以由維恩輻射定律取代，同時(shí)考慮灰體表面發(fā)射率ε，得到灰體光譜輻射強(qiáng)度的理論計(jì)算公式

(6)

選取4個(gè)波長λ1，λ2，λ3，λ4的光譜輻照強(qiáng)度I1，I2，I3，I4，同時(shí)假定ε1=ε2=ε3=ε4，采用比色法，得到四色測溫法閃光輻射溫度計(jì)算公式：

(7)

2 實(shí)驗(yàn)加載及測試系統(tǒng)

高速碰撞實(shí)驗(yàn)在沈陽理工大學(xué)強(qiáng)動載中心的二級輕氣炮上完成。該二級輕氣炮能將彈丸加速到2～7 km/s，為消除氣體對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)將發(fā)射管和靶室抽成真空，抽真空后靶室內(nèi)壓力小于100 Pa。光輻射特征系統(tǒng)主要包括光譜儀及光纖高溫計(jì)，為避免高速撞擊產(chǎn)生碎片的影響，光纖探頭的布置避開上下彈道所在平面，與靶板夾角為45°，并且前端指向著靶點(diǎn)，其工作原理如圖1所示。

圖1 高速碰撞加載系統(tǒng)及光輻射特征測量系統(tǒng)工作原理

光譜儀用于采集250～870 nm波長范圍的光譜強(qiáng)度；光纖高溫計(jì)(型號FOP-8)的測溫范圍為20～10 000 K，共7個(gè)通道，實(shí)驗(yàn)選用500 nm、550 nm、650 nm和700 nm 4個(gè)通道進(jìn)行同步測量。

彈丸選用直徑為4.6 mm的實(shí)心鋁球，靶板材料選用遼寧省岫巖縣的天然白云石，尺寸為120 mm×120 mm×20 mm。白云石的化學(xué)成分為CaMg(CO3)2，具體組成為MgO的質(zhì)量百分比為21%，CaO的質(zhì)量百分比為31%，CO2的質(zhì)量百分比為48% (或CaCO3的質(zhì)量百分比為54.2%，MgCO3的質(zhì)量百分比為45.8%)。表1為碰撞基本參數(shù)值。

表1 碰撞基本參數(shù)值

在碰撞閃光信號采集前光纖高溫計(jì)需要利用太陽光模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行標(biāo)定[12]。首先將光纖探頭置于太陽光模擬器距離lc處，由太陽光模擬器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)光，經(jīng)過高溫計(jì)中的光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號，記錄標(biāo)定電壓hc和標(biāo)定負(fù)載電阻Rc；已知標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射照度Nr(λ)(由中國測量技術(shù)研究院標(biāo)定給出)，波長500 nm、550 nm、650 nm、700 nm對應(yīng)的光譜輻射照度Nr(λ)為235.5、340.8、180.8、280.7 mW/(nm·cm2)。

測量閃光輻射強(qiáng)度時(shí)，將光纖探頭置于與碰撞點(diǎn)垂直距離為lexp處，記錄實(shí)驗(yàn)負(fù)載電阻Rexp和示波器測得閃光電壓值hexp，已知光纖孔徑角為θ=37°，則閃光輻射強(qiáng)度測量值Iexp

(8)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光譜強(qiáng)度

圖2為實(shí)驗(yàn)1光譜儀采集的彈丸入射速度為2.5 km/s的條件下高速撞擊白云石板誘發(fā)的光譜輻射強(qiáng)度隨波長的變化關(guān)系，圖3為實(shí)驗(yàn)2彈丸入射速度為3.1 km/s條件下采集的光譜輻射強(qiáng)度。圖4、圖5分別為依據(jù)實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2測量的光譜輻射強(qiáng)度，對元素的特征譜線進(jìn)行分析得到的彈靶材料元素組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)1光譜強(qiáng)度

圖3 實(shí)驗(yàn)2光譜強(qiáng)度

由圖4、圖5對元素特征譜線的分析可以得到：彈丸及靶板材料的元素組成包括鋁、硅、鐵、銅、鎂、錳、鋅、鈦、鎳，其中鋁元素為主要成分。實(shí)驗(yàn)采用天然白云石及鋁彈丸的元素組成主要包括鋁、硅、銅、鎂、鋅、錳、鈦、鎳及鐵元素，由此說明實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與實(shí)際彈丸和靶板材料的元素組成具有較好的一致性，因此彈靶材料的組分可通過高速碰撞誘發(fā)的光輻射特征信息獲得。

實(shí)驗(yàn)采用天然白云石板材料中包含鎂元素、鈣元素及碳酸根，而實(shí)際測量結(jié)果中無鈣、碳、硫及氧元素的特征譜線，說明在本次實(shí)驗(yàn)的碰撞條件下碰撞產(chǎn)生的能量不足以破壞鈣元素與碳酸根間的化學(xué)鍵。

圖4 實(shí)驗(yàn)1光譜測量彈靶材料的元素組成

圖5 實(shí)驗(yàn)2光譜測量彈靶材料的元素組成

3.2 電子激發(fā)溫度

圖6 實(shí)驗(yàn)1電子激發(fā)溫度擬合直線

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)1條件下的電子激發(fā)溫度為24 203 K，同樣方法得到實(shí)驗(yàn)2條件下的電子激發(fā)溫度為26 312 K。由于實(shí)驗(yàn)2的碰撞速度高于實(shí)驗(yàn)1，碰撞產(chǎn)生等離子體的電子能量較大，因此電子激發(fā)溫度較高。

3.3 閃光輻射溫度

利用光纖高溫計(jì)測量不同碰撞條件下的閃光電壓時(shí)程曲線如圖7所示。

由閃光電壓值計(jì)算得到閃光輻射強(qiáng)度及閃光輻射溫度時(shí)程曲線如圖8、圖9所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：相同碰撞角度、不同碰撞速度條件下的閃光輻射強(qiáng)度及閃光輻射溫度演化過程相近，均呈現(xiàn)快速升高至峰值后緩慢下降的趨勢，并且閃光輻射強(qiáng)度隨碰撞速度的增加而增大。

由實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2得到閃光輻射溫度峰值分別為2 886 K，3 182 K，可以得出碰撞速度越高，彈靶材料獲得的熱能越大，因此閃光輻射溫度越高；由于閃光輻射溫度表征可見光范圍內(nèi)彈靶材料的光輻射能，而電子激發(fā)溫度表征高速碰撞誘發(fā)電離的電子整體能量，因此閃光輻射溫度低于電子激發(fā)溫度。

圖7 不同碰撞速度條件下的閃光電壓時(shí)程曲線

4 結(jié)論

通過開展相同碰撞角度、不同碰撞速度條件下高速碰撞誘發(fā)的光輻射特征實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了采用光譜分析判定彈靶材料組分的可行性；不同碰撞速度條件下的閃光輻射強(qiáng)度及閃光輻射溫度演化過程相近，均呈現(xiàn)快速上升至峰值后緩慢衰落的趨勢，并且隨著碰撞速度的增加而增加；借助碰撞閃光光譜中元素的特征譜線能量函數(shù)的線性擬合可以得到電子激發(fā)溫度，其值高于碰撞產(chǎn)生的閃光輻射溫度。

圖9 不同碰撞速度條件下閃光輻射溫度時(shí)程曲線