高速碰撞天然白云石板誘發的光輻射特征實驗研究

韓雅菲，唐恩凌，賀麗萍

(沈陽理工大學 裝備工程學院， 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[1-4]。目前國內外科研人員對高速碰撞產生的光輻射特征的研究主要采用光電二級管、光譜儀、高溫計等測量儀器將光信號轉換為電信號，通過理論計算獲得光輻射特征各物理量。美國NASA Ames Vertical Gun Range(AVGR)實驗室開展了銅彈丸以2～5.5 km/s的碰撞速度、45°碰撞角度下的超高速碰撞實驗。實驗中利用兩套ICCD攝像機及光譜儀作為測試設備，發現光譜的持續時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噴濺物的持續時間一致[5-6]。Baird[7]從理論上推導了閃光輻射強度與碰撞速度的關系；進一步地，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，得到了閃光輻射強度與質量和速度的關系式；Reinhart[9]測量了不同沖擊壓力下的閃光輻射溫度；Thomas[10]和Jaime[11]則對高速撞擊產生的閃光輪廓演化特征進行了研究。研究高速撞擊產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用價值。

目前對高速碰撞誘發的光輻射特征研究多側重于不同碰撞條件下碰撞產生閃光強度或等離子體電子溫度等單一物理量的演化特征。為進一步明確高速碰撞誘發光輻射的物理過程，本研究建立了二級輕氣炮加載及光輻射特征采集系統，實現了相同入射角度、不同碰撞速度條件下光輻射特征物理量的采集，得到了光譜強度、閃光輻射強度、閃光輻射溫度、電子激發溫度等多個相關物理量，通過光譜分析驗證利用光譜信息推斷彈靶材料元素組成的可行性；總結了閃光的輻射強度及溫度的演化特征，同時對比了電子激發溫度與閃光輻射溫度的區別，為深刻理解高速碰撞誘發光輻射的物理機制提供參考。

1 理論模型

1.1 電子激發溫度

來自中性原子發射線的光譜輻射強度為

(1)

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

(3)

式中：I為輻射強度；h為普朗克常數；v為光子頻率；A為自發躍遷系數；g為粒子權重；Z為配分函數；E為能級；k為波爾茲曼常數；T為激發溫度；N0為基態粒子數。將式(3)進行變換可得

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1.2 閃光譜輻射強度

在熱平衡輻射條件下，閃光輻射強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、單位時間的單色輻射強度

(5)

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

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選取4個波長λ1，λ2，λ3，λ4的光譜輻照強度I1，I2，I3，I4，同時假定ε1=ε2=ε3=ε4，采用比色法，得到四色測溫法閃光輻射溫度計算公式：

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2 實驗加載及測試系統

高速碰撞實驗在沈陽理工大學強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，為消除氣體對實驗結果的影響，實驗時將發射管和靶室抽成真空，抽真空后靶室內壓力小于100 Pa。光輻射特征系統主要包括光譜儀及光纖高溫計，為避免高速撞擊產生碎片的影響，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，其工作原理如圖1所示。

圖1 高速碰撞加載系統及光輻射特征測量系統工作原理

光譜儀用于采集250～870 nm波長范圍的光譜強度；光纖高溫計(型號FOP-8)的測溫范圍為20～10 000 K，共7個通道，實驗選用500 nm、550 nm、650 nm和700 nm 4個通道進行同步測量。

彈丸選用直徑為4.6 mm的實心鋁球，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。白云石的化學成分為CaMg(CO3)2，具體組成為MgO的質量百分比為21%，CaO的質量百分比為31%，CO2的質量百分比為48% (或CaCO3的質量百分比為54.2%，MgCO3的質量百分比為45.8%)。表1為碰撞基本參數值。

表1 碰撞基本參數值

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

測量閃光輻射強度時，將光纖探頭置于與碰撞點垂直距離為lexp處，記錄實驗負載電阻Rexp和示波器測得閃光電壓值hexp，已知光纖孔徑角為θ=37°，則閃光輻射強度測量值Iexp

(8)

3 實驗結果與分析

3.1 光譜強度

圖2為實驗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的光譜輻射強度隨波長的變化關系，圖3為實驗2彈丸入射速度為3.1 km/s條件下采集的光譜輻射強度。圖4、圖5分別為依據實驗1、實驗2測量的光譜輻射強度，對元素的特征譜線進行分析得到的彈靶材料元素組成。

圖2 實驗1光譜強度

圖3 實驗2光譜強度

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。實驗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，由此說明實驗測量結果與實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的光輻射特征信息獲得。

實驗采用天然白云石板材料中包含鎂元素、鈣元素及碳酸根，而實際測量結果中無鈣、碳、硫及氧元素的特征譜線，說明在本次實驗的碰撞條件下碰撞產生的能量不足以破壞鈣元素與碳酸根間的化學鍵。

圖4 實驗1光譜測量彈靶材料的元素組成

圖5 實驗2光譜測量彈靶材料的元素組成

3.2 電子激發溫度

圖6 實驗1電子激發溫度擬合直線

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

3.3 閃光輻射溫度

利用光纖高溫計測量不同碰撞條件下的閃光電壓時程曲線如圖7所示。

由閃光電壓值計算得到閃光輻射強度及閃光輻射溫度時程曲線如圖8、圖9所示。

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

由實驗1、實驗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彈靶材料的光輻射能，而電子激發溫度表征高速碰撞誘發電離的電子整體能量，因此閃光輻射溫度低于電子激發溫度。

圖7 不同碰撞速度條件下的閃光電壓時程曲線

4 結論

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的光輻射特征實驗研究證實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度及閃光輻射溫度演化過程相近，均呈現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的線性擬合可以得到電子激發溫度，其值高于碰撞產生的閃光輻射溫度。

圖9 不同碰撞速度條件下閃光輻射溫度時程曲線