基于電探針及光探針的沖擊加載時(shí)刻測(cè)量技術(shù)

廖文強(qiáng)，孫燕云，吳浪，黃曦晨，劉福生，張明建

（西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都，100191）

0 引言

沖擊波是一種速度達(dá)數(shù)千米每秒的應(yīng)力波。一直以來科研學(xué)者們對(duì)檢測(cè)極端條件下的沖擊波加載樣品的準(zhǔn)確時(shí)刻有著濃厚的興趣[1～3]。考慮到?jīng)_擊波獨(dú)特的物理特性，電探針是一種可行的檢測(cè)沖擊波加載時(shí)刻的測(cè)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(dǎo)通并在輸出端產(chǎn)生電脈沖，通過該電信號(hào)發(fā)生的時(shí)刻即為沖擊波的加載時(shí)刻。但電探針的安裝要求較為苛刻，并非適用于任何實(shí)驗(yàn)條件，因此開發(fā)其它記錄沖擊波加載時(shí)刻的手段是十分必要的。

研究表明當(dāng)沖擊波加載氣泡時(shí)，受壓縮的氣泡會(huì)瞬間發(fā)光[4,5]，通過該光輻射信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻亦可說明沖擊波加載氣泡所在區(qū)域的時(shí)刻，該技術(shù)即本文中所指的光探針技術(shù)。由于工作原理不同，光探針技術(shù)和電探針技術(shù)在不同的測(cè)量場(chǎng)合可以互為補(bǔ)充，同時(shí)亦可彼此校驗(yàn)。

基于上述實(shí)驗(yàn)需求，本文提出了將電探針與光探針相結(jié)合的方式的原位測(cè)試方法記錄沖擊波加載確定探測(cè)位置的具體時(shí)刻，意在進(jìn)一步提高與時(shí)間變量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律的測(cè)試精度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及電探針設(shè)計(jì)原理

本文中的沖擊加載實(shí)驗(yàn)基于二級(jí)輕氣炮平臺(tái)，其加載原理是高電流促使火藥爆炸，釋放能量推動(dòng)活塞，活塞迅速壓縮輕質(zhì)氣體，輕質(zhì)氣體被壓縮至某一極限時(shí)撐開膜片，最后驅(qū)動(dòng)飛片高速加載后撞擊靶體，形成沖擊波[6,7]。沖擊波將會(huì)對(duì)樣品進(jìn)行沖擊壓縮，使其達(dá)到高溫高壓狀態(tài)。

沖擊壓縮是一個(gè)迅速的過程，時(shí)間多為納秒級(jí)，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)的檢測(cè)裝置的時(shí)間采集能力有較高的要求。本文實(shí)驗(yàn)中主要用到的檢測(cè)裝置是輻射高溫計(jì)和數(shù)字示波器，輻射高溫計(jì)是利用光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的儀器，擁有檢測(cè)范圍廣，響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)，能夠同步地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)幅值的電信號(hào)。數(shù)字示波器的作用是將電信號(hào)以數(shù)字信息的方式呈現(xiàn)在顯示器上，本文實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字示波器采樣率為20GS/S，數(shù)據(jù)讀取誤差不超過1ns。

飛片的直徑為24mm，厚度3mm，該尺寸的設(shè)計(jì)保證了樣品在實(shí)驗(yàn)期中不會(huì)受到追趕波和邊側(cè)稀疏波的影響，且飛片在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)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(duì)平整且飛行時(shí)不傾斜，電探針在受到平面沖擊時(shí)應(yīng)該同時(shí)觸發(fā)。鋁蓋板的厚度為1mm，兩個(gè)電探針端口的直線距離為20mm，小于飛片直徑，可保證在實(shí)驗(yàn)時(shí)碰撞觸發(fā)。電探針表面的絕緣漆可避免實(shí)驗(yàn)前出現(xiàn)誤觸發(fā)的情況，為防止飛片在高速飛行時(shí)撞損電探針，實(shí)驗(yàn)中將電探針扭為“L”型并在外層套入熱算管進(jìn)行雙重防護(hù)，隨后將其嵌入基板中，同時(shí)在周圍利用絕緣的聚甲基丙烯酸甲酯固定，檢查基板兩側(cè)沒有電探針裸露在外時(shí)

進(jìn)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(shí)驗(yàn)誤差。電探針的電壓幅值大小在實(shí)驗(yàn)前通過電源進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果判讀。

銅箔的厚度為0.1mm，制作時(shí)要使注意其內(nèi)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(nèi)徑差設(shè)計(jì)可避免銅箔和電探針接觸。本文實(shí)驗(yàn)中銅箔為方便實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的接地，在銅箔兩邊進(jìn)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(jìn)行粘接，該黏結(jié)劑在固定前為液體狀態(tài)，由于其可能會(huì)流動(dòng)到電探針表面，凝結(jié)后會(huì)導(dǎo)致電探針無(wú)法觸發(fā)，因此實(shí)驗(yàn)前使用要多次少量。

上述的尺寸與材料設(shè)計(jì)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(dá)到時(shí)即刻觸發(fā)。電探針設(shè)計(jì)原理如圖1所示，圖中的兩個(gè)電探針成對(duì)角設(shè)計(jì)，沖擊波到達(dá)靶心的時(shí)刻用呈對(duì)角線關(guān)系的一對(duì)電探針的平均觸發(fā)時(shí)刻記錄。

實(shí)驗(yàn)前在注入液體的過程中要快速來回抽動(dòng)，以保證液體內(nèi)可因湍流生成氣泡依附窗口界面處，本文實(shí)驗(yàn)中是液體樣品，需采用下進(jìn)上出的方式，觀察直到上出口出現(xiàn)液體代表已經(jīng)注滿。若實(shí)驗(yàn)樣品為固體，則使用間隙發(fā)光代替氣泡發(fā)光，間隙發(fā)光的原理是沖擊壓縮間隙中的氣體，致使其達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生熱輻射的現(xiàn)象，利用光纖收集光輻射信號(hào)即為沖擊波的加載時(shí)刻，其余實(shí)驗(yàn)操作步驟相同即可。液體中的氣泡發(fā)光實(shí)際上也是間隙發(fā)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(yīng)的存在，此時(shí)會(huì)伴有很強(qiáng)的氣泡發(fā)光現(xiàn)象。

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

表1 實(shí)驗(yàn)加載條件及飛片參數(shù)（W表示飛片速度）

表2 實(shí)驗(yàn)材料中的基本參數(shù)（d0表示樣品的初始厚度，t表示沖擊波經(jīng)過樣品的時(shí)間，P表示樣品中的沖擊壓強(qiáng)，T0表示初始的環(huán)境溫度）

圖2為光輻射測(cè)量裝置，實(shí)驗(yàn)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(jìn)入98wt%雙氧水，氣泡產(chǎn)生的輻射光信號(hào)穿過后窗口，經(jīng)半球透鏡聚焦后由光纖收集傳輸?shù)捷椛涓邷赜?jì)，最后在數(shù)字示波器上記錄輻射變化歷程。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的氣泡是十分細(xì)小且數(shù)量眾多的，雙氧水在湍流且自身分解生成氣泡，考慮到數(shù)學(xué)隨機(jī)分布，為簡(jiǎn)化問題，圖2中的氣泡模型僅為示意。

本次實(shí)驗(yàn)為捕捉更全面的光信號(hào)，光信號(hào)的接收光纖有兩根，兩根光纖的材料參數(shù)相同，實(shí)驗(yàn)前光纖的自由端面已磨平拋光處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)其中一根光纖收集的光信號(hào)經(jīng)過濾波寬度為650 10±nm的濾波片，隨后傳輸進(jìn)入輻射高溫計(jì)，記錄為紅色光信號(hào)；另一根光纖收集的光信號(hào)直接傳入輻射高溫計(jì)，記錄為白光信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中增加一個(gè)半球透鏡輔助光纖接收光信號(hào)，半球透鏡的半徑為3mm，焦距為6mm，由于實(shí)驗(yàn)材料在裝配時(shí)無(wú)法完全排除人工影響，例如透鏡傾斜等，為使實(shí)驗(yàn)時(shí)盡可能收集到較多的光信號(hào)，光纖的實(shí)際安裝位置并非一定在焦距處，在實(shí)驗(yàn)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(dòng)光纖位置直到能在光纖另一端觀察到的光強(qiáng)最強(qiáng)，此時(shí)該位置為光纖的最佳收光位置。在后面的實(shí)驗(yàn)操作中，固定該光纖保證光路不再改變即可。實(shí)驗(yàn)前對(duì)光輻射的強(qiáng)度僅是通過普朗克公式計(jì)算得出，并非實(shí)際光輻射強(qiáng)度，因此為避免實(shí)驗(yàn)時(shí)的光輻射強(qiáng)度過高，致使數(shù)據(jù)失真，實(shí)驗(yàn)前需調(diào)節(jié)輻射高溫計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。后窗口為融石英，其特點(diǎn)是無(wú)色透明，融石英的表面在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過光學(xué)拋光處理，沖擊壓縮下的氣泡的光輻射可完全透過，

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

電探針觸發(fā)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電探針雖布置于同一平面，但并未同時(shí)觸發(fā),1t時(shí)刻位于-101ns處，2t時(shí)刻位于-44ns處，表明電探針在制作及安裝時(shí)未達(dá)到完全平整，但該誤差僅約57ns，符合實(shí)驗(yàn)及工程需求，在加工誤差允許的范圍內(nèi)。利用求平均值的方法最終確認(rèn)沖擊波到達(dá)電探針?biāo)谄矫嬷行牡臅r(shí)刻為-72.5ns。兩個(gè)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(gè)信號(hào)狀態(tài)相似，均可表明兩個(gè)電探針的安裝良好且一致。

本文中使用的輻射高溫計(jì)可響應(yīng)的光譜波段約在300nm～650nm之間，根據(jù)普朗克公式可知，白光強(qiáng)度是各譜段光強(qiáng)度的總和，因此該實(shí)驗(yàn)中白光強(qiáng)度應(yīng)該為譜段在300～650nm的光強(qiáng)的總和。光輻射強(qiáng)度信號(hào)如圖4所示。

沖擊波進(jìn)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(jù)整體的光輻射行為表明整個(gè)裝置狀態(tài)良好，能保證良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，2Et時(shí)刻附近有一個(gè)尖銳且時(shí)長(zhǎng)極短的信號(hào)，整個(gè)時(shí)長(zhǎng)約10ns左右，這種發(fā)光行為來自沖擊壓縮下的氣泡發(fā)光[8,9]。2Et為通過熱力學(xué)計(jì)算得到的沖擊波抵達(dá)窗口時(shí)刻，圖4實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際光脈沖信號(hào)的發(fā)生時(shí)間與 2Et僅相差了約9ns，該一致程度表明用光探針技術(shù)探測(cè)得到的沖擊波抵達(dá)氣泡所在位置處的時(shí)刻結(jié)果合理[10,11,12]，可靠度高。

在EXP0106實(shí)驗(yàn)中，電探針的觸發(fā)記錄了沖擊波作用到該位置時(shí)的時(shí)刻，響應(yīng)速度快，精度高，實(shí)驗(yàn)證明該方法可完成納秒級(jí)的檢測(cè)，電探針測(cè)試法為了保證未被沖擊波作用時(shí)探針端面不會(huì)被提前觸發(fā)且絕緣，往往要求探針端面所對(duì)應(yīng)的材料為固體（如圖1中的鋁蓋板），因此很難直接應(yīng)用于液體材料的相關(guān)測(cè)量。

與之相對(duì)照的，光探針測(cè)試技術(shù)不僅擁有響應(yīng)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(guān)測(cè)量。對(duì)于液體材料的測(cè)量，能夠做到不添加任何雜質(zhì)且無(wú)額外裝置的情況下實(shí)現(xiàn)時(shí)間檢測(cè)。因?yàn)闆_擊加載下的物質(zhì)可存在多種狀態(tài)[13,14,15]，雜質(zhì)或額外裝置的存在均可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成復(fù)雜的影響。不利于完成高質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)及工業(yè)生產(chǎn)中，這一點(diǎn)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(nèi)的氣泡在沖擊波的作用下也存在瞬間發(fā)光現(xiàn)象[16]，記錄該光脈沖的發(fā)生時(shí)刻也即記錄了沖擊波抵達(dá)該間隙的時(shí)刻，且不引入新的雜質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

電探針作為一種電開關(guān)裝置，利用沖擊波強(qiáng)壓縮性質(zhì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)，實(shí)驗(yàn)精度達(dá)到了納秒級(jí)，直觀地反映了沖擊波在該位置的觸發(fā)時(shí)刻，分析電探針的數(shù)據(jù)模型，亦可得實(shí)驗(yàn)時(shí)的觸發(fā)效果。其“L”型結(jié)構(gòu)使得電探針既能完成正面碰撞的同時(shí)，又能保證原位觸發(fā)，提高了實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度及實(shí)驗(yàn)效率。

光探針測(cè)試技術(shù)中的氣泡并不屬于外物所加的雜質(zhì)粒子，不會(huì)對(duì)樣品的整體光輻射信號(hào)有影響，適用于多種樣品材料的沖擊加載時(shí)間測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的原位測(cè)量。綜上所述，本文通過電探針和光探針相結(jié)合的方式多角度探討了記錄沖擊波抵達(dá)確定位置的設(shè)計(jì)方案，為相關(guān)研究提供了參考和依據(jù)。