超高速碰撞2024－T4铝靶产生的膨胀等离子体云的电磁特性＊

唐恩凌，相升海，张 薇，李乐新，于 辉，赵新颖

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110159）

流星体或空间碎片与在轨航天器的碰撞能明显地引起材料升温，导致局部温度高达10kK，甚至更高。碰撞过程的早期阶段，在这样极端的条件下喷出物的部分物质会发生电离，产生等离子体［1－6］。由于超高速碰撞产生的瞬态等离子体具有时间分布率高、波动性大、粒子分布不均匀和寿命短等特点，对该等离子体的诊断不能采用常用的由直流电源提供偏压的稳态等离子体诊断方法。已有的研究［2－15］表明，由正弦电压驱动的扫描朗缪尔探针诊断系统、提供直流偏压的朗缪尔三探针诊断系统可用于诊断瞬态等离子体的特征参量（电子密度、电子温度等），感应线圈系统可用于测量磁感应强度。本文中拟利用自行构建的实验系统，扫描朗缪尔探针、朗缪尔三探针诊断系统及感应线圈测量系统，测量2种不同实验参数条件下超高速碰撞产生的等离子体的电子温度、电子密度和磁感应强度。

1 实验设计

1.1 实验及诊断系统

实验系统由弹丸加载系统、等离子体诊断系统及相关附属系统组成。图1为实验和朗缪尔探针诊断系统示意图。

扫描朗缪尔探针所需的扫描电压由函数信号发生器提供，实验中扫描频率为0.5MHz，采样长度为20ms；示波器记录扫描电压（即CH4）以及实际加在探针1上的电压（CH5），CH4的电压与CH5的电压之差除以电阻R即为流过探针1的电流。以弹丸飞过磁测速线圈的瞬间所激发的电动势脉冲作为数字示波器的外触发信号，示波器一经触发便记录CH4、CH5两路电压此后20ms内的变化情况。原则上，要求朗缪尔探针的伏安特性曲线在等离子体处于某一稳定状态下进行测量。这里，假设在扫描电压的每半个周期（100μs）内等离子体的状态是近似不变的。因此，对应扫描电压的每一个周期都可以测得一条伏安特性曲线，而由每一条伏安特性曲线可推算得到等离子体的电子温度等参数，故可以求得探针所在位置的电子温度和电子密度等随时间的变化。

图1 实验和朗缪尔探针诊断系统示意图Fig.1Schematic of the experiment and Langmuir probe diagnostic systems

在图1的朗缪尔三探针诊断系统中，采集三探针中Tip2的漂浮电势V2，Tip1和Tip3作为漂浮对称双探针。Tip1的电势V1为正，相对于Tip3的电压为直流，电源可由干电池组或蓄电池提供，其值可选择。V2相对于V1的电压差可以决定等离子体的电子温度，进而可决定等离子体的电子密度等特征参量。示波器的CH2通道用来记录Tip1的电压，CH3通道记录Tip2的电压、CH1通道记录流过Tip1和Tip3等2探针间的电流。当靶板上空不存在等离子体时，由于没有形成回路，CH1、CH2和CH3没有电流和电压输出；当靶板上空出现等离子体并覆盖探针时，三探针中Tip1和Tip3间形成了回路，CH1便有电流输出；与此同时，CH2和CH3与测量系统形成了回路，因此有相应的电压输出。实验和线圈测量系统布局如图2所示。

图2 实验和线圈测量系统布局Fig.2Layout of the experiment and coil measurement systems

利用二级轻气炮发射弹丸碰撞靶板，线圈放在下弹道；缠有铝薄防护的线圈通过支撑固定在靶板垫板上给定的位置；产生膨胀等离子体云的电测信号由线圈采集，采集的弱电压信号经运算放大器放大输入示波器的输入端。线圈的2个输出端输入运算放大器的2个输入端，对采集的电压信号进行放大，放大后的电压信号经运算放大器的单端输出，输入示波器的一个通道。示波器得到的电压信号为∂B／∂t，需对电压信号积分，并结合系统标定，得到期望的磁感应强度B与时间t的关系。

1.2 实验基本参数

弹丸为实心球体，直径为6mm；靶板厚25mm；弹丸和靶板材料均为2024－T4铝。弹丸碰撞角度（弹道与靶板平面的夹角）均为30°，弹丸的着靶速度分别为5.10和5.90km／s，靶室的真空度分别为133和142Pa。

扫描朗缪尔探针和朗缪尔三探针均垂直于靶板，对称分布于弹道两侧。2种探针的材料均为钨丝，长度为10mm，直径为0.28mm，用来测量等离子体的特征参量。线圈内径为30mm。以弹丸着靶点作为坐标原点O（0，0，0），指向上弹道的方向作为空间三维坐标y轴的正方向，垂直于靶板平面且方向向上为z轴的正方向，x轴的方向满足右手定则。

2发实验中，扫描朗缪尔探针在靶板垫板上的坐标均为（50mm，0，75mm），朗缪尔三探针在靶板垫板上的坐标均为（－50mm，0，75mm），线圈1在靶板垫板上的坐标均为（50mm，185mm，180mm），线圈2在靶板垫板上的坐标均为（－50mm，185mm，180mm）。

2 诊断系统理论

2.1 扫描朗缪尔探针理论

当探针的电位Vpr大于等离子体的空间电势Vp时，大部分探针电流Ipr是由于电子引起的

离子饱和电流

式中：n为等离子体的粒子密度，Mi为离子质量。由式（1）得

可以通过ln（Ipr／A）～Vpr的关系得到电子温度。

2.2 朗缪尔三探针理论

朗缪尔三探针阵列由3组平行的柱状钨丝组成，其余部分由三氧化二铝屏蔽。使用三探针结构测量等离子体特征参量是通过采集Tip1的漂浮电势V1，Tip2的电势V2，Tip2相对于Tip3的电压值为Vb＝10V。V2相对于V1的电压值可以决定等离子体的电子温度Te，Te值遵循下列关系

电子温度Te可通过下列关系计算

由电子温度Te可计算电子密度

式中：A为探针暴露部分的表面积，Mi为原子质量或离子质量，I＝Vd3／R。

2.3 线圈测量理论

感应式线圈是用来测量等离子体磁场时空演化的一种传感器。将该线圈置于等离子体内部，由变化的磁场在线圈中产生的感生电动势来测定该线圈面积内的平均磁感应强度。由法拉第电磁感应定律可知，线圈内产生的感生电动势

式中：N为线圈的匝数，S为线圈的面积。通过对电动势的积分可求得磁感应强度。

3 实验结果与分析

以实验1为例分析典型实验数据。着靶点到探针1中心的距离为90.13mm，由图3可知探针感受信号的起始时间为（52±10）μs，持续到2.4ms。

图3 实验1中扫描朗缪尔探针的电位和电流随时间的变化Fig.3Variation of potential and current on the sweep Langmuir probe with time in experiment 1

图4 实验1中朗缪尔三探针的原始信号Fig.4Raw signals on the triple Langmuir probe in experiment 1

着靶点到探针2中心的距离为90.13mm，由图4信号判读可知，探针感受信号的起始时刻为（54±10）μs，持续到0.9ms。实验中，扫描朗缪尔探针1与朗缪尔三探针2不能安装在同一位置，因为扫描朗缪尔探针的工作需要正弦波扫描电压提供载波信号，会对朗缪尔三探针产生干扰，使测量信号失真。由图3～4可知，通过对称安装的扫描朗缪尔探针和朗缪尔三探针信号可知，碰撞产生的等离子体云的膨胀速度约为1.73km／s。扫描朗缪尔探针信号的持续时间长于朗缪尔三探针信号的持续时间是由于靶室实验条件的制约，从图3中0.9～2.4ms的信号可以断定，碰撞靶室的碎片反弹产生二次等离子体云使扫描朗缪尔探针感受到叠加的次级信号。

由图3～4可知，无论是探针感受到信号的起始时刻和持续时间［4－5］，还是扫描朗缪尔探针1与朗缪尔三探针2信号出现的先后，都说明实验中有等离子体产生。图5为实验2磁场特性测量中感生电动势随时间的变化关系。

图5 实验2中线圈的感生电动势随时间的变化Fig.5Variation of induced electomotive force of the coils with time in experiment 2

上述实验采集的波形、波形的波动及数据量级与已有实验结果接近［5，11］，同时也说明，超高速碰撞产生的等离子体具有分布不均匀、波动性大的特点；可物理解释为超高速碰撞产生的等离子体在喷射的过程中经历着在熔池中酝酿，当温度超过弹靶材料的第一电离能时，等离子体开始产生，而且产生的过程持续时间很短。下面对典型的实验数据进行分析。

以实验1的探针1为例，触发后200～300μs半个扫描周期内Ipr－Vpr和ln（Ipr／A）－Vpr关系如图6所示。

图6 实验1中探针1的电流与电位典型的关系曲线Fig.6Typical relationship between current and potential for probe 1in experiment 1

根据图6（b）结合式（3）得到电子温度Te约为0.6eV。用同样的方法对实验1～2中的扫描朗缪尔探针采集的数据每半个扫描周期100μs进行处理，得到图7中的众多离散数据点。由此可以得到2发实验中扫描朗缪尔探针得到的电子温度和电子密度随时间的变化关系。

由图7可以看出，实验1～2中扫描朗缪尔探针1的平均电子温度分别为0.4和0.8eV，朗缪尔三探针2的平均电子温度分别为0.5和0.9eV，电子密度在1012cm－3量级。另外，比较扫描朗缪尔探针和朗缪尔三探针的实验结果可以看出，二者得到的特征参量诊断结果较接近。图8为实验2中线圈磁感应强度随时间的变化关系。由图可见，对称位置安放线圈的磁感应强度幅值接近。

图7 电子温度和电子密度随时间的变化Fig.7Variation of electron temperature and electron density with time

图8 实验2中线圈磁感应强度随时间的变化Fig.8Variation of magnetic induction intensity of coils with time in experiment 2

在图8中，线圈1和2的曲线变化趋势出现了一定的差异，一方面说明超高速碰撞产生的等离子体分布的不均匀，另一方面也说明线圈连入电路的方向是有区别的。由等离子体的特征参量诊断可以看出，在碰撞角度和传感器布局均相同的条件下，等离子体羽在膨胀、冷却和重组的整个过程中电子温度和电子密度的峰值随着碰撞速度的增大而升高。上述实验结果可解释为：碰撞产生的等离子体的电子温度和电子密度的变化与加热材料弹坑所暴露的面积增加一致。高的碰撞速度使弹丸的侵入深度增加，熔池扩大，使暴露部分面积增大，更多的材料将从成坑中喷出，大多数沿下弹道方向。这些因素导致辐射材料的大部分暴露于探测器的探头。

4 结 论

采用扫描朗缪尔探针、朗缪尔三探针诊断系统和线圈测量系统，对2024－T4铝弹丸分别以30°的入射角度（弹道与靶板平面的夹角），5.10和5.90km／s的初始速度碰撞2024－T4铝靶产生的等离子体进行了诊断。实验结果表明，用扫描朗缪尔探针和朗缪尔三探针诊断系统诊断超高速碰撞产生的等离子体的电子温度和电子密度是可靠的，用线圈测量系统测量磁感应强度是可行的。扫描朗缪尔探针和朗缪尔三探针的诊断结果表明，二者诊断的结果较接近。实验结果还表明，在碰撞角度和传感器布局均相同的条件下，随着碰撞速度的增大，电子温度和电子密度的幅值升高；同一实验中，对称空间位置磁感应强度幅值接近。

实验中得到西南交通大学高压物理实验室的刘福生教授、张明建老师和薛学东老师等的帮助，在此谨表谢意。

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