基于电探针及光探针的冲击加载时刻测量技术

2022-12-01廖文强孙燕云吴浪黄曦晨刘福生张明建

电子制作 2022年20期

廖文强，孙燕云，吴浪，黄曦晨，刘福生，张明建

（西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都，100191）

0 引言

冲击波是一种速度达数千米每秒的应力波。一直以来科研学者们对检测极端条件下的冲击波加载样品的准确时刻有着浓厚的兴趣[1～3]。考虑到冲击波独特的物理特性，电探针是一种可行的检测冲击波加载时刻的测量手段，电探针的工作原理是通过冲击波压缩探针，迫使通电的电极瞬间导通并在输出端产生电脉冲，通过该电信号发生的时刻即为冲击波的加载时刻。但电探针的安装要求较为苛刻，并非适用于任何实验条件，因此开发其它记录冲击波加载时刻的手段是十分必要的。

研究表明当冲击波加载气泡时，受压缩的气泡会瞬间发光[4,5]，通过该光辐射信号出现的时刻亦可说明冲击波加载气泡所在区域的时刻，该技术即本文中所指的光探针技术。由于工作原理不同，光探针技术和电探针技术在不同的测量场合可以互为补充，同时亦可彼此校验。

基于上述实验需求，本文提出了将电探针与光探针相结合的方式的原位测试方法记录冲击波加载确定探测位置的具体时刻，意在进一步提高与时间变量相关的实验数据及其变化规律的测试精度。

1 实验装置及电探针设计原理

本文中的冲击加载实验基于二级轻气炮平台，其加载原理是高电流促使火药爆炸，释放能量推动活塞，活塞迅速压缩轻质气体，轻质气体被压缩至某一极限时撑开膜片，最后驱动飞片高速加载后撞击靶体，形成冲击波[6,7]。冲击波将会对样品进行冲击压缩，使其达到高温高压状态。

冲击压缩是一个迅速的过程，时间多为纳秒级，因此对实验时的检测装置的时间采集能力有较高的要求。本文实验中主要用到的检测装置是辐射高温计和数字示波器，辐射高温计是利用光电转换原理将光信号转化为电信号的仪器，拥有检测范围广，响应时间快的特点，能够同步地将光信号转换为与之对应幅值的电信号。数字示波器的作用是将电信号以数字信息的方式呈现在显示器上，本文实验中的数字示波器采样率为20GS/S，数据读取误差不超过1ns。

飞片的直径为24mm，厚度3mm，该尺寸的设计保证了样品在实验期中不会受到追赶波和边侧稀疏波的影响，且飞片在实验前经过平面抛光处理，故在靶体中形成的是一维平面波，理论上若飞片能绝对平整且飞行时不倾斜，电探针在受到平面冲击时应该同时触发。铝盖板的厚度为1mm，两个电探针端口的直线距离为20mm，小于飞片直径，可保证在实验时碰撞触发。电探针表面的绝缘漆可避免实验前出现误触发的情况，为防止飞片在高速飞行时撞损电探针，实验中将电探针扭为“L”型并在外层套入热算管进行双重防护，随后将其嵌入基板中，同时在周围利用绝缘的聚甲基丙烯酸甲酯固定，检查基板两侧没有电探针裸露在外时

进行磨平并抛光处理，尽可能保证电探针和基板的平整和光滑，降低实验误差。电探针的电压幅值大小在实验前通过电源进行调节，调节的目的在于防止电压的幅值过高，超过示波器的量程甚至击穿示波器的显示通道，导致实验数据失真，影响实验结果判读。

铜箔的厚度为0.1mm，制作时要使注意其内直径略大于电探针之间的距离，外直径与基板直径相同即可，这样的内径差设计可避免铜箔和电探针接触。本文实验中铜箔为方便实验操作时的接地，在铜箔两边进行了延展。铜箔，铝基板，铝盖板之间都用聚甲基丙烯酸甲酯年进行粘接，该黏结剂在固定前为液体状态，由于其可能会流动到电探针表面，凝结后会导致电探针无法触发，因此实验前使用要多次少量。

上述的尺寸与材料设计皆是为了在飞片碰靶之前保证电探针端面与铝盖板绝缘，在飞片碰靶后可保证冲击波达到时即刻触发。电探针设计原理如图1所示，图中的两个电探针成对角设计，冲击波到达靶心的时刻用呈对角线关系的一对电探针的平均触发时刻记录。

实验前在注入液体的过程中要快速来回抽动，以保证液体内可因湍流生成气泡依附窗口界面处，本文实验中是液体样品，需采用下进上出的方式，观察直到上出口出现液体代表已经注满。若实验样品为固体，则使用间隙发光代替气泡发光，间隙发光的原理是冲击压缩间隙中的气体，致使其达到高温高压状态，从而产生热辐射的现象，利用光纤收集光辐射信号即为冲击波的加载时刻，其余实验操作步骤相同即可。液体中的气泡发光实际上也是间隙发光的一种特殊形式，冲击加载过程中，受压缩的气泡瞬间升温升压，由于热辐射效应的存在，此时会伴有很强的气泡发光现象。

表1展示了以高浓度双氧水为探测液体的一次冲击加载试验的加载条件及飞片参数，表2给出了该次实验的其他基本参数。

表1 实验加载条件及飞片参数（W表示飞片速度）

表2 实验材料中的基本参数（d0表示样品的初始厚度，t表示冲击波经过样品的时间，P表示样品中的冲击压强，T0表示初始的环境温度）

图2为光辐射测量装置，实验中高速飞行的飞片撞击到基板，形成冲击波，冲击波透过基板进入98wt%双氧水，气泡产生的辐射光信号穿过后窗口，经半球透镜聚焦后由光纤收集传输到辐射高温计，最后在数字示波器上记录辐射变化历程。在实际实验中的气泡是十分细小且数量众多的，双氧水在湍流且自身分解生成气泡，考虑到数学随机分布，为简化问题，图2中的气泡模型仅为示意。

本次实验为捕捉更全面的光信号，光信号的接收光纤有两根，两根光纤的材料参数相同，实验前光纤的自由端面已磨平抛光处理。实验时其中一根光纤收集的光信号经过滤波宽度为650 10±nm的滤波片，随后传输进入辐射高温计，记录为红色光信号；另一根光纤收集的光信号直接传入辐射高温计，记录为白光信号。

实验中光纤的直径为1mm，孔径角为12°，光纤的接光面积较窄。因此本实验中增加一个半球透镜辅助光纤接收光信号，半球透镜的半径为3mm，焦距为6mm，由于实验材料在装配时无法完全排除人工影响，例如透镜倾斜等，为使实验时尽可能收集到较多的光信号，光纤的实际安装位置并非一定在焦距处，在实验中确定光纤的最佳收光位置的方法是在光源固定的前提下，拖动光纤位置直到能在光纤另一端观察到的光强最强，此时该位置为光纤的最佳收光位置。在后面的实验操作中，固定该光纤保证光路不再改变即可。实验前对光辐射的强度仅是通过普朗克公式计算得出，并非实际光辐射强度，因此为避免实验时的光辐射强度过高，致使数据失真，实验前需调节辐射高温计的增益大小和示波器的量程范围，保证采集到完整且清晰的实验数据。后窗口为融石英，其特点是无色透明，融石英的表面在实验前经过光学抛光处理，冲击压缩下的气泡的光辐射可完全透过，

2 实验现象及分析

电探针触发如图3所示，实验发现两个电探针虽布置于同一平面，但并未同时触发,1t时刻位于-101ns处，2t时刻位于-44ns处，表明电探针在制作及安装时未达到完全平整，但该误差仅约57ns，符合实验及工程需求，在加工误差允许的范围内。利用求平均值的方法最终确认冲击波到达电探针所在平面中心的时刻为-72.5ns。两个电探针的最高幅值相差极小，均约为27.5V，且从上升到回落的整个信号状态相似，均可表明两个电探针的安装良好且一致。

本文中使用的辐射高温计可响应的光谱波段约在300nm～650nm之间，根据普朗克公式可知，白光强度是各谱段光强度的总和，因此该实验中白光强度应该为谱段在300～650nm的光强的总和。光辐射强度信号如图4所示。

冲击波进入98wt%双氧水后立即有光辐射行为，这是含能材料起爆的特征，根据整体的光辐射行为表明整个装置状态良好，能保证良好的实验数据采集，2Et时刻附近有一个尖锐且时长极短的信号，整个时长约10ns左右，这种发光行为来自冲击压缩下的气泡发光[8,9]。2Et为通过热力学计算得到的冲击波抵达窗口时刻，图4实验中的实际光脉冲信号的发生时间与 2Et仅相差了约9ns，该一致程度表明用光探针技术探测得到的冲击波抵达气泡所在位置处的时刻结果合理[10,11,12]，可靠度高。

在EXP0106实验中，电探针的触发记录了冲击波作用到该位置时的时刻，响应速度快，精度高，实验证明该方法可完成纳秒级的检测，电探针测试法为了保证未被冲击波作用时探针端面不会被提前触发且绝缘，往往要求探针端面所对应的材料为固体（如图1中的铝盖板），因此很难直接应用于液体材料的相关测量。

与之相对照的，光探针测试技术不仅拥有响应快精度高，而且适用范围更广，既适用于液体材料，也适用与固体材料的相关测量。对于液体材料的测量，能够做到不添加任何杂质且无额外装置的情况下实现时间检测。因为冲击加载下的物质可存在多种状态[13,14,15]，杂质或额外装置的存在均可能对实验结果造成复杂的影响。不利于完成高质量数据的采集。在实际的实验及工业生产中，这一点尤为重要。若样品材料本身为固体，则固体样品与窗口间的间隙内的气泡在冲击波的作用下也存在瞬间发光现象[16]，记录该光脉冲的发生时刻也即记录了冲击波抵达该间隙的时刻，且不引入新的杂质。