超高速碰撞LY12铝靶产生膨胀等离子体云的电导率测量

　　Frichtenicht和Slattery于1963年首次报道了超高速碰撞产生等离子体现象[1]。流星体、空间碎片的超高速碰撞明显地引起材料加热,导致局部温度高达10 000 K甚至更高。在碰撞过程的早期,在这样极端条件下,喷出物的部分物质会发生电离,产生等离子体[2-6]。超高速碰撞产生等离子体的瞬态磁信号测量曾有过相关报道[7-8]。P.H.Schultz和D.A.Crawford等[8]的研究表明,对白云石靶板材料而言,在碰撞速度为5.5 km/s,碰撞角度与靶板平面夹角为15°时,在靶板上方产生了膨胀等离子体云。本文针对超高速碰撞产生等离子体分布的不均匀性特点,用扫描电探针法,通过对探针测量系统的等效电路分析,对给定位置探针处超高速碰撞产生膨胀等离子体云的电导率进行了测量。

　　1　实验设计

　　1.1　实验基本参数

　　实验在西南交通大学高温高压物理实验室的二级轻气炮上进行。弹丸和靶板材料均为LY12-Al。弹丸为实心球体,直径为6.4 mm;靶板尺寸为150 mm×150 mm×10 mm;碰撞角度指弹道与靶板平面的夹角,实验基本参数见表1。

　　1.2　探针相对于靶板的布局

　　以弹丸着靶点为坐标原点O,指向上弹道的方向作为空间3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。空间直角坐标系的建立如图1所示。

　　探针的安装方式:平行靶板、垂直弹道,探针中心与弹道在同一垂直于靶板的平面上。探针在靶室内靶板垫板上的布局见表2。探针材料均为铜丝,用于测量膨胀等离子体云的电导率。

　　1.3　扫描电探针系统

　　提供偏压的电源采用江苏扬中华高仪器设备有限公司生产的HG1200系列函数信号发生器;电探针为自制;扫描电探针系统示意图如图2所示。R为1 kΩ的电阻,安装在阻抗匹配器中;CH1,CH2,CH3,CH4是TDS854数字荧光示波器的4个通道。CH1记录探针1的电源电位,CH2记录探针1相对于接地极垫板的探针电位;CH3记录探针2的电源电位,CH4记录探针2相对于接地极板的探针电位。

　　1.4　探针系统等效电路

　　以探针1为例,系统等效电路如图3所示,其它探针的情况类似。图3中ε0为电源所加的正弦波电压;VP1为探针电位;VP2为电源电位。σ(t)为等离子体的电导率;R为电路中所加的采样电阻。分析等效电路为

　　从上述的推导可以看出,方程组的解是唯一的,据此可以推算出膨胀等离子体云的电导率。

　　1.5　电导率的理论计算公式

　　在外电场中等离子体的电荷载体将沿着电场线方向以恒定速度漂移,而离子的漂移速度较电子低得多,因此电导率主要取决于电子的输运过程。等离子体电导率为[9]