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激光驱动飞片加速特征分析王飞讲解
4卷第11期 第2012年11月 2
强激光与粒子束
HIGHPOWERLASER ANDPARTICLEBEAMS
Vol.24,No.11
,Nov.2012
()文章编号:
0014322201211253106 1---
激光驱动飞片加速特征分析
王 飞, 陈 朗, 伍俊英, 孙崔源
()北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081
*
飞片的加速特征是需要认识的关键问题之一。
设计了强激光作用金属 摘 要:
在激光驱动飞片研究中,采用聚偏氟乙烯(压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片速度和加膜驱动飞片实验,PVDF)速度,分析激光能量对飞片加速性能的影响。
基于G建立了激光驱动飞片速度的计算模型,根据urney能理论,分析了激光能量和膜体厚度对飞片速度的影响。
实验结实验结果获得了激光能量损失系数和有效吸收系数,
果表明:
不同激光能量下飞片的加速特征基本相似,激光能量变化对飞片的加速时间影响较小;激光能量较大的情况下,膜体厚度对飞片最大速度、能量耦合系数的影响更显著;当膜体超过一定厚度时,能量耦合系数不再增加。
关键词:
激光驱动; 等离子体; 飞片; 速度测量
:
/484.4 文献标志码:
oi10.3788HPLPB20122411.2531 中图分类号:
O A d
[]12
激光驱动飞片技术主要用于炸药起爆和超高速碰撞等研究-。
激光驱动飞片装置主要通过形成一定速
因此在激光驱动飞片研究中,飞片加速特征是一个需要关心的重要问题。
度和质量的飞片以实现其作用性能,
目前,主要通过实验测量和理论计算飞片速度来分析飞片的加速特征。
利用激光速度干涉仪可以测量激光驱
]34-
。
利用飞片撞靶时动飞片的瞬时速度,从而获得飞片速度变化的全过程,但仪器设备成本高,技术相对复杂[
间测量方法可以获得飞片飞行距离与时间的关系,从而计算出飞片的速度和加速度,该方法对测量设备要求不高,实验成本低,技术上容易实现。
测量飞片撞靶时间时采用的传感器主要有石英晶体和聚偏氟乙烯(PVDF)
]57-
,压电晶体、主要是测量飞片平均速度,对飞片加速特征分析较少[PVDF压电薄膜等。
但现有多数研究中,[]89
理论计算方法则主要是基于Gurney能理论来计算飞片的最大速度-。
本文设计了激光驱动飞片实验系统,
进行了不同激光能量驱动飞片实验,采用P获得了不同激光能VDF压电薄膜测量飞片到达不同距离的时间,采用G分析激光强度和膜体厚度等因素对飞片速度的影响。
量下飞片加速性能,urney能理论计算方法,
1 激光驱动飞片实验
在激光驱动飞片实验中,确定激光脉冲的能量是一个关键问题。
为此,本文设计了强激光作用金属膜驱动反射/透射镜、聚焦透镜、飞片发生器、激光能量计、光电转换器和示波飞片实验系统。
实验系统由固体激光器、
器等部分组成,实验系统原理如图1所示。
实验时,固体激光器发出的强激光,经过反射/透射镜后分成两束。
大部分激光通过反射后,再由聚焦透镜聚焦到飞片发生器金属膜上用于驱动飞片,少量激光经透射后,其能量被激光能量计记录。
根据反射/透射镜的反射激光与透射激光的能量比例关系,可计算出实际作用到金属膜上的激光能量。
由于激光驱动飞片的作用时间很短,因此,实验测量中确定激光作用的起始时间很重要。
实验中,采用光电转换器记录激光出光,将光信号转化为电信号,由数字示波器记录,并作为示波器的启动信号。
飞片发生器由透明基底、金属膜、垫环和压电薄膜靶体等部分组成,其作用原理如图2所示。
强激光在金属膜上聚焦,烧蚀部分膜体产生高温高压等离子体,等离子体膨胀,将剩余膜体驱动出去,形成高速飞片。
飞片薄膜受力产生压电信号被示波器记录。
根据示波器记录激光发光时间和P撞击PVDF压电薄膜后,VDF薄膜压电信号之间的时间差,可以得到飞片达到靶体的时间。
实验中改变垫环厚度,就能获得飞片到达不同距离的时间。
:
,,实验采用N激光波长为1.脉宽为1最大输出激光能量为1J光斑空间dYAG固体激光器,064μm,0ns分布为类平顶分布。
飞片发生器中,基底材料为K金属膜为铝膜,垫环为聚亚酰胺,厚度误差为1μ9玻璃,m。
;2012020620120320*收稿日期:
-- 修订日期:
--
,_作者简介:
王 飞(女,博士研究生,主要从事激光与物质作用、炸药起爆研究等;1985—)wanfei609@163.com。
g
:
(—),,,,、;。
通信作者伍俊英1女博士讲师从事爆轰燃烧和含能材料安全性研究w9771312@bit.edu.cnjy
采用厚度分别为50,100,150,200和250μm的5种厚度垫环进行实验。
2 激光驱动飞片速度理论计算
8]
,根据G建立激光驱动飞片速度的一维理论模型[计算不同激光能量下的飞片速度,可认urney能理论,
并呈指数分布;等离子为是飞片的最大速度。
模型假设沉积于烧蚀区的激光能量由材料的有效吸收系数决定,
体的粒子速度为线性分布,速度从零线性增长到飞片速度;等离子体的动能比势能大得多,忽略等离子体的势能;飞片势能变化为0。
根据能量守恒原理,沉积在膜体内的激光能量转化为三个部分:
烧蚀膜体的汽化能、等离子体的动能和飞片的动能。
其中,计算飞片速度的关键是计算等离子体的动能,或者找出等离子体动能和飞片动能的关系。
根据模型假设,在距离基底x位置处,等离子体的速度为
vf
v(x)=, 0≤x≤xd
xd
式中:
即激光烧蚀深度。
由能量守恒关系式可得vxd为等离子体层的厚度,f为飞片的速度;
1
xE=dρ2
()1
2
v1f2
()x+(x0-xd)v2df
0x2d
式中:
左边表示沉积的激光能量;右边第1项表示等离子体动能;右边第2项表示飞片动能;E为激光的Gur-
表示沉积在单位质量金属内的激光能量中,用于等离子体和飞片运动的能量;nex0为金属y能,ρ为金属密度;
)
xd
),膜厚度;即激光烧蚀深度;飞片速度可表示为xd为等离子体厚度,v2f为飞片的速度。
根据式(
E3
()x0v3f=-1xd),已知金属膜的初始厚度x0,若要求出飞片的速度v需要先确定G3urne 按照式(y能E和飞片的烧蚀f,
12]
,激光在金属膜体内沉积的能量为深度xd。
根据朗伯定律[
(()x)F0(1-r)exx)4=μe-μeε(pffffρ
;式中:
包括反射和辐射损失)F0为入射激光能量密度;r为有效能量损失(ff为有效吸收系数;μeρ为金属密
度;热扩散率和激光脉宽有关,表达式为x为激光在金属中的沉积深度。
有效吸收系数μeff与真实吸收系数、
/12
a
=/μ12
1+kστ)μaρ(
式中:
k为有效吸收系数。
Gurneσ为热扩散率;y能E表示为μa为真实吸收系数;ζ为激光脉宽;
eff
()5
xdρ
计算激光烧蚀深度xd为 根据金属材料的汽化能εd,
F0(1-r)1eff
xd=n
εffdμeρ
),(),)分别计算出G计算飞片速度。
67uerne3 先根据式(y能E和烧蚀深度xd。
再根据式(
xd
[x)dxε(-ε]F(1-r)E=1+=-ε(
0
d
0
d
xd
1
xdffμeρ
)
()6
()7
计算所需要的大部分参数是已知的,实验参数包括入射激光能量I,光斑直径d,激光脉宽ζ,金属膜厚度密度ρ,汽化能ε热扩散系数α,真实吸收系数μa,可由材料手册查出。
而激光与飞片x0。
金属膜物性参数:
d,
的能量耦合参数,包括激光能量损失系数r和有效吸收系数k是与具体的实验条件有关的,可根据实验结果进行标定。
在实际情况中,由于实验条件不同,激光与飞片的能量耦合可能存在差异。
确定激光与飞片的能量耦合系数是理论计算的关键。
计算中,先以一组激光能量下的实验飞片最大速度为基准,来拟合激光与飞片的能量耦然后把不同激光能量下计算的飞片最大速度与实验结果进行对比,以验证计算正确性。
在此基础上,合系数,
对不同厚度的膜体在不同入射激光能量下的飞片最大速度进行计算。
3 实验与计算结果
3.1 激光驱动飞片速度测量
表1是实验测量的不同激光能量下飞片到达不同距离靶板时间。
根据飞片飞行距离(与时间(的关s)t)可以得到飞片速度和加速度与时间的关系。
系,
表1 不同激光能量下飞片到达不同距离靶板时间
Table1 Flihtdistanceandtimeofflerdrivenbdifferentlasereneries gyyg
laserener gy
/mJ138.8 201.9 253.0 305.1 360.3
s/m52 54 54 53 54
t/ns37.70 34.71 29.85 25.84 23.89
s/m102 100 100 103 102
t/ns56.74 52.15 45.85 40.32 37.15
s/m152 152 153 151 154
t/ns77.92 68.33 61.68 53.35 49.37
s/m203 203 201 202 202
t/ns101.33 86.57 77.04 69.21 61.26
s/m251 251 254 252 253
t/ns125.63104.2992.7481.8673.10
[]1011
,利用激光速度干涉仪测量了飞片速度变化的全过程。
通过aisleRu Pypp进行激光驱动飞片研究时-,
飞片速度u(与飞行时间t满足双指数函数关系,即分析飞片速度变化历程发现,t)
[]}[]}()u(t)1-ext-t1-ext-t8=A1{-B1(+A2{-B2(pp0)0)
)式中:
等号两边对时间进行积分,获得飞片飞行距离s(A1,A2,B1,B2,t8t)与时间t0均为待定参数。
将式(的关系
A1A2
{[]}{[]}()1+ext-t1+ext-t9-B1(+-B2(pp0)0)B1B2
可以拟合确定式(中的A1,9)A2,B1,B2,t 通过实验获得的飞片到达不同距离靶板的时间,0和s0待定参
s(t)sA1+A2)t+=0+(
),)可得到飞片速度与时间的关系。
再将式(等号两边对时间进行求导,获得飞片加数。
将这些参数代入式(88速度a(t)随时间t的变化关系
[][]a(t)ext-text-t=A1B1-B1(+A2B2-B2(pp0)0)
表2 不同激光能量下拟合的参数
Table2 Fittinarametersatdifferentlasereneries gpg
()10
/laserenermJ gy
138.8201.9253.0305.1360.3
s0
-1595.62 -1538.98 -34.93 -1802.72 486.80-1
A12.220 0.082 0.004 3.610 3.700
A20.09 2.62 3.00 0.11 0.11
B10.13
1.1×10-4 3.1×10-5
B2
1.2×10-4
t04.234.234.233.733.00
0.13 0.13
1.28×10-4 1.52×10-4
0.14 0.18
)对表1中数据拟合,得到的不同激光能量下,飞片飞行距离与时间的关系曲线,其中点代9 图3是根据式(
表实验数据。
从图中可以看出,拟合的飞片飞行距离与时间关系曲线与实验数据符合较好。
表2是不同能量)下拟合的式(中的参数。
9
)),利用表2中的参数,由式(和式(计算出不同激光能量下飞片速度和加速度随时间变化的曲线,如图810在不同激光能量作用下,飞片运动初期速度增加很快。
在24,5所示。
可以看出,0ns内飞片就被加速到最大
122
/。
2速度的9飞片刚开始运动时的加速度高达0.飞片速0%。
激光能量为360.3mJ时,578×10ms0ns时,
122
/,/。
3/,度为3加速度下降到0.飞片速度达到4加速度基本为0,963.2ms036×10ms9.3ns时,207.9ms
此时飞片达到最大速度。
不同激光能量下飞片的加速特征基本相似。
表3是不同激光能量下飞片最大速度及其对应的飞行时间和距离。
从表中可以看出,提高激光能量,对飞
表3 不同激光能量下飞片最大速度及其对应的飞行时间和距离
,Table3 Maximumvelocitflihttimeandflihtdistance ygg
offlerdrivenbdifferentlasereneries yyg
laser138.8 201.9 253.0 305.1 360.3
flermaximum y
2295.0 2695.7 3146.7 3615.5 4207.9
flihtg/timens38.4 38.4 38.9 39.0 39.3
flihtg/distancem56.366.577.794.1114.5
i.3 Relationcurvesofflerflihtdistance F gyg
ndtimeatdifferentlasereneries a g
图3 不同激光能量下飞片飞行时间与距离的关系曲线
-1
//()enermJvelocitm·sgyy
片加速时间影响很小,但能显著提高飞片速度。
这是由于飞片而飞片的加速时间主要受激光脉宽和等离子体衰减速率的影响,速度与等离子体吸收的激光能量有关。
激光能量为138.8mJ增加到3激光能量增加1飞片速度提高了860.3mJ时,59.6%,3.4%
。
3.2 激光驱动飞片速度计算
先根据不同激光能量下实验得到的飞片最大速度,通过理论计算标定,实验中的激光能量损失系数r和有效吸收调节系数k。
图6是激光能量分别为1理论计算的飞片最大速38.8,201.9,253.0,305.1,360.3mJ时,
[8]
。
计算数据与实验数据能够很好地吻合。
确定本度与实验结果对比。
计算采用的金属铝的材料参数见表4
实验的激光能量损失系数r=0.有效吸收调节系数k=0.70,2533
。
表4 金属铝的参数
arametersTable4 Materialofaluminium p
density/(·cm-3)g
2.7
decomositionp
energy
-1
/(·g)kJ
thermaldiffusivity
-1
/()cm2·s
trueabsortion pcoefficient
-1
/()cm2·g5
4.4×10
12 0.8
能量耦合系数f为飞片动能与入射激光能量密度之间
的比值。
表达式为
2
x0-xd)vf(()11f=
2F0
式中:
x0为金属膜厚度;xd为等离子体厚度,ρ为金属密度;
i.6 Comarisonofcalculatedflervelocitiesand F gpy
xerimentaldataatdifferentlasereneries e pg 图6 不同激光能量下计算飞片最大速度与实验值对比
即激光烧蚀深度;vF0为入射激光能量密度。
f为飞片的速度;
在确定激光能量损失系数和有效吸收调节系数后,对其
它激光能量下的飞片速度进行计算,并与实验结果进行比较,以验证计算的准确性。
表5是激光能量分别为计算和实验的飞片最大速度及计算的铝膜烧蚀深度和能量耦合系数,计算飞片最78.0,175.4和269.1mJ时,
大速度与实验值相差在5%以内。
随着激光能量提高,烧蚀深度和能量耦合系数增加。
表5 计算和实验的飞片最大速度以及计算的铝膜烧蚀深度和能量耦合系数
Table5 Calculatedandexerimentalflermaximumvelocitandcalculatedablationdethofaluminumfilmandenercoulincoefficient pyypgypg
laserener gy
/mJ78.0 175.4 269.1
flerexerimental yp
-1)/(maximumvelocitm·s y
calculatedflermaximum y
-1)/(velocitm·sy
error/%4.51 2.90 0.7
ablation/dethmp0.319 0.509 0.610
couinpgcoefficient0.1160.1850.211
1313.3 2641.0 3457.1
1254.0 2564.1 3432.3
3.3 膜体厚度对飞片速度和能量耦合系数的影响
对不同厚度(的铝膜在不同入射激光能量下的飞片最大速度、能量耦合系数进行计算,分析膜2~20μm)体厚度对飞片速度和能量耦合系数的影响。
图7,8分别是不同激光能量下飞片最大速度和能量耦合系数与铝膜厚度的关系。
可以看出,激光能量较大时,膜体厚度对飞片最大速度、能量耦合系数的影响更显著
。
/,在3铝膜厚度为2μ飞片最大速度为7能量耦合系数为0.铝膜60.3mJ激光能量下,m时,191.34ms2;
/,厚度增大到6μ飞片最大速度下降到3飞片与激光的能量耦合系数为0.铝膜厚度再增m时,912.71ms22; 飞片最大速度、能量耦合系数变化缓慢;当铝膜厚度大于1飞片与激光的能量耦合系数基本不加时,0μm时,再变化。
其他激光能量下,飞片最大速度、飞片与激光的能量耦合系数也遵循同样的变化规律。
本文实验条件下,铝膜厚度在6μ当厚度小于6μ铝膜变厚,飞片最大速度下降很快,能量耦合系数增m处是个转折点,m时,
加,而厚度大于6μ铝膜变厚,飞片最大速度下降缓慢,能量耦合系数基本不再增加。
选择金属膜厚度m时,应该综合考虑飞片速度和能量耦合系数,不应超过6μ时,m。
4 结 论
本文利用飞片撞靶时间测量方法时,通过测量飞片到达不同距离的时间,计算出激光驱动飞片的速度和加速度变化。
计算分析结果表明,不同激光能量下飞片的加速特征基本相似,飞片加速时间很短,在20ns内就被加速到最大速度的9但激光能量变化对飞片的加速时间影响较小。
计算表明,激光能量较大的情况下,0%,膜体厚度对飞片最大速度、能量耦合系数的影响更显著,当膜体超过一定厚度时,能量耦合系数不再增加。
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0131)[]7 WuLZ,hnR ,uJe .td fnitno eteyhiottoiaeb srdie yrpae[]/01Itraoa ult tavli Se QX ,taSuyoiiao fpnartrlernrt yle-rnfe ltsC/21nentnlA- titm eia nPoeat,xlse n yoehis21:
4-5unSmnro rplnsEpoisadPrtcnc.017872.lv[]arneRJTotW Asml oefrh oo usdlsrdie i yr[]JunlePyiu ,91,:
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7-7(u hnwiZun h-mn,Wn hn
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