專(zhuān)利名稱(chēng)：激光等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及等離子體測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種激光等離子體的動(dòng)量測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
強(qiáng)激光與靶相互作用時(shí)產(chǎn)生超音速?lài)娚涞牡入x子體，根據(jù)動(dòng)量守恒，在等離子體噴射的反方向產(chǎn)生一個(gè)作用力，該作用力可以作用一種新的推進(jìn)源，這就是激光等離子體推進(jìn)的基本原理。激光等離子體推進(jìn)技術(shù)由于在推進(jìn)比沖、發(fā)射成本、環(huán)保、安全等方面的優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去的幾年內(nèi)獲得了迅速的發(fā)展。而對(duì)于等離子體產(chǎn)生的動(dòng)量是激光等離子體推進(jìn)中首先要解決的問(wèn)題，由于激光等離子體產(chǎn)生的動(dòng)量很小，并且等離子體與物體的作用時(shí)間很短，因此如何測(cè)量該等離子體的動(dòng)量是一個(gè)首先需要解決的問(wèn)題。對(duì)于激光等離子體的動(dòng)量測(cè)量，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中是利用守恒原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)動(dòng)量守恒，被激光燒蝕的物體的動(dòng)量即靶的動(dòng)量便是等離子體的動(dòng)量。對(duì)于靶動(dòng)量來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是得到靶的速度。目前在實(shí) 驗(yàn)上一般采用單擺法測(cè)量，該方法是將激光燒蝕的靶懸掛成一個(gè)單擺，通過(guò)測(cè)量靶在燒蝕后擺動(dòng)的角度或振幅獲得靶的速度。由于該方法是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量精度相對(duì)較高的測(cè)量方法，而被多數(shù)研究小組采用。該方法的缺點(diǎn)在于是間接測(cè)量，引入誤差較大，而且在大多數(shù)情況下需配合昂貴的CCD才得以實(shí)現(xiàn)。我們先前也提出了與本專(zhuān)利相關(guān)的測(cè)量方法，但測(cè)量裝置中只有一束探測(cè)光。只有一束探測(cè)光的實(shí)驗(yàn)裝置只適用于靶的本身寬度與探測(cè)光光斑尺寸相當(dāng)?shù)臈l件。在靶寬度與探測(cè)光光斑尺寸相差較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的誤差聞達(dá)80%。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種不受靶本身的寬度、探測(cè)光束光斑尺寸等條件的影響，測(cè)量精準(zhǔn)的激光等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置，包括光源、兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件、掛有燒蝕靶的單擺和計(jì)算裝置，其中光源用于向單擺的同一側(cè)發(fā)出沿水平方向相距一已知距離的兩束探測(cè)光；兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件用于對(duì)應(yīng)接收燒蝕靶擺動(dòng)前后的兩束探測(cè)光；計(jì)算裝置用于根據(jù)兩束探測(cè)光水平間的距離以及燒蝕靶擺動(dòng)前后光電轉(zhuǎn)換元件接收到的信號(hào)變化，計(jì)算得到等離子體的動(dòng)量。進(jìn)一步，所述光源包括第一激光器和第二激光器，兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換兀件為第一光電二極管和第二光電二極管，單擺為雙線單擺，計(jì)算裝置包括示波器和計(jì)算機(jī)。進(jìn)一步，兩束探測(cè)光的距離在毫米范圍內(nèi)。進(jìn)一步，等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置還包括分束鏡和全反射鏡，第一激光器和第二激光器相隔一距離，第一光電二極管和第二光電二極管相隔一距離，第一激光器發(fā)出的探測(cè)光依次經(jīng)分束鏡透射、全反射鏡反射后可以被第一激光器接收；第二激光器發(fā)出的探測(cè)光經(jīng)分束鏡反射后可以被第二激光器接收。[0008]激光器光源用于產(chǎn)生激光束作為探測(cè)光束；光電二極管用于接收激光器產(chǎn)生的探測(cè)光束，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；示波器用于記錄光電二極管接收到的信號(hào)；雙線單擺用于懸掛燒蝕靶，并消除靶的橫向擺動(dòng)。通過(guò)示波器上顯示的兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間寬度和兩束探測(cè)光束間的距離便可以獲得靶的速度。根據(jù)動(dòng)量守恒原理，激光等離子體的動(dòng)量便是靶的速度與靶本身質(zhì)量的乘積。本實(shí)用新型的激光等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置根據(jù)靶飛過(guò)兩束探測(cè)光的時(shí)間及探測(cè)光之間的距離獲得靶的飛行速度，然后通過(guò)靶的質(zhì)量獲得激光等離子體的動(dòng)量。與現(xiàn)有測(cè)量等離子體產(chǎn)生的靶速度裝置相比，本實(shí)用新型的測(cè)量裝置操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，而且不受靶寬度和探測(cè)光光斑尺寸的影響。

圖I為本實(shí)用新型測(cè)量裝置的示意圖；圖2a和圖2b為現(xiàn)有采用單束探測(cè)光的測(cè)量裝置中示波器記錄的波形圖；其中，圖2a為燒蝕靶寬度大于探測(cè)光直徑下示波器記錄的波形圖；圖2b為燒蝕靶寬度小于探測(cè)光直徑下示波器記錄的波形圖；圖3為本實(shí)用新型測(cè)量裝置中示波器記錄的波形圖；圖4為本實(shí)用新型的雙束探測(cè)光測(cè)量和現(xiàn)有的單束探測(cè)光測(cè)量中靶厚度對(duì)結(jié)果的影響對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
圖I是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的激光等離子體靶速度測(cè)量裝置示意圖。激光等離子體產(chǎn)生裝置101是由強(qiáng)激光與聚焦鏡組成，強(qiáng)激光被聚焦到靶102表面后，產(chǎn)生噴射的等離子體。探測(cè)激光器103產(chǎn)生的探測(cè)光104透過(guò)分束鏡105后平行靶面?zhèn)鞑?，?jīng)全反鏡108反射后被光電二極管109接收。探測(cè)激光器106產(chǎn)生的探測(cè)光107經(jīng)分束鏡105反射后平行靶面?zhèn)鞑ィ苯颖还怆姸O管111接收。光電二極管109、111將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后同時(shí)輸入示波器110記錄。而用來(lái)燒蝕的靶用雙線懸掛起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)雙線單擺112，雙線單擺可以很好的解決靶的左右擺動(dòng)問(wèn)題。測(cè)量時(shí)需要探測(cè)光104、107沿水平方向相距在毫米級(jí)，然而激光器和光電二極管的尺寸均較大，為了得到相距毫米級(jí)的兩束探測(cè)光，因此利用了分束鏡105和全反射鏡108。具體測(cè)量過(guò)程為強(qiáng)激光聚焦到靶102表面，在靶102表面產(chǎn)生噴射的等離子體。根據(jù)動(dòng)量守恒，靶將沿等離子體噴射的反方向以一定的速度開(kāi)始擺動(dòng)。而擺動(dòng)的靶會(huì)將探測(cè)光束104、107擋住，光電二極管在瞬間無(wú)法接收光信號(hào)，示波器上將出現(xiàn)一個(gè)脈沖信號(hào)。由于是兩束探測(cè)光，所以在示波器上將顯示出兩個(gè)脈沖信號(hào)如圖3所示，兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間寬度At便是靶擺過(guò)兩束探測(cè)光所用的時(shí)間。靶的速度便是兩束探測(cè)光104、107間的空間距離(沿水平方向的距離)與示波器上兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間寬度At的比值。激光等離子體產(chǎn)生的動(dòng)量是靶的速度與靶本身質(zhì)量的乘積。根據(jù)以上的參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)即可計(jì)算得出等離子體產(chǎn)生的動(dòng)量。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本實(shí)用新型中的探測(cè)激光器僅作為光源，提供一束連續(xù)的光斑直徑很小的探測(cè)光束，其它能夠提供光束的光源也可使用；所述的光電二極管作為光電信號(hào)轉(zhuǎn)化的一種元件，其它能夠轉(zhuǎn)化光電信號(hào)的元件也可使用。所需要測(cè)量得到的速度應(yīng)該是靶在平衡位置的速度，即靶下落到最低點(diǎn)的速度，所以探測(cè)光與靶面間的距離盡可能的小，可使一束探測(cè)光沿靶面?zhèn)鬏?。兩束探測(cè)光之間的距離也不能太大，控制在毫米范圍內(nèi)，這是因?yàn)闇y(cè)量得到的速度是兩束探測(cè)光之間的平均速度。如果裝置中只有一束探測(cè)光，示波器得到的典型波形如圖2所示，脈沖信號(hào)的半高全寬定為靶擺過(guò)探測(cè)光的時(shí)間寬度(如圖2b所示)。在只有一束探測(cè)光的情況下，示波器上的脈沖信號(hào)將受靶本身寬和探測(cè)光斑直徑大小的影響。如果靶的寬度大于探測(cè)光直徑，獲得的脈沖信號(hào)有一定的寬度如圖2a所示。如果靶的寬度小于探測(cè)光直徑，獲得的脈沖信號(hào)如圖2b所示。從上圖可以看出兩種情況測(cè)得的靶擺過(guò)探測(cè)光的時(shí)間相差很大，只有一束探測(cè)光的實(shí)驗(yàn)裝置只適用于靶的寬度與探測(cè)光直徑大小相當(dāng)時(shí)的條件下。為了驗(yàn)證本實(shí)用新型的效果，對(duì)本測(cè)量裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)單的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將靶偏離中心位置自由下擺，根據(jù)公式很容易得到靶在平衡位置的速度。
表I將靶從不同偏角落下后速度的實(shí)驗(yàn)值與理論值的對(duì)比
偏角(° )|5 IlO |15 |25 |35 |45 —
理論值(m/s) 035~ 0. 270 0 404 0. 671 0. 932 I. 187~
實(shí)驗(yàn)值(m/s) O40~ 0. 282 o7 412 0. 691 0. 925 I. 155~
相對(duì)誤差(％) 丨3.7 丨4.4 |l. 9 \2.9 |o. 7 \2.6 —在獲取表I中的數(shù)據(jù)時(shí)，兩束探測(cè)光的光斑尺寸分別為5mm和2mm，靶的寬度為2_。由表I看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差小于5%，由此可以得到，該裝置的測(cè)量結(jié)果不受探測(cè)光束尺寸大小的影響。表2不同厚度的靶從35°偏角下落后速度的實(shí)驗(yàn)值與理論值的對(duì)比
涵厚度(mm) |0. 12 |0. 31 |0. 44 |0. 66 |l. 06 |l. 92 |3. 01 通論值(m/s) 0.932 0. 932 0. 932~ 0. 932 0 932 0. 932 o! 932 更驗(yàn)值(m/s) 0.922 0. 901 0. 905~ 0. 953 0 969 0.955 o! 941 對(duì)誤差(％) |l. I 丨3.4 \2.9 \2.2 丨3.8 \2.4 |o. 9在獲取表2中的數(shù)據(jù)時(shí)，兩束探測(cè)光的光斑尺寸都為2mm。由表2可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量最大誤差小于4%，說(shuō)明該裝置的測(cè)量結(jié)果不受靶寬度的影響。為了更加明顯的說(shuō)明本裝置的優(yōu)點(diǎn)，圖4給出了雙束探測(cè)光測(cè)量和單束探測(cè)光測(cè)量中靶厚度對(duì)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)中探測(cè)光的光斑直徑為2 mm，靶從35°偏角下落，靶在平衡位置的理論速度為0.932 m/s。從圖4中可以明顯的看出，隨靶厚度的減小，單束探測(cè)光的測(cè)量結(jié)果明顯偏離理論值，在靶厚度為0. 12mm時(shí)，測(cè)量誤差竟達(dá)到80%。而雙束探測(cè)光的測(cè)量結(jié)果與理論值基本吻合。盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本實(shí)用新型做出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該理解可以基于本實(shí)用新型公開(kāi)的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，并且這些修改和改進(jìn)都在本實(shí)用新型的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置，其特征在于，包括光源、兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件、掛有燒蝕靶的單擺和計(jì)算裝置，其中光源用于向單擺的同一側(cè)發(fā)出沿水平方向相距一已知距離的兩束探測(cè)光；兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件用于對(duì)應(yīng)接收燒蝕靶擺動(dòng)前后的兩束探測(cè)光；計(jì)算裝置用于根據(jù)兩束探測(cè)光水平間的距離以及燒蝕靶擺動(dòng)前后光電轉(zhuǎn)換元件接收到的信號(hào)變化，計(jì)算得到等離子體的動(dòng)量。
2.如權(quán)利要求I所述的等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置，其特征在于，所述光源包括第一激光器和第二激光器，兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件為第一光電二極管和第二光電二極管，單擺為雙線單擺，計(jì)算裝置包括示波器和計(jì)算機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置，其特征在于，兩束探測(cè)光的距離在毫米范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置，其特征在于，等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置還包括分束鏡和全反射鏡，第一激光器和第二激光器相隔一距離，第一光電二極管和第二光電二極管相隔一距離，第一激光器發(fā)出的探測(cè)光依次經(jīng)分束鏡透射、全反射鏡反射后可以被第一激光器接收；第二激光器發(fā)出的探測(cè)光經(jīng)分束鏡反射后可以被第二激光器接收。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種等離子體動(dòng)量測(cè)量裝置，包括光源、兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件、掛有燒蝕靶的單擺和計(jì)算裝置，其中光源用于向單擺的同一側(cè)發(fā)出沿水平方向相距一已知距離的兩束探測(cè)光；兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件用于對(duì)應(yīng)接收燒蝕靶擺動(dòng)前后的兩束探測(cè)光；計(jì)算裝置用于根據(jù)兩束探測(cè)光水平間的距離以及燒蝕靶擺動(dòng)前后光電轉(zhuǎn)換元件接收到的信號(hào)變化，計(jì)算得到等離子體的動(dòng)量。本實(shí)用新型的測(cè)量裝置操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，而且不受靶寬度和探測(cè)光光斑尺寸的影響。
文檔編號(hào)G01P3/68GK202533447SQ20122010797
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者樊振軍, 董愛(ài)國(guó), 鄭志遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京