超高速碰撞2A12铝板产生闪光的物理机制研究

发布时间：2017-11-15 09:19

  本文关键词：超高速碰撞2A12铝板产生闪光的物理机制研究

  更多相关文章： 超高速碰撞 闪光 能量分配 物理机制 原子光谱 电离度

【摘要】：通过开展超高速碰撞2A12铝靶过程产生闪光的物理机制的研究,对提高我国航天器的防护、深空探测能力、实验验证相关天体物理领域、反导弹系统的建立和穿甲武器有着重要的应用价值,对提高我国在超高速碰撞领域的研究水平以及促进冲击动力学学科的发展意义重大。本文通过理论推导、实验和数值模拟相结合的方法进行了超高速碰撞产生闪光的物理机制研究,获得的主要研究成果如下:1)在总结前人关于超高速碰撞过程能量分配的基础上,将超高速碰撞厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、碰撞产生碎片的崩溅能和产生电磁波辐射(闪光)的辐射能,并将上述能量进行了定量关系推导。通过理论推导、实验和数值模拟相结合的方法对2A12铝弹丸以2.61km/s的速度正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明:无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量、理论推导与数值模拟的结果均基本吻合。同时表明闪光辐射能量所占比重较小,该实验条件下的闪光辐射能约为0.262J。2)由于2A12铝合金材料中93%是铝元素,那么闪光辐射中主要是铝元素光谱辐射。本文基于2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶产生的闪光为研究对象,研究碰撞过程中的原子光谱辐射,原子中电子在能级间跃迁发射和吸收光子(电磁波辐射)。与此同时,超高速碰撞过程还会出现等离子体蒸气云,即原子发生了电离。超高速碰撞铝原子电离产生铝离子,闪光辐射也包含离子光谱。在玻尔理论的基础上,计算铝原子的能级,根据原子能级跃迁理论计算铝原子和铝离子的辐射光谱。通过二级轻气炮加载实验,利用ESA4000光谱仪测量闪光的光谱辐射强度,利用朗缪尔三探针测量等离子体蒸气云的特征。对闪光辐射的光谱和等离子体的电离度及其之间的关系进行了分析。得到如下研究结果:a)理论计算了Al元素的能级,验证了玻尔理论提出的能级计算方法对Al元素的能级确定是有效的。同时探究了Al元素光谱的计算。b)利用量子力学对Al原子周围能级进行描述。结果表明:在球形壳层中发现电子的相对几率22πr4R随相对原子中心的距离r变化的图形是波动的,电子在能级及其附近运动。原子核周围的电子在能级轨道出现的几率最大,能级轨道周围出现电子的几率较小。电子能级跃迁释放或吸收能量的几率也是随原子中电子的位置波动变化的,体现在Al元素的原子光谱都有一定的展宽,量子力学的结论与实验结果基本符合,有理由认为该理论可以基本反映原子的情况。c)实验结果表明了随着超高速碰撞速度增大,光谱的波长较小谱线的辐射强度增加很快,波长较长的谱线的辐射强度增加缓慢。d)2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶产生了等离子体,表明原子发生了电离,说明光谱仪采集到的光谱图中包含了铝的离子辐射闪光。实验结果表明,随着超高速碰撞的速度增加,等离子体蒸气云的电子密度快速增加,然而等离子体蒸气云的电子温度几乎没有变化。试验中2A12铝弹丸分别以速度2.75km/s、2.95km/s、3.2km/s、3.3km/s和300的入射角度(弹丸弹道与靶板平面的夹角)超高速碰撞2A12铝靶,通过采集实验中等离子体的特征参量相关信息结合数据处理,拟合得到了等离子体的最大电子密度与碰撞速度的关系,拟合结果近似为:N_e=1.07033×10~(-17)×v~(9.34226)。e)2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶板产生的等离子体的温度对其电离度影响较大,等离子温度和电离度间近似满足指数关系D=1.81911×10~(-38)×T~(9.17024)。f)2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝靶的过程中,弹丸速度为3.30km/s(弹丸弹道与靶板平面夹角为30°)时产生了等离子体。计算结果表明:原子的电离度为D=5.76×10~(-5),该电离度很小,说明电离产生的铝离子含量很小,所以闪光中由铝离子产生的闪光辐射强度很小,该结论已被实验中采集到的光谱证明。
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ410;V252.2

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