[发明专利]一种超高速微粒速度测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统及方法，系统包含：超高速微粒加速器，用于发射超高速微粒并开展超高速撞击实验；第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中的起始的运动时刻t₁；距离测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s；撞击靶，用于当超高速微粒运行到位移s处时撞击并瞬间发出光信号；收集单元，用于收集发出光信号，其设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤；光电管，用于将收集的光信号转为电信号，依据电信号获得超高速微粒运动终止时刻t₂；根据微粒运动的起始时刻t₁和t₂可以获得微粒的飞行时间t，或根据微粒撞击发光信号的发光强度与上升时间获得微粒的速度和质量。

技术领域

本发明涉及空间环境效应及空间碎片领域，具体涉及一种基于超高速撞击发光的超高速微粒速度测量方法。

背景技术

超高速撞击是指撞击压力大于弹和靶材料强度的碰撞，超高速碰撞中速度一般在1km/s以上。在超高速撞击实验中，微粒速度是重要的实验参数，且由于微粒速度快、尺寸小且大多数情况下微粒不带电，使得其速度测量难度非常大。现有的超高速微粒速度测量方法主要包括压电测速、激光测速以及收集撞击等离子体的微粒速度测量方法等。由于超高速微粒运动的起始时间和飞行距离一般可以由超高速微粒加速装置给出，因此只要获取微粒运动的终止时刻，就能够利用飞行时间方法（距离除以时间即为速度）获取微粒的速度。

压电测速法通过在撞击靶上安装压电传感器，当微粒撞击到靶上时，撞击形成的振动传递到压电传感器形成压电信号，获取微粒的撞击时刻，并利用飞行时间法获得微粒的速度。该方法是较早采用的方法，只要撞击形成的振动信号合适并能传递到压电传感器，在压电传感器中就能获取相应的压电信号，该方法就能对微粒速度进行测量。但是该方法得到的信号的震荡时间长（如图1中a所示），使得利用该方法进行速度测量时其分辨率较低。

激光测速方法，在微粒飞行的路径上设置一个与其运动方向垂直的光帘，在光帘同一平面垂直激光入射方向上设置光电管用于收集微粒穿过光帘时形成的散射光，以达到对微粒运动到达光帘位置的时刻的测量，同样利用飞行时间法，获取微粒的速度。激光测速对撞击效应实验没有任何影响，但是由于散射光信号较弱，使得其信噪比相对较低，如图1-b所示。

收集等离子体的测速方法基于超高速撞击在瞬间形成等离子体的特点，通过对撞击形成的等离子体进行收集能够准确测量微粒的撞击时刻，从而获取微粒的速度。该方法时间测量精度高，在传统的超高速撞击损伤研究中不会对实验形成干扰，但是在研究超高速撞击诱发放电等超高速撞击的等离子体效应中，收集等离子体测速的方法会对实验形成严重影响，如图1-c所示。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统，所述系统包含：

超高速微粒加速器，用于对超高速微粒提供运行通道；

第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中的起始的运动时刻；

距离测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s；

撞击靶，用于在超高速微粒加速器中距离超高速微粒起始运动位置的位移为s处设置撞击靶，所述超高速微粒运行到位移s处时发生撞击并瞬间发出光信号；

收集单元，用于收集发出光信号，该单元设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤；

光电管，用于将收集单元收集的光信号转化为电信号，并依据该电信号获得超高速微粒运动的终止时刻t₂；和

速度及质量获取单元，用于采用如下的策略一获得速度，或采用如下策略二同时获得速度和质量：