专利名称：激光等离子体动量测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及等离子体测量领域，特别涉及一种激光等离子体的动量测量装置及方法。
背景技术：
强激光与靶相互作用时产生超音速喷射的等离子体，根据动量守恒，在等离子体喷射的反方向产生一个作用力，该作用力可以作用一种新的推进源，这就是激光等离子体推进的基本原理。激光等离子体推进技术由于在推进比冲、发射成本、环保、安全等方面的优势，在过去的几年内获得了迅速的发展。而对于等离子体产生的动量是激光等离子体推进中首先要解决的问题，由于激光等离子体产生的动量很�。⑶业壤胱犹逵胛锾宓淖饔檬奔浜芏蹋虼巳绾尾饬扛玫壤胱犹宓亩渴且桓鍪紫刃枰饩龅奈侍�。对于激光等离子体的动量测量，在实际实验中是利用守恒原理来实现。根据动量守恒，被激光烧蚀的物体的动量即靶的动量便是等离子体的动量。对于靶动量来说，关键是得到靶的速度。目前在实 验上一般采用单摆法测量，该方法是将激光烧蚀的靶悬挂成一个单摆，通过测量靶在烧蚀后摆动的角度或振幅获得靶的速度。由于该方法是一种结构简单、操作方便、测量精度相对较高的测量方法，而被多数研究小组采用。该方法的缺点在于是间接测量，引入误差较大，而且在大多数情况下需配合昂贵的CCD才得以实现。我们先前也提出了与本专利相关的测量方法，但测量装置中只有一束探测光。只有一束探测光的实验装置只适用于靶的本身宽度与探测光光斑尺寸相当的条件。在靶宽度与探测光光斑尺寸相差较大时，实验测量得到的误差闻达80%。
实用新型内容针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种不受靶本身的宽度、探测光束光斑尺寸等条件的影响，测量精准的激光等离子体动量测量装置。为实现上述目的，本实用新型的等离子体动量测量装置，包括光源、两个光电转换元件、挂有烧蚀靶的单摆和计算装置，其中光源用于向单摆的同一侧发出沿水平方向相距一已知距离的两束探测光；两个光电转换元件用于对应接收烧蚀靶摆动前后的两束探测光；计算装置用于根据两束探测光水平间的距离以及烧蚀靶摆动前后光电转换元件接收到的信号变化，计算得到等离子体的动量。进一步，所述光源包括第一激光器和第二激光器，两个光电转换兀件为第一光电二极管和第二光电二极管，单摆为双线单摆，计算装置包括示波器和计算机。进一步，两束探测光的距离在毫米范围内。进一步，等离子体动量测量装置还包括分束镜和全反射镜，第一激光器和第二激光器相隔一距离，第一光电二极管和第二光电二极管相隔一距离，第一激光器发出的探测光依次经分束镜透射、全反射镜反射后可以被第一激光器接收；第二激光器发出的探测光经分束镜反射后可以被第二激光器接收。[0008]激光器光源用于产生激光束作为探测光束；光电二极管用于接收激光器产生的探测光束，并将光信号转化为电信号；示波器用于记录光电二极管接收到的信号；双线单摆用于悬挂烧蚀靶，并消除靶的横向摆动。通过示波器上显示的两个信号间的时间宽度和两束探测光束间的距离便可以获得靶的速度。根据动量守恒原理，激光等离子体的动量便是靶的速度与靶本身质量的乘积。本实用新型的激光等离子体动量测量装置根据靶飞过两束探测光的时间及探测光之间的距离获得靶的飞行速度，然后通过靶的质量获得激光等离子体的动量。与现有测量等离子体产生的靶速度装置相比，本实用新型的测量装置操作简单，测量精度高，而且不受靶宽度和探测光光斑尺寸的影响。
图I为本实用新型测量装置的示意图；图2a和图2b为现有采用单束探测光的测量装置中示波器记录的波形图；其中，图2a为烧蚀靶宽度大于探测光直径下示波器记录的波形图；图2b为烧蚀靶宽度小于探测光直径下示波器记录的波形图；图3为本实用新型测量装置中示波器记录的波形图；图4为本实用新型的双束探测光测量和现有的单束探测光测量中靶厚度对结果的影响对比图。
具体实施方式
图I是根据本实用新型的一个实施例的激光等离子体靶速度测量装置示意图。激光等离子体产生装置101是由强激光与聚焦镜组成，强激光被聚焦到靶102表面后，产生喷射的等离子体。探测激光器103产生的探测光104透过分束镜105后平行靶面传播，经全反镜108反射后被光电二极管109接收。探测激光器106产生的探测光107经分束镜105反射后平行靶面传播，直接被光电二极管111接收。光电二极管109、111将光信号转化为电信号后同时输入示波器110记录。而用来烧蚀的靶用双线悬挂起来，构成一个双线单摆112，双线单摆可以很好的解决靶的左右摆动问题。测量时需要探测光104、107沿水平方向相距在毫米级，然而激光器和光电二极管的尺寸均较大，为了得到相距毫米级的两束探测光，因此利用了分束镜105和全反射镜108。具体测量过程为强激光聚焦到靶102表面，在靶102表面产生喷射的等离子体。根据动量守恒，靶将沿等离子体喷射的反方向以一定的速度开始摆动。而摆动的靶会将探测光束104、107挡�。獾缍茉谒布湮薹ń邮展庑藕牛静ㄆ魃辖鱿忠桓雎龀逍藕�。由于是两束探测光，所以在示波器上将显示出两个脉冲信号如图3所示，两个信号间的时间宽度At便是靶摆过两束探测光所用的时间。靶的速度便是两束探测光104、107间的空间距离(沿水平方向的距离)与示波器上两个信号间的时间宽度At的比值。激光等离子体产生的动量是靶的速度与靶本身质量的乘积。根据以上的参数通过计算机即可计算得出等离子体产生的动量。对于本领域的技术人员应该理解，本实用新型中的探测激光器仅作为光源，提供一束连续的光斑直径很小的探测光束，其它能够提供光束的光源也可使用；所述的光电二极管作为光电信号转化的一种元件，其它能够转化光电信号的元件也可使用。所需要测量得到的速度应该是靶在平衡位置的速度，即靶下落到最低点的速度，所以探测光与靶面间的距离尽可能的�。墒挂皇讲夤庋匕忻娲�。两束探测光之间的距离也不能太大，控制在毫米范围内，这是因为测量得到的速度是两束探测光之间的平均速度。如果装置中只有一束探测光，示波器得到的典型波形如图2所示，脉冲信号的半高全宽定为靶摆过探测光的时间宽度(如图2b所示)。在只有一束探测光的情况下，示波器上的脉冲信号将受靶本身宽和探测光斑直径大小的影响。如果靶的宽度大于探测光直径，获得的脉冲信号有一定的宽度如图2a所示。如果靶的宽度小于探测光直径，获得的脉冲信号如图2b所示。从上图可以看出两种情况测得的靶摆过探测光的时间相差很大，只有一束探测光的实验装置只适用于靶的宽度与探测光直径大小相当时的条件下。为了验证本实用新型的效果，对本测量装置进行了简单的原理性实验验证。将靶偏离中心位置自由下摆，根据公式很容易得到靶在平衡位置的速度。
表I将靶从不同偏角落下后速度的实验值与理论值的对比
偏角(° )|5 IlO |15 |25 |35 |45 —
理论值(m/s) 035~ 0. 270 0 404 0. 671 0. 932 I. 187~
实验值(m/s) O40~ 0. 282 o7 412 0. 691 0. 925 I. 155~
相对误差(％) 丨3.7 丨4.4 |l. 9 \2.9 |o. 7 \2.6 —在获取表I中的数据时，两束探测光的光斑尺寸分别为5mm和2mm，靶的宽度为2_。由表I看出，实验结果的最大误差小于5%，由此可以得到，该装置的测量结果不受探测光束尺寸大小的影响。表2不同厚度的靶从35°偏角下落后速度的实验值与理论值的对比
涵厚度(mm) |0. 12 |0. 31 |0. 44 |0. 66 |l. 06 |l. 92 |3. 01 通论值(m/s) 0.932 0. 932 0. 932~ 0. 932 0 932 0. 932 o! 932 更验值(m/s) 0.922 0. 901 0. 905~ 0. 953 0 969 0.955 o! 941 对误差(％) |l. I 丨3.4 \2.9 \2.2 丨3.8 \2.4 |o. 9在获取表2中的数据时，两束探测光的光斑尺寸都为2mm。由表2可以看出，实验测量最大误差小于4%，说明该装置的测量结果不受靶宽度的影响。为了更加明显的说明本装置的优点，图4给出了双束探测光测量和单束探测光测量中靶厚度对结果的影响。实验中探测光的光斑直径为2 mm，靶从35°偏角下落，靶在平衡位置的理论速度为0.932 m/s。从图4中可以明显的看出，随靶厚度的减�。ナ讲夤獾牟饬拷峁飨云肜砺壑担诎泻穸任�0. 12mm时，测量误差竟达到80%。而双束探测光的测量结果与理论值基本吻合。尽管参照上述的实施例已对本实用新型做出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本实用新型公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本实用新型的精神以及范围之内。
权利要求1.一种等离子体动量测量装置，其特征在于，包括光源、两个光电转换元件、挂有烧蚀靶的单摆和计算装置，其中光源用于向单摆的同一侧发出沿水平方向相距一已知距离的两束探测光；两个光电转换元件用于对应接收烧蚀靶摆动前后的两束探测光；计算装置用于根据两束探测光水平间的距离以及烧蚀靶摆动前后光电转换元件接收到的信号变化，计算得到等离子体的动量。
2.如权利要求I所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，所述光源包括第一激光器和第二激光器，两个光电转换元件为第一光电二极管和第二光电二极管，单摆为双线单摆，计算装置包括示波器和计算机。
3.如权利要求2所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，两束探测光的距离在毫米范围内。
4.如权利要求3所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，等离子体动量测量装置还包括分束镜和全反射镜，第一激光器和第二激光器相隔一距离，第一光电二极管和第二光电二极管相隔一距离，第一激光器发出的探测光依次经分束镜透射、全反射镜反射后可以被第一激光器接收；第二激光器发出的探测光经分束镜反射后可以被第二激光器接收。
专利摘要本实用新型公开了一种等离子体动量测量装置，包括光源、两个光电转换元件、挂有烧蚀靶的单摆和计算装置，其中光源用于向单摆的同一侧发出沿水平方向相距一已知距离的两束探测光；两个光电转换元件用于对应接收烧蚀靶摆动前后的两束探测光；计算装置用于根据两束探测光水平间的距离以及烧蚀靶摆动前后光电转换元件接收到的信号变化，计算得到等离子体的动量。本实用新型的测量装置操作简单，测量精度高，而且不受靶宽度和探测光光斑尺寸的影响。
文档编号G01P3/68GK202533447SQ20122010797
公开日2012年11月14日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者樊振军, 董爱国, 郑志远 申请人:中国地质大学北京
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