CN105865651A - 一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统及方法，包括动高压加载装置，所述动高压加载装置连接有测试实验靶样品，测试实验靶样品连接有反射光强变化测试系统，反射光强变化测试系统连接有同步触发器，且同步触发器与动高压加载装置连接。采用本发明可获取准等熵加载条件下金属材料的动态温度数据，以及冲击压缩条件下低温段（1000K以下）金属材料的瞬态温度数据，实现材料在动高压加载下物理状态以及材料状态变化物理过程的准确表征，为校验理论状态方程模型有效性、以及确立完全状态方程的提供重要参量。

Description

一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学领域的测量系统，具体涉及一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统及方法。

背景技术

温度是表征材料热力学状态的一个重要参量。从近年来迅速发展的材料准等熵压缩研究进展来看，温度数据的缺失是制约其实验数据用于状态方程和本构关系的重要障碍。准等熵压缩实验通过对不同厚度样品表面速度的测量，给出应力应变关系与理想等熵线之间的差别主要包括两部分：偏应力部分和小量熵增引起的静水压增加部分，但这两者无法分离，而且随着应变率的增加，第二项的比重会增大，导致准等熵线既无法精确给出强度信息也无法精确给出状态方程信息。但是如果解决了准等熵加载下的温度测量问题，则有可能结合Cv模型给出这两项的合理分配，从而更精确地给出强度和状态方程信息。同时，在通过冲击加载方式进行的材料高压物态方程研究中，低温段（通常指1000K以下）温度的瞬态精确测量一直是一个难点，辐射谱的普朗克峰在红外区甚至远红外，辐射功率极低，被动测量技术信噪比很难达到动高压加载时对时间分辨和温度分辨的要求。因此，积极寻找、发展或改进可实现动高压下，低温段（1000K 以下）温度测量技术或方法，至今仍是材料动高压研究领域中的热点工作之一。

辐射测温技术在材料动高压加载中的应用范围主要在2000K到10000K，在这一范围内能够较好地获取材料的热力学温度，在更高的温度范围内由于电子、离子的驰豫时间的变化，以及紫外灾难的出现，辐射温度测量结果给出的电子温度与宏观热力学温度的差异越来越明显，但在10ev以下还可以接受。此外，金属样品在冲击加载下的温度测量除了上述问题以外，还存在另外两个因素的严重制约：一是对于测量面为自由面的状况时，测到的辐射温度几乎都是冲击卸载后的温度，要想给出卸载前的温度状态需要极高的时间分辨能力；二是对于通过增加窗口的测量方式，还需要知道样品和窗口在冲击加载状态下的热传导系数、界面发射率等信息。

发明内容

为解决准等熵压缩以及冲击压缩低温段（1000K 以下）这两种动高压加载条件下的材料温度测量问题，获取准等熵加载条件下的动态温度数据及冲击压缩条件下的瞬态温度数据，本发明设计了一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统及方法，该系统及方法能够获取准等熵加载条件下的动态温度数据及冲击压缩条件下的瞬态温度数据，解决了准等熵压缩以及冲击压缩低温段（1000K 以下）这两种动高压加载条件下的材料温度测量问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，包括动高压加载装置，所述动高压加载装置连接有测试实验靶样品，测试实验靶样品连接有反射光强变化测试系统，反射光强变化测试系统连接有同步触发器，且同步触发器与动高压加载装置连接。为解决准等熵压缩以及冲击压缩低温段这两种动高压加载条件下的材料温度测量，获取准等熵加载条件下的动态温度数据及冲击压缩条件下的瞬态温度数据，不仅对准确表征材料在动高压加载下的物理状态以及研究材料状态变化物理过程有着重要意义，同时鉴于材料状态方程对温度参量非常敏感的特点，还可为校验理论状态方程模型有效性、以及确立完全状态方程的提供重要参量。目前，从国内外公开报道的文献来看，没有解决该问题的技术，而本方案通过主动施加探测光束，测量动高压加载条件下，位于待测样品材料与窗口材料之间金属膜层材料的反射光强变化，计算得到反射率变化数据，再利用金属膜层材料反射率与温度定标关系数据，实现动高压加载条件下材料的温度测量，获取准等熵加载条件下的动态温度数据及冲击压缩条件下的瞬态温度数据。

测试实验靶样品主要由待测样品材料、金属膜层材料以及窗口材料构成，金属膜层材料设置在待测样品材料和窗口材料之间，并且三者紧密贴合，待测样品材料设置在金属膜层材料和动高压加载装置之间，窗口材料设置在金属膜层材料和反射光强变化测试系统之间。金属膜层材料镀在窗口材料上，并且窗口材料优选窗口玻璃，金属膜材料反射率与温度的定标数据具有唯一对应关系。

反射光强变化测试系统主要由探测激光器、分束镜、耦合器、准直器、光电探测器和数据采集记录存贮器构成，分束镜设置在耦合器和窗口材料之间，在分束镜一侧设置有光纤接头，光纤接头和耦合器之间、光纤接头和准直器之间均设置有光纤，光纤分别与对应的光纤接头、耦合器或准直器连接，耦合器和探测激光器连接，准直器和光电探测器连接，光电探测器和数据采集记录存贮器连接，且数据采集记录存贮器和同步触发器连接。测量器件为具有纳秒量级响应的光电探测器，数据采集记录存贮器优选为高性能示波器。动高压加载零时刻输出的电信号，通过同步触发器产生电信号触发光电探测器进行同步测量。动高压加载零时刻输出的电信号通过同步触发器触发，在光电探测器开始测量反射光强变化信号的同时，数据采集记录存贮器同步采集记录对应的变化信号数据。

进一步地，探测激光器产生的探测激光束经分束镜后垂直作用于金属膜层材料表面，其反射光束的光强变化为垂直角度状态；同时探测激光器产生的探测激光束在金属膜材料作用位置为其几何中心点。

一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量方法，包括以下步骤：

（1）制备测试实验靶样品：采用喷镀或磁控溅射的方式在窗口玻璃表面形成金属膜层，膜层的厚度为微米量级，再把待测样品材料与喷镀金属膜材料的窗口玻璃紧密贴合；

（2） 将测试实验靶样品安放至动高压加载装置系统的加载实验区；

（3）建立测试光路和测试部件：要求探测光束垂直作用于金属膜材料，垂直反射光束也垂直作用于光电探测器探测表面；

（4）调节探测光束激光器输出功率，同时在分束镜和光纤接头之间添加衰减镜，使得探测光束激光器输出功率在某一输出功率值时，添加了衰减镜后光电探测器输出电压值的降幅与衰减镜衰减幅值相等；即建立光电探测器输出电压值与输出功率值具有线性变化关系；在正式测试实验时保留衰减镜，记录此时的光电探测器输出电压值U0；

（5）开始动高压加载实验，利用动高压加载零时刻输出的电信号，通过同步触发器触发光电探测器和数据采集记录存贮器，测量并采集记录动高压加载下，测量金属膜材料反射光束的电压变化数据U(t)；

（6）利用已知的该探测波长条件下金属膜材料反射率R0、U0，利用公式R0×U(t)/U0，计算获得R(t)；

（7）对照已知的金属膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系，获取动高压加载过程中金属膜材料的温度T(t)。

通过该方法可获取准等熵加载条件下的动态温度数据及冲击压缩条件下的瞬态温度数据，不仅对准确表征材料在动高压加载下的物理状态以及研究材料高压状态变化物理过程有着重要意义，同时鉴于材料状态方程对温度参量非常敏感的特点，还可为校验材料理论状态方程模型有效性、以及确立完全状态方程（即处于某一状态下材料的密度、压力、温度参量）的提供重要参量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：采用本发明可获取准等熵加载条件下金属材料的动态温度数据，以及冲击压缩条件下低温段（1000K 以下）金属材料的瞬态温度数据，实现材料在动高压加载下物理状态以及材料状态变化物理过程的准确表征，为校验理论状态方程模型有效性、以及确立完全状态方程的提供重要参量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的测试系统示意图；

图2为探测波长488nm时金膜材料反射率与温度的定标关系。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-动高压加载装置，2-待测样品材料，3-金属膜层材料，4-窗口玻璃，5-分束镜，6-光纤接头，7-光纤，8-耦合器，9-探测激光器，10-数据采集记录存贮器，11-同步触发器，12-准直器，13-光电探测器，14-衰减镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，将测量反射光强变化的金采用喷镀或磁控溅射的方式喷镀至窗口玻璃表面形成金膜层，其厚度为微米量级，再把待测样品材料与喷镀金膜材料的窗口玻璃4紧密贴合，形成测试实验靶样品。窗口材料不是所有玻璃都能够满足，窗口玻璃4需要选择在一定压力条件下，仍具有极好透光性的蓝宝石或LiF材料可作为首选。

测试实验靶样品被动高压加载前，将探测激光器9产生的探测激光束通过耦合器8依次经光纤7和光纤接头6输出，经分束镜5到窗口玻璃4垂直作用于实验靶样品镀有金膜层材料的表面，其反射光再次经窗口，通过分束镜5后经光纤7、准直器12实现小尺寸光束，被引至光电探测器13处，反射光束可垂直进入光电探测器13内，光电探测器13与数据采集记录存贮器10连接，使其处于待测状态。优选的，探测光束经耦合器8及准直器12，可实现数百微米直径大小光束作用于金膜层材料的表面。优选的，探测光束在金膜层材料表面的作用位置为其几何中心点。

反射光强变化测量用的光电探测器13，根据准等熵加载数百纳秒的加载历程，以及冲击加载百纳秒的压力维持时间，优选的光电探测器器响应时间应不低于十纳秒量级。与光电探测器13测量相连的数据采集记录存贮器10为现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到，选用具有纳秒量级时间分辨率、不低于GHz采样率特性的数据采集记录存贮器进行采集与记录。

实验测量时，调节探测光束激光器输出功率，同时在分束镜和光纤接头之间添加衰减镜14，使得探测光束激光器输出功率在某一输出功率值时，添加了衰减镜14后光电探测器输出电压值的降幅与衰减镜衰减幅值相等；即建立光电探测器输出电压值与输出功率值具有线性变化关系；在正式测试实验时保留衰减镜14，记录此时的光电探测器输出电压值U0；利用动高压加载零时刻输出的电信号，通过同步触发器11触发光电探测器13和数据采集记录存贮器10，测量并采集记录动高压加载下，金膜材料的反射光变化数据。通过金膜层材料已知初始反射率与加载零时刻反射光强电压数据形成的对比系数，可计算出动高压加载过程中，金膜层材料的反射率变化数据。基于金膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系（如图2所示，可为金膜材料的金膜反射率随温度变化定标曲线，探测光束波长488nm），可得到金膜层材料的温度变化数据。对于准等熵加载，得到的是材料动高压加载过程中的温度动态变化数据；对于冲击加载，得到的是材料动高压加载过程中的温度瞬态数据。

将动高压（准等熵加载过程和冲击加载终态的稳定时间为数百ns）加载条件下测试实验靶样品中金膜材料的垂直反射光束，利用光学器件将探测的反射光束作用于具有ns级响应能力的光电探测器探测面上，通过数据采集记录存贮器记录动高压加载过程中光电探测器（进入的光信号变成电信号输出）测量到的电压信号U(t)，基于动高压加载初始金膜材料垂直反射光束进入光电管形成的电压信号U0，以及制备金膜材料可知的探测光束反射率R0，在测试光路中通过调节探测光源激光器输出功率可建立金膜材料反射光束功率P与光电探测器输出电压U具有线性变化关系，例如反射光束功率降低50%，光电探测器输出电压U也降低50%，这就使得加载初始金膜反射率R0正比于U0，即两者之间存在比例系数K= R0/ U0，在探测光束激光器输出功率不变和光路中光学器件不变，即所述的准备好实验条件后，开始加载实验，金膜材料由于动高压加载出现的温度变化，对探测光束的反射能力将发生变化，但由于所选探测光束对于金而言，从常压到20GPa的压力变化范围内，金在探测光束波长下的光反射率将不发生变化，即该压力变化范围内金对探测光束的反射能力不受压力的影响，此时由于探测光束激光器功率输出不变，故动高压加载下使得作用于光电探测器的反射光束功率发生变化的因素为温度，反射光束功率的变化将进而使得光电探测器对应输出的电压也发生变化,即测量到加载过程中金膜材料反射光束对应的电压信号U(t)，在已知金膜材料动高压加载初始的反射率R0和比例系数K，即可通过R(t)= K×U(t)得到动高压加载过程中的金膜材料的R(t)。

基于金膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系，如图2所示，可为金膜材料的金膜反射率随温度变化定标曲线，探测光束波长488nm，该对应关系为已有的测试数据，即可获取动高压加载过程中金膜材料的温度T(t)。

由于选用金属材料作用温度变化下的反射率测量对象，以及金属材料要求为固态，且要求金属材料反射率与温度有着唯一的对应关系，温度测量范围为选用金属材料反射率与温度唯一对应关系中的温度上下限决定，因为如选择金材料，可能能测量到600度，选用镍材料，可能能测量到700度，因此温度范围应由金属材料反射率与温度唯一对应关系中的温度范围决定，其温度是利用已掌握了金膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系，通过一一对应关系得到的。或者已掌握了金膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系可拟合成温度与反射率的表达式，如图2所示，为金膜材料的金膜反射率随温度变化定标曲线，探测光束波长488nm，可得到金膜层材料的温度变化数据，温度测量范围与金膜材料反射率和温度对应关系的范围、以及测试实验中材料反射率变化的温度变化范围有关，故无温度范围的限定数值。

由于本测试方法是一个快过程，动高压中准等熵加载过程和冲击加载终态的稳定时间为数百ns，故本测试方法的测试时间阐述为适用材料的准等熵加载和冲击加载。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，其特征在于，包括动高压加载装置（1），所述动高压加载装置（1）连接有测试实验靶样品，测试实验靶样品连接有反射光强变化测试系统，反射光强变化测试系统连接有同步触发器（11），且同步触发器（11）与动高压加载装置（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，其特征在于，所述测试实验靶样品主要由待测样品材料（2）、金属膜层材料（3）以及窗口材料构成，金属膜层材料（3）设置在待测样品材料（2）和窗口材料之间，并且三者紧密贴合，待测样品材料（2）设置在金属膜层材料（3）和动高压加载装置（1）之间，窗口材料设置在金属膜层材料（3）和反射光强变化测试系统之间。

3.根据权利要求2所述的一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，其特征在于，所述反射光强变化测试系统主要由探测激光器（9）、分束镜（5）、耦合器（8）、准直器（12）、光电探测器（13）和数据采集记录存贮器（10）构成，分束镜（5）设置在耦合器（8）和窗口材料之间，在分束镜（5）一侧设置有光纤接头（6），光纤接头（6）和耦合器（8）之间、光纤接头（6）和准直器（12）之间均设置有光纤（7），光纤（7）分别与对应的光纤接头（6）、耦合器（8）或准直器（12）连接，耦合器（8）和探测激光器（9）连接，准直器（12）和光电探测器（13）连接，光电探测器（13）和数据采集记录存贮器（10）连接，且数据采集记录存贮器（10）和同步触发器（11）连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，其特征在于，所述探测激光器（9）产生的探测激光束经分束镜后垂直作用于金属膜层材料（3）表面，其反射光束的光强变化为垂直角度状态。

5.根据权利要求3所述的一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，其特征在于，所述探测激光器（9）产生的探测激光束在金属膜材料（3）作用位置为其几何中心点。

6.根据权利要求2所述的一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量系统，其特征在于，所述窗口材料采用玻璃制成。

7.一种基于反射率的动高压加载下材料温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备测试实验靶样品：采用喷镀或磁控溅射的方式在窗口玻璃表面形成金属膜层，膜层的厚度为微米量级，再把待测样品材料与喷镀金属膜材料的窗口玻璃紧密贴合；

将测试实验靶样品安放至动高压加载装置系统的加载实验区；

（3）建立测试光路和测试部件：要求探测光束垂直作用于金属膜材料，垂直反射光束也垂直作用于光电探测器探测表面；

（4）调节探测光束激光器输出功率，同时在分束镜和光纤接头之间添加衰减镜（14），使得探测光束激光器输出功率在某一输出功率值时，添加了衰减镜（14）后光电探测器输出电压值的降幅与衰减镜衰减幅值相等；即建立光电探测器输出电压值与输出功率值具有线性变化关系；在正式测试实验时保留衰减镜（14），记录此时的光电探测器输出电压值U0；

（5）开始动高压加载实验，利用动高压加载零时刻输出的电信号，通过同步触发器触发光电探测器和数据采集记录存贮器，测量并采集记录动高压加载下，测量金属膜材料反射光束的电压变化数据U(t)；

（6）利用已知的该探测波长条件下金属膜材料反射率R0、U0，利用公式R0×U(t)/U0，计算获得R(t)；

（7）对照已知的金属膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系，获取动高压加载过程中金属膜材料的温度T(t)。