极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法技术

本发明专利技术涉及发射药爆轰产物电子密度测试技术领域，涉及到极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法。本发明专利技术提出了极高压条件下发射药爆轰产物中电子密度的实验测试方法：通过构建实验系统并遴选高精度测试仪器，实现了数百MPa条件下发射药燃烧产物光谱数据的有效测量；提出采用stark展宽法结合Lorentz函数从燃烧产物特征谱线中分析电子密度；提出采用基于自学习算法的背景光谱剔除方法将连续的背景谱线从完整谱线中剔除，最终得到特征谱线并分析得到电子密度数据；通过与吉布斯自由能计算得到的结果进行对比分析，验证了本发明专利技术所提出电子密度测试分析方法的有效性和先进性。出电子密度测试分析方法的有效性和先进性。出电子密度测试分析方法的有效性和先进性。

【技术实现步骤摘要】
极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法


[0001]本专利技术涉及发射药爆轰产物电子密度测试
，涉及到极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法。

技术介绍

[0002]鉴于磁化等离子体火炮技术能够显著提高火炮威力并延长身管寿命，可以显著提升身管武器的作战效能，因此具有重要的理论意义和军事价值。该技术通过在发射药/推进剂中添加电离种子(碳酸钾、硝酸铯等)，使火药燃气在爆轰过程中发生热电离生成等离子体，同时，通过在身管内施加磁场，实现对身管内等离子体的有效调控。除军事应用外，该技术可以拓展到其他民用领域，在火箭发动机磁流体能量旁路、高超声速飞行领域具有广泛的应用前景。该技术中，发射药在高温、高压环境下爆轰产物中的电子密度对于评估磁场的调控效果至关重要，因此需要准确获取。
[0003]由于身管中火药燃气的压强极高(数百MPa，约几千个大气压)，现有研究一般通过数值计算的方法得到燃气中的电子密度，鲜有研究通过实验方法测量得到电子密度的相关数据。在先前的研究中，我们实验室虽然构建了基于密闭爆发器的发射药燃烧产物等离子体参数诊断系统，但实验结果仅仅关注了燃烧产物中光谱谱线，并未通过谱线对电子温度、电子密度等参数做进一步的分析和测量，因此实验结果参考价值有限。

技术实现思路

[0004]区别于现有研究成果，本专利技术通过构建发射药爆燃实验系统，结合自学习算法实验测量极高压条件下含电离种子的发射药爆轰型等离子体中的电子密度，填补国内和国外的研究空白。
[0005]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：本专利技术提供极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法，包括以下步骤：S1、构建基于密闭爆发器的高压下发射药燃烧产物光谱实验测试系统。
[0006]S2、采用stark展宽法结合Lorentz函数从燃烧产物特征谱线中分析电子密度，具体包括：S21、根据铯原子的两条特征谱线对应的光谱强度，计算得到燃烧产物中的电子温度。
[0007]S22、将铯原子的特征谱线数据用Lorentz函数进行拟合，求得谱线的FWHM值并减去仪器展宽，结合stark展宽计算公式得到得到燃烧产物中的电子密度。
[0008]S3、采用基于自学习算法的背景光谱剔除方法将连续的背景谱线从完整谱线中剔除，最终得到特征谱线并分析得到电子密度数据。
[0009]S4、开展实验，与理论结果进行对比验证。
[0010]优选地，所述基于密闭爆发器的高压下发射药燃烧产物光谱实验测试系统包括密闭爆发器、光谱采集及分析装置以及压力测试装置，所述密闭爆发器两端采用堵头密封，一端堵头上安装有点火装置及泄压装置，所述光谱采集及分析装置由光纤探头、光纤、光谱仪
及光谱分析软件组成，所述压力测试装置由高频动态压力传感器和信号采集系统组成。
[0011]优选地，所述S21具体内容包括:在局部热力学平衡状态下，同种元素的两条原子谱线的辐射强度之比分析公式为式中，I
λ1
和I
λ2
分别为两条原子特征谱线的光谱强度，A
k1
和A
k2
分别为两条谱线的跃迁几率，g
k1
和g
k2
分别为两条谱线激发态的统计权重，exp代表指数型函数，λ1和λ2分别为两条谱线的波长，E
k1
和E
k2
分别为两条谱线处原子激发对应的上能级能量，k为玻尔兹曼常数；T
e
为电子温度。
[0012]进而推导得到燃烧产物中电子温度，其中燃烧产物中电子温度的计算公式为：
[0013]优选地，所述S22具体内容包括：将铯原子的特征谱线数据用Lorentz函数进行拟合，求得谱线的FWHM值并减去仪器展宽，结合stark展宽计算公式得到燃烧产物中的电子密度，式中，Δλ
1/2
为stark展宽，即原子特征谱线的半高全宽与仪器展宽的差值，α
e
为离子展宽参数，ω
e
为电子碰撞系数，N
e
为燃烧产物中的电子密度。
[0014]优选地，所述S3具体内容包括：含电离种子发射药燃烧产物的光谱强度K表示为K(λ)＝∑K(λ
i
)，其中，i＝1,2,3,...,N，N为光谱的波长数目。
[0015]完整的燃烧产物光谱谱线对应光谱强度由连续光谱K
c
(λ
i
)和铯原子特征光谱K
s
(λ
i
)组合，其表达式为K(λ)＝∑K
c
(λ
i
)+∑K
s
(λ
i
)。
[0016]利用主要分分析降维算法完成光谱谱线的高维数据降维，从而提取学习矩阵的前n个主要特征分量，构成主要分矩阵S，计算得到背景光谱K
c
(λ
i
)，其中K
c
(λ
i
)＝S
·
η，式中，S为N行n列矩阵，η为包含n个元素的列向量。
[0017]利用最小二乘法，计算向量η的最优解，计算过程如下：K
‑
PVη＝0，进而得到向量η的最优解为式中，P为N阶采样矩阵，且采样矩阵P满足P
·
K
s
＝0。
[0018]进而得到发射药燃烧产物中背景谱线的预测值为在此基础上，燃烧产物中铯原子的特征谱线从整体谱线中剔除背景谱线后获得，表示为
[0019]基于上述实验测试方法，通过改变密闭爆发器中发射药的装药量即电离种子的质量分数，计算得到不同爆温、压强和电离种子含量下发射药燃烧产物中的电子温度和电子密度。
[0020]优选地，所述S4具体内容包括：以电离种子含量为2％为例，当装药量分别为5g、10g、15g、20g、30g，其对应的装填密度Φ分别为0.05g/cm3、0.1g/cm3、0.15g/cm3、0.2g/cm3、0.3g/cm3时，得到密闭爆发器内的压强曲线、压强峰值处对应的光谱谱线以及剔除背景谱
线后的原子特征谱线。
[0021]由密闭爆发器内的压强曲线可知，随着装药量的增加，发射药在密闭爆发器内的爆燃时间缩短，P
‑
t曲线越来越陡，且压强峰值逐渐增大。
[0022]由压强峰值处对应的光谱谱线可知，燃烧产物的光谱强度随装药量的增加明显增大，且由固体颗粒物热辐射形成的连续谱线的强度也随着波长和发射药装药量的增加而增大。
[0023]由剔除背景谱线后的原子特征谱线可知，剔除背景光谱后的原子特征谱线具有明显的双峰结构，特征谱线强度也随着装药量的增加而增大。
[0024]优选地，所述S4具体内容还包括：采用Lorentz函数对剔除背景谱线后的原子特征谱线中Cs I 852.11特征谱线进行线型拟合，得到不同装药量下的拟合结果，进而得知，光谱数据具有较高的拟合度。
[0025]依据所述的stark展宽法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建基于密闭爆发器的高压下发射药燃烧产物光谱实验测试系统；S2、采用stark展宽法结合Lorentz函数从燃烧产物特征谱线中分析电子密度，具体包括：S21、根据铯原子的两条特征谱线对应的光谱强度，计算得到燃烧产物中的电子温度；S22、将铯原子的特征谱线数据用Lorentz函数进行拟合，求得谱线的FWHM值并减去仪器展宽，结合stark展宽计算公式得到得到燃烧产物中的电子密度；S3、采用基于自学习算法的背景光谱剔除方法将连续的背景谱线从完整谱线中剔除，最终得到特征谱线并分析得到电子密度数据；S4、开展实验，与理论结果进行对比验证。2.根据权利要求1所述的极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法，其特征在于：所述基于密闭爆发器的高压下发射药燃烧产物光谱实验测试系统包括密闭爆发器、光谱采集及分析装置以及压力测试装置，所述密闭爆发器两端采用堵头密封，一端堵头上安装有点火装置及泄压装置，所述光谱采集及分析装置由光纤探头、光纤、光谱仪及光谱分析软件组成，所述压力测试装置由高频动态压力传感器和信号采集系统组成。3.根据权利要求1所述的极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法，其特征在于：所述S21具体内容包括:在局部热力学平衡状态下，同种元素的两条原子谱线的辐射强度之比分析公式为式中，I
λ1
和I
λ2
分别为两条原子特征谱线的光谱强度，A
k1
和A
k2
分别为两条谱线的跃迁几率，g
k1
和g
k2
分别为两条谱线激发态的统计权重，exp代表指数型函数，λ1和λ2分别为两条谱线的波长，E
k1
和E
k2
分别为两条谱线处原子激发对应的上能级能量，k为玻尔兹曼常数，T
e
为电子温度；进而推导得到燃烧产物中电子温度，其中燃烧产物中电子温度的计算公式为：4.根据权利要求3所述的极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法，其特征在于：所述S22具体内容包括：将铯原子的特征谱线数据用Lorentz函数进行拟合，求得谱线的FWHM值并减去仪器展宽，结合stark展宽计算公式得到燃烧产物中的电子密度，式中，Δλ
1/2
为stark展宽，即原子特征谱线的半高全宽与仪器展宽的差值，α
e
为离子展宽参数，ω
e
为电子碰撞系数，N
e
为燃烧产物中的电子密度。5.根据权利要求1所述的极高压条件下发射药爆轰产物电子密度测试方法，其特征在于：所述S3具体内容包括：含电离种子发射药燃烧产物的光谱强度K表示为K(λ)＝∑K(λ
i
)，其中，i＝1,2,3,...,N，N为光谱的波长数目；
完整的燃烧产物光谱谱线对应光谱强度由连续光谱K
c
(λ
i
)和铯原子特征光谱K
s
(λ
i
)组合，其表达式为K(λ)＝∑K
c
(λ
i
)+∑K
s
(λ
i
)；利用主要分分析降维算法完成光谱谱线的高维数据降维，从而提取学习矩阵的前n个主要特征分量，构成主要分矩阵S，计算得到背景光谱K
c
(λ
i
)，其中K
c
...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏曙光，白向华，毛保全，赵其进，徐振辉，陈春林，王之千，王传友，周珣，田洪刚，赵俊严，朱锐，聂彬，李华，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：