超高速碰撞产生等离子体的电磁特性及物理机制研究

超高速碰撞产生等离子体是物质在强动载作用下的物态转变，涉及冲击动力学、固体物理、等离子体物理、高压物理等多个学科领域，在天体物理和航天器对空间碎片的防护方面具有重要的应用价值。本项目以LY12铝为研究对象,通过实验研究、理论分析和数值计算，系统研究超高速碰撞产生等离子体的物理机制，重点建立等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针、Langmuir三探针系统、电磁辐射强度测量系统，阐明冲击波能、剩余比内能和物质电离能对等离子体产生的作用机制，揭示超高速碰撞产生等离子体的物理过程和等离子体特征参量的时空演化规律，获得LY12铝在超高速碰撞条件下产生等离子体的临界条件，为材料动力学、凝聚态物理、天体物理以及航天器的空间防护提供有价值的参考。该研究项目的开展还对航天器新材料的选择、航天器防护设计准则的改进等提供理论上的指导，开辟该研究领域对其他相关学科的发展也具有带动作用。

超高速碰撞产生等离子体是物质在强动载作用下的物态转变，涉及冲击动力学、固体物理、等离子体物理及高压物理等多个学科领域，在天体物理及航天器对空间碎片的防护方面具有重要的应用价值。. 本课题在建立实验系统、完善可靠的诊断系统、诊断数据获取、数据处理方法及其物理机制揭示方面取得了显著进步。主要结论是：（1）建立了完善的超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针、Langmuir三探针系统、磁感应强度测量系统及电磁辐射强度的微波诊断系统；（2）进行了Sweep Langmuir probe诊断系统的等效电路分析和电磁感应线圈测量系统的等效电路分析；开展了超高速碰撞产生等离子体电磁特性的实验诊断；给出了诊断系统的相关理论及实验数据处理方法；通过二级轻气炮加载实验，揭示了超高速碰撞产生瞬态等离子体的电导率及频谱响应特征；（3）开展了超高速碰撞产生等离子体实验，结果表明：超高速碰撞产生膨胀等离子体的持续时间在1~4ms左右，平均电子温度在0.4~0.9eV间，电子密度在1012/cm3量级。在碰撞速度不同、弹丸入射角度（与靶板平面的夹角）相同、传感器布局相同的实验条件下，随着碰撞速度的增大，产生等离子体的电子温度、电子密度及磁感应强度等特征参量增大。在碰撞速度相近、弹丸的入射角度不同、传感器布局相同的条件下，随着弹丸碰撞靶板角度的减小，产生等离子体的电子温度、电子密度及磁感应强度等特征参量增大，得到了产生等离子体的特征参量在整个物理过程中随时间的变化关系；（4）通过理论分析的方法建立了超高速碰撞产生磁场的1维模型；分析了超高速碰撞产生弱磁场的时间尺度特征；推导出了等离子体在膨胀过程中粒子密度的时空分布规律；推导出了等离子体的粒子能量密度与带电粒子密度及带电粒子运动速度的关系；（5）利用建立的超高速碰撞产生电磁辐射的微波诊断系统，开展了超高速碰撞产生电磁辐射的微波诊断，揭示了超高速碰撞产生微波辐射的物理机制；（6）采用理论的方法对超高速碰撞LY12铝靶各物理过程的能量分配进行了分析，揭示了碰撞喷出物形成过程中各物理阶段对气化、等离子体形成的影响因素，并给出了模型描述。. 建立的诊断系统结合二级轻气炮加载手段对超高速碰撞产生等离子体电磁特性诊断研究起到了极大的推动作用，课题的开展必将对航天器新材料的选择、航天器防护设计准则的改进等提供理论上的指导。