一种含能材料的相变时间测量系统和方法与流程

本发明涉及材料结构相变技术领域，更具体地说，涉及一种含能材料的相变时间测量系统和方法。

背景技术：

含能材料属于自反应性化学物质，无需外界提供氧气就可以发生化学反应。环三次甲基三硝胺，也称黑索金，简称rdx，是单体含能材料的一种。它是无色晶体，不溶于水，微溶于乙醚和乙醇，遇明火、高温、震动、撞击、摩擦能引起燃烧爆炸，在密度为1.7g/cm3时，爆速达8350m/s，是综合性能极佳的烈性炸药。

常温常压下，rdx存在两个结构相，分别是正交结构(aae构象，α-rdx)和正交结构(aaa构象，β-rdx)。其中，α-rdx为稳定相，β-rdx为亚稳相。当被触碰后，β-rdx会立即相变为α-rdx，这一相变过程非常迅速且不可逆。

虽然现有的时间分辨拉曼技术可以对可重复触发的可逆相变的时间进行测量，并通过多次统计得到相变过程的图像，对材料的结构相变过程进行研究。但是，对于触碰导致的不可逆相变，如触碰导致的rdx亚稳相到稳定相的相变，现有的时间分辨拉曼技术无法提供可靠的撞击时间触发，导致相变时间难以测量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种含能材料的相变时间测量系统和方法，以对含能材料的相变时间进行有效测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种含能材料的相变时间测量系统，包括第一激光器、第二激光器、飞片、显微共聚焦系统、光谱仪、光电倍增管和示波器；

所述第一激光器用于出射第一激光，以使所述第一激光烧蚀所述飞片的表层产生高温等离子体，并通过所述高温等离子体驱动所述飞片撞击含能材料样品，使所述含能材料样品发生相变；

所述第二激光器用于出射第二激光；

所述显微共聚焦系统用于将所述第二激光聚焦到所述含能材料样品表面，并将所述含能材料样品的散射光中的拉曼信号光导入所述光谱仪；

所述光谱仪用于分离出所述拉曼信号光中的拉曼特征光；

所述光电倍增管用于将所述拉曼特征光信号转换为电信号；

所述示波器用于记录所述电信号的时间，以根据所述时间测量出所述拉曼特征光的响应时间，得到所述含能材料样品的相变时间。

可选地，还包括飞片支撑系统，所述飞片支撑系统包括光杆、第一支架、三维位移平台和方向可调的连接夹具；

所述飞片通过细线与圆环连接，所述圆环套在所述第一支架上，并卡在所述第一支架上的凹槽的固定位置；

所述第一支架通过所述方向可调的连接夹具固定在所述光杆上；

所述光杆固定在所述三维位移平台上，所述三维位移平台用于控制所述飞片在空间中平移到所需的位置。

可选地，所述显微共聚焦系统包括反光镜、截止滤光片、物镜、三目观察筒和光纤耦合透镜；

所述反光镜用于将所述第二激光器出射的第二激光反射至所述截止滤光片；

所述截止滤光片用于将所述第二激光反射至所述物镜；

所述物镜用于将所述第二激光聚焦到所述含能材料样品表面，并将所述含能材料样品的散射光调制为平行光；

所述截止滤光片还用于滤除所述平行光中的第二激光，以得到所述含能材料样品的拉曼信号光；

所述三目观察筒用于将所述拉曼信号光会聚至所述光纤耦合透镜；

所述光纤耦合透镜用于将所述拉曼信号光耦合到光纤，并导入所述光谱仪。

可选地，所述显微共聚焦系统还包括第二支架和支柱；

所述支柱固定在光学平台上，所述第二支架固定在所述支柱上，所述反光镜、所述截止滤光片、所述物镜、所述三目观察筒和所述光纤耦合透镜固定在所述第二支架上。

可选地，所述第一激光器还用于在出射第一激光的同时出射触发信号，以通过所述触发信号触发所述示波器开始记录数据。

可选地，所述第一激光器为波长为1064nm的脉冲激光器，所述第二激光器为波长为532nm的半导体激光器，所述示波器为1ghz的高速示波器。

可选地，所述飞片为0.3mm厚的铝片。

可选地，所述含能材料包括rdx。

一种含能材料的相变时间测量方法，包括：

第一激光器出射第一激光，以使所述第一激光烧蚀所述飞片的表层产生高温等离子体，并通过所述高温等离子体驱动所述飞片撞击含能材料样品，使所述含能材料样品发生相变；

第二激光器出射第二激光；

所述显微共聚焦系统将所述第二激光聚焦到所述含能材料样品表面，并将所述含能材料样品的散射光中的拉曼信号光导入光谱仪；

所述光谱仪分离出所述拉曼信号光中的拉曼特征光；

所述光电倍增管将所述拉曼特征光信号转换为电信号；

所述示波器记录所述电信号的时间，以根据所述时间测量出所述拉曼特征光的响应时间，得到所述含能材料样品的相变时间。

可选地，所述显微共聚焦系统将所述第二激光聚焦到所述含能材料样品表面，并将所述含能材料样品的拉曼信号光导入光谱仪包括：

所述反光镜将所述第二激光器出射的第二激光反射至所述截止滤光片；

所述截止滤光片将所述第二激光反射至所述物镜；

所述物镜将所述第二激光聚焦到所述含能材料样品表面，并将所述含能材料样品的散射光调制为平行光；

所述截止滤光片滤除所述平行光中的第二激光，以得到所述含能材料样品的拉曼信号光；

所述三目观察筒将所述拉曼信号光会聚至所述光纤耦合透镜；

所述光纤耦合透镜将所述拉曼信号光耦合到光纤，并导入所述光谱仪。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的含能材料的相变时间测量系统和方法，通过第一激光烧蚀飞片的表层产生高温等离子体，并通过高温等离子体驱动飞片撞击含能材料样品，使含能材料样品发生相变，从而可以精确控制相变开始时间，进而可以高精度的测量相变时间。由于显微共聚焦系统具有高空间分辨率的特点，因此，通过显微共聚焦系统将第二激光聚焦到含能材料样品表面，并将含能材料样品散射光中的拉曼信号光导入光谱仪，有利于微小样品的测量，从而可以提高测量系统的应用范围和空间分辨精度。由于光电倍增管能够分辨微弱信号、示波器能够记录光电倍增管的脉冲信号，因此，大大提高了相变时间测量系统的时间分辨能力，提高了相变时间测量的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的含能材料的相变时间测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的飞片支撑系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的显微共聚焦系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的结合后的飞片支撑系统和显微共聚焦系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的含能材料的相变时间测量方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种含能材料的相变时间测量系统，应用于测量含能材料的相变时间，具体用于测量rdx从β-rdx亚稳相转变为α-rdx稳定相的相变时间，以通过相变时间对rdx的相变过程进行研究。

本发明实施例提供的含能材料的相变时间测量系统，如图1所示，包括第一激光器10、第二激光器11、飞片12、显微共聚焦系统13、光谱仪14、光电倍增管15和示波器16。

其中，第一激光器10用于出射第一激光，以使第一激光烧蚀飞片12的表层产生高温等离子体，并通过高温等离子体自身动能驱动飞片12撞击含能材料样品2，使含能材料样品2发生相变；第二激光器11用于出射第二激光；显微共聚焦系统13用于将第二激光聚焦到含能材料样品2表面，并将含能材料样品2的散射光中的拉曼信号光导入光谱仪14；光谱仪14用于分离出拉曼信号光中的拉曼特征光；光电倍增管15用于将拉曼特征光信号转换为电信号；示波器16用于记录所述电信号的时间，以根据所述时间测量出所述拉曼特征光的响应时间，得到所述含能材料样品的相变时间。

需要说明的是，本发明实施例中，飞片12为厚度为0.3mm的铝片，当然，本发明并不仅限于此。

可选地，如图2所示，飞片12通过飞片支撑系统固定，也就是说，本发明实施例提供的相变时间测量系统还包括飞片支撑系统，该飞片支撑系统包括光杆121、第一支架122、三维位移平台123和方向可调的连接夹具124。其中，三维位移平台123用于精细控制飞片12在空间中平移到所需的位置。

其中，飞片12可以通过细线125与圆环126连接，圆环126套在第一支架122上，并卡在第一支架122上的槽内的固定位置。具体地，第一支架122为f型支架，细线125的一端穿过飞片12上预留的小孔并打结固定，细线125的另一端在圆环126上打结后采用胶水固定。可选地，可以采用多条细线125和多个圆环126固定飞片12，也可以采用一条细线125和一个圆环126固定飞片12，本发明并不仅限于此。如图2所示，本发明实施例中采用两条细线125和两个圆环126固定飞片12，其中，圆环126套在第一支架122上，并卡在第一支架122上的凹槽的固定位置。

第一支架122通过方向可调的连接夹具124固定在光杆121上，光杆121固定在三维位移平台123上。需要说明的是，光杆121竖直固定在三维位移平台123上，第一支架122通过连接夹具124水平固定在光杆121上，以使飞片12能够固定在空间中的某一位置上。

可选地，第一支架122通过连接夹具124上的顶丝紧固在连接夹具124上的圆孔中，同样，光杆121也通过连接夹具124上的顶丝紧固在连接夹具124上的圆孔中，并且，光杆121通过螺纹固定在三维位移平台123上的孔内。

可选地，如图3所示，所述显微共聚焦系统13包括反光镜131、截止滤光片132、物镜133、三目观察筒135、光纤耦合透镜136、第二支架134和支柱137。其中，支柱137固定在光学平台138上，第二支架134固定在支柱137上，反光镜131、截止滤光片132、物镜133、三目观察筒135和光纤耦合透镜136固定在第二支架134上。

并且，反光镜131用于将第二激光器11出射的第二激光反射至截止滤光片132；截止滤光片132用于将第二激光反射至物镜133；物镜133用于将第二激光聚焦到含能材料样品2表面，并将含能材料样品2的散射光调制为平行光；截止滤光片132还用于滤除平行光中的第二激光，以得到含能材料样品2的拉曼信号光；三目观察筒135用于将拉曼信号光会聚至光纤耦合透镜136；光纤耦合透镜136用于将拉曼信号光耦合到光纤，并导入光谱仪14。

可选地，反光镜131为可二维微调角度的反光镜。可选地，在本发明的一个具体实施例中，第一激光器10为波长为1064nm的脉冲激光器，第二激光器11为波长为532nm的半导体激光器，示波器16为1ghz的高速示波器，截止滤光片132为532nm截止滤光片，即截止532nm波长光的滤光片。

如图3所示，第二支架134与反光镜131、截止滤光片132均通过螺丝螺母连接，与物镜133通过螺纹连接。三目观察筒135与第二支架134、光纤耦合透镜136均通过顶丝固定。第二支架134通过齿轮固定在支柱137上，支柱137固定在光学平台138上。

图4为飞片支撑系统和显微共聚焦系统13结合成的含能材料的相变时间测量系统的结构示意图，在测量rdx从β-rdx亚稳相转变为α-rdx稳定相的相变时间时，将飞片12置于位置b，位置a为第二激光照射在含能材料样品2上的位置，光谱仪14的色散系统设定为628.47nm(2885cm^-1)，由于β-rdx亚稳相无拉曼特征信号而α-rdx稳定相有很强的碳氢振动信号即拉曼特征信号，因此，可以利用光谱仪14和光电倍增管15等采集信号。

本发明实施例中将示波器16的输入端接入光电倍增管15的信号输出端，示波器16的触发端接入第一激光器10的触发输出端。第一激光器10发出第一激光驱动飞片12撞击含能材料样品2的同时输出一个触发信号，示波器16在接收到该出发信号后开始记录数据。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，也可以采用其他器件在第一激光器10发出第一激光之前或同时向示波器16发送触发信号。

如图4所示，1064nm的第一激光器10出射第一激光后，第一激光照射在飞片12上，烧蚀飞片12的表层，产生高温等离子体，在高温等离子体动能的反冲驱动下，飞片12撞击含能材料样品2即rdx样品，使得rdx样品从β-rdx亚稳相转变为α-rdx稳定相。之后532nm的第二激光器11出射第二激光，第二激光从第二支架134左侧的通光孔入射到反光镜131，被反光镜131反射后入射到截止滤光片132。通过调节第二激光的方向、位置以及反光镜131的角度，可以使得截止滤光片132反射的激光垂直透过物镜133的中心，并被物镜133会聚到rdx样品上。

rdx样品的散射光会被物镜133收集后变成平行光，经过532nm的截止滤光片132后得到拉曼信号光，三目观察筒135将拉曼信号光会聚至光纤耦合透镜136，光纤耦合透镜136将拉曼信号光耦合到光纤，并导入光谱仪14。

光谱仪14分离出拉曼信号光中的拉曼特征光，并将分离出的拉曼特征光传输至光电倍增管15，光电倍增管15将拉曼特征光信号转换为电信号，并将电信号传输至示波器16，示波器16记录出现信号的时间，通过样品底部的位移台给出ab的间距后，多次测量统计信号变密集的时间，即可得到β-rdx亚稳相转变为α-rdx稳定相的相变时间。并且，取不同的ab间距，分别测量，即可得到相变在rdx晶体中的传播速度。

本发明实施例提供的测量系统，通过第一激光烧蚀飞片12的表层产生高温等离子体，并通过高温等离子体驱动飞片12撞击含能材料样品2，使含能材料样品2发生相变，从而可以精确控制相变开始时间，进而可以高精度的测量相变时间。由于显微共聚焦系统13具有高空间分辨率的特点，因此，通过显微共聚焦系统13将第二激光聚焦到含能材料样品2表面，并将含能材料样品2散射光中的拉曼信号光导入光谱仪14，有利于微小样品的测量，从而可以提高测量系统的应用范围和空间分辨精度。由于光电倍增管15能够分辨微弱信号、示波器16能够记录光电倍增管15的脉冲信号，因此，大大提高了相变时间测量系统的时间分辨能力，提高了相变时间测量的精确度。

本发明实施例还提供了一种含能材料的相变时间测量方法，应用于如上实施例提供的相变时间测量系统，如图5所示，包括：

s101：第一激光器出射第一激光，以使第一激光烧蚀飞片的表层产生高温等离子体，并通过高温等离子体驱动飞片撞击含能材料样品，使含能材料样品发生相变；

s102：第二激光器出射第二激光；

s103：显微共聚焦系统将第二激光聚焦到含能材料样品表面，并将含能材料样品的散射光中的拉曼信号光导入光谱仪；

s104：光谱仪分离出拉曼信号光中的拉曼特征光；

s105：光电倍增管将拉曼特征光信号转换为电信号；

s106：示波器记录电信号的时间，以根据时间测量出拉曼特征光的响应时间，得到含能材料样品的相变时间。

可选地，显微共聚焦系统将第二激光聚焦到含能材料样品表面，并将含能材料样品的拉曼信号光导入光谱仪包括：

反光镜将第二激光器出射的第二激光反射至截止滤光片；

截止滤光片将第二激光反射至物镜；

物镜将第二激光聚焦到含能材料样品表面，并将含能材料样品的散射光调制为平行光；

截止滤光片滤除平行光中的第二激光，以得到含能材料样品的拉曼信号光；

三目观察筒将拉曼信号光会聚至光纤耦合透镜；

光纤耦合透镜将拉曼信号光耦合到光纤，并导入光谱仪。

具体地，参考图1和图4，第一激光器10出射第一激光后，第一激光照射在飞片12上，烧蚀飞片12的表层，产生高温等离子体，在高温等离子体动能的反冲驱动下，飞片12撞击含能材料样品2即rdx样品，使得rdx样品从β-rdx亚稳相转变为α-rdx稳定相。之后第二激光器11出射第二激光，第二激光从第二支架134左侧的通光孔入射到反光镜131，被反光镜131反射后入射到截止滤光片132。通过调节第二激光的方向、位置以及反光镜131的角度，可以使得截止滤光片132反射的激光垂直透过物镜133的中心，并被物镜133会聚到rdx样品上。rdx样品的散射光会被物镜133收集后变成平行光，经过截止滤光片132滤除第二激光后得到拉曼信号光，三目观察筒135将拉曼信号光会聚至光纤耦合透镜136，光纤耦合透镜136将拉曼信号光耦合到光纤，并导入光谱仪14。

光谱仪14分离出拉曼信号光中的拉曼特征光，并将分离出的拉曼特征光传输至光电倍增管15，光电倍增管15将拉曼特征光信号转换为电信号，并将电信号传输至示波器16，示波器16记录出现信号的时间，通过样品底部的位移台给出ab的间距后，多次测量统计信号变密集的时间，即可得到β-rdx亚稳相转变为α-rdx稳定相的相变时间。并且，取不同的ab间距，分别测量，即可得到相变在rdx晶体中的传播速度。

本发明实施例提供的测量方法，通过第一激光烧蚀飞片12的表层产生高温等离子体，并通过高温等离子体驱动飞片12撞击含能材料样品2，使含能材料样品2发生相变，从而可以精确控制相变开始时间，进而可以高精度的测量相变时间。由于显微共聚焦系统13具有高空间分辨率的特点，因此，通过显微共聚焦系统13将第二激光聚焦到含能材料样品2表面，并将含能材料样品2散射光中的拉曼信号光导入光谱仪14，有利于微小样品的测量，从而可以提高测量系统的应用范围和空间分辨精度。由于光电倍增管15能够分辨微弱信号、示波器16能够记录光电倍增管15的脉冲信号，因此，大大提高了相变时间测量系统的时间分辨能力，提高了相变时间测量的精确度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。