[发明专利]一种实时原位测量膛内等离子体电枢参数的方法

权利要求书

1.一种实时原位测量膛内等离子体电枢参数的方法，其特征在于，包括如 下步骤：

步骤一：在电磁轨道炮膛内壁内嵌若干个石英窗口；

电磁轨道炮膛轨道相隔相同距离内嵌石英窗口；

步骤二：发射光谱的产生；

采用高压脉冲电源对聚乙烯衬垫进行放电，产生用于电磁轨道发射的等离子 体电枢，等离子体电枢在电磁轨道炮膛内快速运动；

步骤三：获取等离子体电枢的发射光谱；

光纤接头分别热合在每个石英窗口上，光纤一端接在光纤接头处，另一端与 多通道光纤光谱仪相连接，光纤将等离子体辐射的光传输至多通道光纤光谱仪， 多通道光纤光谱仪与计算机相连，通过计算机软件控制多通道光纤光谱仪进行光 谱采集，并将得到的光谱保存在计算机里；同时多通道光纤光谱仪与电磁轨道炮 脉冲电源之间通过数字延迟发生器相连，通过数字延迟发生器调节两者之间的时 序；

步骤四：实时原位测量膛内等离子体电枢参数；

等离子体电枢参数包括运动速度、电子温度、电子密度、振动温度、转动温 度；

等离子体电枢在电磁轨道炮膛内不同石英窗口之间的运动速度测量：

测量电磁轨道炮的等离子体电枢喷口与每个石英窗口之间的距离Δl_i， i＝1，2，...，n，n为石英窗口序号，n＞1；调节数字延迟发生器，获得每个石英窗口 的最强发射光谱，并记录其相应的时间Δt_i，i＝1，2，...，n，n为石英窗口序号，n＞1；

等离子体电枢在第1个石英窗口与第2个石英窗口之间的运动速度可由公式 (1)计算得到：

v₁＝Δl₁/Δt₁(1)

等离子体电枢在其它石英窗口之间的运动速度可由公式(2)计算得到：

v_i＝(Δl_i-Δl_i-1)/(Δt_i-Δt_i-1)，i＝2，...，n，n＞2(2)

等离子体电枢的电子温度T_e测量：

等离子体电枢发射光谱的谱线波长λ为：

λ=cv=chEk-Ei---(3)]]>

其中c为光速；v为光子频率；h为Plank常数；E_k、E_i分别对应k能级和i 能级的电子能量；

由k能级到i能级跃迁发出的光子对应的谱线强度I_ki，由公式(4)给出：

Iki=nkhcλAki---(4)]]>

其中，n_k为单位体积内处于激发态k的原子数；A_ki为能级k到i的跃迁几率； 处于第k能级的粒子数密度n_k由波尔兹曼分布给出：

nk=nZgkexp(-EkkTe)---(5)]]>

其中，为粒子总密度；为原子的总配分函数； g_k为k能级的统计权重；k为波尔兹曼常数；

将式(4)带入式(3)中可得公式(6)：

Iki=gkAkinZhcλexp(-EkkTe)---(6)]]>

对公式(6)取自然对数，得公式(7)：

ln(IkλkgkAk)=-EkkTe+C---(7)]]>

其中，k为波尔兹曼常数，I_k为峰强度，λ_k为该峰波长，g_k为该跃迁的上能 级的简并度，A_k为跃迁概率，E_k为跃迁的上能级的能级，为常数， I_k从步骤三得到的发射光谱中读出，λ_k、g_k、A_k、E_k从美国国家标准技术研究所 (NIST)数据库中查得；

以E_k为横坐标，以为纵坐标，作直线拟合，该直线的斜率负倒数 即为kT_e，由此求得离子体电枢的电子温度T_e；

等离子体电枢的电子密度N_e测量：

非H谱线的Stark展宽效应谱线轮廓的半高全宽由公式(8)表示：

Δλ1/2S=2[1+1.75α′(1-c0r)]w′---(8)]]>

其中，是离子平均距离和德拜长度的比值；c₀＝0.75； 表示电子碰撞引起的半最大值宽度，是准静态离子加宽参数；将上述参数表达式代入公式(8)即得：

Δλ1/2S=2×[1+1.75×10-4Ne1/4α×(1-0.068Ne1/6Te-1/2)]×10-16wNe---(9)]]>

其中，w＝αN_e，α为展宽系数，T_e为石英窗口处等离子体电枢的电子温度， 由公式(7)求出；将上述参数代入上述公式(9)，即可得到不同石英窗口之间 的电子密度N_e；

等离子体电枢的分子振动温度T_v测量：

分子带系发射光谱中的振动带之间的谱线强度I_v′v″表示为：

I_v′v″＝hcv_v′v″A_v′v″N_v′(10)

其中，v′，v″分别为上、下能态振动量子数，A_v′v″为跃迁几率N_v′，为上能态 分子数，h为普朗克常数，c为真空中光速；

分子的振动能量E_v′表示为：

Ev′=ωe(v′+12)-ωexe(v′+12)2+ωeye(v′+12)3+...---(11)]]>

其中，振动常数ω_e、ω_ex、ω_ey_e和跃迁概率A_v′v″可由GriemHR.1964，Pasma SpectroscopyMcGraw-Hill，NewYork查得；

在局部热力学平衡下，上能态分子数N_v′满足波尔兹曼分布，得到：

Nv′=N0e-Ev′/kTv---(12)]]>

式中，N₀为粒子密度；

将公式(12)代入公式(10)中，可得公式(13)：

ln(Iv′v′′λv′v′′Av′v′′)=-Ev′kTv+C---(13)]]>

其中，I_v′v″为峰强度，λ_v′v″为该波长，A_v′v″为跃迁概率，E_v′为跃迁的上能级 的能级，C为常数，I_v′v″从步骤三得到的等离子体电枢的发射光谱中读出，能级E_v′根据公式(11)求得；

以E_v′为横坐标，以为纵坐标，作直线拟合，该直线的斜率负倒数 即为kT_v，由此求得离子体电枢的分子振动温度T_v；

等离子体电枢的分子转动温度T_r测量：

转动光谱线的相对强度I表示为：

I=Kγ4SJ′J′′eBv′J′(J′+1)hckTr---(14)]]>

其中，K为常数，对相同的振动能级来说，该值不变；γ为辐射频率；S_J′J″为 亨耳-伦敦系数，B_v′是上振动能级的分子转动常数，J′和J″分别为上能级和下能 级的转动量子数，h为普朗克常数，c为真空中光速；

当忽略γ⁴时，公式(14)变为公式(15)：

ln(IJ′J′′SJ′J′′)=-Bv′J′(J′+1)hckTr+C---(15)]]>

其中，C为常数；I_J′J″为峰强度，从步骤三得到的等离子体电枢的发射光谱 中读出；S_J′J″为亨耳-伦敦系数；J′为上能级的转动量子数；B_v′为振动态的转动 常数；h为普朗克常数；c为真空中光速；上述常数可由GriemHR.1964，Pasma SpectroscopyMcGraw-Hill，NewYork中得到；

以B_v′J′(J′+1)hc为横坐标，为纵坐标，作直线拟合，拟合直线的斜率 负倒数即为kT_r，由此求得离子体电枢的分子转动温度T_r。