[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

说明书

技术领域

本发明属于等离子参数测量技术领域，涉及一种测量膛内等离子体电枢参数 的方法。

背景技术

等离子体电枢电磁发射技术具有发射速度上限高的特点，是传统固体电枢不 可比拟的，国内外均开展了等离子体电枢电磁发射技术的研究，中物院一所和中 科院等离子所分别达到1.27g、5km/s和50g、3km/s的水平。

美国德州大学先进技术学院在美国空间科学研究中心的支持下开展等离子 体电枢电磁轨道发射技术的研究，其目标是发射出口速度超过7km/s，能够将约 10kg的载荷发射到地球低轨。

然而，由于严重的电弧烧蚀问题和高速刨削等问题，等离子体电枢的发展十 分缓慢，究其根本原因，缺少针对膛内等离子体电枢参数的诊断方法是一个重要 的不可被忽视的原因，等离子体电枢的主要参数包括等离子体移动速度、等离子 体电子密度、电子温度、振动温度、转动温度等，这些参数都直接影响等离子体 电枢的性能，尤其是等离子体密度温度信息直接决定了电枢出膛速度。这些都是 电磁轨道炮等离子体电枢研究的重点难点问题。

等离子体电枢体积小、移动速度快，其参数诊断测量十分困难。传统的等离 子体电枢测量方法有磁探针方法、朗缪尔探针法和发射光谱法。

磁探针方法虽然能够比较准确的给出等离子体电枢的运动速度，然而无法获 得等离子体密度、温度信息。

朗缪尔探针法是测量等离子体电子温度和电子密度的常用方法，但由于探针 电极需插入等离子体内部，加之电枢等离子体气压很高，不满足朗缪尔探针的 无碰撞工作条件，无法对快速移动的等离子体电枢进行测量。

发射光谱法(OpticalEmissionSpectroscopy)是一种分析诊断等离子体重要 方法，其特点是装置简单，对等离子体完全没有干扰。等离子体中的生成物种从 激发态跃迁到低能态时发出光，即可观测到发射光谱。由于其具有结构简单、非 接触式测量、灵敏度高、响应速度快等特点，已广泛应用于等离子体特性诊断。 发射光谱法不仅可以用于测量电子温度和电子密度，还可以测量等离子体振动温 度和转动温度。然而，发射光谱用于电枢轨道炮的等离子体电枢参数测量的方法 尚未见报道，这是由于传统收集光谱的方向通常垂直于等离子体电枢的发射方 向，即在电磁轨道炮的喷口方向后期尾部收集，这样探测效率低，且无法对等离 子体电枢的膛内移动速度进行测量。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本发明提出一种实时原位测量膛内等离子体电枢 参数的方法，可以在同一时刻获得同一位置的等离子体电枢的全光谱，不受等离 子体电枢波动的影响。

本发明的技术方案如下：

一种实时原位测量膛内等离子体电枢参数的方法，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：