[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

摘要

本发明属于等离子参数测量技术领域，公开了一种实时原位测量膛内等离子体电枢参数的方法，该方法包括如下步骤：步骤一：在电磁轨道炮膛内壁内嵌石英窗口；步骤二：发射光谱的产生；步骤三：获取等离子体电枢的发射光谱；步骤四：实时原位测量膛内等离子体电枢参数如：运动速度、电子温度、电子密度、振动温度、转动温度。本发明在电磁轨道炮膛内壁的不同位置处内嵌石英窗口，等离子体电枢途经石英窗口辐射的发射光谱，不接触等离子电枢，不改变等离子体电枢运动状态，实时原位获取其关键参数如运动速度、电子温度、电子密度、振动温度、转动温度。

主权项

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：$\mathrm{\λ}=\frac{c}{v}=\frac{ch}{E_k-E_i}---\left(3\right)$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：$I_{ki}=n_k\frac{hc}{\mathrm{\λ}}{A}_{ki}---\left(4\right)$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：$n_k=\frac{n}{Z}{g}_k\exp (-\frac{E_k}{{\mathrm{kT}}_e})---\left(5\right)$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)：$I_{ki}=g_k{A}_{ki}\frac{n}{Z}\frac{hc}{\mathrm{\λ}}\exp (-\frac{E_k}{{\mathrm{kT}}_e})---\left(6\right)$对公式(6)取自然对数，得公式(7)：$\ln \left(\frac{I_k{\mathrm{\λ}}_k}{g_k{A}_k}\right)=-\frac{E_k}{{\mathrm{kT}}_e}+C---\left(7\right)$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：${\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}^S=2\[1+1.75{\mathrm{\α}}^{\′}(1-c_{0}r)\]w^{\′}---\left(8\right)$其中，是离子平均距离和德拜长度的比值；c₀＝0.75；表示电子碰撞引起的半最大值宽度，是准静态离子加宽参数；将上述参数表达式代入公式(8)即得：${\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}^S=2\×\[1+1.75\×{10}^{-4}{N}_e^{1/4}\mathrm{\α}\×(1-0.068N_e^{1/6}{T}_e^{-1/2})\]\×{10}^{-16}{\mathrm{wN}}_e---\left(9\right)$其中，w＝αN_e，α为展宽系数，T_e为石英窗口处等离子体电枢的电子温度，由公式(7)求出；将上述参数代入上述公式(9)，即可得到不同石英窗口之间的电子密度N_e；等离子体电枢的分子振动温度T_v测量：分子带系发射光谱中的振动带之间的谱线强度I_v′v″表示为：I_v′v″＝hcv_v′v″A_v′v″N_v′   (10)其中，v′，v″分别为上、下能态振动量子数，A_v′v″为跃迁几率N_v′，为上能态分子数，h为普朗克常数，c为真空中光速；分子的振动能量E_v′表示为：$E_{v^{\′}}={\mathrm{\ω}}_e(v^{\′}+\frac{1}{2})-{\mathrm{\ω}}_e{x}_e{(v^{\′}+\frac{1}{2})}^2+{\mathrm{\ω}}_e{y}_e{(v^{\′}+\frac{1}{2})}^3+...---\left(11\right)$其中，振动常数ω_e、ω_ex、ω_ey_e和跃迁概率A_v′v″可由Griem HR.1964，Pasma Spectroscopy McGraw‑Hill，New York查得；在局部热力学平衡下，上能态分子数N_v′满足波尔兹曼分布，得到：$N_{v^{\′}}=N_0{e}^{-E_{v^{\′}}/{\mathrm{kT}}_v}---\left(12\right)$式中，N₀为粒子密度；将公式(12)代入公式(10)中，可得公式(13)：$\ln \left(\frac{I_{v^{\′}{v}^{\′\′}}{\mathrm{\λ}}_{v^{\′}{v}^{\′\′}}}{A_{v^{\′}{v}^{\′\′}}}\right)=-\frac{E_{v^{\′}}}{{\mathrm{kT}}_v}+C---\left(13\right)$其中，I_v′v″为峰强度，λ_v′v″为该波长，A_v′v″为跃迁概率，E_v′为跃迁的上能级的能级，C为常数，I_v′v″从步骤三得到的等离子体电枢的发射光谱中读出，能级E_v′根据公式(11)求得；以E_v′为横坐标，以为纵坐标，作直线拟合，该直线的斜率负倒数即为kT_v，由此求得离子体电枢的分子振动温度T_v；等离子体电枢的分子转动温度T_r测量：转动光谱线的相对强度I表示为：$I={\mathrm{K\γ}}^4{S}_{J^{\′}{J}^{\′\′}}{e}^{\frac{B_{v^{\′}}{J}^{\′}(J^{\′}+1)hc}{{\mathrm{kT}}_r}}---\left(14\right)$其中，K为常数，对相同的振动能级来说，该值不变；γ为辐射频率；S_J′J″为亨耳‑伦敦系数，B_v′是上振动能级的分子转动常数，J′和J″分别为上能级和下能级的转动量子数，h为普朗克常数，c为真空中光速；当忽略γ⁴时，公式(14)变为公式(15)：$\ln \left(\frac{I_{J^{\′}{J}^{\′\′}}}{S_{J^{\′}{J}^{\′\′}}}\right)=-\frac{B_{v^{\′}}{J}^{\′}(J^{\′}+1)hc}{{\mathrm{kT}}_r}+C---\left(15\right)$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Griem HR.1964，Pasma Spectroscopy McGraw‑Hill，New York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。