一種實(shí)時(shí)原位測(cè)量膛內(nèi)等離子體電樞參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于等離子參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測(cè)量膛內(nèi)等離子體電樞參數(shù)的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 等離子體電樞電磁發(fā)射技術(shù)具有發(fā)射速度上限高的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)固體電樞不可比 擬的，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了等離子體電樞電磁發(fā)射技術(shù)的研究，中物院一所和中科院等離子所 分別達(dá)到1.27g、5km/s和50g、3km/s的水平。
[0003] 美國(guó)德州大學(xué)先進(jìn)技術(shù)學(xué)院在美國(guó)空間科學(xué)研究中心的支持下開(kāi)展等離子體電 樞電磁軌道發(fā)射技術(shù)的研究，其目標(biāo)是發(fā)射出口速度超過(guò)7km/s，能夠?qū)⒓s10kg的載荷發(fā)射 到地球低軌。
[0004] 然而，由于嚴(yán)重的電弧燒蝕問(wèn)題和高速刨削等問(wèn)題，等離子體電樞的發(fā)展十分緩 慢，究其根本原因，缺少針對(duì)膛內(nèi)等離子體電樞參數(shù)的診斷方法是一個(gè)重要的不可被忽視 的原因，等離子體電樞的主要參數(shù)包括等離子體移動(dòng)速度、等離子體電子密度、電子溫度、 振動(dòng)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度等，這些參數(shù)都直接影響等離子體電樞的性能，尤其是等離子體密度溫 度信息直接決定了電樞出膛速度。這些都是電磁軌道炮等離子體電樞研究的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn) 題。
[0005] 等離子體電樞體積小、移動(dòng)速度快，其參數(shù)診斷測(cè)量十分困難。傳統(tǒng)的等離子體電 樞測(cè)量方法有磁探針?lè)椒?、朗繆爾探針?lè)ê桶l(fā)射光譜法。
[0006] 磁探針?lè)椒m然能夠比較準(zhǔn)確的給出等離子體電樞的運(yùn)動(dòng)速度，然而無(wú)法獲得等 離子體密度、溫度信息。
[0007]朗繆爾探針?lè)ㄊ菧y(cè)量等離子體電子溫度和電子密度的常用方法，但由于探針電極 需插入等離子體內(nèi)部，加之電樞等離子體氣壓很高，不滿足朗繆爾探針的無(wú)碰撞工作條件， 無(wú)法對(duì)快速移動(dòng)的等離子體電樞進(jìn)行測(cè)量。
[0008] 發(fā)射光譜法(Optical Emission Spectroscopy)是一種分析診斷等離子體重要方 法，其特點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單，對(duì)等離子體完全沒(méi)有干擾。等離子體中的生成物種從激發(fā)態(tài)躍迀到 低能態(tài)時(shí)發(fā)出光，即可觀測(cè)到發(fā)射光譜。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸式測(cè)量、靈敏度高、響 應(yīng)速度快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于等離子體特性診斷。發(fā)射光譜法不僅可以用于測(cè)量電子溫 度和電子密度，還可以測(cè)量等離子體振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。然而，發(fā)射光譜用于電樞軌道炮 的等離子體電樞參數(shù)測(cè)量的方法尚未見(jiàn)報(bào)道，這是由于傳統(tǒng)收集光譜的方向通常垂直于等 離子體電樞的發(fā)射方向，即在電磁軌道炮的噴口方向后期尾部收集，這樣探測(cè)效率低，且無(wú) 法對(duì)等離子體電樞的膛內(nèi)移動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出一種實(shí)時(shí)原位測(cè)量膛內(nèi)等離子體電樞參數(shù) 的方法，可以在同一時(shí)刻獲得同一位置的等離子體電樞的全光譜，不受等離子體電樞波動(dòng) 的影響。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] -種實(shí)時(shí)原位測(cè)量膛內(nèi)等離子體電樞參數(shù)的方法，包括如下步驟：
[0012] 步驟一:在電磁軌道炮膛內(nèi)壁內(nèi)嵌若干個(gè)石英窗口；
[0013] 電磁軌道炮膛軌道相隔相同距離內(nèi)嵌石英窗口。
[0014] 步驟二:發(fā)射光譜的產(chǎn)生；
[0015] 采用高壓脈沖電源對(duì)聚乙烯襯墊進(jìn)行放電，產(chǎn)生用于電磁軌道發(fā)射的等離子體電 樞，等離子體電樞在電磁軌道炮膛內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)。
[0016] 步驟三:獲取等離子體電樞的發(fā)射光譜；
[0017] 光纖接頭分別熱合在每個(gè)石英窗口上，光纖一端接在光纖接頭處，另一端與多通 道光纖光譜儀相連接，光纖將等離子體輻射的光傳輸至多通道光纖光譜儀，多通道光纖光 譜儀與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制多通道光纖光譜儀進(jìn)行光譜采集，并將得到的光 譜保存在計(jì)算機(jī)里；同時(shí)多通道光纖光譜儀與電磁軌道炮脈沖電源之間通過(guò)數(shù)字延遲發(fā)生 器相連，通過(guò)數(shù)字延遲發(fā)生器調(diào)節(jié)兩者之間的時(shí)序。
[0018] 步驟四：實(shí)時(shí)原位測(cè)量膛內(nèi)等離子體電樞參數(shù)；
[0019] 等離子體電樞參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)速度、電子溫度、電子密度、振動(dòng)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。
[0020] 等離子體電樞在電磁軌道炮膛內(nèi)不同石英窗口之間的運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量：
[0021 ]測(cè)量電磁軌道炮的等離子體電樞噴口與每個(gè)石英窗口之間的距離Δ li，i = 1， 2, . . .，n，n為石英窗口序號(hào)，η>1;調(diào)節(jié)數(shù)字延遲發(fā)生器，獲得每個(gè)石英窗口的最強(qiáng)發(fā)射光 譜，并記錄其相應(yīng)的時(shí)間Δ ti，i = l，2,. . .，n，n為石英窗口序號(hào)，η>1。
[0022] 等離子體電樞在第1個(gè)石英窗口與第2個(gè)石英窗口之間的運(yùn)動(dòng)速度可由公式（1)計(jì) 算得到：
[0023] νι= Δ 1ι/ Δ ti (1)
[0024] 等離子體電樞在其它石英窗口之間的運(yùn)動(dòng)速度可由公式(2)計(jì)算得到：
[0025] vi= ( Δ li-Δ li-1)/( Δ ti_ Δ ti-1)，i = 2，· · ·，n，n>2 (2)
[0026] 等離子體電樞的電子溫度Te測(cè)量：
[0027] 等離子體電樞發(fā)射光譜的譜線波長(zhǎng)λ為： , c ch
[0028] λ = - = --- C3)
[0029] 其中c為光速;v為光子頻率;h為Plank常數(shù);Ek、Ei分別對(duì)應(yīng)k能級(jí)和i能級(jí)的電子能 量。
[0030] 由k能級(jí)到i能級(jí)躍迀發(fā)出的光子對(duì)應(yīng)的譜線強(qiáng)度Ikl，由公式(4)給出：
[0031] IH = nk - Aki (4)
[0032] 其中，nk為單位體積內(nèi)處于激發(fā)態(tài)k的原子數(shù);Akl為能級(jí)k到i的躍迀幾率;處于第k 能級(jí)的粒子數(shù)密度nk由波爾茲曼分布給出： Γ π η ( εΛ ...
[0033] nk=-gke\p -φ (5) L V K1〇 )
[0034]其中，=乙~為粒子總密度;Z = ；J>kexpf-^·)為原子的總配分函數(shù);gk為k能 k k \ ) 級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重;k為波爾茲曼常數(shù)。
[0035] 將式(4)帶入式(3)中可得公式(6):
[0036] (6)
[0037] 對(duì)公式(6)取自然對(duì)數(shù)，得公式(7):
[0038] ln(-^-) = --^-+C (7) SkAk kTe
[0039] 其中，k為波爾茲曼常數(shù)，Ik為峰強(qiáng)度，為該峰波長(zhǎng)，gk為該躍迀的上能級(jí)的簡(jiǎn)并 度，A k為躍迀概率，Ek為躍迀的上能級(jí)的能級(jí)，C = ln(iAC)為常數(shù)，Ik從步驟三得到的發(fā)射 光譜中讀出，Ak、g k、Ak、Ek從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)數(shù)據(jù)庫(kù)中查得。
[0040] 以Ek為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，作直線擬合，該直線的斜率負(fù)倒數(shù)即為kTe， SkAk 由此求得離子體電樞的電子溫度Te。
[0041 ]等離子體電樞的電子密度I測(cè)量：
[0042] 非Η譜線的Stark展寬效應(yīng)譜線輪廓的半高全寬A；lf/2由公式(8)表示：
[0043] A/if/2 = 2[1 +1 J5o^(1 - c0r)]w/ (8)
[0044] 其中，;r = 9xl(T3A^/6/·^是離子平均距離和德拜長(zhǎng)度的比值；C〇 = 0.75; w' = (；W)w(re)表示電子碰撞引起的半最大值寬度，<=1〇 2、_3;?' = (%/<)1/4〇:是 準(zhǔn)靜態(tài)離子加寬參數(shù);將上述參數(shù)表達(dá)式代入公式(8)即得：
[0045] ΔΛ5/2 = 2 X [l +1.75 xlO-4 NlJ4ax (l - 0.068iVy 6Γ；1/2)]χ 10~16 wiVe (9)
[0046] 其中，w = aNe，a為展寬系數(shù)，Te為石英窗口處等離子體電樞的電子溫度，由公式(7) 求出；將上述參數(shù)代入上述公式(9 )，即可得到不同石英窗口之間的電子密度Ne。
[0047] 等尚子體電樞的分子振動(dòng)溫度Τν測(cè)量：
[0048]分子帶系發(fā)射光譜中的振動(dòng)帶之間的譜線強(qiáng)度W表示為：
[0049] Iv n" =hcvv, ν?ν (10)
[0050] 其中，/，ν〃分別為上、下能態(tài)振動(dòng)量子數(shù)，Aw為躍迀幾率，Νν為上能態(tài)分子數(shù)，h 為普朗克常數(shù)，c為真空中光速。
[0051 ]分子的振動(dòng)能量Εν表示為：
[0052] ￡/ = (ν' + 去)-出入(ν' + ^·)2 + ?幾(ν' + 玉)3 Η - (11)
[0053] 其中，振動(dòng)常數(shù) ω e、ω ex、ω eye和躍迀概率Αν'ν〃可由Griem HR · 1964，Pasma Spectroscopy McGraw-Hill，New York查得。
[0054] 在局部熱力學(xué)平衡下，上能態(tài)分子數(shù)Nv滿足波爾茲曼分布，得到：
[0055] Nv, = N0eW (12)
[0056] 式中，No為粒子密度。
[0057] 將公式（12)代入公式（10)中，可得公式（13):
[0058] ln(^^) = -^-+C (13) A,v kTv
[0059] 其中，IvV'為峰強(qiáng)度，λν /為該波長(zhǎng)，AvV'為躍迀概率，Εν為躍迀的上能級(jí)的能級(jí)，C 為常數(shù)，IvV'從步驟三得到的等離子體電樞的發(fā)射光譜中讀出，能級(jí)Εν根據(jù)公式(11)求得。
[0060] 以Εν為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，作直線擬合，該直線的斜率負(fù)倒數(shù)即為 AvV kTv，由此求得離子體電樞的分子振動(dòng)溫度Tv。
[0061 ]等離子體電樞的分子轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Tr測(cè)量：
[0062] 轉(zhuǎn)動(dòng)光譜線的相對(duì)強(qiáng)度I表示為： BvJ\J'+V)hc
[0063] i = KYASrre kTr (14)
[0064] 其中，K為常數(shù)，對(duì)相同的振動(dòng)能級(jí)來(lái)說(shuō)，該值不變；γ為輻射頻率;Sr J〃為亨耳-倫 敦系數(shù)，是上振動(dòng)能級(jí)的分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)，y和J〃分別為上能級(jí)和下能級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)，h 為普朗克常數(shù)，C為真空中光速。
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