一種熱電離等離子體生成測試裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種熱電離等離子體生成測試裝置，包括：密閉爆發(fā)室，其包括燃燒室、光學(xué)窗及點(diǎn)火裝置；光纖探頭，其接收端口對(duì)準(zhǔn)光學(xué)窗；光譜儀，其連接光纖探頭，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集；傳感器，其安裝于燃燒室內(nèi)部，傳感器能夠用于測量燃燒室內(nèi)的溫度及壓力；泄壓閥，其安裝在燃燒室一端；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其分別連接傳感器、泄壓閥及光譜儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)等離子體密度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型具有測試體統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便及測量范圍廣等特點(diǎn)，并且由于采用非接觸式測量，不會(huì)對(duì)等離子體產(chǎn)生干擾，對(duì)于高溫高壓環(huán)境同樣能夠測試。
【專利說明】
一種熱電離等離子體生成測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及等離子體診斷研究技術(shù)，具體涉及一種熱電離等離子體生成測試 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 等離子體的診斷實(shí)際上是兩個(gè)步驟:診和斷。診更加注重于實(shí)踐，而斷則偏重于分 析。所以，等離子體診斷就是使用某種物理方法檢測然后經(jīng)過分析得到等離子體的某些物 理參數(shù)。通俗的說，等離子體診斷就是使等離子體從"不可見"到"可見"的一個(gè)過程。
[0003] 等離子體的種類數(shù)目繁多，診斷不同種類的等離子體的方法也是不盡不同。一般 來說，等離子體診斷方法有接觸式診斷和非接觸式診斷兩種方法，這是依據(jù)診斷方式的不 同而區(qū)分的。如果依據(jù)診斷對(duì)象的不同，等離子體診斷方法又可分為低溫等離子體診斷和 高溫等離子體診斷。兩種診斷分類的方法相互交叉，并不嚴(yán)格區(qū)分。不同診斷方法都有不同 的優(yōu)缺點(diǎn)，接觸式診斷法對(duì)于等離子體密度的空間分辨率相對(duì)較高，通常用于低溫等離子 體診斷；而非接觸式診斷由于其診斷原理基本不會(huì)干擾等離子體的純度，常用于高溫等離 子體診斷。朗繆爾探針法是一種接觸式診斷法，也是最為常用的一種方法。另一種方法是阻 抗測量法，一般僅用于測量射頻放電產(chǎn)生的等離子體密度。
[0004] 非接觸式診斷方法一般有:微波干涉法、激光干涉法和光譜診斷法等。波干涉診斷 法一般用于托卡馬克裝置測量等離子體密度，由于是非接觸測量所以不會(huì)改變等離子體的 參數(shù)。但是由于空間布局的限制，安裝微波干涉法的通道是有限的，這就限制了測量密度的 空間分布;激光干涉儀需要用的激光發(fā)射器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于核聚變等離子體診 斷。而且，診斷系統(tǒng)有較強(qiáng)的信號(hào)干擾，需要進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)噪聲，過濾掉信號(hào)擾 動(dòng)，提高激光干涉診斷系統(tǒng)的分辨率。光譜法測量等離子體密度有很多優(yōu)點(diǎn)，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單，使用方便，測量范圍廣，更重要的是由于這是非接觸式測量，不會(huì)對(duì)等離子體產(chǎn)生干 擾。作為一種等離子體診斷技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測量等離子體的各種參數(shù)。
[0005] 氣體電離產(chǎn)生等離子體的種類有很多，比如直流放電等離子體、容性耦合等離子 體、電感耦合等離子體、微波放電等離子體和熱電離等離子體等。對(duì)于放電等離子體和耦合 等離子體研究較多，而對(duì)于熱電離等離子體的研究非常少，只有對(duì)于熱電離幾率的討論等； 同時(shí)以火藥燃?xì)猱a(chǎn)生等離子體為研究對(duì)象進(jìn)行的熱電離等離子體研究同樣非常少，火藥燃 燒時(shí)燃?xì)饽苓_(dá)到3000K-4000K，壓力能夠達(dá)到400MPa，高溫高壓的環(huán)境會(huì)使氣體發(fā)生熱電 離，用光譜測量法測量生成等離子體的發(fā)射光譜，對(duì)等離子體的電子密度、電子溫度等相關(guān) 參數(shù)也需要廣泛的研究。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)開發(fā)了一種熱電離等離子體生成測試裝置。本實(shí)用新型的目的是 針對(duì)火藥爆炸后在高溫高壓的密閉環(huán)境中，對(duì)生成的熱電離等離子體密度能夠進(jìn)行測試的 裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中火藥在密閉爆炸室內(nèi)引爆對(duì)熱電離等離子體的光線采集困難的問 題。本實(shí)用新型具有測試體統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便及測量范圍廣等特點(diǎn)，并且由于采用非接 觸式測量，不會(huì)對(duì)等離子體產(chǎn)生干擾，對(duì)于高溫高壓環(huán)境同樣能夠測試。
[0007] 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為：
[0008] -種熱電離等離子體生成測試裝置，包括：
[0009] 密閉爆發(fā)室，其包括燃燒室、光學(xué)窗及點(diǎn)火裝置；
[0010] 其中，所述光學(xué)窗分別對(duì)稱設(shè)置在所述燃燒室兩側(cè)，點(diǎn)火裝置設(shè)置在所述燃燒室 一端，在所述燃燒室內(nèi)通過所述點(diǎn)火裝置將火藥點(diǎn)燃后產(chǎn)生等離子體；
[0011]光纖探頭，其接收端口對(duì)準(zhǔn)所述光學(xué)窗；
[0012]泄壓閥，其安裝在燃燒室一端；
[0013]光譜儀，其連接所述光纖探頭，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集；
[0014] 傳感器，其安裝于所述燃燒室內(nèi)部，所述傳感器能夠用于測量所述燃燒室內(nèi)的溫 度及壓力；
[0015] 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其分別連接所述光譜儀及所述傳感器。
[0016] 優(yōu)選的是，所述光學(xué)窗材質(zhì)為藍(lán)寶石晶體。
[0017] 優(yōu)選的是，所述光學(xué)窗在所述燃燒室安裝處通過密封墊片壓緊。
[0018] 優(yōu)選的是，在所述燃燒室兩端設(shè)置密封堵頭。
[0019] 優(yōu)選的是，所述點(diǎn)火裝置安裝在所述燃燒室一端的密封堵頭內(nèi)，所述泄壓閥安裝 在所述燃燒室另一端的密封堵頭的出氣口處。
[0020] 優(yōu)選的是，所述光學(xué)窗設(shè)置3組，分別對(duì)稱設(shè)置在所述燃燒室兩側(cè)。
[0021 ]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比較所具有的有益效果：
[0022] 1、本實(shí)用新型對(duì)密閉爆炸室開設(shè)多個(gè)透視窗口，通過多個(gè)透視窗口能夠?qū)犭婋x 等離子體光譜進(jìn)行采集，采用非接觸式的對(duì)等離子體光譜進(jìn)行采集，對(duì)熱電離等離子體測 試無干擾；
[0023] 2、針對(duì)高膛壓火炮發(fā)射時(shí)，身管內(nèi)火藥燃?xì)庑纬傻臒犭婋x等離子體密度測量，通 過對(duì)高溫高壓環(huán)境下對(duì)熱電離等離子體采用非接觸式測量生成的等離子體光譜的譜線強(qiáng) 度，進(jìn)而得出高溫高壓環(huán)境下熱電離等離子體密度，得到的結(jié)果迅速，能針對(duì)不同添加火藥 量進(jìn)行測試，并且高溫高壓的環(huán)境對(duì)測試結(jié)果也無干擾。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本實(shí)用新型所述的熱電離等離子體生成裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為本實(shí)用新型所述的密閉爆發(fā)室的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3為氫氣原子光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明 書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0028] 如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型提供一種熱電離等離子體生成測試裝置，其主體結(jié)構(gòu) 包括：密閉爆發(fā)室100、光纖探頭200、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)300、光譜儀400、傳感器131及泄壓閥 140;其中，密閉爆發(fā)室100包括燃燒室130、光學(xué)窗120及點(diǎn)火裝置150,光學(xué)窗120設(shè)置3組， 并且分別對(duì)稱設(shè)置在燃燒室130兩側(cè)，點(diǎn)火裝置150設(shè)置在燃燒室130-端，在燃燒室130內(nèi) 通過點(diǎn)火裝置150將火藥點(diǎn)燃后在燃燒室130內(nèi)產(chǎn)生熱電離等離子體;光纖探頭200的接收 端口分別 對(duì)準(zhǔn)光學(xué)窗120，泄壓閥140能夠在燃燒室130內(nèi)壓力過大時(shí)開啟，進(jìn)而保證試 驗(yàn)安全，光譜儀400連接光纖探頭200，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，傳感器131安裝在燃燒室130內(nèi)部，傳 感器131能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測燃燒室130內(nèi)的溫度及壓力，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)300分別連接傳感器 131及光譜儀400，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出燃燒室內(nèi)的熱電離等離子體密度。
[0029] 在另一種實(shí)施例中，光學(xué)窗120材質(zhì)為人造藍(lán)寶石晶體，以保障在極高溫度條件下 光的透射性，本實(shí)施例中采用泡生法(KY法)結(jié)晶的機(jī)械性能最優(yōu)的A晶向藍(lán)寶石，并且光學(xué) 窗120在燃燒室130安裝處通過密封墊片壓緊，
[0030] 在另一種實(shí)施例中，在燃燒室130兩端分別設(shè)置密封堵頭，點(diǎn)火裝置150安裝在燃 燒室130-端的密封堵頭內(nèi)，泄壓閥140安裝燃燒室130另一端的密封堵頭的出氣口處，通過 泄壓閥140能夠在燃燒室內(nèi)壓力過大時(shí)開啟，從而保證了試驗(yàn)安全
[0031] 通過使用本實(shí)用新型的熱電離等離子體生成測試裝置進(jìn)行熱電離等離子體密度 測試操作，如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型的一種工作方式包括如下步驟：
[0032 ]在燃燒室130中點(diǎn)燃火藥，在燃燒室130產(chǎn)生等離子體；
[0033] 通過光纖探頭200及光譜儀400測量得到熱電離等離子體的光譜強(qiáng)度，通過數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)300對(duì)得到熱電離等離子體光譜的譜線強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過得到的譜線強(qiáng)度數(shù) 據(jù)計(jì)算得到熱電離等離子體溫度；
[0034]通過得到的譜線強(qiáng)度數(shù)據(jù)及得到的熱電離等離子體溫度計(jì)算得到熱電離等離子 體密度。
[0035]在另一種實(shí)施例中，火藥為硝化棉，裝藥量為0.20kg~0.30kg，測試的熱電離等離 子體采用氫氣等離子體。
[0036] 在另一種實(shí)施例中，在測試過程中，通過傳感器131監(jiān)測到在燃燒室130達(dá)到壓強(qiáng) 為330MPa~380MPa，溫度為3200K~3500K時(shí)進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)行高溫高壓條件下對(duì) 氫氣等離子體密度進(jìn)行測試。
[0037] 在另一種實(shí)施例中，氫氣等離子體溫度通過公式
#出，為了 精確地測得電子溫度，可使用某一原子的若干條光譜線，測得它們光譜線的相對(duì)譜線強(qiáng)度， 用它們對(duì)應(yīng)的In 4與上能級(jí)能量El，作線性方程曲線，求得其斜率
從而求得等 離子體的溫度為：r = - +，其中，1為光譜線的波長，單位為nm，1為光譜線的相對(duì)譜線強(qiáng) kS 度，其為比值，g為譜線的上能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重，A為躍迀幾率，單位為為上能級(jí)能量，單位 為KJ，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為等離子體的溫度，單位為eV，C為常數(shù);在本實(shí)施例中，由于火藥 燃?xì)猱a(chǎn)生氫氣，本試驗(yàn)以測量氫氣等離子體為例，氫氣分子和離子的發(fā)射光譜主要集中在 200nm到700nm之間，如圖3所示為在火藥燃?xì)膺_(dá)到357MPa、3257K試驗(yàn)條件下獲得的氫原子 巴耳末系光譜圖，通過光譜儀的探測范圍完全滿足試驗(yàn)需求，本試驗(yàn)采用不同的裝藥量分 為6組進(jìn)行測量，裝藥量分別為0.20kg、0.22kg、0.24kg、0.26kg、0.28kg、0.30kg，采用硝化 棉火藥，如表1、表2所示，數(shù)據(jù)分別為氫原子光譜線參數(shù)及不同測試組的氫原子譜線強(qiáng)度數(shù) 據(jù)，通過計(jì)算所得等離子體溫度約為1.52eV。
[0038]表1氫原子光譜線參數(shù)
[0039]
[0040]表2氫原子譜線強(qiáng)度數(shù)據(jù)/W
[0041]
[0042]
[0043] 等離子體密度通過公式
辱出； 其中，I為光譜線的相對(duì)譜線強(qiáng)度，其為比值，k為玻爾茲曼常數(shù)，C為常數(shù)，Amq為m態(tài)到q態(tài)的 躍迀概率，單位為iT1，Em為m能級(jí)能量，單位為KJ，m為加入火藥的質(zhì)量，單位為kg，〇mq為能級(jí) 的碰撞截面，用于表示碰撞概率大小，v mq為譜線頻率，其單位為Hz，N為氣體分子密度，其單 位為nf3，Ne為等離子體密度，其單位為nf 3，T為等離子體的溫度，其單位為eV，h為普朗克常 數(shù)，通過之前得出的等離子體溫度，通過公式可求出等離子體密度，通過計(jì)算得等離子體密 度大約為Ι.ΟδΦ?Ο 1%-3。
[0044] 盡管本實(shí)用新型的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中 所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本實(shí)用新型的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言， 可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實(shí) 用新型并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種熱電離等離子體生成測試裝置，其特征在于，包括： 密閉爆發(fā)室，其包括燃燒室、光學(xué)窗及點(diǎn)火裝置； 其中，所述光學(xué)窗分別對(duì)稱設(shè)置在所述燃燒室兩側(cè)，點(diǎn)火裝置設(shè)置在所述燃燒室一端， 在所述燃燒室內(nèi)通過所述點(diǎn)火裝置將火藥點(diǎn)燃后產(chǎn)生等離子體； 光纖探頭，其接收端口對(duì)準(zhǔn)所述光學(xué)窗； 泄壓閥，其安裝在燃燒室一端； 光譜儀，其連接所述光纖探頭，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集； 傳感器，其安裝于所述燃燒室內(nèi)部，所述傳感器能夠用于測量所述燃燒室內(nèi)的溫度及 壓力； 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其分別連接所述光譜儀及所述傳感器。2. 如權(quán)利要求1所述的熱電離等離子體生成測試裝置，其特征在于，所述光學(xué)窗材質(zhì)為 藍(lán)寶石晶體。3. 如權(quán)利要求1或2所述的熱電離等離子體生成測試裝置，其特征在于，所述光學(xué)窗在 所述燃燒室安裝處通過密封墊片壓緊。4. 如權(quán)利要求3所述的熱電離等離子體生成測試裝置，其特征在于，在所述燃燒室兩端 設(shè)置密封堵頭。5. 如權(quán)利要求3所述的熱電離等離子體生成測試裝置，其特征在于，所述點(diǎn)火裝置安裝 在所述燃燒室一端的密封堵頭內(nèi)，所述泄壓閥安裝在所述燃燒室另一端的密封堵頭的出氣 口處。6. 如權(quán)利要求1所述的熱電離等離子體生成測試裝置，其特征在于，所述光學(xué)窗設(shè)置3 組，分別對(duì)稱設(shè)置在所述燃燒室兩側(cè)。
【文檔編號(hào)】H05H1/00GK205622964SQ201620320173
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】毛保全, 宋鵬, 李程, 鐘孟春, 楊雨迎, 李華, 徐振輝, 白向華, 王艷峰
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院