CN201096521Y - 非接触式等离子体温度和电子密度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式离子体温度和电子密度测量装置。它是由导光窗口、一进多出式传导光纤、光电转换装置、数据采集系统和计算机处理系统组成，本实用新型采用四个光学通道设计，可以同时收集用于计算温度和电子密度的谱线信息，并可通过连接多通道示波器同时获得施加在半导体桥两端的电压和电流信号，且采用的高速响应电路，使整个系统响应速度快，时间分辨率高，该装置采用非接触测量，对等离子体没有干扰，为等离子体温度和电子密度的诊断，提供了一种简单有效的实时瞬态测定方法。尤其适合于如高温高压燃烧、有毒燃烧、爆炸爆轰等恶劣条件下的温度测量和小尺寸等离子体参数测量。

Description

非接触式等离子体温度和电子密度测量装置

一技术领域

本实用新型涉及一种光谱测量装置，特别是一种利用光谱技术测定等离子体温度和电子密度的非接触式测量装置。

二背景技术

半导体桥(以下简称SCB)等离子体点火技术是近二十多年来得到快速发展的一项新技术，了解SCB作用过程中等离子体温度及电子密度的变化规律，对研究SCB点火和起爆的机理尤为重要。但是由于SCB等离子体本身空间尺寸小，存在时间短，瞬态温度变化大，且点火在常压下完成，对测试技术的要求十分苛刻，而现有技术对等离子体的测试方法，如探针法、微波法、散射法等都不能实现对其瞬态诊断。中国工程物理研究院研制了一个以光纤作为接收、传输光能的六通道光学高温计，用于研究冲击加载下材料的辐射性能，并在此后的十几年内进行了不断的改进。其原理是在Planck热辐射理论的基础上，将待测光源与标准光源的辐射亮度进行对比，获得待测源温度。这种测量方法，只能对SCB等离子体实现单一的温度测定，并且测量时，在公式的推导中，要涉及因子的修正，不但增加了操作复杂程度，而且对结果的准确性带来影响。另外，它采用的是对每个通道的光谱辐射量度进行测量，而装置中各器件(如：滤光片和光电倍增管)之间的微小差别，都会对结果带来较大误差。国外有报道采用光学多通道分析仪(OMA)来测量SCB等离子体温度，它主要由光栅分光得到一束单色光，然后测量光谱辐射强度，根据planck定律得到等离子体温度。如，D.A.Benson等人早在1987年就通过OMA获得SCB等离子体180-700nm的发射光谱，从对谱线的分析中得出等离子体的温度范围，它还可以通过测量等离子体的传播速度来估算等离子体温度。这些方法为SCB等离子体温度的测定提供了可行的测试方法，但该仪器每次只能得到一个波长下的谱线，也只适合单一的温度测量，其设备价格昂贵，体积也较大，不易携带，而且光学零件较多，能量损失大，它与现有其它测试方法一样，都不能够同时提供随时间分辨的等离子体温度和电子密度的测量结果，要进行电子密度的测量，还需要结合如探针法等其它方法进行测量。因此很难满足瞬态测定的要求。

三发明内容

本实用新型的目的是提供一种利用等离子体发射时的光谱信息同时对其温度和电子密度进行瞬态实时测量的便携式非接触式等离子体温度和电子密度测量装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的，非接触式等离子体温度和电子密度测量装置，它包括导光窗口、传导光纤、数据采集系统和计算机处理系统，导光窗口位于传导光纤的接收端口，数据采集系统的输出端接计算机处理系统输入端，其特征是传导光纤采用一进多出制式光纤，在光纤的每个输出端设置有不同波长的滤光片，各滤光片的选择，应保证具有与滤光片中心波长对应的至少两条原子谱线和一条离子谱线或者至少两条离子谱线和一条原子谱线，经过滤光片后形成的与之对应的不同原子或离子谱线的单色光，再分别经与滤光片数量相等的各光电倍增管转换，然后由电流信号放大器放大后，输入数据采集系统的对应输入端，为计算机处理系统提供计算数据。

本实用新型主要是基于原子发射光谱理论建立的。根据原子发射光谱理论，受激原子从高能级向低能级跃迁时，将以光的形式辐射出能量，产生特定的原子光谱。在一定条件下，同种原子或离子谱线的辐射强度与温度之间符合Boltzmann方程，它为等离子体温度测量提供了理论基础；离子和中性原子谱线的相对强度比与单次电离气体的平衡成份的Saha方程相结合，可以计算得到等离子体电子密度。根据上述原理，本实用新型的工作原理为：测量时，将传导光纤的导光窗口置于一定距离处对准被测等离子体，当被测体产生等离子体放电时，由导光窗口接收等离子体作用时产生的光，并通过传导光纤将光导出分为均等的多束，其中一部分光用来计算等离子体温度，另一部分光用来计算等离子体的电子密度；由于每个滤光片的波长不同，因此当各光束分别通过波长不同的滤光片后，就形成了对应于不同原子或离子谱线的单色光，这些单色光通过光电倍增管进行光电信号转换后，再由电流信号放大器对其进行放大调整，将经光电倍增管响应后比较微弱的电信号变为较强的电信号，由数据采集系统的采集卡或示波器进行采集，最后由计算机处理系统对采集卡或示波器采集到的电信号进行计算得到等离子体的温度和电子密度。为了满足等离子体温度和电子密度测量的必要条件，在选择不同波长滤光片时，应保证有与滤光片中心波长对应的至少两条原子谱线和一条离子谱线或者至少两条离子谱线和一条原子谱线，这样，在系统进行等离子体温度计算时，就可由计算机处理系统通过数据采集系统选择至少两条原子谱线或两条离子谱线对应的电信号数据，然后根据boltzmann公式计算得到等离子体温度；而在进行等离子体电子密度计算时，计算机处理系统再通过数据采集系统选择至少一条原子谱线和一条离子谱线对应的电信号数据，根据boltzmann-saha方程计算，即可得到等离子体电子密度。

本实用新型与现有技术相比其显著的优点是：1、采用谱线相对强度法测定等离子体的温度和电子密度，其中，它根据波长相距很近的谱线的光强度比与待测气体温度和电离度之间的函数关系来分别求得温度和电子密度，可以大大减小仪器光学器件对测定结果的不确定度，公式的推导中也不涉及修正因子，只要知道谱线的跃迁几率、激发态的统计权重和激发态能量即可，从而提高了测量的准确度；2、整个系统的响应速度快，时间分辨率高，它能以10ns的高时间分辨率对小尺寸等离子体产生过程中的温度分布和电子密度变化规律进行实时测量，实现对等离子体参数的实时瞬态分析；3、本实用新型采用多个光学通道设计，可以同时收集用于计算温度和电子密度的谱线信息，相对于OMA仪器来说，不需要光栅或棱镜分光器，减小了光能量的损失，提高了光的灵敏度，而且系统成本低、体积小、携带便利、操作方便，4、采用光纤传导，不需要接触火焰，对等离子体没有干扰，为等离子体温度和电子密度的诊断，提供了一种简单有效的实时瞬态测定方法。尤其适合于如高温高压燃烧、有毒燃烧、爆炸爆轰等恶劣条件下的温度测量和小尺寸等离子体参数测量。

本实用新型的具体结构由以下的附图和实施例给出。

四附图说明

附图是根据本实用新型所述非接触式等离子体温度和电子密度测量装置结构原理示意图。

五具体实施方式

下面结合附图，以对半导体桥(SCB)等离子体的测量为例，对本实用新型具体结构作进一步详细描述。

参见附图，根据本实用新型制作的非接触式等离子体温度和电子密度测量装置，导光窗口1采用白宝石窗口，传导光纤2采用一进四出制式光纤，白宝石窗口1底部加工成圆台型嵌入传导光纤2，在传导光纤2的输出光口设置的滤光片3由四个干涉滤光片8、9、10、11组成，它们的波长分别为510.5nm、521.8nm、390.55nm和413.09nm，对应三条原子谱线和一条离子谱线；在四个干涉滤光片8、9、10、11的出射光路上设置了光电倍增管4和一个电流信号放大器5，光电倍增管4由四个同型号的12、13、14、15组成，光转化为电信号后，输入数据采集系统6中，数据采集系统6采用LeCroyLT374型四通道高速动态存储示波器，它是一台高精度数据采集仪，时间分辨率高达10ns，示波器四个通道接收经光电转换后的等离子体光谱四条谱线强度的信号数据，其输出接计算机处理系统7。

当被半导体桥(SCB)等离子体16产生等离子体放电时，光通过白宝石导光窗口1后由一根一进四出的传导光纤2导出，并分为均等的四束，同时进入相应波长的滤光片3进行滤光，再分别通过四个同型号的光电倍增管4和一个电流信号放大器5组成的光电转换装置，将光转化为电信号后，输入到数据采集系统6中，计算机处理系统7根据谱线相对强度法，在已获得SCB光谱数据的前提下，选择Cu510.5nm和521.8nm两条原子谱线用于计算等离子体温度，选择Si原子谱线390.55nm和一次电离离子谱线413.09nm谱线用于计算等离子体的电子密度。在这两对光谱线处，自吸收效应较小，从而对光谱强度不会产生大的干扰。同时在选择这两条谱线时，由于谱线的间隔小，所以可以忽略光谱辐射率、光谱透射率等对光谱测量的影响，采用的原子谱线光谱参数值可信度高，跃迁几率的不确定度相对较小，可以使测试准确度和精度达到更高的水平。

计算等离子体温度时，依据以下boltzmann公式：

$T=\frac{1}{k}\·\frac{E_2-E_1}{\ln \left(\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)\text{-ln}\left(\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\right)}$

其中，I_λ1和I_λ2为两条波长分别为λ₁和λ₂的光谱线的强度，A₁和A₂分别为两条谱线的跃迁几率，g₁和g₂分别为两条谱线激发态的统计权重，E₁和E₂分别为两条谱线的激发态能量，k为Boltzmann常数，T为激发温度。

计算电子密度时，依据以下boltzmann-saha公式：

$n_e=\frac{{21}_{+}}{I_0}\frac{A_{+}{n}_{+}{g}_{+}{\mathrm{\λ}}_0}{A_0{n}_0{g}_0{\mathrm{\λ}}_{+}}{\left(\frac{m_e\mathrm{kT}}{{2\mathrm{\πh}}^2}\right)}^{\frac{3}{2}}\exp \left(\frac{-E_{+}-{-E}_{\mathrm{ion}}+E_0}{\mathrm{kT}}\right)$

其中，n_e为等离子体的电子密度，λ为光谱线的波长，g为谱线的上能级统计权重，A为跃迁几率，I相对发射强度，E₊为一次电离离子光谱线激发电位，E₀为原子光谱线的激发电位，E_ion为原子的一次电离电位，k为Boltzmann常数，T为SCB等离子体的电子温度。

在本实用新型中，数据采集系统6如果采用八通道以上的示波器，就可以同时采集SCB上的电压、电流信号，这些数据输入到计算机处理系统，还可对半导体桥(SCB)等离子体做进一步的分析处理。

Claims (2)

1、一种非接触式等离子体温度和电子密度测量装置，它包括导光窗口[1]、传导光纤[2]、数据采集系统[6]和计算机处理系统[7]，导光窗口[1]位于传导光纤[2]的接收端口，数据采集系统[6]的输出端接计算机处理系统[7]的输入端，其特征是传导光纤[2]采用一进多出制式光纤，在光纤的每个输出端设置有不同波长的滤光片[8]、[9]、[10]、[11]，各滤光片的选择，应保证具有与其中心波长对应的至少两条原子谱线和一条离子谱线或者至少两条离子谱线和一条原子谱线，经过滤光片[8]、[9]、[10]、[11]后形成的与之对应的不同原子或离子谱线的单色光，再分别经位于滤光片[8]、[9]、[10]、[11]出射光路上的光电倍增管[12]、[13]、[14]、[15]转换，最后由电流信号放大器[5]放大后，输入数据采集系统[6]的对应输入端，为计算机处理系统[7]提供计算数据。

2、根据权利要求1所述非接触式等离子体温度和电子密度测量装置，其特征是传导光纤[2]为一进四出制式光纤，滤光片[8]、[9]、[10]、[11]中心波长对应三条原子谱线和一条离子谱线或三条离子谱线和一条原子谱线。

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