CN105606572A - 测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，包括：重复频率纳秒脉冲电压发生器、激励器、低气压实验舱以及电学和光学测量系统；所述重复频率纳秒脉冲电压发生器用于产生可调的脉冲控制信号；所述流激励器用于火花放电并加热放电腔体内的气体，形成纳秒脉冲离子体合成射流；所述低气压实验舱用于研究低气压环境对纳秒脉冲火花放电等离子体的发射光谱影响；所述电学和光学测量系统用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器发射的脉冲的电流和电压波形，并拍摄纳秒脉冲离子体合成射流的光谱。本发明能够施加纳秒级脉冲电压，并利用低气压实验舱获得不同的气压条件下的光谱；且测量出的光谱图图重叠程度小，易于分析。

Description

测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统
技术领域
本发明涉及等离子体光谱测量领域，具体地，涉及一种测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统。
背景技术
等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。在纳秒脉冲高幅值电压作用下，激励器内发生火花放电，迅速加热腔内气体，气体急剧升温膨胀，腔内气体压强迅速升高，气体在出口处高速喷出，形成高速高能的合成射流。喷射出的合成射流能够广泛地应用于工业、生物医学和航空航天领域等。已经成为目前研究的热点和焦点。
随着航空领域中亚音速和超音速飞行器的应用越来越广泛，普通飞行器已经无法满足高速下飞行平稳的要求。解决这一问题的主要办法无外乎是改进翼型或采用流动控制技术。高效的流动控制系统对于保证飞行器飞行安全性、改善飞行器可操纵性和提高飞行器推进效率具有重要意义。作为流动控制技术发展的核心问题之一，流动控制激励器的设计水平和工作性能直接决定了流动控制技术的应用方向和应用效果。近年来，等离子体激励器以其结构简单、响应迅速、工作频带宽、适应多工况等优点正受到越来越多的关注，极有可能成为流动控制技术的新突破。等离子体流场控制是一种新型的主动流场控制技术，利用等离子体在电磁场力的作用下运动和气体放电引起温度压力变化的特性，具有响应迅速、激励频带宽、无运动部件等优势，可以显著地提升飞行器和发动机的气动性能。
为了得到火花放电等离子体的发射速度，需要了解激励器中等离子体的温度特性，测量等离子体温度的有效方法是测量等离子体的发射光谱，目前对于发射光谱特性的研究也大多局限在微秒量级的脉冲电压火花放电，缺少能够测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统。
根据本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，包括：重复频率纳秒脉冲电压发生器、激励器、低气压实验舱以及电学和光学测量系统；
-所述重复频率纳秒脉冲电压发生器用于产生可调的脉冲控制信号；
-所述流激励器用于火花放电并加热放电腔体内的气体，形成纳秒脉冲离子体合成射流；
-所述低气压实验舱用于研究低气压环境对纳秒脉冲火花放电等离子体的发射光谱影响；
-所述电学和光学测量系统用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器发射的脉冲的电流和电压波形，并拍摄纳秒脉冲离子体合成射流的光谱。
优选地，所述重复频率纳秒脉冲电压发生器包括：纳秒脉冲电压发生器、DG535同步延时发生器，通过DG535同步延时发生器产生可调的控制信号，使得纳秒脉冲电压发生器发射不同频率的脉冲电压。
优选地，所述激励器包括：金属板电极、射流喷口、喉道、针尖电极、放电腔体以及固定底座，其中所述放电腔体介于金属板电极和固定底座之间，所述针尖电极的针尖穿过固定底座置于放电腔体内，且所述针尖电极的针尖与喉道一端相连，所述喉道的另一端对准金属板电极上的射流喷口。
优选地，所述激励器还包括密封圈，所述密封圈设置在固定底座和放电腔体的连接处，以及放电腔体与金属板电极的连接处。
优选地，所述纳秒脉冲电压发生器，包括：软启动充电模块、初级储能模块、IGBT及控制驱动电路、可饱和脉冲变压器、次级储能模块以及磁开关脉冲压缩回路；
所述软启动充电模块用于将输入的交流电压进行整流，得到约310V的稳定直流电压，并进行串联谐振式充电；
所述初级储能模块用于储存软启动充电模块输出的直流电；
所述IGBT及控制驱动电路用于控制可饱和脉冲变压器的原边放电，并在可饱和脉冲变压器副边感应出脉冲高压；
所述可饱和脉冲变压器用于产生脉冲高压，并对次级储能进行充电；
所述磁开关脉冲压缩回路用于获得单极性纳秒脉冲电压。
优选地，所述低气压实验舱的主体为圆柱体，在圆柱体的镜像方向分别安装有四个圆形观察窗，且在前后观察窗上安装有厚度为5mm的透明石英玻璃视窗，在左右观察窗上安装设有气密性BNC电缆接头，用于引出电流信号。
优选地，所述电学和光学测量系统包括：高压探头、罗氏线圈、示波器以及光谱仪；
所述高压探头用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器的输入和输出电压值；
所罗氏线圈用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器输出的脉冲的电流波形；
所述示波器用于显示高压探头和罗氏线圈测得的电压和电流波形；
所述光谱仪用于摄纳秒脉冲离子体合成射流的光谱。
优选地，高压探头的型号为TektronixP6015A，罗氏线圈为Person罗氏线圈，光谱仪为低杂散光全息光路微型CCD光谱仪ExemplarLS。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，能够施加纳秒级脉冲电压，在DG535同步延时发生器重复频率为1kHz时，产生的脉冲上升前沿为128ns，半高宽为220ns，且波尾没有明显振荡，在工作范围内重复频率对输出电压的波形影响不大，能够得到较好的纳秒电压脉冲。
2、本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统能够通过真空泵对低气压实验舱进行抽气，得到10kPa气压，再通过气阀放气调节气压，从而得到不同的气压条件。
3、本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统所测量出的光谱图易于分析，其中的光谱图重叠程度小，可利用Origin软件中的MultiplePeakFit，选择峰函数类型为Lorentz，通过选取分立光谱峰值的大致位置得到多峰拟合的结果，得到分立光谱，从而获得各谱线的中心波长。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱系统的原理图；
图2为纳秒脉冲电压发生器结构拓扑示意图；
图3为产生的纳秒级脉冲电压的波形；
图4为激励器结构示意图；
图5为测得的一种典型等离子体发射光谱图。
图中：
1-重复频率纳秒脉冲发生器；
101-直流充电模块；
102-初级储能模块；
103-升压及磁压缩模块；
2-低气压实验舱；
3-激励器；
301-金属板电极；
302-射流喷口；
303-喉道；
304-针尖电极；
305-放电腔体；
306-密封胶圈；
307-固定底座；
4-凸透镜；
5-光纤；
6-狭缝；
7-高压探头；
8-罗氏线圈；
9-示波器；
10-数据采集与处理平台。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，通过施加纳秒级脉冲电压改变激励器的气压条件，使得测量出的光谱图更加易于分析。所述系统包括：重复频率纳秒脉冲电压发生器、纳秒脉冲等离子体合成射流激励器、低气压实验舱以及电学和光学测量系统；
所述重复频率纳秒脉冲电压发生器通过DG535同步延时发生器来产生控制信号，其中的重复频率可调；
纳秒脉冲等离子体合成射流激励器；包括：包裹在腔体内的针板电极、腔体、上极板以及底座，上极板和底座之间用橡皮圈密封形成腔体，针板电极中间为射流孔；
在研究环境气压对纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的影响时，为了得到在低气压下的实验数据，必须将等离子体合成射流激励器放入低气压实验舱内。
电学和光学测量系统包括：高压探头、罗氏线圈、光谱仪；其中，电压波形用型号为TektronixP6015A的高压探头测得，电流波形由Person罗氏线圈获得，采用低杂散光全息光路微型CCD光谱仪ExemplarLS拍摄等离子体发射的积分光谱；
通过得到的电压、电流波形和光谱图可以进一步计算火花放电等离子体的电子温度和电子密度，反映等离子体的沉积能量。
具体地，图1为本发明提供的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统的结构原理图。图2为纳秒脉冲电压发生器，包括：软启动充电模块、初级储能模块、IGBT及其控制驱动电路、可饱和脉冲变压器和磁开关脉冲压缩电路。
重复频率纳秒脉冲电压发生器的具体的工作原理为：交流电压经软启动充电模块整流后得到约310V的稳定直流电压；该直流电压经过串联谐振充电过程对初级储能脉冲电容器C2充电，并在LC谐振过程中经过钳位倍压后在可饱和脉冲变压器原边形成直流压降。IGBT在控制及驱动模块控制下导通，使得冲击电容C2通过可饱和脉冲变压器的原边放电并在副边感应出脉冲高压。脉冲高压对次级储能电容器C6和C7充电，经过参数匹配，在C5充满电后使得脉冲变压器磁芯刚好饱和，变压器副边电感急剧减小，电容C4两端电压迅速翻转，实现再次对脉冲电压的加倍升压。加倍叠加的脉冲电压使得磁开关饱和，由于磁开关的压缩和陡化作用，最终在负载电阻上形成纳秒级的脉冲电压。因为负载上形成的脉冲电压是双极性脉冲，使用高压二极管消去反向电压即可得到预期的单极性纳秒脉冲电压。
更具体地，整流部分的四个二极管采用的是集成的整流桥；3000μF的滤波电容采用的三个并联的1000μF电解电容；两个二极管D6、D7采用的大通流量二极管RURU150120；电感L6为绕制的空心电感，匝数为48匝，通过电桥测试得到电感值大约为283μH；C1采用1μF冲击电容；IGBT两端并联了放电回路。一级磁开关为31匝，二级磁开关为6匝。加入二级磁开关后，须并联一个值为0.25nF的泵浦电容。
图3为纳秒脉冲等离子体合成射流激励器；包括包裹在腔体内的针板电极、腔体、上极板以及底座，上极板和底座之间用橡皮圈密封形成腔体，针板电极中间为射流孔。实验时上极板与针尖电极之间施加纳秒脉冲高压，当电极间电压增加到一定水平，腔体内气体发生击穿，产生火花放电，由于电热效应气体被加热，伴随温度升高气体压力增大，腔体内高压气体膨胀使等离子体从板电极的射流孔喷出，形成等离子体合成射流。采用的合成射流激励器结构为带有封闭腔体和喷射孔的针板电极。图中板电极中央开孔直径为0.5mm，为减少射流出口转角对喷射气流的阻碍，喷射口道设计为锥形，顶角为90°，板电极厚度为2mm，喉道下直径为4.5mm。针电极尖端曲率半径为0.5mm，间隙距离通过螺纹调节。放电腔体由内径4mm外径10mm的石英玻璃管制成，板电极和底座之间用尼龙拉杆进行固定。
低气压实验舱的主体是圆柱体，在圆柱的镜像方向分别安装四个圆形观察窗，主体圆柱高度为330mm，外径为400mm，内径为320mm，壁厚为3mm。观察窗外径为215mm，内径为159mm。为了能够观察到放电现象和拍摄到光谱，在前后观察窗上安装有厚度为5mm的透明石英玻璃视窗。在左右观察窗上安装有气密性BNC电缆接头，用于引出电流信号。
电学和光学测量系统主要测量的电学参数包括：调压器的输入电压、纳秒脉冲的电压波形、回路中的电流波形。调压器的输入电压直接由量程为250V的交流电压表测量，纳秒脉冲的电压波形即施加在间隙两端的电压波形用型号为TektronixP6015A的高压探头测得，探头的频带宽度为75MHz，分压比为1000:1，最高测量电压为40kV。回路中的电流波形由Person罗氏线圈获得，频带宽度上限为100MHz，伏安比为1V/A，连线时通过电缆头穿过观察窗，并经过电缆和10:1的衰减器连接到高性能示波器上，示波器的型号为DPO4104，带宽1GHz，最高采样率为5GS/s。
最重要的光学参数是等离子体发射的积分光谱，采用低杂散光全息光路微型CCD光谱仪ExemplarLS进行拍摄。该装置的光谱测量范围为180～1100nm，光谱分辨率能达到0.1nm，触发方式为外触发。
通过得到的电压、电流波形和光谱图可以进一步计算火花放电等离子体的电子温度和电子密度，反映等离子体的沉积能量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，包括：重复频率纳秒脉冲电压发生器、激励器、低气压实验舱以及电学和光学测量系统；
-所述重复频率纳秒脉冲电压发生器用于产生可调的脉冲控制信号；
-所述流激励器用于火花放电并加热放电腔体内的气体，形成纳秒脉冲离子体合成射流；
-所述低气压实验舱用于研究低气压环境对纳秒脉冲火花放电等离子体的发射光谱影响；
-所述电学和光学测量系统用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器发射的脉冲的电流和电压波形，并拍摄纳秒脉冲离子体合成射流的光谱。
2.根据权利要求1所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，所述重复频率纳秒脉冲电压发生器包括：纳秒脉冲电压发生器、DG535同步延时发生器，通过DG535同步延时发生器产生可调的控制信号，使得纳秒脉冲电压发生器发射不同频率的脉冲电压。
3.根据权利要求1所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，所述激励器包括：金属板电极、射流喷口、喉道、针尖电极、放电腔体以及固定底座，其中所述放电腔体介于金属板电极和固定底座之间，所述针尖电极的针尖穿过固定底座置于放电腔体内，且所述针尖电极的针尖与喉道一端相连，所述喉道的另一端对准金属板电极上的射流喷口。
4.根据权利要求3所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，所述激励器还包括密封圈，所述密封圈设置在固定底座和放电腔体的连接处，以及放电腔体与金属板电极的连接处。
5.根据权利要求2所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，所述纳秒脉冲电压发生器，包括：软启动充电模块、初级储能模块、IGBT及控制驱动电路、可饱和脉冲变压器、次级储能模块以及磁开关脉冲压缩回路；
所述软启动充电模块用于将输入的交流电压进行整流，得到约310V的稳定直流电压，并进行串联谐振式充电；
所述初级储能模块用于储存软启动充电模块输出的直流电；
所述IGBT及控制驱动电路用于控制可饱和脉冲变压器的原边放电，并在可饱和脉冲变压器副边感应出脉冲高压；
所述可饱和脉冲变压器用于产生脉冲高压，并对次级储能进行充电；
所述磁开关脉冲压缩回路用于获得单极性纳秒脉冲电压。
6.根据权利要求1所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，所述低气压实验舱的主体为圆柱体，在圆柱体的镜像方向分别安装有四个圆形观察窗，且在前后观察窗上安装有厚度为5mm的透明石英玻璃视窗，在左右观察窗上安装设有气密性BNC电缆接头，用于引出电流信号。
7.根据权利要求1所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，所述电学和光学测量系统包括：高压探头、罗氏线圈、示波器以及光谱仪；
所述高压探头用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器的输入和输出电压值；
所罗氏线圈用于测量重复频率纳秒脉冲电压发生器输出的脉冲的电流波形；
所述示波器用于显示高压探头和罗氏线圈测得的电压和电流波形；
所述光谱仪用于摄纳秒脉冲离子体合成射流的光谱。
8.根据权利要求7所述的测量纳秒脉冲火花放电等离子体发射光谱的系统，其特征在于，高压探头的型号为TektronixP6015A，罗氏线圈为Person罗氏线圈，光谱仪为低杂散光全息光路微型CCD光谱仪ExemplarLS。
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