CN105744711A - 一种热电离等离子体生成测试装置及其密度测试和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电离等离子体生成测试装置，包括：密闭爆发室，其包括燃烧室、光学窗及点火装置；光纤探头，其接收端口对准光学窗；光谱仪，其连接光纤探头，进行数据收集；传感器，其安装于燃烧室内部，传感器能够用于测量燃烧室内的温度及压力；压力调节阀，其安装在燃烧室一端；数据处理系统，其分别连接传感器、压力调节阀及光谱仪，进行数据处理，对等离子体密度进行调节。本发明公开了一种热电离等离子体密度测试及控制方法。本发明具有测试体统结构简单，使用方便及测量范围广等特点，并且由于采用非接触式测量，不会对等离子体产生干扰，对于高温高压环境同样能够准确测试，在测试的过程中能够对等离子体密度进行调节。

Description

一种热电离等离子体生成测试装置及其密度测试和控制方法

技术领域

本发明涉及等离子体诊断研究技术，具体涉及一种热电离等离子体生成测试装置及其密度测试和控制方法。

背景技术

等离子体的诊断实际上是两个步骤：诊和断。诊更加注重于实践，而断则偏重于分析。所以，等离子体诊断就是使用某种物理方法检测然后经过分析得到等离子体的某些物理参数。通俗的说，等离子体诊断就是使等离子体从“不可见”到“可见”的一个过程。

等离子体的种类数目繁多，诊断不同种类的等离子体的方法也是不尽不同。一般来说，等离子体诊断方法有接触式诊断和非接触式诊断两种方法，这是依据诊断方式的不同而区分的。如果依据诊断对象的不同，等离子体诊断方法又可分为低温等离子体诊断和高温等离子体诊断。两种诊断分类的方法相互交叉，并不严格区分。不同诊断方法都有不同的优缺点，接触式诊断法对于等离子体密度的空间分辨率相对较高，通常用于低温等离子体诊断；而非接触式诊断由于其诊断原理基本不会干扰等离子体的纯度，常用于高温等离子体诊断。朗缪尔探针法是一种接触式诊断法，也是最为常用的一种方法。另一种方法是阻抗测量法，一般仅用于测量射频放电产生的等离子体密度。

非接触式诊断方法一般有：微波干涉法、激光干涉法和光谱诊断法等。波干涉诊断法一般用于托卡马克装置测量等离子体密度，由于是非接触测量所以不会改变等离子体的参数。但是由于空间布局的限制，安装微波干涉法的通道是有限的，这就限制了测量密度的空间分布；激光干涉仪需要用的激光发射器，系统结构复杂，一般用于核聚变等离子体诊断。而且，诊断系统有较强的信号干扰，需要进一步改进系统，降低系统噪声，过滤掉信号扰动，提高激光干涉诊断系统的分辨率。光谱法测量等离子体密度有很多优点，测量系统结构简单，使用方便，测量范围广，更重要的是由于这是非接触式测量，不会对等离子体产生干扰。作为一种等离子体诊断技术已经被广泛应用于测量等离子体的各种参数。

气体电离产生等离子体的种类有很多，比如直流放电等离子体、容性耦合等离子体、电感耦合等离子体、微波放电等离子体和热电离等离子体等。对于放电等离子体和耦合等离子体研究较多，而对于热电离等离子体的研究非常少，只有对于热电离几率的讨论等；同时以火药燃气产生等离子体为研究对象进行的热电离等离子体研究同样非常少，火药燃烧时燃气能达到3000K—4000K，压力能够达到400MPa，高温高压的环境会使气体发生热电离，用光谱测量法测量生成等离子体的发射光谱，对等离子体的电子密度、电子温度等相关参数也需要广泛的研究。

发明内容

本发明设计开发了一种热电离等离子体生成测试装置。本发明的目的是针对火药爆炸后在高温高压的密闭环境中，对生成的热电离等离子体密度能够进行测试的装置，解决了现有技术中火药在密闭爆炸室内引爆对热电离等离子体的光线采集困难的问题。本发明具有测试体统结构简单，使用方便及测量范围广等特点，并且由于采用非接触式测量，不会对等离子体产生干扰，对于高温高压环境同样能够准确测试。

本发明还设计开发了一种热电离等离子体密度测试方法。本发明的目的是针对高膛压火炮发射时，身管内火药燃气形成的等离子体密度测量，通过对高温高压环境下对热电离等离子体采用非接触式测量生成的等离子体光谱的谱线强度，进而得出高温高压环境下等离子体密度。本发明通过光谱法对热电离等离子体进行诊断，使火药气体处于高温高压的条件下的测试也更具有准确无干扰特性，得到的数据更为可靠迅速。

本发明还设计开发了一种热电离等离子体密度控制方法。本发明的目的是针对火药爆炸后在高温高压的密闭环境中，对生成的热电离等离子体密度能够进行控制，以此得到不同密度的等离子体。本发明具有数据采集简单方便，仅通过采集燃烧室内的温度及压力，再实时监测的环境温度及火药的质量，就可通过对环境压力控制进而调节等离子体密度，调节准确迅速，可操作性强。

本发明提供的技术方案为：

一种热电离等离子体生成测试装置，包括：

密闭爆发室，其包括燃烧室、光学窗及点火装置；

其中，所述光学窗设置多组，并且分别对称设置在所述燃烧室两侧，点火装置设置在所述燃烧室一端，在所述燃烧室内通过所述点火装置将火药点燃后产生等离子体；

光纤探头，其接收端口对准所述光学窗；

光谱仪，其连接所述光纤探头，进行数据收集；

传感器，其安装于所述燃烧室内部，所述传感器能够用于测量所述燃烧室内的温度及压力；

压力调节阀，其安装在所述燃烧室一端；

数据处理系统，其分别连接所述传感器、所述压力调节阀及所述光谱仪，进行数据处理，对所述等离子体密度进行调节。

优选的是，所述光学窗材质为蓝宝石晶体，并且所述光学窗在所述燃烧室安装处通过密封垫片压紧。

优选的是，在所述燃烧室两端设置密封堵头，所述点火装置安装在所述燃烧室一端的密封堵头内，所述压力调节阀安装所述燃烧室另一端的密封堵头的出气口处。

一种热电离等离子体密度测试方法，使用所述的热电离等离子体生成测试装置，包括如下步骤：

在燃烧室中点燃火药，在所述燃烧室产生等离子体；

通过光谱测量得到等离子体光谱的谱线强度数据，通过所述谱线强度数据得到等离子体温度；

通过所述谱线强度数据及所述等离子体温度得到等离子体密度。

优选的是，所述火药为硝化棉，装药量为0.20kg～0.30kg，所述等离子体为氢气等离子体。

优选的是，测试过程中，在所述等离子体达到压强为330MPa～380MPa，温度为3200K～3500K时进行数据采集。

优选的是，所述等离子体温度通过公式得出，所述等离子体密度通过公式得出；其中，λ为光谱线的波长，I为光谱线的相对谱线强度，g为谱线的上能级统计权重，A为跃迁几率，E_i为上能级能量，k为玻尔兹曼常数，T为等离子体的温度，C为常数，A_mq为m态到q态的跃迁概率，E_m为m能级能量，m为加入火药的质量，σ_mq为能级的碰撞截面，ν_mq为谱线频率，N为气体分子密度；N_e为电子密度，h为普朗克常数。

一种热电离等离子体密度控制方法，使用所述的热电离等离子体密度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

对火药称重后进行填装，监测点燃火药前燃烧室内的初始温度及初始压力，点燃火药后监测燃烧过程中环境温度，根据所述火药质量、火药燃烧前燃烧室内初始温度、初始压力以及在火药燃烧过程中监测的燃烧室环境温度，通过对燃烧室内压力进行控制进而调节在燃烧室内生成的氢气等离子体密度。

优选的是，在燃烧室内温度达到设定的对等离子密度开始调节的起始温度T′，压力达到设定的对等离子密度开始调节的起始压力P′时，通过公式对火药燃烧过程中燃烧室内的压力进行调节进而对等离子体密度进行控制，得出经调节控制后的等离子体密度N_e′，其中，f(m)＝0.31m²-0.26m+1.11，m为加入火药的质量，N_e为等离子体密度，T″为火药燃烧过程中燃烧室内的温度，T′为对等离子密度开始进行调节的起始温度，T₀为火药燃烧前燃烧室内的初始温度，P为火药燃烧过程中燃烧室内的压力，P′为对等离子密度开始进行调节的起始压力，P₀为火药燃烧前燃烧室内的初始压力，e为自然对数的底数。

优选的是，所述达到设定的对等离子密度开始调节的起始温度为T′＝3000K，所述达到设定的对等离子密度开始调节的起始压力为P′＝330MPa。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明对密闭爆炸室开设多个透视窗口，通过多个透视窗口能够对热电离等离子体光谱进行采集，采用非接触式的对等离子体光谱进行采集，对热电离等离子体测试无干扰；

2、针对高膛压火炮发射时，身管内火药燃气形成的热电离等离子体密度测量，通过对高温高压环境下对热电离等离子体采用非接触式测量生成的等离子体光谱的谱线强度，进而得出高温高压环境下热电离等离子体密度，得到的结果迅速准确，能针对不同添加火药量进行测试，并且高温高压的环境对测试结果也无干扰；

3、针对火药爆炸后在高温高压的密闭环境中，仅通过采集燃烧室内的温度及压力，再实时监测的环境温度及火药的质量，就可通过对环境压力控制进而调节热电离等离子体密度，以此能够得到不同密度的热电离等离子体，并且在测试过程中，调节准确迅速，可操作性强，抗干扰性强。

附图说明

图1为本发明所述的热电离等离子体生成装置的结构示意图。

图2为本发明所述的密闭爆发室的结构示意图。

图3为氢气原子光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2所示，本发明提供一种热电离等离子体生成测试装置，其主体结构包括：密闭爆发室100、光纤探头200、数据处理系统300、光谱仪400、传感器131及压力调节阀140；其中，密闭爆发室100包括燃烧室130、光学窗120及点火装置150，光学窗120设置多组，并且分别对称设置在燃烧室130两侧，点火装置150设置在燃烧室130一端，在燃烧室130内通过点火装置150将火药点燃后在燃烧室130内产生热电离等离子体；光纤探头200的接收端口分别一一对准光学窗120，光谱仪400连接光纤探头200，进行数据收集，传感器131安装在燃烧室130内部，传感器131能够用于实时监测燃烧室130内的温度及压力，压力调节阀140安装在燃烧室130的一端，数据处理系统300分别连接传感器131、压力调节阀140及光谱仪400，进行数据处理，压力调节阀140能够根据火药的质量以及燃烧室130内的温度及压力对火药爆炸后燃烧后的热电离等离子体密度进行调节。

在另一种实施例中，光学窗120材质为人造蓝宝石晶体，以保障在极高温度条件下光的透射性，本实施例中采用泡生法(KY法)结晶的机械性能最优的A晶向蓝宝石，并且光学窗120在燃烧室130安装处通过密封垫片压紧，

在另一种实施例中，在燃烧室130两端分别设置密封堵头，点火装置150安装在燃烧室130一端的密封堵头内，压力调节阀140安装燃烧室130另一端的密封堵头的出气口处，通过压力调节阀140能够对燃烧室内的压力进行控制调节。

本发明提供了一种热电离等离子体密度控制方法，使用本发明的热电离等离子体密度控制方法对等离子体密度进行调节控制，包括如下步骤：

对火药称重后进行填装，通过传感器131监测点燃火药前燃烧室内的初始温度及初始压力，点燃火药后通过传感器131监测燃烧过程中燃烧室内的环境温度及环境压力，根据火药质量、火药燃烧前燃烧室内初始温度、初始压力以及在火药燃烧过程中监测的燃烧室环境温度，通过压力调节阀140对燃烧室130内压力进行控制进而调节在燃烧室130内生成的热电离氢气等离子体密度。

在另一种实施例中，在通过传感器131监测到燃烧室130内温度达到设定的对热电离等离子密度开始进行调节的起始温度T′，同时，压力达到设定的对等离子密度开始进行调节的起始压力P′时，通过公式对火药燃烧过程中燃烧室内的压力进行调节进而对等离子体密度进行控制，得出经调节控制后的等离子体密度N_e′，单位为m^-3，其中，f(m)＝0.31m²-0.26m+1.11，m为加入火药的质量，N_e为调节控制前经测试计算得出的等离子体密度，单位为m^-3，T″为火药燃烧过程中燃烧室内的温度，单位为K，T′为对等离子密度开始进行调节的起始温度，单位为K，T₀为火药燃烧前燃烧室内的初始温度，单位为K，P为火药燃烧过程中燃烧室内的压力，单位为MPa，P′为对等离子密度开始进行调节的起始压力，单位为MPa，P₀为火药燃烧前燃烧室内的初始压力，单位为MPa，e为自然对数的底数；在本实施例中，达到设定的对等离子密度开始进行调节的起始温度为T′＝3000K，达到设定的对等离子密度开始进行调节的起始压力为P′＝330MPa。

一种热电离等离子体密度测试方法，使用本发明的热电离等离子体生成测试装置进行试验操作，包括如下步骤：

在燃烧室130中点燃火药，在燃烧室130产生等离子体；

通过光纤探头200及光谱仪400测量得到热电离等离子体的光谱强度，通过数据处理系统300对得到热电离等离子体光谱的谱线强度进行数据分析，通过得到的谱线强度数据计算得到热电离等离子体温度；

通过得到的谱线强度数据及得到的热电离等离子体温度计算得到热电离等离子体密度。

在另一种实施例中，火药为硝化棉，装药量为0.20kg～0.30kg，测试的热电离等离子体采用氢气等离子体。

在另一种实施例中，在测试过程中，通过传感器131监测到燃烧室130达到压强为330MPa～380MPa，温度为3200K～3500K时进行对数据进行采集，进行高温高压条件下对氢气等离子体密度进行测试。

在另一种实施例中，氢气等离子体温度通过公式得出，为了精确地测得电子温度，可使用某一原子的若干条光谱线，测得它们光谱线的相对谱线强度，用它们对应的与上能级能量E_i，作线性方程曲线，求得其斜率从而求得等离子体的温度为：其中，λ为光谱线的波长，单位为nm，I为光谱线的相对谱线强度，其为比值，g为谱线的上能级统计权重，A为跃迁几率，单位为s^-1，E_i为上能级能量，单位为KJ，k为玻尔兹曼常数，T为等离子体的温度，单位为eV，C为常数；在本实施例中，由于火药燃气产生氢气，本试验以测量氢气等离子体为例，氢气分子和离子的发射光谱主要集中在200nm到700nm之间，如图3所示为在火药燃气达到357MPa、3257K试验条件下获得的氢原子巴耳末系光谱图，表明通过光谱仪的探测范围完全满足试验需求，本试验采用不同的装药量分为6组进行测量，装药量分别为0.20kg、0.22kg、0.24kg、0.26kg、0.28kg、0.30kg，采用硝化棉火药，如表1、表2所示，数据分别为氢原子光谱线参数及不同测试组的氢原子谱线强度数据，通过计算所得等离子体温度约为1.52eV。

表1氢原子光谱线参数

表2氢原子谱线强度数据/W

等离子体密度通过公式得出；其中，I为光谱线的相对谱线强度，其为比值，k为玻尔兹曼常数，C为常数，A_mq为m态到q态的跃迁概率，单位为s^-1，E_m为m能级能量，单位为KJ，m为加入火药的质量，单位为kg，σ_mq为能级的碰撞截面，用于表示碰撞概率大小，ν_mq为谱线频率，其单位为Hz，N为气体分子密度，其单位为m^-3，N_e为调节控制前经测试计算得出的等离子体密度，其单位为m^-3，T为等离子体的温度，其单位为eV，h为普朗克常数，通过之前得出的等离子体温度，再通过等离子体密度公式及对火药燃烧过程中对燃烧室内的压力调节对等离子体密度进行控制，通过计算得出经过调节控制后的等离子体密度大约稳定在1.05*10¹¹m^-3。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，包括：

密闭爆发室，其包括燃烧室、光学窗及点火装置；

其中，所述光学窗设置多组，并且分别对称设置在所述燃烧室两侧，点火装置设置在所述燃烧室一端，在所述燃烧室内通过所述点火装置将火药点燃后产生等离子体；

光纤探头，其接收端口对准所述光学窗；

光谱仪，其连接所述光纤探头，进行数据收集；

传感器，其安装于所述燃烧室内部，所述传感器能够用于测量所述燃烧室内的温度及压力；

压力调节阀，其安装在所述燃烧室一端；

数据处理系统，其分别连接所述光谱仪、所述传感器及所述压力调节阀，进行数据处理，对所述等离子体密度进行调节。

2.如权利要求1所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，所述光学窗材质为蓝宝石晶体，并且所述光学窗在所述燃烧室安装处通过密封垫片压紧。

3.如权利要求1所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，在所述燃烧室两端设置密封堵头，所述点火装置安装在所述燃烧室一端的密封堵头内，所述压力调节阀安装在所述燃烧室另一端的密封堵头的出气口处。

4.一种热电离等离子体密度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

在燃烧室中点燃火药，在所述燃烧室产生等离子体；

通过光谱测量得到等离子体光谱的谱线强度数据，通过所述谱线强度数据得到等离子体温度；

通过所述谱线强度数据及所述等离子体温度得到等离子体密度。

5.如权利要求4所述的热电离等离子体密度测试方法，其特征在于，所述火药为硝化棉，装药量为0.20kg～0.30kg，所述等离子体为氢气等离子体。

6.如权利要求5所述的热电离等离子体密度测试方法，其特征在于，测试过程中，在所述等离子体达到压强为330MPa～380MPa，温度为3200K～3500K时进行数据采集。

7.如权利要求4所述的热电离等离子体密度测试方法，其特征在于，所述等离子体温度通过公式得出，所述等离子体密度通过公式得出；其中，λ为光谱线的波长，I为光谱线的相对谱线强度，g为谱线的上能级统计权重，A为跃迁几率，E_i为上能级能量，k为玻尔兹曼常数，T为等离子体的温度，C为常数，A_mq为m态到q态的跃迁概率，E_m为m能级能量，m为加入火药的质量，σ_mq为能级的碰撞截面，ν_mq为谱线频率，N为气体分子密度；N_e为电子密度，h为普朗克常数。

8.一种热电离等离子体密度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

对火药称重后进行填装，监测点燃火药前燃烧室内的初始温度及初始压力，点燃火药后监测燃烧过程中环境温度，根据所述火药质量、火药燃烧前燃烧室内初始温度、初始压力以及在火药燃烧过程中监测的燃烧室环境温度，通过对燃烧室内压力进行控制进而调节在燃烧室内生成的氢气等离子体密度。

9.如权利要求8所述的热电离等离子体密度控制方法，其特征在于，在燃烧室内温度达到设定的对等离子密度开始调节的起始温度T′，压力达到设定的对等离子密度开始调节的起始压力P′时，通过公式对火药燃烧过程中燃烧室内的压力进行调节进而对等离子体密度进行控制，得出经调节控制后的等离子体密度N_e′，其中，f(m)＝0.31m²-0.26m+1.11，m为加入火药的质量，N_e为等离子体密度，T″为火药燃烧过程中燃烧室内的温度，T′为对等离子密度开始进行调节的起始温度，T₀为火药燃烧前燃烧室内的初始温度，P为火药燃烧过程中燃烧室内的压力，P′为对等离子密度开始进行调节的起始压力，P₀为火药燃烧前燃烧室内的初始压力，e为自然对数的底数。

10.如权利要求9所述的热电离等离子体密度控制方法，其特征在于，所述达到设定的对等离子密度开始调节的起始温度为T′＝3000K，所述达到设定的对等离子密度开始调节的起始压力为P′＝330MPa。