CN109444142B - 离子源周向辐条振荡远距离测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子源周向辐条振荡远距离测量系统及测量方法，通过使用高速相机拍摄霍尔离子源工作时的周向放电通道照片，将照片转化为矩阵信息导入MATLAB程序进行处理，计算得到离子源随工况变化的辐条振荡频率和旋转速度。根据得到的旋转辐条在角度随时间变化图中的斜率，可以测算出辐条旋转的速度，进而得到辐条振荡的频率。该申请有效地解决了介入式测量霍尔离子源辐条振荡的干扰问题，非介入式测量提高了测量精度和准确度，同时填补了测量霍尔离子源旋转辐条方法的空白。

Description

离子源周向辐条振荡远距离测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及离子源技术，尤其涉及离子源周向辐条振荡远距离测量系统及测量方法。
背景技术
霍尔离子源因其具有结构简单、离子能量适中，离子密度大广泛应用于各种工业加工中。低频振荡是指霍尔离子源工作过程中观察到的大规模的放电电流自发振荡，是霍尔离子源工作过程中不可避免的现象，频率在10-100kHz之间，振幅往往较大，峰值甚至可以达到放电电流均值的100％，与离子源内部的电离和加速过程有着密切的关系，并对离子源性能有着严重的影响。周向旋转辐条是低频振荡的一种，旋转辐条振荡会使离子源工作不稳定，进入过热状态甚至导致离子源熄火，对于离子源的稳定工作具有重要的影响。对于离子源辐条振荡频率的测量，现主要采用的方法是探针测量，通过在放电通道内不同位置布置探针，测量各点的电流变化，然而探针测量会对通道内等离子体进行扰动，导致测量结果不准确，并且无法对全部周向通道进行监测，不利于测量各个方位角上的辐条振荡特性。
因此，针对以上不足，需要提供一种非介入式离子源测量的方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种离子源周向辐条振荡远距离测量系统及测量方法，可以实现霍尔离子源辐条振荡频率和速度的非介入式测量方案，填补了远程观测霍尔离子源旋转辐条运动状态方法的空白。
本发明所采用的技术方案是：通过使用高速相机拍摄霍尔离子源工作时的周向放电通道照片，将照片转化为矩阵信息导入MATLAB程序进行处理，计算得到离子源随工况变化的辐条振荡频率和旋转速度。根据得到的旋转辐条的角度随时间变化图中的斜率，可以测算出辐条旋转的速度，进而得到辐条振荡的频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是有效地解决了介入式测量霍尔离子源的干扰问题，同时填补了测量霍尔离子源旋转辐条方法的空白。
附图说明
图1是离子源周向辐条振荡远距离测量系统的示意图；
图2是高速成像分析法获得的功率谱密度图；
图3是高速成像分析法得到的时间-周向角度-平均像素值三维图；
图4是旋转辐条周向角度随时间变化θ-t图；
图5是多帧照片矩阵数据连续变化图。
图中：1：离子源；2：高速相机；3：真空罐；4：观察窗；5：导轨；6：计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的离子源周向辐条振荡远距离测量系统如图1所示，系统包括离子源1、高速相机2、真空罐3、观察窗4、导轨5和计算机6。
其中，离子源1为霍尔离子源，其设置在真空罐3内，而所述高速相机2设置在所述真空罐3外，所述高速相机2通过在所述真空罐3上设置的观察窗4拍摄离子源1工作时放电通道周向照片，所述离子源1与所述高速相机2之间距离D可调的设置。
在具体实施例中，位置D根据实际情况进行设置，优选的将高速相机2置于霍尔离子源羽流前端5米或3米。正对垂直于离子源阳极的方向通过对离子源周向环形通道放电区域进行拍照。
其中，计算机6带有图片数据处理系统的，图片数据处理系统为MATLAB处理软件或程序。
所述高速相机2与所述计算机6信号连接，所述计算机6接收由所述高速相机2传输的照片。
所述照片以三维矩阵格式导入到计算机6的图片数据处理系统，所述三维矩阵格式为128×128×Nf，其中Nf为照片帧数。
所述图片数据处理系统处理并输出放电通道内的辐条振荡频率和旋转速度。
进一步的，系统还包括导轨5，所述离子源1通过底端设置的滚轮设置在所述导轨5上，所述离子源1被驱动的在所述导轨5上滑动调节和定位。
进一步的，所述真空罐3由真空泵驱动维持真空，真空泵的数量和位置根据实际测量环境和需求进行设置。
本发明还提供了一种离子源周向辐条振荡远距离测量方法，方法包括：
步骤一、获取照片，通过离子源周向辐条振荡远距离测量系统的高速相机拍摄离子源工作时的放电通道周向照片，并将照片以128×128×Nf的三维矩阵格式传送给带有图片数据处理系统的计算机；其中Nf为照片帧数。
步骤二、图形处理获得辐条振荡频率：首先从每帧照片中计算平均像素值
Figure BDA0001923024030000031
令像素值偏差
Figure BDA0001923024030000032
其次，独立出照片矩阵中圆形通道部分并转换到柱坐标系形式
Figure BDA0001923024030000033
Figure BDA0001923024030000041
再将照片中放电通道周向区域分为Nb＝180份面元，并将像素值分配到每一个面元中，其中每个面元像素值为：
Figure BDA0001923024030000042
再将每个面元中的像素值平均化，得出每帧的180×1的光强矢量；将全部放电通道的矢量加和计算像素值，即当前照片内放电通道内整体的像素值：
Figure BDA0001923024030000043
最后，对Nf张照片矩阵进行离散型二维傅里叶变换，计算出辐条振荡频率并根据像素值计算对应频率的能量，将能量用功率表示，得到一张如图2所示的横坐标为频率(kHz)、纵坐标为功率的功率谱密度图(Power Spectral Density，简称PSD图)及一张如图3所示的三个坐标轴分别为Time(ms)、周向角度Azimuthal Angle(degree)、平均像素值Average Pixel Value的三维图像，即时间-周向角度-平均像素值的三维图。
参见图2，图中黑色曲线代表离子源辐条整体振荡的频率，灰色曲线代表多辐条转变时的振荡频率，由此计算辐条的振荡频率。此时图2中辐条振荡的频率约为21kHz。因此，由所述功率谱密度图计算辐条的振荡频率。
步骤三、计算辐条转速，将时间-周向角度-平均像素值的三维图旋转可以得到关于时间t、周向角度θ的二维光强分布图，每张θ-t图可显示连续100张照片，如图4所示。根据二维光强分布图区域内所处角度位置随时间增大减小，并根据直线的斜率计算辐条的转速
Figure BDA0001923024030000044
其中t的单位由照片的采样率N确定。
以采样率10万为例，θ-t图中100张照片用时1ms，此时θ-t图中的纵坐标单位即为1ms，横坐标显示角度范围为±180°，为放电通道一周。图4中辐条旋转一圈经历约0.12ms，此时旋转速度计算约为3000000°/s或8333r/s。
在另一实施例中，不采用计算像素平均值的测量方法，而是读取连续每帧照片矩阵数据，参见图5，从而更直观，立体地观察不同时刻离子源通道内辐条的连续变化情况。
综上所述，本发明的测量系统和测量方法提供了离子源非介入式测量方案，大大提高了测量准确度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种离子源周向辐条振荡远距离测量方法，其特征在于，采用离子源周向辐条振荡远距离测量系统实现，所述离子源周向辐条振荡远距离测量系统包括：离子源和高速相机，所述离子源设置在真空罐内，所述高速相机设置在所述真空罐外，所述高速相机通过在所述真空罐上设置的观察窗拍摄离子源工作时放电通道周向照片，所述离子源与所述高速相机之间距离D可调的设置；
所述离子源周向辐条振荡远距离测量系统还包括带有图片数据处理系统的计算机，所述高速相机与所述计算机信号连接，所述计算机接收由所述高速相机传输的照片；
该方法包括：
步骤一、获取照片，通过离子源周向辐条振荡远距离测量系统的高速相机拍摄离子源工作时的放电通道周向照片，并将照片以三维矩阵格式传送给带有图片数据处理系统的计算机；
其中所述照片的三维矩阵格式为128×128×Nf，Nf为照片帧数；
步骤二、图形处理获得辐条振荡频率：首先从每帧照片中计算平均像素值
Figure FDA0002926101930000011
令像素值偏差
Figure FDA0002926101930000012
其次，独立出照片矩阵中圆形通道部分并转换到柱坐标系形式
Figure FDA0002926101930000013
再将照片中放电通道周向区域分为Nb＝180份面元，并将像素值分配到每一个面元中，其中每个面元像素值为：
Figure FDA0002926101930000014
再将每个面元中的像素值平均化，得出每帧的180×1的光强矢量；将全部放电通道的矢量加和计算像素值，即当前照片内放电通道内整体的像素值：
Figure FDA0002926101930000021
最后，对Nf张照片矩阵进行离散型二维傅里叶变换，计算出辐条振荡频率并根据像素值计算对应频率的能量，将能量用功率表示，得到功率谱密度图和时间-周向角度-平均像素值的三维图；由所述功率谱密度图计算辐条的振荡频率；
步骤三、计算辐条转速，将时间-周向角度-平均像素值的三维图旋转可以得到关于时间t、周向角度θ的二维光强分布图，根据二维光强分布图区域内所处角度位置随时间增大减小，并根据直线的斜率计算辐条的转速
Figure FDA0002926101930000022
其中t的单位由照片的采样率N确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离子源周向辐条振荡远距离测量系统还包括导轨，所述离子源通过底端设置的滚轮设置在所述导轨上，所述离子源被驱动的在所述导轨上滑动调节和定位。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离子源为霍尔离子源，所述距离D为5米或3米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述真空罐由真空泵驱动维持真空。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述图片数据处理系统为MATLAB。
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