CN115728242B - 太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法。该方法将测量光路设置在单独的封闭盒体内，避免等离子体对其他检测设备的污染，提高检测准确度。通过将不同波段的太赫兹波能量聚集、反射以及收集，并通过获得相应波段等离子体包覆对样品反射率的影响系数，通过频段拼接的方式获得太赫兹全频段的测量数据，确定太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响，为后续等离子体包覆相关领域的各项研究提供一种新的方式。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法。
背景技术
飞行器高速飞行时，飞行器的边界会与大气层发生相互作用，在头部周围形成一个强弓形激波，由于粘性耗散效应和激波的强烈压缩，使其迅速减速，巨大的动能损失中的一部分要转变为激波层内气体的内能，温度的升高致使气体形成等离子。飞行器被等离子体包覆，形成等离子鞘套。等离子的高温效应不仅发生在物面附近的边界层内，而且通过对流热交换以及高温气体的热辐射，致使表面材料升温。太赫兹光波段等离子鞘套包覆飞行器表面隔热材料和吸波材料等复合介质材料的反射率特征不仅依赖于材料的信息和温度分布，还受到等离子的影响。尽管目前提出了很多太赫兹频段等离子传输特性的研究，主要是基于等离子体的透射测量。而对于太赫兹全频段下等离子包覆对于材料反射率影响的研究工作没尚未有成熟的测量方法。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法，能够实现等离子体包覆对材料反射率影响的测定。
（二）技术方案
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法，包括以下步骤：
提供一封闭盒体、一等离子体发生器、一用于固定待测件的支架以及设置在封闭盒体内的测量光路，支架位于封闭盒体内，等离子体发生器能够向位于支架上的待测件提供包覆用的等离子体，测量光路能够将进入封闭盒体内的太赫兹光波聚焦至待测件后再反射至能量收集装置；
选择已知反射率的金属板作为参考板，当参考板作为待测件时，将其固定在支架，向测量光路提供准直太赫兹光波，且在未被等离子体包覆情况下，对参考板进行测量，测量光路能够将太赫兹光波聚集至参考板后再反射至能量收集装置，获得参考板在未被等离子体包覆情况下的反射能量 ；
待测样品板作为待测件，将待测样品板固定在支架，在未被等离子体包覆的情况下，对待测样品板进行测量，获得待测样品板在未被等离子体包覆情况下的反射能量 ；
打开等离子体发生器，将位于支架上的待测样品板被等离子体包覆，对待测样品板进行测量，获得待测样品板在被等离子体包覆情况下的反射能量；
通过式（1）获得未被等离子包覆时待测样品板的反射率：
（1）
通过式（2）获得被等离子包覆时待测样品板的反射率：
（2）
通过式（3）得到等离子体包覆对样品反射率的影响系数：
（3）。
可选地，封闭盒体内填充有氮气或者干燥空气。
可选地，在封闭盒体的侧壁上设有排气扇，用于排出制造等离子体产生的多余气体；
封闭盒体连通有输入管，用于向封闭盒体输入氮气或干燥空气。
可选地，测量光路包括第一平面反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二平面反射镜和会聚镜，第一平面反射镜倾斜设置，第一抛物面镜设置在第一平面反射镜的上方，第二平面反射镜与第一平面反射镜对称设置，第二抛物面镜位于第二平面反射镜的上方并与第一抛物面镜对称设置，第一抛物面镜和第二抛物面镜的焦点能够重合于支架上，第一平面反射镜将准直太赫兹光波反射至第一抛物面镜后聚焦至待测件，再依次反射至第二抛物面镜和第二平面反射镜，会聚镜位于第二平面反射镜的后侧，将太赫兹光波能量会聚反射至能量收集装置。
可选地，会聚镜为抛物面镜或凸透镜。
可选地，当太赫兹光波的频段为0.1-2THz时，采用太赫兹时域光谱系统实现太赫兹光波的发射和接收；
当太赫兹光波的频段为2-10THz时，采用真空发射率测量系统实现太赫兹光波的发射，通过设置移动的第三抛物面镜通过引出窗口将太赫兹光波引出真空发射率测量系统，并准直进入封闭盒体，采用太赫兹探测器作为能量收集装置；
然后再通过频段拼接的方式获得太赫兹全频段的测量数据。
可选地，当采用太赫兹时域光谱系统实现太赫兹光波的发射和接收时，在测量光路的前侧设有第一凸透镜，会聚镜为第二凸透镜；
当采用真空发射率测量系统实现太赫兹光波的发射，会聚镜为第四抛物面镜。
（三）有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法，将测量光路设置在单独的封闭盒体内，避免等离子体对其他检测设备的污染，提高检测准确度。通过将不同波段的太赫兹波能量聚集、反射以及收集，并通过计算获得相应波段等离子体包覆对样品反射率的影响系数，通过频段拼接的方式获得太赫兹全频段的测量数据，确定太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响，为后续等离子体包覆相关领域的各项研究提供一种新的方式。
附图说明
本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1是本发明实施例一中一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率测量过程中太赫兹光波源光路示意图（封闭盒体内的测量光路为俯视示意）；
图2是图1中封闭盒体内测量光路的仰视示意图；
图3是本发明实施例二中一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率测量过程中太赫兹光波源光路示意图（封闭盒体内的测量光路为俯视示意）；
图4是图3中封闭盒体内测量光路的仰视示意图。
图中：
1：太赫兹时域光谱系统；
11：发射器；
12：接收器；
2：真空发射率测量系统；
21：第三抛物面镜；
22：引出窗口；
3：待测件；
4：封闭盒体；
5：等离子体发生器；
6：输入管；
7：测量光路；
71：第一平面反射镜；
72：第一抛物面镜；
73：第二抛物面镜；
74：第二平面反射镜；
75：会聚镜；
8：第一凸透镜；
9：太赫兹探测器；
10：等离子体。
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。
本发明提供的太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法，包括以下步骤：
前期准备：
提供一封闭盒体、一等离子体发生器、一用于固定待测件的支架以及设置在封闭盒体内的测量光路，支架位于封闭盒体内，等离子体发生器能够向位于支架上的待测件提供包覆用的等离子体，测量光路能够将进入封闭盒体内的太赫兹光波聚焦至待测件后再反射至能量收集装置。
反射率测量：
选择已知反射率的金属板作为参考板，当参考板作为待测件时，将其固定在支架，向测量光路提供准直太赫兹光波，且在未被等离子体包覆情况下，对参考板进行测量，测量光路能够将太赫兹光波聚集至参考板后再反射至能量收集装置，获得参考板在未被等离子体包覆情况下的反射能量 。
将待测样品板作为待测件进行反射率测。具体地，取出参考板，将待测样品板固定在支架，在未被等离子体包覆的情况下，对待测样品板进行测量，获得待测样品板在未被等离子体包覆情况下的反射能量 。
打开等离子体发生器，使产生并向待测件喷射等离子体，使位于支架上的待测样品板被等离子体包覆，对待测样品板进行测量，获得待测样品板在被等离子体包覆情况下的反射能量 。
根据以上所得数据进行计算：
通过式（1）获得未被等离子包覆时待测样品板的反射率：
（1）
通过式（2）获得被等离子包覆时待测样品板的反射率：
（2）
通过式（3）得到等离子体包覆对样品反射率的影响系数：
（3）。
本发明中，测量光路位于单独的封闭盒体内，避免等离子体对其他检测设备的污染，提高检测准确度。通过将不同波段的太赫兹波能量聚集、反射以及收集，采用不同波段的太赫兹光波可获得相应波段等离子体包覆对样品反射率的影响系数，通过频段拼接的方式获得太赫兹全频段（0.1-10THz）的测量数据，确定太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响，为后续等离子体包覆相关领域的各项研究提供一种新的方式。
当然太赫兹光波信号源更稳定，可以采用不同系统提供不同波段的太赫兹光波。以下通过两个实施例分别基于两个不同波段范围的太赫兹光波进行等离子体包覆对材料反射率影响的测定。
实施例一
本实施例基于0.1-2THz太赫兹光波进行等离子体包覆对材料反射率影响的测定。参见图1和图2所示，本实施例采用太赫兹时域光谱系统1实现太赫兹光波的发射和接收。并提供了一封闭盒体4、一等离子体发生器5、一用于固定待测件3的支架以及设置在封闭盒体4内的测量光路7。支架位于封闭盒体4内，等离子体发生器5能够向位于支架上的待测件3提供包覆用的等离子体10。测量光路7能够将进入封闭盒体4内的太赫兹光波聚焦至待测件3后再反射至能量收集装置。在本实施例中接收器12作为能量收集装置。
需要说明的是，太赫兹时域光谱系统1的发射器11和接收器12也设置在封闭盒体4内，以减少外界环境对测量结果的影响。
具体地，测量光路7包括第一平面反射镜71、第一抛物面镜72、第二抛物面镜73、第二平面反射镜74和会聚镜75。第一平面反射镜71倾斜设置，第一抛物面镜72设置在第一平面反射镜71的上方。第二平面反射镜74与第一平面反射镜71对称设置，第二抛物面镜73位于第二平面反射镜74的上方并与第一抛物面镜72对称设置。第一抛物面镜72和第二抛物面镜73的焦点能够重合于支架上。进行检测时，待测件3固定在支架上，调整光路中的各镜体的姿态，实现接收器12接收能量最大化。第一平面反射镜71将准直太赫兹光波反射至第一抛物面镜72后聚焦至待测件，再依次反射至第二抛物面镜73和第二平面反射镜74，会聚镜75在太赫兹光波的传播方向上位于第二平面反射镜74的后侧，用于将太赫兹光波能量会聚反射至接收器12。会聚镜75可以是抛物面镜或凸透镜或多个镜体组合而成的会聚光路。本实施例中优选地，会聚镜75为凸透镜。
在进行反射率测量时，选择已知反射率的金属板作为参考板，例如金等贵金属。当参考板作为待测件3时，将其固定在支架，向测量光路7提供准直太赫兹光波，且在未被等离子体包覆情况下，对参考板进行测量，测量光路7能够将太赫兹光波聚集至参考板后再经过第二抛物面镜73、第二平面反射镜74和会聚镜75反射至能量收集装置（接收器12），获得参考板在未被等离子体包覆情况下的反射能量。
将待测样品板作为待测件3进行反射率测。在未被等离子体包覆的情况下，待测样品板的测量过程与参考板的测量过程相同，在此不再赘述。通过对待测样品板的测量，获得待测样品板在未被等离子体包覆情况下的反射能量。
在待测样品板在被等离子体包覆的情况下进行测量。打开等离子体发生器5，使产生并向待测样品板喷射等离子体10，使位于支架上的待测样品板被等离子体10包覆，采用相同的测量光路对待测样品板进行测量，获得待测样品板在被等离子体包覆情况下的反射能量 。
根据以上所得数据通过进行计算，具体计算过程如下：
通过式（1）获得未被等离子包覆时待测样品板的反射率：
（1）
通过式（2）获得被等离子包覆时待测样品板的反射率：
（2）
通过式（3）得到等离子体包覆对样品反射率的影响系数：
（3）。
为了进一步减少环境对测量结果的影响，降低空气对太赫兹光波的吸收，封闭盒体4内填充有氮气或干燥空气。
为了进一步提高测量准确率，在封闭盒体4的侧壁上设有排气扇（图中未示出），用于排出制造等离子体产生的多余气体，例如，制造等离子体时通过电弧电离经喷枪加速后的氩气。封闭盒体4连通有输入管6，用于向封闭盒体4内输入氮气或干燥空气。
在一可选实施方式中，在测量光路7的前侧设有第一凸透镜8，用于将太赫兹光波变为准直。
需要说明的是，太赫兹时域光谱系统为现有技术，在此不再赘述。
还值得说明的是，支架可以采用现有技术，例如，可以包括调节固定待测件的夹器、用于调节高度和/或位置的架体，在此不再赘述。
实施例二
参见图3和图4所示，本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例基于2-10THz太赫兹光波进行等离子体包覆对材料反射率影响的测定。采用真空发射率测量2系统实现太赫兹光波的发射，采用太赫兹探测器9作为能量收集装置。具体地，通过设置一移动的第三抛物面镜21将太赫兹光波通过引出窗口22引出真空发射率测量系统2，并准直进入封闭盒体4。如此就能够在在不破坏真空发射率测量系真空环境的条件下，准确测量等离子体包覆材料的反射率。本实施例中，真空发射率测量系采用德国Bruker公司生产的Vertex 80v型真空傅里叶变换光谱仪。在使用时对其进行改造，在壳体内设置一移动第三抛物面镜21，用于将太赫兹光波引出真空发射率测量系统从引出窗口引出。真空傅里叶变换光谱仪和太赫兹探测器均为现有设备，在此不再赘述。
综上，本发明太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法，将测量光路设置在单独的封闭盒体内，避免等离子体对其他检测设备的污染，提高检测准确度。通过将不同波段的太赫兹波能量聚集、反射以及收集，并通过获得相应波段等离子体包覆对样品反射率的影响系数，通过频段拼接的方式获得太赫兹全频段的测量数据，确定太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响，为后续等离子体包覆相关领域的各项研究提供一种新的方式。
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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，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 (7)
1.一种太赫兹全频段等离子体包覆对材料反射率影响的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一封闭盒体、一等离子体发生器、一用于固定待测件的支架以及设置在所述封闭盒体内的测量光路，所述支架位于所述封闭盒体内，所述等离子体发生器能够向位于所述支架上的所述待测件提供包覆用的等离子体，所述测量光路能够将进入所述封闭盒体内的太赫兹光波聚焦至所述待测件后再反射至能量收集装置；
选择已知反射率的金属板作为参考板，当所述参考板作为待测件时，将其固定在所述支架，向所述测量光路提供准直太赫兹光波，且在未被等离子体包覆情况下，对所述参考板进行测量，所述测量光路能够将太赫兹光波聚集至所述参考板后再反射至所述能量收集装置，获得所述参考板在未被等离子体包覆情况下的反射能量P参；
待测样品板作为待测件，将所述待测样品板固定在所述支架，在未被等离子体包覆的情况下，对所述待测样品板进行测量，获得所述待测样品板在未被等离子体包覆情况下的反射能量P待；
打开所述等离子体发生器，将位于所述支架上的所述待测样品板被等离子体包覆，对所述待测样品板进行测量，获得所述待测样品板在被等离子体包覆情况下的反射能量P′待；
通过式(1)获得未被等离子包覆时所述待测样品板的反射率：
通过式(2)获得被等离子包覆时所述待测样品板的反射率：
通过式(3)得到等离子体包覆对样品反射率的影响系数：
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：
所述封闭盒体内填充有氮气或者干燥空气。
3.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：
在所述封闭盒体的侧壁上设有排气扇，用于排出制造等离子体产生的多余气体；
所述封闭盒体连通有输入管，用于向所述封闭盒体输入氮气或干燥空气。
4.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：
所述测量光路包括第一平面反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二平面反射镜和会聚镜，所述第一平面反射镜倾斜设置，所述第一抛物面镜设置在所述第一平面反射镜的上方，所述第二平面反射镜与所述第一平面反射镜对称设置，第二抛物面镜位于所述第二平面反射镜的上方并与所述第一抛物面镜对称设置，所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜的焦点能够重合于所述支架上，所述第一平面反射镜将准直太赫兹光波反射至所述第一抛物面镜后聚焦至所述待测件，再依次反射至所述第二抛物面镜和所述第二平面反射镜，所述会聚镜位于所述第二平面反射镜的后侧，将太赫兹光波能量会聚反射至所述能量收集装置。
5.根据权利要求4所述的测定方法，其特征在于：
所述会聚镜为抛物面镜或凸透镜。
6.根据权利要求4所述的测定方法，其特征在于：
当太赫兹光波的频段为0.1-2THz时，采用太赫兹时域光谱系统实现太赫兹光波的发射和接收；
当太赫兹光波的频段为2-10THz时，采用真空发射率测量系统实现太赫兹光波的发射，通过设置移动的第三抛物面镜通过引出窗口将太赫兹光波引出真空发射率测量系统，并准直进入所述封闭盒体，采用太赫兹探测器作为能量收集装置；
然后再通过频段拼接的方式获得太赫兹全频段的测量数据。
7.根据权利要求6所述的测定方法，其特征在于：
当采用太赫兹时域光谱系统实现太赫兹光波的发射和接收时，在所述测量光路的前侧设有第一凸透镜，所述会聚镜为第二凸透镜；
当采用真空发射率测量系统实现太赫兹光波的发射，所述会聚镜为第四抛物面镜。
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