CN103048062B - 一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是测量脉冲放电等离子鞘层温度的方法，该方法结合光谱法与激波波速测量，首先利用光谱法准确的测量出正柱区的气体温度，再利用小孔光阑阴影法，准确的测量放电后激波的波速，再用正柱区温度与激波波速计算出薄鞘层温度。本发明克服了放电等离子鞘层厚度薄、发光总量弱、无法直接测量的缺点，利用了正柱区体积大、发光强、利于收集，以及激波波速恒定，易于测量的特点，通过运用激波管的近似原理，准确的测量放电等离子鞘层的气体温度。

Description

一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是测量脉冲放电等离子鞘层温度的方法，特别是利用鞘层与正柱区温度差产生的激波，间接地测量等离子体鞘层的温度，该方法尤其适用于横向放电激励脉冲气体激光器内气体放电等离子薄鞘层的气体温度测量。

背景技术

脉冲气体放电广泛的应用在脉冲气体激光器泵浦，等离子体浸没离子注入等领域。在脉冲气体放电过程中，鞘层有着屏蔽外电场，维持放电稳定性，防止辉光放电向弧光转化等作用。特别是在高重频脉冲放电应用中，放电稳定性与防止辉光放电向弧光转化显得尤为重要。所以，测量脉冲放电装置的等离子体鞘层气体温度不仅有利于研究脉冲气体放电的机理，更对放电稳定性的提高有极大现实意义。

对于放电等离子体的温度探测通常有光谱法、干涉法与探针法。

光谱法多是利用放电等离子体自身发射的分子光谱。由于分子的转动与平动能量转移比它与电子能量转移要快，通常采用分子的转动温度等效为等离子的气体温度。这种方法在等离子体温度测量中采用得最为广泛。虽然鞘层发光往往比正柱区要稍强，但鞘层厚度远小于正柱区，所以鞘层的发光总量远小于正柱区发光总量。而且，等离子发光是各向同性的，对于体放电等离子体很难屏蔽正柱区发光而只采集鞘层的发射光谱。

干涉法是利用等离子体温度变化引起的密度变化，进而改变等离子区域的折射率，通过干涉法测量折射率的分布，进而得到等离子体温度分布。干涉法可以直接测量温度的空间分布。但同样是由于鞘层厚度非常薄，而且探测光束在阴极附件的硬边衍射效应严重，所以直接运用干涉法观测鞘层非常困难。另一方面，脉冲放电能量是瞬间注入的，在放电完成时往往还来不及由温度梯度转化为密度梯度，因而无法从折射率分布中得到温度分布的信息。

探针法是最传统的等离子体测量手段。它根据探针的伏安特性曲线，可以导出等离子体的温度，密度特性。但探针必须深入到等离子体内部，这样它就会与等离子体发生强烈的相互作用，从而影响放电特性。所以它尤其不适合于鞘层温度的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法，该方法采用非接触式的光学测量方法，通过测量鞘层与正柱区分界面产生的激波波速与正柱区气体温度，准确的测量等离子体鞘层的温度。

本发明提供的一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法，该方法包括下述步骤：

第1步利用光谱仪测量放电等离子发射的分子光谱，利用测量的分子光谱数据，拟合得到放电气体的分子转动温度作为正柱区的气体温度；

第2步利用小孔光阑阴影法获得放电等离子体鞘层与正柱区之间的激波分布图，并利用增强型电荷耦合成像器件对获得的图像进行采集，获得激波演化的时序图像；对获得的时序图像进行平滑和去噪处理，然后进行二值化及细化处理，获得激波位置，再进行线性拟合得到激波波速W；

第3步由正柱区气体温度与激波波速推算等离子鞘层温度。

作为上述技术方案的改进，第3步中，等离子鞘层温度T₁的计算公式为：

$T_1=\frac{{[a_5+(\mathrm{\γ}-1)u/2]}^2}{\mathrm{\γ}{R}_g},$ $u=W(1-\frac{(\mathrm{\γ}+1){M_s}^2}{(\mathrm{\γ}-1){M_s}^2+2})$

其中，a₅为当地声速，γ为放电气体的比热容比，W为第2步中获得的激波波速，R_g为放电气体的气体常数，M_s为激波当地马赫数。

上述技术方案中，第1步和第2步的执行顺序可以互换或同时进行。

本发明结合了光谱法与激波波速测量，首先利用光谱法准确的测量出正柱区的气体温度，再利用小孔光阑阴影法，准确的测量放电后激波的波速，再用正柱区温度与激波波速计算出薄鞘层温度。

本发明克服了放电等离子鞘层厚度薄、发光总量弱、无法直接测量的缺点，利用了正柱区体积大、发光强、利于收集，以及激波波速恒定，易于测量的特点，通过运用激波管的近似原理，准确的测量放电等离子鞘层的气体温度。

附图说明

图1是(a)放电刚完成时放电区域示意图；(b)放电完成后激波已经发展起来时放电区域示意图；

图2是鞘层温度测量流程图；

图3是等离子体分子光谱的测量装置示意图；

图4是小孔光阑阴影法测量激波装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1(a)所示为脉冲放电刚完成时的放电区域等离子体分布。由于注入能量的不同而形成鞘层1和正柱区2两个区域。两个区域之间由于注入能量的差异而存在温度差。由于脉冲放电时间很短(纳秒量级)，能量是瞬间注入的，所以在鞘层1与正柱区2的分界面3上形成陡峭的温度梯度，该温度梯度会导致激波的产生。如图1(b)所示为放电完成后激波已经发展起来时的放电区域状态。放电完成后，分界面的温度梯度造成向正柱区2方向传播的激波6和向鞘层1方向传播的膨胀波群4，并在鞘层1与正柱区2之间形成一个过渡区域5。与此同时，在放电过程中，正柱区2会产生一个强辉光，通过分子光谱测量能够获得正柱区气体温度。

本发明正是通过测量激波6的传播速度和正柱区2的温度，运用激波管的理论获得鞘层1的气体温度。

鞘层1温度测量流程图如图2所示，包括以下几个步骤：

1)等离子体发射光谱的测量：

利用光谱仪测量放电等离子发射的分子光谱。

如图3所示，等离子体发射光谱的测量装置包括透镜聚焦系统8、光纤9、光谱仪10和第一ICCD相机11。光纤9的一端位于透镜聚焦系统8的焦点上，另一端与光谱仪10连接，光谱仪10与第一ICCD相机11连接。

将放电等离子体7发光通过透镜聚焦系统8聚焦到光谱仪10的光纤9端面上，再由光纤9将光束传递至光谱仪10，得到氮分子第二正带转动光谱，再由第一ICCD相机11采集光谱仪得到的光谱数据。值得注意的是，对于大多数脉冲放电，气体组分中都至少含有微量的氮气，而氮分子的第二正带光谱发光强度大，极易采集；即使实际要求放电装置完全不能含氮气，在试验阶段，也可以通过在放电气体中混入微量氮气的方式，使用本发明获得鞘层气体温度，加入微量的氮气对于放电特性的影响可以忽略不计。

2)拟合出正柱区温度：

利用测量的分子光谱数据，拟合得到放电气体的分子转动温度作为正柱区的气体温度；

首先预设一个温度范围，然后拟合出每个温度值对应的光谱曲线，再以实验得到的光谱数据为基准计算拟合光谱曲线的方差，求出方差最小的拟合光谱对应的温度值。如果该温度值不是温度范围的边界，则此温度值即为分子转动温度；如果该温度值是温度范围的上(下)边界，则重新取原温度范围更高(低)的温度范围，重复上述拟合过程，最终得到分子转动温度。由于等离子体绝大部分区域为正柱区，且发光强度大，所以可认定该分子转动光谱为正柱区分子转动光谱。而由于分子的转动与平动能量转移比它与电子能量转移要快，采用正柱区的分子转动温度作为正柱区的气体温度。

3)等离子体激波的测量

利用小孔光阑阴影法获得放电等离子体鞘层与正柱区之间的激波分布图，并利用增强型电荷耦合(ICCD)成像器件对获得的图像进行采集，获得激波演化的时序图像。

其具体测量可以采用如图4所示的小孔光阑法测量激波波速的装置，该装置包括探测光源12、扩束系统13、单透镜14、小孔光阑15、毛玻璃屏16和第二ICCD相机17。

首先将探测光源12发出的探测光通过扩束系统13进行扩束，平行通过放电等离子体7，之后再利用单透镜14将其聚焦，并在焦点处设置小孔光阑15进行空间滤波，滤波后的发散光束投射在毛玻璃屏16上，再利用第二ICCD相机17进行采集。其中第二ICCD相机17采用放电等离子体7的脉冲放电瞬间的电磁干扰作为同步触发信号，通过ICCD相机的控制器进行触发信号延时，得到一组等时间间隔的延时信号序列，通过该信号序列控制第二ICCD相机17在放电后不同时刻进行采集，获得激波6演化的时序图像。

4)数据处理得到激波波速

对步骤3)获得的时序图像进行平滑和去噪处理，然后进行二值化及细化处理，获得激波位置，再运用线性拟合的方法获得激波波速。

由于探测光束自身的不均匀性，及放电后其他流场变化对探测光的扰动等因素，会使获得的图像有一定的背景噪声。通过对获得的图像进行平滑和去噪处理，可以获得较为均匀的激波6图像，再采用二值化和细化处理，获得激波6波阵面。再将放电中心区域(等于或小于电极宽度)激波6波阵面的位置提取出来，取平均值得到放电中心区域的不同时刻的平均位置。采用一阶线性拟合方程y＝y₀+Wt，利用最小二乘法求解激波6波速W，其中t为时间(以放电瞬间作为时间零点)，y为时刻t对应的激波6波阵面位置，W为激波波速，y₀为初始时刻(t＝0)激波6波阵面位置(鞘层与正柱区分界面3位置)。为了获得精确的结果，测量次数应大于10组，从而减少噪声干扰及放电不稳定等因素产生的误差。

上述步骤1)至2)与步骤3)至4)的顺序可以并行。

5)由正柱区气体温度与激波波速推算等离子鞘层温度

利用已测得的正柱区气体温度与激波波速，运用激波管的理论推算出等离子体鞘层的气体温度。

利用已测得的正柱区气体温度与激波波速，运用激波管的理论推算出等离子体鞘层1的气体温度。由于放电瞬间能量注入，气体来不及膨胀，所以假设正柱区气体密度不变。由正柱区2气体的温度T₂，激波波速W与激波当地马赫数M_s，可以计算出过渡区域5的温度T₅，以及原鞘层与正柱区分界面3的流速u：

$T_5=T_2[1+\frac{2(\mathrm{\γ}-1)}{{(\mathrm{\γ}+1)}^2}\frac{\mathrm{\γ}{M_s}^2+1}{{M_s}^2}({M_s}^2-1)]---\left(1\right)$

$u=W(1-\frac{(\mathrm{\γ}+1){M_s}^2}{(\mathrm{\γ}-1){M_s}^2+2})---\left(3\right)$

其中γ、R_g分别为放电气体比热容比与气体常数，它们都只与气体组分有关，与气体所处的区域、状态都无关。再由过渡区域5的当地声速

以及原鞘层与正柱区分界面3的流速u，计算出鞘层温度T₁：

$T_1=\frac{{[a_5+(\mathrm{\γ}-1)u/2]}^2}{\mathrm{\γ}{R}_g}---\left(4\right)$

本发明克服了放电等离子鞘层厚度薄、发光总量弱、无法直接测量的缺点，利用了正柱区体积大、发光强、利于收集，以及激波波速恒定，易于测量的特点，准确的测量放电等离子薄鞘层的气体温度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法，该方法包括下述步骤：

第1步利用光谱仪测量放电等离子体发射的分子光谱，利用测量的分子光谱数据，拟合得到放电气体的分子转动温度作为正柱区的气体温度；

第2步利用小孔光阑阴影法获得放电等离子体鞘层与正柱区之间的激波分布图像，并利用增强型电荷耦合成像器件对获得的图像进行采集，获得激波演化的时序图像；对获得的时序图像进行平滑和去噪处理，然后进行二值化及细化处理，获得激波位置，再进行线性拟合得到激波波速W；

第3步由正柱区气体温度与激波波速推算等离子体鞘层温度。

2.根据权利要求1所述的一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法，其特征在于，第3步中，等离子体鞘层温度T₁，以及原鞘层与正柱区分界面的流速u的计算公式为：

$T_1=\frac{{[a_5+(\mathrm{\γ}-1)u/2]}^2}{{\mathrm{\γR}}_g},u=W(1-\frac{(\mathrm{\γ}+1){M_s}^2}{(\mathrm{\γ}-1){M_s}^2+2})$

其中，a₅为当地声速，γ为放电气体的比热容比，W为第2步中获得的激波波速，R_g为放电气体的气体常数，Ms为激波当地马赫数。

3.根据权利要求1所述的一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法，其特征在于，第1步和第2步执行顺序互换。

4.根据权利要求1所述的一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法，其特征在于，第1步和第2步同时进行。

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