一种实时原位测量膛内等离子体电枢参数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于等离子参数测量技术领域，涉及一种测量膛内等离子体电枢参数的方 法。
【背景技术】
[0002] 等离子体电枢电磁发射技术具有发射速度上限高的特点，是传统固体电枢不可比 拟的，国内外均开展了等离子体电枢电磁发射技术的研究，中物院一所和中科院等离子所 分别达到1.27g、5km/s和50g、3km/s的水平。
[0003] 美国德州大学先进技术学院在美国空间科学研究中心的支持下开展等离子体电 枢电磁轨道发射技术的研究，其目标是发射出口速度超过7km/s，能够将约10kg的载荷发射 到地球低轨。
[0004] 然而，由于严重的电弧烧蚀问题和高速刨削等问题，等离子体电枢的发展十分缓 慢，究其根本原因，缺少针对膛内等离子体电枢参数的诊断方法是一个重要的不可被忽视 的原因，等离子体电枢的主要参数包括等离子体移动速度、等离子体电子密度、电子温度、 振动温度、转动温度等，这些参数都直接影响等离子体电枢的性能，尤其是等离子体密度温 度信息直接决定了电枢出膛速度。这些都是电磁轨道炮等离子体电枢研究的重点难点问 题。
[0005] 等离子体电枢体积小、移动速度快，其参数诊断测量十分困难。传统的等离子体电 枢测量方法有磁探针方法、朗缪尔探针法和发射光谱法。
[0006] 磁探针方法虽然能够比较准确的给出等离子体电枢的运动速度，然而无法获得等 离子体密度、温度信息。
[0007]朗缪尔探针法是测量等离子体电子温度和电子密度的常用方法，但由于探针电极 需插入等离子体内部，加之电枢等离子体气压很高，不满足朗缪尔探针的无碰撞工作条件， 无法对快速移动的等离子体电枢进行测量。
[0008] 发射光谱法(Optical Emission Spectroscopy)是一种分析诊断等离子体重要方 法，其特点是装置简单，对等离子体完全没有干扰。等离子体中的生成物种从激发态跃迀到 低能态时发出光，即可观测到发射光谱。由于其具有结构简单、非接触式测量、灵敏度高、响 应速度快等特点，已广泛应用于等离子体特性诊断。发射光谱法不仅可以用于测量电子温 度和电子密度，还可以测量等离子体振动温度和转动温度。然而，发射光谱用于电枢轨道炮 的等离子体电枢参数测量的方法尚未见报道，这是由于传统收集光谱的方向通常垂直于等 离子体电枢的发射方向，即在电磁轨道炮的喷口方向后期尾部收集，这样探测效率低，且无 法对等离子体电枢的膛内移动速度进行测量。
【发明内容】
[0009]为了解决现有技术的缺陷，本发明提出一种实时原位测量膛内等离子体电枢参数 的方法，可以在同一时刻获得同一位置的等离子体电枢的全光谱，不受等离子体电枢波动 的影响。
[0010] 本发明的技术方案如下：
[0011] -种实时原位测量膛内等离子体电枢参数的方法，包括如下步骤：
[0012] 步骤一:在电磁轨道炮膛内壁内嵌若干个石英窗口；
[0013] 电磁轨道炮膛轨道相隔相同距离内嵌石英窗口。
[0014] 步骤二:发射光谱的产生；
[0015] 采用高压脉冲电源对聚乙烯衬垫进行放电，产生用于电磁轨道发射的等离子体电 枢，等离子体电枢在电磁轨道炮膛内快速运动。
[0016] 步骤三:获取等离子体电枢的发射光谱；
[0017] 光纤接头分别热合在每个石英窗口上，光纤一端接在光纤接头处，另一端与多通 道光纤光谱仪相连接，光纤将等离子体辐射的光传输至多通道光纤光谱仪，多通道光纤光 谱仪与计算机相连，通过计算机软件控制多通道光纤光谱仪进行光谱采集，并将得到的光 谱保存在计算机里；同时多通道光纤光谱仪与电磁轨道炮脉冲电源之间通过数字延迟发生 器相连，通过数字延迟发生器调节两者之间的时序。
[0018] 步骤四：实时原位测量膛内等离子体电枢参数；
[0019] 等离子体电枢参数包括运动速度、电子温度、电子密度、振动温度、转动温度。
[0020] 等离子体电枢在电磁轨道炮膛内不同石英窗口之间的运动速度测量：
[0021 ]测量电磁轨道炮的等离子体电枢喷口与每个石英窗口之间的距离Δ li，i = 1， 2, . . .，n，n为石英窗口序号，η>1;调节数字延迟发生器，获得每个石英窗口的最强发射光 谱，并记录其相应的时间Δ ti，i = l，2,. . .，n，n为石英窗口序号，η>1。
[0022] 等离子体电枢在第1个石英窗口与第2个石英窗口之间的运动速度可由公式（1)计 算得到：
[0023] νι= Δ 1ι/ Δ ti (1)
[0024] 等离子体电枢在其它石英窗口之间的运动速度可由公式(2)计算得到：
[0025] vi= ( Δ li-Δ li-1)/( Δ ti_ Δ ti-1)，i = 2，· · ·，n，n>2 (2)
[0026] 等离子体电枢的电子温度Te测量：
[0027] 等离子体电枢发射光谱的谱线波长λ为： , c ch
[0028] λ = - = --- C3)
[0029] 其中c为光速;v为光子频率;h为Plank常数;Ek、Ei分别对应k能级和i能级的电子能 量。
[0030] 由k能级到i能级跃迀发出的光子对应的谱线强度Ikl，由公式(4)给出：
[0031] IH = nk - Aki (4)
[0032] 其中，nk为单位体积内处于激发态k的原子数;Akl为能级k到i的跃迀几率;处于第k 能级的粒子数密度nk由波尔兹曼分布给出： Γ π η ( εΛ ...
[0033] nk=-gke\p -φ (5) L V K1〇 )
[0034]其中，=乙~为粒子总密度;Z = ；J>kexpf-^·)为原子的总配分函数;gk为k能 k k \ ) 级的统计权重;k为波尔兹曼常数。
[0035] 将式(4)带入式(3)中可得公式(6):
[0036] (6)
[0037] 对公式(6)取自然对数，得公式(7):
[0038] ln(-^-) = --^-+C (7) SkAk kTe
[0039] 其中，k为波尔兹曼常数，Ik为峰强度，为该峰波长，gk为该跃迀的上能级的简并 度，A k为跃迀概率，Ek为跃迀的上能级的能级，C = ln(iAC)为常数，Ik从步骤三得到的发射 光谱中读出，Ak、g k、Ak、Ek从美国国家标准技术研究所(NIST)数据库中查得。
[0040] 以Ek为横坐标，以为纵坐标，作直线拟合，该直线的斜率负倒数即为kTe， SkAk 由此求得离子体电枢的电子温度Te。
[0041 ]等离子体电枢的电子密度I测量：
[0042] 非Η谱线的Stark展宽效应谱线轮廓的半高全宽A；lf/2由公式(8)表示：
[0043] A/if/2 = 2[1 +1 J5o^(1 - c0r)]w/ (8)
[0044] 其中，;r = 9xl(T3A^/6/·^是离子平均距离和德拜长度的比值；C〇 = 0.75; w' = (；W)w(re)表示电子碰撞引起的半最大值宽度，<=1〇 2、_3;?' = (%/<)1/4〇:是 准静态离子加宽参数;将上述参数表达式代入公式(8)即得：
[0045] ΔΛ5/2 = 2 X [l +1.75 xlO-4 NlJ4ax (l - 0.068iVy 6Γ；1/2)]χ 10~16 wiVe (9)
[0046] 其中，w = aNe，a为展宽系数，Te为石英窗口处等离子体电枢的电子温度，由公式(7) 求出；将上述参数代入上述公式(9 )，即可得到不同石英窗口之间的电子密度Ne。
[0047] 等尚子体电枢的分子振动温度Τν测量：
[0048]分子带系发射光谱中的振动带之间的谱线强度W表示为：
[0049] Iv n" =hcvv, ν?ν (10)
[0050] 其中，/，ν〃分别为上、下能态振动量子数，Aw为跃迀几率，Νν为上能态分子数，h 为普朗克常数，c为真空中光速。
[0051 ]分子的振动能量Εν表示为：
[0052] ￡/ = (ν' + 去)-出入(ν' + ^·)2 + ?几(ν' + 玉)3 Η - (11)
[0053] 其中，振动常数 ω e、ω ex、ω eye和跃迀概率Αν'ν〃可由Griem HR · 1964，Pasma Spectroscopy McGraw-Hill，New York查得。
[0054] 在局部热力学平衡下，上能态分子数Nv满足波尔兹曼分布，得到：
[0055] Nv, = N0eW (12)
[0056] 式中，No为粒子密度。
[0057] 将公式（12)代入公式（10)中，可得公式（13):
[0058] ln(^^) = -^-+C (13) A,v kTv
[0059] 其中，IvV'为峰强度，λν /为该波长，AvV'为跃迀概率，Εν为跃迀的上能级的能级，C 为常数，IvV'从步骤三得到的等离子体电枢的发射光谱中读出，能级Εν根据公式(11)求得。
[0060] 以Εν为横坐标，以为纵坐标，作直线拟合，该直线的斜率负倒数即为 AvV kTv，由此求得离子体电枢的分子振动温度Tv。
[0061 ]等离子体电枢的分子转动温度Tr测量：
[0062] 转动光谱线的相对强度I表示为： BvJ\J'+V)hc
[0063] i = KYASrre kTr (14)
[0064] 其中，K为常数，对相同的振动能级来说，该值不变；γ为辐射频率;Sr J〃为亨耳-伦 敦系数，是上振动能级的分子转动常数，y和J〃分别为上能级和下能级的转动量子数，h 为普朗克常数，C为真空中光速。
[0065]