技术领域本发明涉及本发明涉及等离子体诊断研究技术，具体涉及用于等离子体诊断的密闭爆发器及其密度控制方法。
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。
技术实现要素：本发明设计开发了一种用于等离子体诊断的密闭爆发器，能够将火药在高温高压的密闭环境中引爆，收集爆炸后产生的等离子体。本发明还有一个目的是在密闭爆发器顶部设置有光学视窗，采用密封垫片压紧，既保证了密闭爆发器的密封结构，又为测量开辟了一个观测窗口。本发明的另一个目的并采用光谱测量系统通过光学视窗进行非接触式测量，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。本发明还涉及开发了一种等离子体密度控制方法，仅通过采集燃烧室内的温度及压力，再通过调整火药的质量，实现等离子体密度的调节，调节准确迅速，可操作性强。本发明提供的技术方案为：一种用于等离子体诊断的密闭爆发器，包括：燃烧室，其材质为炮钢；密封装置，其数量为两个，分别设置在所述燃烧室两侧；以及等离子气体发生装置，其设置在所述燃烧室一端，并且位于该端所述密封装置内部；卸压装置，其设置在燃烧室另一端的所述密封装置内部，用于将密闭爆发器内高压气体引出；光学视窗，其设置在燃烧室顶部，用于观测所述燃烧室内等离子体分布情况。优选的是，所述等离子气体发生装置，包括：柱形腔室，其材质为绝缘材料，所述柱形腔室顶端设置有喷嘴，等离子体由所述喷嘴喷出；柱状电极，其设置在所述柱形腔室中轴线位置；子电极，其设置在所述柱形腔室内部，并能够施加于所述柱状电极不同的电势；引爆丝，其连接所述柱状电极；毛细管，其套设在所述引爆丝中间位置，内壁涂覆介电膜；脉冲电源，其连接所述柱状电极和所述子电极。优选的是，所述卸压装置，包括：放气螺栓，其设置所述密封装置的通孔内部；槽轮，其连接所述放气螺栓，用于调节放气螺栓与所述密封装置的相对位置，以实现密闭爆发器的压力调节。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，所述密封垫片采用自紧型金属O型圈，材质为金属钛，表面镀有金属镍，以弥补环槽密封表面不平或微小缺陷。优选的是，所述自紧型金属O型圈为空心型环管，并在内侧表面设置有多个小圆孔，其空心环管内部与所述燃烧室相连通。优选的是，所述密封装置材质为紫铜。本发明的目的还可进一步由一种等离子体密度控制方法实现，包括以下步骤：步骤一：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；步骤二：并通过所述谱线强度数据及所述等离子体温度计算得到等离子体密度；步骤三：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；步骤四：传感器检测燃烧室内温度T及压力P，通过改变燃烧室内火药装填量Mα，实现等离子体密度调节；Ne=0.16×1011·(0.536Mα2+0.53Mα+1.04)·e0.00017T·[ln(P)-1.84],300≤P≤3500.18×1011(12.3Mα-18.85Mα2-0.9)·e0.00017T·[ln(P)-0.25],350<P≤400.]]>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，Ei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，Amq为m态到q态的跃迁概率，Em为m能级能量，m为加入火药的质量，σmq为能级的碰撞截面，νmq为谱线频率，C为常数，N为气体分子密度；Ne为等离子体电子密度，h为普朗克常数。优选的是，所述步骤一中采用光谱测量系统进行光谱测量，包括：辐射探头，其包括余弦矫正器和光纤，设置在光学视窗位置，用于燃烧室内产生等离子体的光谱取样；光谱仪，其为光栅光谱仪，用于分光及对辐射探头采集到的光谱取样数据进行测量。本发明与现有技术相比所具有的有益效果1、本发明提供的一种用于等离子体诊断的密闭爆发器，能够将火药在高温高压的密闭环境中引爆，收集爆炸后产生的等离子体，并在密闭爆发室顶部设置有光学视窗，通过光学视窗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、本发明提供的一种用于等离子体诊断的密闭爆发器，顶部设置有光学视窗，采用密封垫片压紧，既保证了密闭爆发器的密封结构，又为测量开辟了一个观测窗口。3、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；4、针对火药爆炸后在高温高压的密闭环境中，通过采集燃烧室内的温度及压力，过光谱法对热电离等离子体密度进行检测，再通过调整火药的质量，实现等离子体密度的调节，调节准确迅速，可操作性强，抗干扰性强。附图说明图1为本发明所述的用于等离子体诊断的密闭爆发器的结构示意图。图2为本发明所述的等离子气体发生装置的结构示意图。图3为本发明所述的光学视窗结构示意图。图4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所示，本发明提供的用于等离子体诊断的密闭爆发器，包括：燃烧室100、密封装置200、等离子气体发生装置300、卸压装置400和光学视窗500。其中，燃烧室100，由于火药燃烧时产生高温高压的燃气，所以选用炮钢作为燃烧室100的材料。密封装置200，其数量为两个，包括第一密封装置和第二密封装置，分别设置在燃烧室100两侧，作为一种优选，密封装置200材质为紫铜；如图2所示，等离子气体发生装置300，其设置在燃烧室100一端，第一密封装置内部，包括：柱形腔室310，其材质为绝缘材料，柱形腔室310顶端设置有喷嘴，等离子体由喷嘴喷出；柱状电极320，其设置在柱形腔室310中轴线位置；子电极330，其设置在柱形腔室310内部，并能够施加于柱状电极320不同的电势；引爆丝340，其连接柱状电极320；毛细管350，其套设在引爆丝340中间位置，内壁涂覆介电膜；脉冲电源360，其为高功率脉冲电源，连接柱状电极320和子电极330。等离子体发生装置300通过脉冲电源360的电弧放电产生等离子体，脉冲电源360首先对连接毛细管350两端的引爆丝340放电，金属丝受热并迅速发生电爆炸，形成金属等离子体。电爆炸后，金属等离子体向毛细管350内壁辐射能量，使壁面材料消融，形成等离子体维持放电，等离子体由喷嘴开始向外喷射，从而实现点火。卸压装置400，其设置在燃烧室100另一端，第二密封装置内部，用于将密闭爆发器内高压气体引出；包括：放气螺栓，其设置第二密封装置的通孔内部；槽轮，其连接放气螺栓，用于调节放气螺栓与第二密封装置的相对位置，以实现密闭爆发器的压力调节。光学视窗500，其设置在燃烧室100顶部，用于观测燃烧室100内等离子体分布情况；如图3所示，光学窗500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500在燃烧室100安装处通过密封垫片510和金属钛垫片520压紧。密封垫片510采用自紧型金属O型圈，材质为金属钛，并在内侧表面设置有多个小圆孔，其空心环管内部与所述燃烧室100相连通，它的密封作用是基于预先压缩金属环管到一定深度的沟槽中，金属环管发生弹性变形，其反作用力对密封面产生较高的线接触载荷，从而建立初始密封。在工作时，气流进入环管内，环管内的系统压力增加，使密封面的接触压力增加，从而达到自紧效果。在自紧型金属O型圈的表面镀上一层软金属镍，以对环槽密封表面不平或微小缺陷提供某些补偿。一种等离子体密度控制方法，包括以下步骤：步骤一：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；步骤二：并通过所述谱线强度数据及所述等离子体温度计算得到等离子体密度；步骤三：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；步骤四：传感器检测燃烧室内温度T,其单位为K，及压力P，其单位为Mpa，通过改变燃烧室内火药装填量Mα，其单位为Kg，实现等离子体密度调节；Ne=0.16×1011·(0.536Mα2+0.53Mα+1.04)·e0.00017T·[ln(P)-1.84],300≤P≤3500.18×1011(12.3Mα-18.85Mα2-0.9)·e0.00017T·[ln(P)-0.25],350<P≤400]]>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Ei，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，Ei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4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，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，k为玻尔兹曼常数，C为常数，Amq为m态到q态的跃迁概率，单位为s-1，Em为m能级能量，单位为KJ，m为加入火药的质量，单位为kg，σmq为能级的碰撞截面，用于表示碰撞概率大小；νmq为谱线频率，其单位为Hz；C为常数，N为气体分子密度，其单位为m-3；Ne为等离子体电子密度，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，通过公式可求出等离子体密度，通过计算得出等离子体密度，当装药量分别为0.20kg、0.22kg、0.24kg、0.26kg、0.28kg、0.30kg时，对应的等离子体密度分别为大约为1.01×1011m-3、1.05×1011m-3、1.08×1011m-3、1.22×1011m-3、1.35×1011m-3、1.68×1011m-3。在另一实施例中，步骤一中采用光谱测量系统进行光谱测量，包括：辐射探头，其包括余弦矫正器和光纤，设置在光学视窗500位置，用于燃烧室内产生等离子体的光谱取样；光谱仪，其为光栅光谱仪，用于分光及对辐射探头采集到的光谱取样数据进行测量。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。