一种热电离等离子体生成测试装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种热电离等离子体生成测试装置，包括：密闭爆发室，其包括燃烧室、光学窗及点火装置；光纤探头，其接收端口对准光学窗；光谱仪，其连接光纤探头，进行数据收集；传感器，其安装于燃烧室内部，传感器能够用于测量燃烧室内的温度及压力；泄压阀，其安装在燃烧室一端；数据处理系统，其分别连接传感器、泄压阀及光谱仪，进行数据处理，对等离子体密度进行调节。本实用新型具有测试体统结构简单，使用方便及测量范围广等特点，并且由于采用非接触式测量，不会对等离子体产生干扰，对于高温高压环境同样能够测试。
【专利说明】
一种热电离等离子体生成测试装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及等离子体诊断研究技术，具体涉及一种热电离等离子体生成测试 装置。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型设计开发了一种热电离等离子体生成测试装置。本实用新型的目的是 针对火药爆炸后在高温高压的密闭环境中，对生成的热电离等离子体密度能够进行测试的 装置，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。本实用新型具有测试体统结构简单，使用方便及测量范围广等特点，并且由于采用非接 触式测量，不会对等离子体产生干扰，对于高温高压环境同样能够测试。
[0007] 本实用新型提供的技术方案为：
[0008] -种热电离等离子体生成测试装置，包括：
[0009] 密闭爆发室，其包括燃烧室、光学窗及点火装置；
[0010] 其中，所述光学窗分别对称设置在所述燃烧室两侧，点火装置设置在所述燃烧室 一端，在所述燃烧室内通过所述点火装置将火药点燃后产生等离子体；
[0011]光纤探头，其接收端口对准所述光学窗；
[0012]泄压阀，其安装在燃烧室一端；
[0013]光谱仪，其连接所述光纤探头，进行数据收集；
[0014] 传感器，其安装于所述燃烧室内部，所述传感器能够用于测量所述燃烧室内的温 度及压力；
[0015] 数据处理系统，其分别连接所述光谱仪及所述传感器。
[0016] 优选的是，所述光学窗材质为蓝宝石晶体。
[0017] 优选的是，所述光学窗在所述燃烧室安装处通过密封垫片压紧。
[0018] 优选的是，在所述燃烧室两端设置密封堵头。
[0019] 优选的是，所述点火装置安装在所述燃烧室一端的密封堵头内，所述泄压阀安装 在所述燃烧室另一端的密封堵头的出气口处。
[0020] 优选的是，所述光学窗设置3组，分别对称设置在所述燃烧室两侧。
[0021 ]本实用新型与现有技术相比较所具有的有益效果：
[0022] 1、本实用新型对密闭爆炸室开设多个透视窗口，通过多个透视窗口能够对热电离 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；
[0023] 2、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，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。
【附图说明】
[0024] 图1为本实用新型所述的热电离等离子体生成装置的结构示意图。
[0025] 图2为本实用新型所述的密闭爆发室的结构示意图。
[0026] 图3为氢气原子光谱图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本实用新型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。
[0028] 如图1、图2所示，本实用新型提供一种热电离等离子体生成测试装置，其主体结构 包括：密闭爆发室100、光纤探头200、数据处理系统300、光谱仪400、传感器131及泄压阀 140;其中，密闭爆发室100包括燃烧室130、光学窗120及点火装置150,光学窗120设置3组， 并且分别对称设置在燃烧室130两侧，点火装置150设置在燃烧室130-端，在燃烧室130内 通过点火装置150将火药点燃后在燃烧室130内产生热电离等离子体;光纤探头200的接收 端口分别 对准光学窗120，泄压阀140能够在燃烧室130内压力过大时开启，进而保证试 验安全，光谱仪400连接光纤探头200，进行数据收集，传感器131安装在燃烧室130内部，传 感器131能够用于实时监测燃烧室130内的温度及压力，数据处理系统300分别连接传感器 131及光谱仪400，进行数据处理，得出燃烧室内的热电离等离子体密度。
[0029] 在另一种实施例中，光学窗120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120在燃烧室130安装处通过密封垫片压紧，
[0030] 在另一种实施例中，在燃烧室130两端分别设置密封堵头，点火装置150安装在燃 烧室130-端的密封堵头内，泄压阀140安装燃烧室130另一端的密封堵头的出气口处，通过 泄压阀140能够在燃烧室内压力过大时开启，从而保证了试验安全
[0031] 通过使用本实用新型的热电离等离子体生成测试装置进行热电离等离子体密度 测试操作，如图1、图2所示，本实用新型的一种工作方式包括如下步骤：
[0032 ]在燃烧室130中点燃火药，在燃烧室130产生等离子体；
[0033] 通过光纤探头200及光谱仪400测量得到热电离等离子体的光谱强度，通过数据处 理系统300对得到热电离等离子体光谱的谱线强度进行数据分析，通过得到的谱线强度数 据计算得到热电离等离子体温度；
[0034]通过得到的谱线强度数据及得到的热电离等离子体温度计算得到热电离等离子 体密度。
[0035]在另一种实施例中，火药为硝化棉，装药量为0.20kg~0.30kg，测试的热电离等离 子体采用氢气等离子体。
[0036] 在另一种实施例中，在测试过程中，通过传感器131监测到在燃烧室130达到压强 为330MPa~380MPa，温度为3200K~3500K时进行对数据进行采集，进行高温高压条件下对 氢气等离子体密度进行测试。
[0037] 在另一种实施例中，氢气等离子体温度通过公式
#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In 4与上能级能量El，作线性方程曲线，求得其斜率
从而求得等 离子体的温度为：r = - +，其中，1为光谱线的波长，单位为nm，1为光谱线的相对谱线强 kS 度，其为比值，g为谱线的上能级统计权重，A为跃迀几率，单位为为上能级能量，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3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。
[0038]表1氢原子光谱线参数
[0039]
[0040]表2氢原子谱线强度数据/W
[0041]
[0042]
[0043] 等离子体密度通过公式
辱出； 其中，I为光谱线的相对谱线强度，其为比值，k为玻尔兹曼常数，C为常数，Amq为m态到q态的 跃迀概率，单位为iT1，Em为m能级能量，单位为KJ，m为加入火药的质量，单位为kg，〇mq为能级 的碰撞截面，用于表示碰撞概率大小，v mq为谱线频率，其单位为Hz，N为气体分子密度，其单 位为nf3，Ne为等离子体密度，其单位为nf 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，通过计算得等离子体密 度大约为Ι.ΟδΦ?Ο 1%-3。
[0044] 尽管本实用新型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实用新型的领域，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，本实 用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
1. 一种热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，包括： 密闭爆发室，其包括燃烧室、光学窗及点火装置； 其中，所述光学窗分别对称设置在所述燃烧室两侧，点火装置设置在所述燃烧室一端， 在所述燃烧室内通过所述点火装置将火药点燃后产生等离子体； 光纤探头，其接收端口对准所述光学窗； 泄压阀，其安装在燃烧室一端； 光谱仪，其连接所述光纤探头，进行数据收集； 传感器，其安装于所述燃烧室内部，所述传感器能够用于测量所述燃烧室内的温度及 压力； 数据处理系统，其分别连接所述光谱仪及所述传感器。2. 如权利要求1所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，所述光学窗材质为 蓝宝石晶体。3. 如权利要求1或2所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，所述光学窗在 所述燃烧室安装处通过密封垫片压紧。4. 如权利要求3所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，在所述燃烧室两端 设置密封堵头。5. 如权利要求3所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，所述点火装置安装 在所述燃烧室一端的密封堵头内，所述泄压阀安装在所述燃烧室另一端的密封堵头的出气 口处。6. 如权利要求1所述的热电离等离子体生成测试装置，其特征在于，所述光学窗设置3 组，分别对称设置在所述燃烧室两侧。
【文档编号】H05H1/00GK205622964SQ201620320173
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】毛保全, 宋鹏, 李程, 钟孟春, 杨雨迎, 李华, 徐振辉, 白向华, 王艳峰
【申请人】中国人民解放军装甲兵工程学院