一种用于空心阴极内场光谱的测量装置及方法

本发明涉及光谱分析，尤其涉及一种用于空心阴极内场光谱的测量装置及方法。

背景技术：

1、空心阴极是一种广泛应用于等离子体物理和工程中的重要装置。空心阴极内部存在强烈的电场和等离子体，其物理过程涉及电磁学、流体力学、等离子体物理学等多个学科，具有重要的科学和应用价值。在空心阴极内部，等离子体参数的测量是一项关键技术，对于理解等离子体物理过程、改善等离子体应用具有重要意义。

2、空心阴极内场等离子体的物理过程十分复杂，其参数的测量一直是研究热点之一。在空心阴极中，强烈的电场使得阴极表面发生强烈的电子发射，电子在电场作用下被加速，形成强烈的空间电荷区，从而诱导等离子体的形成。等离子体内部包含大量自由电子和离子，其动力学过程涉及电子与离子的相互作用、能量传递、扩散等多个物理过程。在这个过程中，等离子体参数的测量对于理解等离子体物理过程、改善等离子体应用具有重要意义。

3、目前已有一些测量空心阴极内场等离子体参数的方法。其中，探针法是最为常用的一种方法，它利用金属探针在等离子体中的电流、电压等参数来反演等离子体的参数分布。然而，由于探针形状和尺寸的限制，这种方法对等离子体参数的测量精度有一定的局限性。此外，随着空心阴极尺寸的增大，探针法对于测量大尺寸阴极内部的等离子体参数存在一定的困难。因此，需要开发新的测量方法来解决这些问题。

4、总体而言，测量空心阴极内场等离子体参数的方法需要满足一定的精度和空间分辨率要求，以便更好地理解等离子体物理过程和优化等离子体应用。此外，由于空心阴极内场等离子体参数的分布具有复杂的空间结构和时间变化特性，因此需要结合不同的测量手段，综合反演等离子体参数的分布。

5、在实际应用中，空心阴极内场等离子体参数的测量对于等离子体物理学和工程学领域都具有重要的应用价值。例如，在高功率微波器件中，空心阴极的工作稳定性和性能直接影响微波器件的工作效果和寿命。测量空心阴极内场等离子体参数的分布，可以帮助改善微波器件的性能和稳定性。此外，空心阴极还广泛应用于等离子体喷涂、离子束束流、等离子体推进等领域，测量等离子体参数可以为这些应用领域的优化设计提供参考。

6、测量空心阴极内场等离子体参数的分布是等离子体物理和工程学领域中一个重要的研究方向，然而传统探针测量精度很低，误差较大，并且会干扰空心阴极内场羽流。随着科技的发展，光学诊断方法成为测量等离子体参数的重要手段之一。光学方法利用等离子体中的自发辐射或激发辐射来反演等离子体参数分布，其非侵入性和高精度等优点得到了广泛的认可。本发明通过设计一种多孔发射体的空心阴极，给出一种用于空心阴极内场光谱的测量装置及方法，从而实现羽流等离子体参数的高精度测量。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决目前空心阴极内场等离子体参数的分布实验方案空白的问题，提供一种用于空心阴极内场光谱的测量装置及方法，从而实现羽流等离子体参数的高精度测量。

2、一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种用于空心阴极内场光谱的测量装置，包括：

3、空心阴极：用于进行激光放电；

4、电源模块：用于对所述空心阴极进行供电；

5、光谱采集装置：用于采集所述空心阴极内部的光谱信息；

6、光谱测量装置：用于测量所述空心阴极的内场强度；

7、数据处理单元：用于对所述光谱信息进行处理，并获得所述空心阴极内部场的分布情况；

8、显示装置：用于显示所述光谱测量装置记录的光谱信息；

9、所述电源模块与所述空心阴极连接，所述光谱采集装置通过光纤与所述空心阴极发出的光谱信号源处连接，所述光谱采集装置通过光纤与所述光谱测量装置连接，所述数据处理单元与所述光谱测量装置连接，所述显示装置与所述数据处理单元连接。

10、优选地，所述空心阴极为开孔空心阴极，其中，所述开孔空心阴极的孔口直径小于空心阴极的触持极出口直径器的直径。

11、优选地，所述空心阴极包括供电装置，所述供电装置包括空心阴极加热器电源、触持器电源和阳极电源，其中，所述空心阴极加热器电源通过高压线缆与所述空心阴极的加热器连接，用于提供所述加热器所需的电能；所述触持器电源与所述空心阴极的触发器连接，用于提供所述触发器所需的电能；所述阳极电源与所述空心阴极的阳极连接，用于提供阳极所需的电能。

12、优选地，所述电源模块为高压电源，所述高压电源通过高压线缆与所述空心阴极的正极连接，所述空心阴极的负极通过导线接地。

13、优选地，所述光谱采集装置包括：

14、光纤：用于传输光信号；

15、钽管：用于产生光谱信号；

16、不锈钢管：用于保护所述光纤与所述钽管；

17、法兰：用于对所述光谱信号进行分析；

18、其中，所述钽管围绕于所述光纤外部，所述钽管置于所述不锈钢管内部，所述光纤直接与所述法兰连接，所述法兰与所述光谱测量装置连接。

19、优选地，所述光谱采集装置还包括气体进口、气体出口，所述气体进口一端与气体泵连接，所述气体进口的另一端与所述气体出口连接，所述气体进口与所述气体出口的连接端形成膜结构，所述光谱采集装置末端开口处的宽度小于所述膜结构的宽度。

20、优选地，所述空心阴极的光谱信号源和所述光谱测量装置依次与所述光谱采集装置相连，通过所述光谱采集装置进入所述空心阴极内部，采集所述空心阴极内部的光谱信号。

21、另一方面，本发明还提供了用于空心阴极内场光谱的测量装置的方法，包括：

22、将空心阴极发射体区打孔，用于测量不同内场位置的等离子体参数；

23、通过电源模块对装置进行供电，基于光谱采集装置采集所述空心阴极发射体区的光谱信息，基于光谱测量装置对光谱信息进行测量，并通过数据处理单元进行处理，将处理得到的场分布结果通过显示装置进行显示，并进行分析和评估。

24、优选地，所述数据处理单元进行处理的过程包括：

25、将接收到的光谱信息进行滤波、拟合处理，并将所述空心阴极内部等离子体的密度分布信息与所述光谱信息进行对比，获取空心阴极内部场的分布情况。

26、优选地，所述进行分析和评估，包括：

27、通过测量发射线的相对强度比值，计算等离子体中的电子温度和电子密度，获取评估结果，分析所述评估结果，判断空心阴极的性能和寿命等相关参数；

28、计算所述等离子体中的电子温度和电子密度的方法为：

29、

30、其中，其中，i，λ，g，e分别是发射线的强度，波长，能级的统计权重和能级的能量，下标578.2、834.7、823.2分别是相应发射线，下标5p和5s分别是5p和5s能级，n是粒子数密度，ne是电子密度，k是玻尔兹曼常数，te是电子温度。

31、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

32、(1)非侵入性测量：传统的空心阴极内场测量方法常常需要在实验过程中对空心阴极进行破坏性的操作，例如插入探针或者切割空心阴极进行电学测量。而利用光谱测量技术，可以通过分析等离子体的发射光谱，从而获得空心阴极内场的电子密度、电子温度等参数，无需对空心阴极进行物理破坏，实现非侵入性测量，避免了实验过程中对样品的破坏和污染；

33、(2)快速准确测量：传统的空心阴极内场测量方法需要花费大量的时间和人力物力，而利用光谱测量技术，可以快速地获得等离子体的发射光谱，并通过相应的算法和模型进行数据分析和处理，从而准确地测量出空心阴极内场的参数。此外，光谱测量技术可以同时测量多种参数，提高了测量效率和准确性；

34、(3)可扩展性和可重复性：传统的空心阴极内场测量方法往往受制于样品的数量和形状，难以扩展和重复实验结果。而利用光谱测量技术，可以对大量不同形状和数量的样品进行测量，并可以通过标准化的操作流程和数据处理方法，实现测量结果的可重复性和可比性，从而提高实验的可扩展性和结果的可靠性。