專利名稱：一種光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于放電等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)時(shí)、原位、無(wú)擾動(dòng)診 斷等離子體電子密度的方法，尤其是一種光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體 電子密度的方法。
背景技術(shù)：
放電等離子體的產(chǎn)生與維持是目前高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)研究的重要基 礎(chǔ)，已經(jīng)在尖端電子器件制造、能源、環(huán)境保護(hù)、等離子體冶金、國(guó)防等多個(gè) 領(lǐng)域得到深入研究和廣泛應(yīng)用，成為具有全球性影響的科學(xué)與工程。放電等離 子體研究與工程應(yīng)用的進(jìn)步取決于對(duì)等離子體物理過(guò)程和工藝的控制，而控制 的前提是必須有可靠的檢測(cè)技術(shù)作保證，尤其是實(shí)時(shí)、原位、無(wú)擾動(dòng)的檢測(cè)技 術(shù)。因此，對(duì)放電等離子體特征參量的準(zhǔn)確測(cè)量成為放電等離子體實(shí)驗(yàn)研究和 工程應(yīng)用中需要首先解決的問題之一 。
電子溫度和電子密度是表征放電等離子體性質(zhì)和狀態(tài)的兩個(gè)重要參量，目
前常用朗繆爾探針、光學(xué)發(fā)射光譜(OES)、激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、吸收光譜、 質(zhì)譜、微波透射等方法進(jìn)行診斷或測(cè)量。但由于放電等離子體種類復(fù)雜，放電 裝置形態(tài)各異，電子溫度和電子密度分布范圍寬泛，很多等離子體偏離局域熱 平衡狀態(tài)，因此到目前為止還沒有一種方法適用于所有放電等離子體的診斷， 只能依據(jù)具體情況采用不同的診斷方法。其中，激光誘導(dǎo)熒光、吸收光譜、質(zhì) 譜、微波透射法等盡管能對(duì)活性粒子成分、分布和數(shù)密度等進(jìn)行精確分析，但 無(wú)法準(zhǔn)確解讀等離子體的電子密度和電子溫度，而且激光、微波等外施能量也難以真正做到對(duì)等離子體的"無(wú)擾動(dòng)"，加之測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜昂貴，這些方法并不 適用于在放電等離子體生產(chǎn)工藝中應(yīng)用。傳統(tǒng)方法中，朗繆爾探針對(duì)電子溫度 和電子密度的診斷結(jié)果得到普遍認(rèn)可，但朗繆爾探針診斷法存在著適用范圍過(guò) 窄，對(duì)等離子體易產(chǎn)生擾動(dòng)和污染，易受射頻電場(chǎng)干擾等問題，也限制了其在 放電等離子體工藝中的應(yīng)用。光學(xué)發(fā)射光譜法中，斯塔克展寬準(zhǔn)確地解決了電 弧放電等高密度等離子體的診斷問題，但對(duì)密度稍低的非平衡態(tài)等離子體，其 線形、線寬變化不明顯，應(yīng)用范圍受到限制。相比之下，光學(xué)發(fā)射光譜法中的 斜率法盡管對(duì)被診斷的等離子體也存在局域熱平衡要求，但測(cè)量時(shí)考察的是易 被測(cè)量的輻射波長(zhǎng)和相對(duì)輻射強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ拚罂梢栽诤軐挿?圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電等離子體進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位，無(wú)擾動(dòng)地測(cè)量。
南京理工大學(xué)研制了一種非接觸式等離子體溫度和電子密度測(cè)量裝置(中
國(guó)實(shí)用新型專利，ZL200720044567.4)，將光纖發(fā)射光譜測(cè)量引入到了等離子體 參量測(cè)量裝置中，很好地解決了高溫高壓燃燒、爆炸爆轟等瞬態(tài)等離子體的實(shí) 時(shí)測(cè)量問題。這種測(cè)量裝置的原理是基于原子光學(xué)發(fā)射光譜理論建立的，依靠 boltzmann和saha方程計(jì)算等離子體溫度和電子密度。因此，只有在滿足局域熱 平衡的條件下，才能獲得準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果。對(duì)于遠(yuǎn)離熱平衡態(tài)的非平衡等離子體， 由于沒有進(jìn)行方法修正，非平衡等離子體電子密度的測(cè)量結(jié)果偏差很大。
根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，通過(guò)某一截面的放電電流與電子密度成正比，即 / = e"AS/4，其中/為放電電流、e為電子電荷、"e為電子密度、g為電子的平 均速度、S為放電電流通過(guò)截面。電子平均速度&可首先利用光纖光譜法測(cè)量等
離子體的電子溫度，然后再通過(guò)公式<formula>formula see original document page 5</formula>算獲得。對(duì)于放電電流的
測(cè)量，可由很多通用儀器進(jìn)行，不需要了解等離子體是處于平衡態(tài)還是非平衡 態(tài)。因此，在光纖發(fā)射光譜測(cè)量等離子體參量的基礎(chǔ)上，將實(shí)測(cè)的放電電流引入到等離子體電子密度測(cè)量裝置中，即可以擴(kuò)展電子密度的測(cè)量范圍，又可以
減少非平衡態(tài)等離子體電子密度的測(cè)量偏差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有光學(xué)發(fā)射光譜法診斷等離子體電子 密度的缺陷和不足，提供一種光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度的 方法。本發(fā)明是在光學(xué)發(fā)射光譜診斷等離子體電子溫度方法的基礎(chǔ)上，將實(shí)時(shí) 的放電電流參量引入到電子密度測(cè)量中，減小了利用熱平衡條件估算非平衡等 離子體電子密度帶來(lái)的偏差，擴(kuò)大了診斷放電等離子體電子密度的適用范圍。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度的方法是通過(guò)光纖光譜協(xié)同 放電電流測(cè)量等離子體電子密度裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置由光纖探頭、傳導(dǎo)光纖、 微型光纖光譜儀，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電流傳感器、電流信號(hào)放大器和數(shù)據(jù) 采集器等組成。同時(shí)使用微型光纖光譜測(cè)量通路和放電電流測(cè)量電路獲得放電 等離子體的光輻射譜和放電電流實(shí)時(shí)參量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將這些 參量進(jìn)行綜合運(yùn)算后計(jì)算出放電等離子體的電子密度。
在微型光纖光譜測(cè)量通路中，光纖探頭連接在傳導(dǎo)光纖的一端，并被置于 被測(cè)等離子體附近，傳導(dǎo)光纖的另一端則與微型光纖光譜儀相連接，通過(guò)傳導(dǎo) 光纖將光纖探頭收集到的光信號(hào)傳遞給微型光纖光譜儀解讀出放電等離子體的 光輻射譜，光輻射譜的波長(zhǎng)、相對(duì)輻射強(qiáng)度等數(shù)據(jù)參量再通過(guò)與微型光纖光譜 儀和計(jì)算機(jī)相連接的數(shù)據(jù)傳輸線輸入到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
在放電電流測(cè)量電路中，電流傳感器被安裝在放電裝置的低壓電極端，并 與電流信號(hào)放大器相連接，電流傳感器檢測(cè)到的電流信號(hào)經(jīng)電流信號(hào)放大器放 大后輸入到數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線傳遞給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供計(jì)算數(shù)據(jù)。
計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)電子密度的計(jì)算是在氣體分子運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)上建立 的，依據(jù)該理論可知放電等離子體的電子密度^與放電電流/、放電等離子體 電流通過(guò)截面^、電子溫度Te的關(guān)系為
式中，電流/的單位為A，電流通過(guò)截面S的單位為m2，電子溫度Te的單位為 eV，電子密度we的單位為m_3。只要測(cè)得通過(guò)截面S的電流/和電子溫度re就
可求得電子密度We。
對(duì)放電電流I的測(cè)量要充分考慮放電裝置的結(jié)構(gòu)，放電裝置結(jié)構(gòu)不同電流取 樣方法也不同。實(shí)際測(cè)量時(shí)需要知道電流取樣裝置電流通過(guò)截面的大小，電流 取樣裝置可以安裝在放電系統(tǒng)內(nèi)，也可以獨(dú)立并行于放電系統(tǒng)外，但必須保證 電流取樣裝置與放電系統(tǒng)具有相同的放電結(jié)構(gòu)參量和放電條件。如果能夠獲得 整個(gè)放電系統(tǒng)的放電電流通過(guò)截面大小，測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的放電電流來(lái)計(jì)算等離 子體電子密度也是一種簡(jiǎn)便易行的方法。
對(duì)電子溫度re的測(cè)量采用光學(xué)光譜法中常用的多譜線斜率法。根據(jù)玻耳茲
曼分布定律，當(dāng)電子從能級(jí)W—"躍遷時(shí)，產(chǎn)生的輻射有如下關(guān)系
式中，iVn為原子數(shù)密度；g"為W能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重，gM為W能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重；Jm為能 級(jí)m—"以光子形式自發(fā)躍遷的幾率，單位為S-、 /2為普朗克常量；入m為發(fā)射
譜線波長(zhǎng)，單位為nm; ￡M、五"為m、 w能級(jí)的激發(fā)能，單位為eV; A為玻耳茲 曼常量；7;為電子溫度，單位為eV， C為常數(shù)。該式反映了 ln(/m A Jg^m)和五m成線性關(guān)系。由于/m和入m可以通過(guò)光纖光譜測(cè)得，gm、 Jm、 ￡m、五 可以從
有關(guān)文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)庫(kù)中査出，再利用最小二乘法擬合成直線，其斜率為-i/7;，由 此可計(jì)算出具有平均意義的電子溫度re。
本發(fā)明中對(duì)光學(xué)輻射譜的測(cè)量采用微型光纖光譜儀，其核心是具有不少于
2048像素的線型CCD探測(cè)器和微光路系統(tǒng)，能夠?qū)⒐饫w傳來(lái)的光信號(hào)通過(guò)微光 柵分光后照射到CCD探測(cè)器上解讀光譜信息。微型光纖光譜儀也可以用普通的
光纖光譜儀代替，但會(huì)使等離子體電子密度測(cè)量裝置失去靈活性和方便性，并 可能增加成本。
本發(fā)明的效果和益處是由于充分利用了光學(xué)發(fā)射光譜診斷等離子體電子溫 度簡(jiǎn)便易行的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使用微型光纖光譜儀又使測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，增加 了測(cè)量系統(tǒng)的靈活性。將與電子密度密切相關(guān)的實(shí)時(shí)放電電流引入到測(cè)量系統(tǒng) 中，減小了基于熱平衡條件估算非平衡等離子體電子密度帶來(lái)的偏差，擴(kuò)大了 診斷放電等離子體電子密度的適用范圍，使許多原本難以用常規(guī)方法診斷的偏 離熱平衡態(tài)的非平衡等離子體，特別是高氣壓非平衡等離子體的電子密度測(cè)量 成為現(xiàn)實(shí)。該方法操作簡(jiǎn)便，成本低，對(duì)放電等離子體系統(tǒng)無(wú)影響，是一種實(shí) 時(shí)、原位、無(wú)擾動(dòng)的簡(jiǎn)便診斷方法，特別適合于在實(shí)際的生產(chǎn)工藝中應(yīng)用。
附圖1是光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度流程示意圖。
圖中1光纖探頭；2傳導(dǎo)光纖；3微型光纖光譜儀；4計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)；5電流傳感器；6電流信號(hào)放大器；7數(shù)據(jù)采集器；8放電等離子體產(chǎn) 生系統(tǒng)；9微型光纖光譜測(cè)量通路；10放電電流測(cè)量電路；11光信號(hào)輸入； 12微光路分光；13 CCD光譜解讀；14放電電流信號(hào)輸入；15放電電流信號(hào)放大；16模數(shù)轉(zhuǎn)換；17讀取光輻射譜波長(zhǎng)、相對(duì)輻射強(qiáng)度參量；18光譜診斷 參量設(shè)定；19計(jì)算電子溫度7;; 20讀取放電電流；21讀取放電電流通過(guò)截面 數(shù)值；22計(jì)算放電電流密度；23計(jì)算放電等離子體電子密度^; 24電子密度
"e與電子溫度？;計(jì)算結(jié)果顯示。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，以氖氣輝光放電等離子體電子密度測(cè)量為例， 詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
本發(fā)明所述的光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度裝置的結(jié)構(gòu)如 附圖所示，包括光纖探頭l;傳導(dǎo)光纖2;微型光纖光譜儀3;計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)4;電流傳感器5;電流信號(hào)放大器6;數(shù)據(jù)采集器7。當(dāng)放電等離子體產(chǎn) 生系統(tǒng)8被激發(fā)時(shí)，待測(cè)等離子體發(fā)射的光信號(hào)被光纖探頭1收集后通過(guò)傳導(dǎo)
光纖2進(jìn)入微型光纖光譜儀3。在微型光纖光譜儀3內(nèi)，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成用波長(zhǎng) 和相對(duì)輻射強(qiáng)度表征的電信號(hào)并傳輸給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4。在氖氣輝光放電 情況下，預(yù)先選定具有公共下能級(jí)的603扁nm、 607.434 nm、 638.299nm、 650.653nm、 724.517nm五條譜線，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4將自動(dòng)讀取這五條譜 線的相對(duì)輻射強(qiáng)度，依據(jù)光學(xué)光譜診斷法中的多譜線斜率法，將相對(duì)輻射強(qiáng)度
/m、輻射波長(zhǎng)入m、 W能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重gm、 m能級(jí)自發(fā)躍遷幾率v4m、附、"能級(jí)的 激發(fā)能五:n、五n帶入關(guān)系式ln(/^A/^4Ja-(^-A)/7;+C，再根據(jù)最小二乘
法計(jì)算出氖氣輝光放電的電子溫度re。
在光譜測(cè)量的同時(shí)，電流傳感器5將測(cè)得的電流信號(hào)傳輸給電流信號(hào)放大
器6，經(jīng)電流信號(hào)放大器6整定后再傳輸給信號(hào)采集器7，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)后傳遞給計(jì) 算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4通過(guò)讀取放電電流/、放電電流通 過(guò)截面S和電子溫度re，依據(jù)公式"e = 3.73 x 1013 x (/ / SV^)即可計(jì)算出放電等離子體的電子密度"e。
本發(fā)明將光纖光譜同放電電流密度測(cè)量相結(jié)合，利用光纖光譜診斷等離子 體電子溫度簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，將與電子密度密切相關(guān)的實(shí)時(shí)放電電流引入到測(cè) 量裝置中，排出了利用熱平衡條件估算電子密度帶來(lái)的誤差，擴(kuò)大了診斷放電 等離子體電子密度的適用范圍，使許多難以用常規(guī)方法診斷的偏離熱平衡態(tài)的 非平衡等離子體，特別是高氣壓非平衡等離子體對(duì)電子密度的測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)。
權(quán)利要求
1.一種光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度的方法，該方法通過(guò)光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于使用微型光纖光譜測(cè)量通路和放電電流測(cè)量電路獲得放電等離子體的光輻射譜和放電電流實(shí)時(shí)參量，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線分別與微型光纖光譜儀和數(shù)據(jù)采集器相連，用于讀取光輻射信號(hào)和放電電流信號(hào)，并依據(jù)玻耳茲曼分布定律和氣體分子運(yùn)動(dòng)理論經(jīng)綜合分析后計(jì)算出放電等離子體的電子密度；其中微型光纖光譜測(cè)量通路組成如下包括光纖探頭(1)，傳導(dǎo)光纖(2)，微型光纖光譜儀(3)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(4)，其中光纖探頭連接在傳導(dǎo)光纖的一端，并被置于被測(cè)等離子體附近，傳導(dǎo)光纖的另一端則與微型光纖光譜儀相連接，通過(guò)傳導(dǎo)光纖將光纖探頭收集到的光信號(hào)傳遞給微型光纖光譜儀解讀放電等離子體的光輻射譜，光輻射譜的波長(zhǎng)、相對(duì)輻射強(qiáng)度等數(shù)據(jù)參量再通過(guò)與微型光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)相連接的數(shù)據(jù)傳輸線輸入到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；其中放電電流測(cè)量電路組成如下包括電流傳感器(5)、電流信號(hào)放大器(6)和數(shù)據(jù)采集器(7)，安裝在放電裝置低壓電極端的電流傳感器與電流信號(hào)放大器相連接，電流傳感器檢測(cè)到的電流信號(hào)經(jīng)電流信號(hào)放大器放大后輸入到數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線傳遞給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；具體步驟為同時(shí)使用微型光纖光譜測(cè)量通路和放電電流測(cè)量電路獲得放電等離子體的光輻射譜和放電電流實(shí)時(shí)參量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)依據(jù)在氣體分子運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)上建立的以下公式將這些參量進(jìn)行綜合運(yùn)算后計(jì)算出放電等離子體的電子密度<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>4</mn><mi>I</mi> </mrow> <mi>eS</mi></mfrac><msqrt> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>m</mi><mi>e</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>8</mn> <mi>k</mi> <msub><mi>T</mi><mi>e</mi> </msub></mrow> </mfrac></msqrt><mo>=</mo><mn>3.73</mn><mo>×</mo><msup> <mn>10</mn> <mn>13</mn></msup><mfrac> <mi>I</mi> <mrow><mi>S</mi><msqrt> <msub><mi>T</mi><mi>e</mi> </msub></msqrt> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math></maths>式中，ne為放電等離子體電子密度，單位為m-3，I為放電電流，單位為A，S為放電等離子體電流通過(guò)截面，單位為m2，Te為電子溫度，單位為eV，電子溫度Te的計(jì)算采用光學(xué)光譜多譜線斜率法，測(cè)量光信號(hào)的微型光纖光譜儀(3)具有不少于2048像素的線型CCD探測(cè)器和微光路系統(tǒng)。
全文摘要
一種光纖光譜協(xié)同放電電流測(cè)量等離子體電子密度的方法，屬于放電等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)特征是同時(shí)使用微型光纖光譜測(cè)量通路和放電電流測(cè)量電路獲得放電等離子體的光輻射譜和放電電流實(shí)時(shí)參量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將這些參量進(jìn)行綜合分析后計(jì)算出等離子體的電子密度。微型光纖光譜測(cè)量通路由光纖探頭、傳導(dǎo)光纖、微型光纖光譜儀依次連接組成，放電電流測(cè)量電路由電流傳感器、電流信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集器依次連接組成，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將由此獲得的數(shù)據(jù)依據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算出放電等離子體的電子密度。本發(fā)明的效果和益處是將光學(xué)發(fā)射光譜法診斷放電等離子體電子密度的適用范圍由局域熱平衡態(tài)擴(kuò)展到了非平衡態(tài)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101566501SQ20091001158
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者哲 俞, 張芝濤, 張鈺博, 燕 殷, 趙建森 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)