瞬態(tài)等離子體溫度光譜法診斷技術(shù)研究及應(yīng)用.pdf

1、目前等離子體溫度診斷主要存在兩個(gè)難點(diǎn):一方面是國(guó)防軍事領(lǐng)域中，瞬態(tài)高速動(dòng)力發(fā)射系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)膛內(nèi)產(chǎn)生的超高溫等離子體的溫度診斷;另外一個(gè)是以高溫磁約束受控核聚變過(guò)程為代表的空間二維/三維分布的等離子體溫度診斷。本文基于空間光譜技術(shù)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)等離子體輻射的光譜光強(qiáng)的瞬態(tài)過(guò)程探測(cè)，以及解包含有等離子體光譜信息的干涉圖，分別可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)過(guò)程和空間二維等離子體溫度診斷。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　首先為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)射系統(tǒng)等離

2、子體溫度實(shí)時(shí)診斷，研究了黑體普朗克輻射定律的基本性質(zhì)。針對(duì)該定律中光譜發(fā)射效率這一未知參數(shù)難以直接計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到的難題，提出了先利用假設(shè)模型與假設(shè)方程方法替換光譜發(fā)射效率，再通過(guò)以各波長(zhǎng)通道曲線擬合方法重構(gòu)等離子體的輻射溫度和各波長(zhǎng)通道的光譜發(fā)射效率。根據(jù)光譜發(fā)射效率假設(shè)模型類型的不同，提出了基于最小二乘法理論的改進(jìn)型的自動(dòng)尋階法和逐步回歸法的擬合算法。仿真結(jié)果表明，綜合利用以上曲線擬合方法得到的輻射溫度的誤差限定在1.5％以內(nèi)，光譜發(fā)

3、射效率擬合結(jié)果誤差不超過(guò)0.1。
　　根據(jù)以上方案研制了一臺(tái)實(shí)體多光譜瞬態(tài)測(cè)溫儀樣機(jī)。樣機(jī)核心采用超高分辨率的反射式光柵和超快響應(yīng)的雪崩二極管探測(cè)陣列，并利用氖燈和汞燈對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了光譜波長(zhǎng)標(biāo)定，隨后采用溴鎢燈對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)光譜分辨率可達(dá)到0.4nm，中心波長(zhǎng)位置誤差可以控制在0.55nm以內(nèi)。對(duì)所研制的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該裝置成功捕獲了發(fā)射裝置工作時(shí)不足10ms的火焰光譜強(qiáng)度走勢(shì)曲線，時(shí)間

4、分辨率最大可以達(dá)到100μs，火焰溫度計(jì)算結(jié)果誤差不超過(guò)2％。
　　為了進(jìn)一步得到磁約束裝置內(nèi)空間二維瞬態(tài)等離子體的溫度和速度分布，本文研究了等離子體在溫度場(chǎng)和磁場(chǎng)綜合影響下的光譜展寬機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上建立干涉圖相干度和重構(gòu)光譜線形之間的傅里葉變換對(duì)關(guān)系、干涉條紋相位移動(dòng)與多普勒漂移速度、干涉條紋對(duì)比度下降與離子溫度導(dǎo)致光譜增寬的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。另外設(shè)計(jì)了基于激光光源絕對(duì)標(biāo)定法、四步移相和三步移相的恢復(fù)條紋對(duì)比度和相位的算法，適合隨

5、時(shí)間緩慢或者快速變化的空間二維等離子體診斷情況。
　　根據(jù)以上分析和干涉光譜理論，設(shè)計(jì)了一臺(tái)偏振干涉成像光譜儀樣機(jī)，并重點(diǎn)討論了視場(chǎng)增強(qiáng)型Savart剪切分束器設(shè)計(jì)和裝調(diào)。利用ArⅡ488.0nm激光對(duì)樣機(jī)進(jìn)行光譜重構(gòu)標(biāo)定。結(jié)果表明，樣機(jī)在有效波段內(nèi)的最大光譜分辨率可達(dá)86.8cm-1，視場(chǎng)角可達(dá)5.54°，波長(zhǎng)位置誤差不超過(guò)0.1nm。利用該樣機(jī)對(duì)螺旋波等離子體發(fā)生裝置MAGPIE(Magnetized Plasma Inter