一種等離子體電子密度和能量的實時診斷方法及系統與流程

2023-10-09 19:17:34 2

本發明屬於高功率微波等離子體診斷技術領域，特別涉及一種單次納秒級微波脈衝內實時多分幅診斷等離子體電子密度和能量隨時間演化的系統及方法。

背景技術：

在高功率微波產生裝置中，介質窗保證微波產生所需的真空環境、輻射微波，是必不可缺的重要部件。隨著高功率微波器件的峰值功率和脈衝寬度的提高，特別是大功率、小型化微波裝置的研製，介質窗微波表面擊穿已經成為限制高功率微波傳輸與發射系統功率提高的主要瓶頸。擊穿主要發生在介質窗的真空側，它由二次電子倍增觸發，是在介質表面釋放氣體層中的等離子體電離雪崩放電。

高功率微波介質窗擊穿實驗發現等離子體譜線在每個微波脈衝都有變化，主要原因是介質表面吸收氣體和成分、表面氣壓在納秒放電過程中會不斷變化，以及觸發時延和輸出功率的抖動。因此，需要在單次微波脈衝中，診斷等離子體譜線。

由於hpm產生微波時間抖動範圍大，通過單幅高速相機在多次微波脈衝累積的方法會出現發光時間的重疊、不能獲得等離子體的時間信息。

現有的emiccd相機具有高增益、納秒快門的優點，但由於系統延遲時間長、在單次微波脈衝內僅能實現單幅成像。多分幅高速相機可以在單次微波脈衝中診斷多幅等離子體譜線，國際上現有最快的多分幅高速相機，相鄰分幅之間最短的時延為5ns，而10ghz微波的周期是0.1ns，5ns已經是50個周期，如果需要拍攝更短時間間隔的時間演化，則無任何設備能夠實現。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠在單次納秒級微波脈衝內實施多分幅診斷等離子體電子密度和能量的方法及系統，可以實現1ns量級時間間隔的時間演化診斷。

本發明的技術解決方案是提供一種等離子體電子密度和能量的實時診斷方法，包括以下步驟：

1)等離子體發出的光同時進入多個不同長度的子光纖束後輸出不同時延光，所述多個不同長度的子光纖束分別由多個相同長度的光纖構成；相鄰子光纖束之間的光纖長度差相等，且其長度差等於快門曝光時間；

所述多個不同長度的子光纖束的輸出端縱向排列且相鄰子光纖束之間的間距至少為光纖直徑的2倍；

2)不同時延光進入光譜儀後光譜被展開；再進入高速相機分區成像，高速相機不同分區的像為不同時刻的微波等離子體光譜；

3)對某一時刻的等離子體光譜進行斯塔克展寬、熱都卜勒展寬分析得到等離子體發光譜線，按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得斯塔克展寬的半高寬以得到等離子體密度再按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得熱都卜勒展寬以得到發射體的溫度，通過不同長度的多光纖束得到不同時刻的等離子體的密度和能量參數，獲得其隨納秒演化過程。

本發明還提供了一種等離子體電子密度和能量的實時診斷系統，其特別之處在於：包括等離子體發射體、光纖束、光譜儀和相機，上述等離子體發射體的輸出端與光纖束的輸入端連接，上述光纖束的輸入端為單個半球形，用於探測同一空間位置的發光；上述光纖束的輸出端為單一縱向排列，所述光纖束的輸出端與光譜儀輸入口連接；上述光譜儀的輸出口與相機連接；

上述光纖束包括多個長度不同的子光纖束；上述子光纖束包括多個相同長度的光纖；

為了避免每個子光束的光到達光譜儀後在時間上發生重疊，輸出端相鄰子光纖束之間的長度差相等為δdm，對應的延時時間為5δdns/m，上述長度差與上述光譜儀的曝光時間相同；

為了避免相鄰子光束中的光在空間耦合，輸出端相鄰子光束之間的間距至少為2倍光纖的直徑。具體實現方法：可通過光纖束緊密排成縱排列，中間隔的兩個光纖頭被集中蒙住、不給輸入光。

上述等離子體發射體包括微波輸入窗、真空室、微波輸出介質窗和觀察窗，所述微波輸入窗位於真空室的頂部，所述微波輸出介質窗位於真空室的底部，所述觀察窗位於與介質窗等高的真空室的側面，所述光纖束的輸入端從觀察窗外朝向微波輸出介質窗。

上述等離子體發射體包括微波輸入窗、真空室、微波輸出介質窗和觀察窗，上述微波輸出介質窗位於真空室的底部，上述微波輸入窗位於真空室側面且微波輸入窗正對所述介質窗，上述觀察窗位於真空室的頂部，上述光纖束的輸入端從觀察窗外正對微波輸出介質窗。

上述相機為emiccd相機。

上述光纖束還包括多根定位光纖，上述定位光纖的輸出端位於相鄰子光纖束之間，上述定位光纖的輸入端遮光處理。

本發明還提供另外一種等離子體電子密度和能量的實時診斷系統，其特別之處在於：包括等離子體發射體、光纖束、多個光譜儀和相機，上述等離子體發射體的輸出端與光纖束的輸入端連接，上述光纖束的輸入端為單個半球形，用於探測同一空間位置的發光；上述光纖束的輸出端為單一縱向排列，上述光纖束的輸出端與光譜儀輸入口連接；上述光譜儀的輸出口與相機連接；

上述光纖束包括多個長度不同的子光纖束；上述子光纖束包括多個相同長度的光纖；

輸出端相鄰子光纖束之間的長度差δdm對應於上述光譜儀的曝光時間；

與同一光譜儀相對應的所有相鄰子光束之間的間距至少為2倍光纖的直徑。

多個光譜儀的曝光時間相同或不同。通過多個光譜儀，可以實現更多分幅。相同曝光時間的多個光譜儀，可以看連續多分幅的圖像，不同曝光時間的多個光譜儀，可觀察不同時間段的圖像演化。多個光譜儀的不同曝光時間可通過通過一個光信號經過一個時間延遲器來實現。

上述另一種的等離子體電子密度和能量的實時診斷系統中的等離子體發射體包括微波輸入窗、真空室、微波輸出介質窗和觀察窗，所述微波輸入窗位於真空室的頂部，所述微波輸出介質窗位於真空室的底部，所述觀察窗位於與介質窗等高的真空室的側面，所述光纖束的輸入端從觀察窗外朝向微波輸出介質窗。

為了便於連接多個光譜儀，上述另一種的等離子體電子密度和能量的實時診斷系統中的等離子體發射體還可以是：包括微波輸入窗、真空室、介質窗和觀察窗，所述介質窗位於真空室的底部，所述微波輸入窗位於真空室側面且微波輸入窗的窗口正對所述介質窗，所述觀察窗位於真空室的頂部，上述光纖束的輸入端從觀察窗外正對微波輸出介質窗。

上述相機可以為emiccd相機。

本發明的有益效果是：

1、本專利發明了聯合不同長度的多光纖束、光譜儀和emiccd相機以實現實時多分幅診斷等離子體電子密度和能量隨時間演化；

2、當高速相機的快門時刻固定，不同長度的多光纖束的最長子光纖中傳輸光代表最早時間的光，而最短子光纖中傳輸光代表最晚時間的光；

3、多光纖束的光纖長度差相等，並且等於快門曝光時間，以避免光在時間上的重疊；

4、光纖束之間足夠的空間距離以分開光、避免空間光耦合；

5、不同時延光被置於單縱排的不同上下位置，通過單縱排耦合狹縫進入光譜儀後光譜被展開，再進入高速相機分區成像，高速相機不同分區的像為不同時刻的微波等離子體光譜，根據等離子體發光譜線的斯塔克展寬、等離子體發光光譜線比，可以得到等離子體的密度和能量隨納秒演化過程，多分幅時延可小於1ns。

附圖說明

圖1為實施例一的系統示意圖；

圖2為實施例二的系統示意圖；

圖3為不同長度多光纖束的空間光斑；

圖4為等離子體放電譜線的演化過程；

圖5為電子密度ne和離子能量ti隨時間的演化。

圖中附圖標記為：1-介質窗；2-真空室；3-觀察窗；4-光纖束；5-光譜儀；6-相機；7-微波輸入窗。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例對本發明做進一步的描述。

本發明聯合不同長度的多光纖束4、光譜儀5和emiccd相機6，實現實時多分幅診斷等離子體電子密度和能量隨時間演化。位於納秒放電的光發射時間內，多光纖束傳輸光的時間順序滿足：最長子光纖束中傳輸的光到達相機的快門最晚、代表最早時間的光，在最短子光纖束中傳輸的光到達相機的快門最早、代表最晚時間的光。

多光纖束共分為n個子光纖束，代表可實現n分幅成像。多光纖束的每個子光纖束由m個相同長度的光纖構成，相鄰子光纖束(光纖束出射端相鄰)之間的光纖長度差相等，並且等於快門曝光時間，以避免每個子光束的光到達光譜儀後在時間上發生重疊。相鄰子光纖束之間的光纖長度差定義為δd，長度差1m對應5ns的時延，因此長度差δd對應的時延為5δd(ns/m)。

單個光纖的光按照高斯空間分布，會覆蓋相鄰的光纖，光纖束之間預留足夠的空間距離、相距n個光纖的直徑(通常n>＝3)，用於避免相鄰子光束中光在空間上耦合。具體通過遮蓋該n個光纖的輸入端實現。

該多光纖束為單一光輸入頭、輸出束為單個縱排列。單一光輸入頭用於探測同一空間位置的發光，單個縱排列用於連接到光譜儀、確保是同一位置。單縱排長度為(m+n)n倍的光纖直徑，需要小於光譜儀入口狹縫的長度。更多子光纖意味著更多分幅的光譜實時成像。

通過s個光譜儀，可實現更多分幅，sxn幅的時間演化。s個光譜儀的曝光時間可以相同也可以不同，相同曝光時間的s個光譜儀，可以看連續sxn分幅的圖像，不同曝光時間的s個光譜儀，可觀察不同時間段的圖像演化。s個光譜儀的不同曝光時間可通過通過一個光信號經過一個s路時間延遲器來實現。

等離子體發光譜線的展寬可按照斯塔克展寬、熱都卜勒展寬來分析，按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得斯塔克展寬的半高寬以得到等離子體密度、熱都卜勒展寬以得到發射體的溫度，通過不同長度的多光纖束得到不同時刻的等離子體的密度和能量參數，獲得其隨納秒演化過程。

實施例

本實施例的實驗裝置如圖1所示，在本實施例中微波脈衝的微波輸入窗位於真空室的頂部，介質室位於真空室的底部，觀察窗設置於真空室的側面，其具體位置與介質室的底部平齊，不同長度的子光纖束穿過觀察窗與光譜儀連接，光譜儀的輸出口與emiccd相機連接。圖1中不同半徑的光纖代表不同長度的光纖。本發明還可以提供如圖2所示的實驗裝置，介質窗位於真空室的底部，微波輸入窗位於真空室側面且微波輸入窗的窗口正對所述介質窗，觀察窗位於真空室的頂部，光纖束穿過觀察窗與光譜儀連接。

為了從正側面觀察介質/真空界面的擊穿發光，設計了不同長度的三光束光纖，相鄰光纖的長度差均為0.5m、等於相同的時間延遲2.5ns，也等於快門的曝光時間2.5ns，因此避免了三束光在時間上的重疊。子光束之間的空間隔離距離3個光纖的直徑，避免相鄰子光束中光在空間上耦合。不同長度的三光束光纖連接到光譜儀的輸入口，光譜儀的輸出口連接高速相機，空間解析度13um/px、時間解析度0.25ns。縱向排列的三個空間分隔的光斑如圖3所示，圖中，x方向代表光斑橫向尺寸，y方向代表光斑的縱向尺寸，右側幅值代表亮度。不同長度多光纖束與光譜儀聯合，可實時多分幅探測整個光譜的演化過程。典型的實驗譜線如圖4所示，第一幅命名為roi-1比第三幅roi-3早5ns，每幅積分時間2.5ns。為了圖片簡潔，第二幅roi-2沒有顯示。

等離子體光譜線由於等離子體電子的碰撞而展寬，並按照洛侖茲分布的斯塔克展寬，其半高寬與等離子體密度對應。對於非氫原子，洛侖茲半高寬δλl與電子密度ne關係滿足：

δλl＝2×10-16ωne(1+1.75×10-4ne1/4α[1-0.068ne1/6te-1/2])(1)

此處ω和α是電子和離子參數。

發射譜也按照高斯展寬的半高寬δλg來卷積，包括儀器展寬δλi和熱都卜勒展寬δλd，滿足關係式δλg＝(δλd2+δλi2)0.5。都卜勒展寬δλd與發射體的溫度有關，計為：

δλd＝2λg(ln2kti/mic2)0.5(2)

此處離子能量ti和質量mi。

洛侖茲和高斯分布卷積導致voigt分布。通過採用voigt分布擬合實驗譜線並傅立葉轉換，譜線去耦合獲得δλl和δλg的參數，以定量計算等離子體密度和離子溫度。

在背景氣壓0.01pa和定量饋入ar氣，通過不同長度的三光束獲得了hpm發射譜的演化規律。10pa的ar氣壓和場強40kv/cm，通過擬合圖4中548.2nm的譜線，並採用傅立葉變換，可得到電子數密度和離子能量隨時間演化如圖5。