[發明專利]標準溫度法和相對譜線法同步診斷等離子體溫度場的方法

有效

• 申請號: 202011508059.3
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112729555B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 靳興月;林啟富;胡立群;曾梅花;趙鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨

1.一種標準溫度法和相對譜線法同步診斷等離子體溫度場的方法，其特征在于，該方法所需的裝置包括：兩套單色光路即λ₁單色光路和λ₂單色光路、CCD相機和光譜儀；

所述λ₁單色光路按照光路順序包括第一凸透鏡、第二凸透鏡、第一半反射半透射型分光鏡、第一帶通濾光片、第一反射鏡、刀鋒棱鏡、CCD相機、計算機；

所述λ₂單色光路按照光路順序依次包括第二反射鏡、第二半反射半透射型分光鏡、第二帶通濾光片、第三反射鏡、刀鋒棱鏡、CCD相機、計算機；CCD相機通過數據線與計算機相連接；

等離子體輻射產生的復合光經第一凸透鏡聚焦至第二凸透鏡上，經過第一半反射半透射型分光鏡被分成兩束，經過兩套單色光路；透射的那束光是通過λ₁單色光路，經第一帶通濾光片到第一反射鏡反射至刀鋒棱鏡后被送入CCD相機中，獲得等離子體輻射產生的λ₁單色灰度圖像；

被第一半反射半透射型分光鏡反射的那束光，即第一反射光束，包括λ₁和λ₂兩種波長的光，然后經第二反射鏡反射至第二半反射半透射型分光鏡，對第一反射光束進行分光，其中一部分λ₂光經第二帶通濾光片通過第三反射鏡反射至刀鋒棱鏡另一側后被反射進入同一個CCD相機中，獲得等離子體輻射產生的λ₂單色灰度圖像；第一反射光束的另一部分光是經過第三凸透鏡被光譜儀采集，從而獲得等離子體中局部點的λ₁單色輻射強度和λ₂單色輻射強度；

將待測電弧等離子體溫度場分為電弧弧柱區域溫度和電弧邊緣區域溫度兩部分，基于輻射強度I、發射系數ε_v與灰度值G之間的關系：

∫ε_vdx＝I＝f(G)＝k₁*G+b

其中，I為輻射強度，G為灰度值，ε_v為發射系數，k₁、b均為常數；

對于電弧弧柱區域溫度，找到灰度值G與相對發射系數之間的關系利用標準溫度法來進行計算，是最大發射系數值，是經過歸一化處理的發射系數，首先確定發射系數的相對大小與溫度的關系，通過歸一化的發射系數與溫度的曲線，標定電弧中的發射系數最大值，相應的溫度點即為譜線的標準溫度，繼而擬合出電弧弧柱區域等離子體溫度分布；對于電弧邊緣區域溫度，找到灰度值G與輻射強度I之間的關系I＝f(G)，利用相對譜線法，進而求得電弧邊緣區域溫度分布；對于電弧弧柱區域和電弧邊緣區域交界處的溫度，使用標準溫度法和相對譜線法同步診斷并進行自校準；

其中，使用標準溫度法求得的電弧弧柱區域溫度，包括以下步驟：

(1)兩束光通過中心波長為λ₁和λ₂的帶通濾光片，變成兩束單色光，再經過刀鋒棱鏡，用一臺CCD相機采集到兩幅分別對應著兩種不同譜線波長的等離子體特征譜線的灰度圖像；

(2)對獲得的兩套灰度值分布進行阿貝爾逆變換，即可獲得發射系數的相對分布，通過發射系數的相對大小與溫度的關系：

其中，T₁為電弧弧柱區域等離子體溫度，C為與溫度無關的常量，n(T₁)為粒子數密度，Z(T₁)為配分函數，E₁和E₂為兩條相近譜線的激發態能量，k為玻爾茲曼常數，是最大發射系數值，ε_v為發射系數；

由上式可知，相對發射系數與溫度之間的關系不是單調遞增的，隨著溫度的增加，譜線的相對發射系數先增加后降低，在某一個溫度點達到最大值，即為定義的標準溫度點，再利用標準溫度法計算電弧弧柱區域等離子體溫度分布；

(3)配分函數Z(T₁)和指數項可以通過查表得到，粒子數密度n(T₁)可以計算出，確定發射系數的相對大小與溫度的關系，通過歸一化的發射系數與溫度的曲線，標定電弧中的發射系數最大值，將對應著該發射系數的溫度定義為標準溫度點，同等離子體內部各點的診斷值做對比，可得到各采集點的溫度，繼而擬合出電弧弧柱區域等離子體溫度分布；

其中，使用相對譜線法求得的電弧邊緣區域溫度，包括以下步驟：

(1)通過兩套單色光路即λ₁光路和λ₂光路將等離子體輻射產生的復合光變成λ₁單色光和λ₂單色光，與此同時，對第一反射光束分光，一部分光經過所述的光譜儀，從光譜儀上獲得等離子體中局部點的λ₁單色輻射強度和λ₂單色輻射強度，用CCD相機獲得同一時刻的等離子體輻射產生的λ₁單色灰度圖像和λ₂單色灰度圖像；

(2)通過光譜儀與CCD相機聯用，即可獲得輻射強度與灰度值的關系式：

I＝f(G)＝k₁*G+b

(3)通過兩個濾光片聯用，即可獲得兩套灰度值分布，再利用相對譜線法計算出電弧邊緣區域等離子體溫度分布：

其中，T₂為電弧邊緣區域等離子體溫度，λ₁和λ₂分別為兩條譜線的波長，G₁和G₂分別為兩條譜線對應的灰度值，g₁和g₂分別為兩條譜線激發態的統計權重，A₁和A₂分別為兩條譜線的躍遷幾率，E₁和E₂分別為兩條譜線的激發態能量，k為玻爾茲曼常數。