瞬態(tài)等離子體溫度光譜法診斷技術研究及應用.pdf

1、目前等離子體溫度診斷主要存在兩個難點:一方面是國防軍事領域中，瞬態(tài)高速動力發(fā)射系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)膛內產生的超高溫等離子體的溫度診斷;另外一個是以高溫磁約束受控核聚變過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，通過對目標等離子體輻射的光譜光強的瞬態(tài)過程探測，以及解包含有等離子體光譜信息的干涉圖，分別可以實現對瞬態(tài)過程和空間二維等離子體溫度診斷。主要研究內容包括以下幾個方面:
　　首先為了實現動態(tài)發(fā)射系統(tǒng)等離

2、子體溫度實時診斷，研究了黑體普朗克輻射定律的基本性質。針對該定律中光譜發(fā)射效率這一未知參數難以直接計算或實驗得到的難題，提出了先利用假設模型與假設方程方法替換光譜發(fā)射效率，再通過以各波長通道曲線擬合方法重構等離子體的輻射溫度和各波長通道的光譜發(fā)射效率。根據光譜發(fā)射效率假設模型類型的不同，提出了基于最小二乘法理論的改進型的自動尋階法和逐步回歸法的擬合算法。仿真結果表明，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，光譜發(fā)

3、射效率擬合結果誤差不超過0.1。
　　根據以上方案研制了一臺實體多光譜瞬態(tài)測溫儀樣機。樣機核心采用超高分辨率的反射式光柵和超快響應的雪崩二極管探測陣列，并利用氖燈和汞燈對樣機進行了光譜波長標定，隨后采用溴鎢燈對標定結果進行了驗證。實驗表明，系統(tǒng)光譜分辨率可達到0.4nm，中心波長位置誤差可以控制在0.55nm以內。對所研制的樣機進行了實驗室和外場實驗，結果表明，該裝置成功捕獲了發(fā)射裝置工作時不足10ms的火焰光譜強度走勢曲線，時間

4、分辨率最大可以達到100μs，火焰溫度計算結果誤差不超過2％。
　　為了進一步得到磁約束裝置內空間二維瞬態(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和磁場綜合影響下的光譜展寬機制，并在此基礎上建立干涉圖相干度和重構光譜線形之間的傅里葉變換對關系、干涉條紋相位移動與多普勒漂移速度、干涉條紋對比度下降與離子溫度導致光譜增寬的對應函數關系。另外設計了基于激光光源絕對標定法、四步移相和三步移相的恢復條紋對比度和相位的算法，適合隨

5、時間緩慢或者快速變化的空間二維等離子體診斷情況。
　　根據以上分析和干涉光譜理論，設計了一臺偏振干涉成像光譜儀樣機，并重點討論了視場增強型Savart剪切分束器設計和裝調。利用ArⅡ488.0nm激光對樣機進行光譜重構標定。結果表明，樣機在有效波段內的最大光譜分辨率可達86.8cm-1，視場角可達5.54°，波長位置誤差不超過0.1nm。利用該樣機對螺旋波等離子體發(fā)生裝置MAGPIE(Magnetized Plasma Inter