特殊等離子體環(huán)境物理信息獲取與處理的研究.pdf

1、隨著工業(yè)和電子技術(shù)的進(jìn)步，等離子體概念的范疇也在不斷擴(kuò)大，從早期的氣體放電逐步擴(kuò)展到當(dāng)今社會(huì)的方方面面。在航空航天領(lǐng)域，隨著“神七”上天和大飛機(jī)項(xiàng)目上馬，人們發(fā)現(xiàn)了很多急待解決的工程問(wèn)題，如飛船再入過(guò)程中的通訊中斷，目標(biāo)識(shí)別，降低運(yùn)動(dòng)物體的雷達(dá)散射截面等。這樣，超聲速飛行器在大氣層飛行中產(chǎn)生的激波，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中摻有的銫、鉀、鈉等易電離成分所形成的噴流，宇宙飛船再入階段的表面燒蝕等特殊等離子體環(huán)境的物理信息獲取與處理的研究就受到越來(lái)越

2、多的重視。美俄等國(guó)已經(jīng)在這一領(lǐng)域進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)積累，而國(guó)內(nèi)由于缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和環(huán)境，該工作尚處在起步階段。在能源領(lǐng)域，人們借助托卡馬克中產(chǎn)生的高溫等離子體進(jìn)行可控?zé)岷司圩兊难芯?，可以解決傳統(tǒng)的化學(xué)燃料效率低和污染重的問(wèn)題，為人類尋找新的清潔能源。上述等離子體往往處在具有高溫、高壓和高流速等特殊環(huán)境中，它們的密度和存在時(shí)間跨度很大(密度從109到1013cm-3，存在時(shí)間從1ms到幾十分鐘)，因此其性質(zhì)與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)等離子體有較大差異

3、。 為了獲取這些特殊等離子體環(huán)境下的物理信息，探討它們與載體的相互關(guān)系，更好的將其應(yīng)用到航空航天、能源等領(lǐng)域中，本文根據(jù)相關(guān)課題的要求，在模擬各種空間環(huán)境的地面實(shí)驗(yàn)裝置上，依照特殊等離子體環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并自主研發(fā)了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)采集、結(jié)果的在線分析和存儲(chǔ)等，配備了相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中本文嘗試采用多種手段獲取同一等離子體參數(shù)，獨(dú)立的比較各種方法所得結(jié)果之間的差異，盡可能的還原出真實(shí)的物理信息。本文還對(duì)等離

4、子體數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了深入的研究，借助各種物理數(shù)學(xué)模型和專用的科學(xué)計(jì)算工具，離線求解出相應(yīng)的等離子體參數(shù)，如電子溫度、電子密度，電子碰撞頻率等。 本論文的主要內(nèi)容如下： 1.根據(jù)課題研究和測(cè)試環(huán)境的需求，本文建立了相應(yīng)的等離子體數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，包括靜電探針集成診斷系統(tǒng)、十路探針陣列診斷系統(tǒng)和多路光纖光譜儀，并對(duì)每種采集系統(tǒng)都進(jìn)行了標(biāo)定與測(cè)試。 2.在項(xiàng)目預(yù)研階段，為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)獲取與處理方法的可行性和可靠性，本文在直流輝

5、光穩(wěn)態(tài)裝置上，結(jié)合靜電探針與發(fā)射光譜方法，分別獲得了輝光正柱區(qū)的電子溫度與電子密度，對(duì)兩種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了比對(duì)，并在后續(xù)特殊等離子體環(huán)境數(shù)據(jù)獲取與分析中進(jìn)行了改進(jìn)和推廣。 3.本文從實(shí)驗(yàn)上研究了特殊等離子體環(huán)境中靜電探針數(shù)據(jù)獲取和處理方法。文中使用的靜電探針主要是單探針和三探針。特殊等離子體環(huán)境一般具有高溫高壓等特點(diǎn)，普遍存在電磁干擾，所以本文在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)充分考慮了屏蔽和隔離的問(wèn)題。在數(shù)據(jù)處理方法上，由于傳統(tǒng)的基于無(wú)碰低

6、氣壓假設(shè)的探針理論已經(jīng)失效，本文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇了Smy和Kiel等人的基于高氣壓強(qiáng)碰撞假設(shè)的探針電流收集理論，在仔細(xì)分析特殊等離子體環(huán)境的基礎(chǔ)上加以應(yīng)用，獲得了電子密度和電子溫度等參數(shù)及其時(shí)空分布。 4.根據(jù)項(xiàng)目要求，本文分別在飛行環(huán)境地面實(shí)驗(yàn)裝置、固體助推劑成分實(shí)驗(yàn)裝置和粉末激波管上使用靜電探針完成了電子密度、電子溫度和碰撞頻率等參數(shù)的測(cè)定。飛行環(huán)境地面實(shí)驗(yàn)要求獲得電子密度在實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)部的分布情況，因此運(yùn)動(dòng)探針陣列被

7、用來(lái)獲得了噴流等離子體的電子密度和電子溫度的時(shí)空分布圖，為推進(jìn)器的型號(hào)篩選和性能改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。助推器的燃料成分實(shí)驗(yàn)裝置空間有限，所以單探針被選作診斷方法。在粉末激波管等離子體參數(shù)診斷中，由于來(lái)流存在時(shí)間短，傳統(tǒng)的單探針掃描的方法已經(jīng)不能使用，所以無(wú)需掃描電源的三探針診斷方法被采用，同時(shí)高速信號(hào)采集技術(shù)被用來(lái)獲得了探針的飽和電流，再通過(guò)相關(guān)的物理模型計(jì)算出該等離子體電子密度和電子溫度的時(shí)間分布，并導(dǎo)出碰撞頻率。 5.本文在飛行

8、環(huán)境地面實(shí)驗(yàn)裝置上使用多路光纖光譜儀獲得了氬氣放電的發(fā)射光譜。這里的等離子體電子溫度相對(duì)較低，維持導(dǎo)電主要是依靠電子碰撞使氣體電離，因此這種放電形式屬于弱電離、非平衡態(tài)放電，其發(fā)射光譜主要是原子譜線的輻射。這種條件下，由于激發(fā)態(tài)的粒子布居密度偏離Boltzmann分布，所以本文在分析原子發(fā)光的機(jī)理基礎(chǔ)上，使用了Fermi-Dirac模型、基于非平衡態(tài)日冕模型、兩種電子激發(fā)碰撞截面模型四種新的模型或方法重新計(jì)算電子溫度。并對(duì)這幾種方法的計(jì)

9、算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，確認(rèn)了雙曲函數(shù)模型是在該條件下計(jì)算電子激發(fā)溫度的最佳模型。 6.本文將探針和光譜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了比對(duì)，分析了結(jié)果的一致性與系統(tǒng)誤差，為今后類似的工作提供了借鑒。 7.針對(duì)高溫等離子體的軟X射線輻射，本文設(shè)計(jì)了一套診斷系統(tǒng)，可以獲得軟X射線的時(shí)空分布，以及相應(yīng)的磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)不穩(wěn)定性。該工作包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝，電路實(shí)現(xiàn)，圖像重建和MHD不穩(wěn)定性的分析等過(guò)程。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于：

10、1.本文設(shè)計(jì)的便攜式探針集成診斷平臺(tái)，合作設(shè)計(jì)的十路探針診斷系統(tǒng)等兩套一體化探針數(shù)據(jù)獲取裝置，已經(jīng)成功應(yīng)用于噴流等離子體、助推劑燃燒和粉末激波管環(huán)境的探針實(shí)驗(yàn)，解決了實(shí)驗(yàn)室原有的分立元件診斷系統(tǒng)存在的集成度低、抗干擾能力差、攜帶不便、對(duì)多樣化的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地條件適應(yīng)能力較差等問(wèn)題。 2.在探針數(shù)據(jù)處理方法上，本文系統(tǒng)總結(jié)了Smy和Kiel等人的基于高氣壓強(qiáng)碰撞假設(shè)的探針電流收集理論，并應(yīng)用于各種特殊等離子體環(huán)境的探針數(shù)據(jù)處理中，獲

11、得了電子密度和電子溫度等參數(shù)及其時(shí)空分布，解決了噴流等離子體、助推劑燃燒和粉末激波管環(huán)境的探針數(shù)據(jù)處理無(wú)合適的理論依據(jù)的問(wèn)題。 3.本文系統(tǒng)總結(jié)了Fermi-Dirac模型、基于非平衡態(tài)日冕模型、兩種電子激發(fā)碰撞截面模型等多種基于熱力學(xué)非平衡態(tài)的光譜計(jì)算模型，解決了飛行等離子體環(huán)境的電子激發(fā)溫度的計(jì)算問(wèn)題。 4.本文是國(guó)內(nèi)首次在粉末激波管等離子體試驗(yàn)中使用三探針診斷和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)上獲取了該等離子體電子密度和電