等離子體特征參數檢測系統設計研究

宋 鵬，鐘孟春，毛保全，李曉剛，蘭 圖（裝甲兵工程學院兵器工程系，北京，100072）

設計與研發

等離子體特征參數檢測系統設計研究

宋 鵬，鐘孟春，毛保全，李曉剛，蘭 圖
（裝甲兵工程學院兵器工程系，北京，100072）

為了研究火藥燃燒產生的等離子體的特性，本設計采用光譜診斷法對等離子體的電子溫度和電子密度進行檢測，設計了等離子體特征參數檢測系統。本設計在光譜檢測法的基礎上，根據光譜分析原理和檢測總體方案，先后進行了傳感器的設計、光譜儀的設計以及數據的處理。設計以ZEMAX為工具，使用探頭光路追跡和光纖中光路仿真設計了新型的傳感器光學探頭；使用光譜儀結構函數優化、消散像處理以及波長點列圖分析等方法設計了光譜儀的初始結構和優化結構。對光譜診斷獲得的光譜圖進行數據處理得到等離子體的電子密度和電子溫度，提出了一套能夠適用于火藥燃燒產生的等離子體的光譜檢測方案。為進一步研究火藥燃燒產生的等離子體的特性提供一定基礎。

等離子體；光譜法；結構優化

0　引言

火藥燃燒時，熱電離產生的等離子體位于火炮內部，并且具有瞬間產生和瞬間消逝的特點，對于檢測裝置提出了較高的要求。燃燒的火焰分為發光火焰和透明火焰兩大部分。通常來說，火焰的氣體組分是輻射光譜的重要原因，火焰的微粒成分會導致光譜的連續性，本設計研究的是火藥燃燒時產生的連續光譜。

根據研究對象和火藥燃燒的相關計算得出以下準確參數：

表1　等離子體的參數

根據被測對象的特點，設計的等離子體特征參數檢測系統具有以下功能： 1.高響應和高靈敏度，能夠對瞬間消逝的光進行捕獲； 2.高分辨率，能夠獲得等離子體的光譜圖，數據處理得到電子密度和電子溫度。

1　總體方案

本設計旨在提出對火藥燃燒產生的等離子體特征參數檢測的方案，因此對于作業的環境和條件有相應的要求。假定火藥燃氣電離的等離子體是必然存在的，不考慮無法產生的情況，并且測試過程中沒有外界因素干擾（如溫度和壓強等因素）。得到測量系統組成如圖1所示。

（1）藍寶石窗口為試驗方案采光通道，是密閉爆發器的一個窗口。

（2）光線被采集之后通過入射狹縫進入光譜儀內部進行光路的傳播。

（3）通過光電轉換將電信號由CCD探測器傳入選用的計算機終端進行數據的處理，處理方法將單獨列出與此處的計算終端不相沖突。

2　光纖傳感器的設計

光纖傳感器是一種基于光導纖維的新型傳感器。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。該設計中選用的傳感器類型為拾光型傳感器，通過設計特殊的探頭和選用適用的光纖組合成的探測器是本設計的重點。

2.1光纖探頭的設計

圖1　測量系統組成

圖2　光纖探頭形狀剖面圖

光纖探頭作為傳感器的傳感部分，影響著儀器的靈敏度及可靠性，因此光纖傳感器設計的關鍵在于探頭的形狀和直徑的選擇，探頭的設計也是應用于本課題測量環境中的重要前提。

本設計中提出四種不同形狀的探頭，分別是圓錐形、球形、拋物線形和橢圓形四種。選用這四種形狀的探頭進行模擬是因為四種探頭形狀最具有典型性和可加工性。

在ZEMAX軟件平臺上，通過光線追跡表征光纖探頭內部光線的傳輸，將四種不同形狀的探頭放入設定的系統光路，進行數萬次的追跡。光纖由纖芯與包層組成，內外均為圓柱形。因此光纖的模擬采用標準鏡片最為簡單，光纖的纖芯材料設置為SILICA（二氧化硅）。在ZEMAX中，標準面的各個點坐標可由下面公式決定，得到圖3所示：

圖3　四種探頭光線追跡模擬

表2　探頭參數特征值

四種探頭的能量回光均在探測器中心±0.5mm的矩形范圍內。

圖4　集光本領

由圓錐形光纖探頭最終得到參數特征可知，其最值要明顯高于其它三種形狀的光纖探頭。

綜合上述分析，四種不同形狀的光纖探頭中，不論是收集到的回光能量總和還是照度最大值，均為圓錐形光纖探頭最大。因此，對于火藥燃燒產生的等離子體的檢測即光纖傳感器的核心器件光纖探頭的形狀設計為圓錐形。

2.2光纖的設計

光纖的數值孔徑反映光纖的集光本領，其關系理論分析如圖4所示，光從空氣中入射到光纖端面時的光錐半角的正弦定義為光纖的數值孔徑NA，即：

在此角錐內所有方位的光線一旦進入光纖，就被截留在纖芯中，沿著光纖傳播。

對于階躍型光纖，其數值孔徑可表示為：

由式分析得出，當光纖的數值孔徑最大時，光纖的集光本領也最強。本文所設計的光纖傳感器采用的光纖數值孔徑設定為0.22，符合石英材料的數值孔徑范圍。數值孔徑只決定于光纖的折射率，與尺寸無關。

3　光譜儀的設計

整個光譜儀具體工作原理為：火藥在火炮內燃燒產生的熱電等離子體輻射的光通過入射狹縫進入準直鏡，光柵分光后，光線匯聚到聚焦鏡上，在 CCD 表面成像，進行光電轉換，最后由計算終端進行數據處理。

3.1光柵設計

光柵方程是衡量光柵的一個重要的參考量，通過光柵方程可以計算光線射入光柵的入射角和出射角，以便對其他參數進行計算。如圖4-1所示，光柵法線垂直于平面，入射波前與入射波后產生的偏差是根據不同波長的光在光柵上的衍射角不同造成的，以此達到分光的目的。輻射與光柵法線衍射角為β，入射角為α，刻槽間距為d，衍射級次為m，得到干涉的極大值：

圖5　光柵入射光與衍射光示意圖

由上式得，設φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=（α-β）/2；θ為相對于零級光譜位置的光柵角，即θ=（α+β）/2，簡化上式得到光柵方程：

所設計的光柵衍射級次m的取值可正可負。

3.2光譜儀參數

通過上述步驟的分析和計算，獲得基于ZEMAX軟件設計優化的光譜儀的具體參數如下：

（1） 光學結構參量

入射狹縫到準直鏡距離為73.5mm，準直鏡到光柵距離為62mm，光柵到聚焦鏡距離為50mm，聚焦鏡到柱透鏡距離為61.9mm，柱透鏡到像面距離為5mm。

（2）光學元件尺寸

入射狹縫50um：控制進入光譜儀的光通量，狹縫越寬進入的能量越大。狹縫寬度也影響光譜儀的分辨率，狹縫越寬，其分辨率越低。在滿足分辨率要求的前提下，入射狹縫越寬越好，但是也不能太寬，不然探測器會飽和（超過量程）。

準直鏡8mm 圓形：使從入射狹縫進來的輻射光束準直并均勻照射到分光光柵上，以提高光柵的分光精度。

光柵8mm×8mm 方形：具有高精度分光本領，能夠有效去除目標光譜信號中的雜散信號，將有效光譜信號分離并提取出來。

聚焦鏡8mm×18mm 長方形：將光柵分離出的不同波長的有效光譜信號聚焦，使之匯聚到出射狹縫。

4　結束語

為研究火藥燃燒生成等離子體設計了等離子體特征參數檢測系統。對傳感器探頭的形狀、材料以及光通路進行設計，并分析了光柵，達到了高靈敏度和高分辨率的要求。 利用ZEMAX軟件對光譜儀初步結構進行建立，設計了光譜儀。為下一步利用光譜法診斷等離子體特征參數打下一定的基礎。

［1］孔鵬，唐玉國，巴音賀希格，齊向東，李文昊，崔錦江. 雙光柵切換微型平場全息凹面光柵光譜儀［J］.光學學報，2013，01：24-30.

［2］安巖，劉英，孫強，李淳，劉兵，姜承志.便攜式拉曼光譜儀的光學系統設計與研制［J］.光學學報，2013，03：307-313.

［3］吳從均，顏昌翔，劉偉，張軍強.方形孔徑棱鏡式成像光譜儀光學設計［J］.光學學報，2013，12：228-234.

［4］曹海霞，吳娜，馮樹龍，潘明忠，張永超，崔繼承. 單色儀與成像光譜儀的交互光譜定標［J］. 光學精密工程，2014，10：2585-2591.

［5］劉康. 微型光譜儀關鍵技術及其應用研究［D］.浙江大學，2013.

［6］翟洋. 瞬態等離子體溫度光譜法診斷技術研究及應用［D］.南京理工大學，2014.

［7］李興文，魏文賦，吳堅，楊澤鋒，韓嘉旬. 激光誘導等離子體光學診斷方法研究綜述［J］. 高電壓技術，2015，06：1788-1797.

［8］孫殿平. 等離子體噴束及其光譜診斷的研究［D］.華東師范大學，2008.

［9］張均. 激光深熔焊接光致等離子體溫度分布的測量［D］.湖南大學，2007.

Research on the design of the plasma characteristic parameter detection system

Song Peng，Zhong Mengchun，Mao Baoquan，Li Xiaogang，Lan Tu
（Academy of Armored Forces Engineering，Bei jing，100072，China）

In order to study the characteristics of plasma generated by the combustion of propellant，the plasma temperature and electron density were detected by spectroscopic diagnostic method，and the plasma characteristic parameter detection system was designed.Based on the spectral detection method，the design of the sensor，the design of the spectrometer and the data processing were carried out according to the principle of the spectrum analysis and the overall scheme of the detection. Design with ZEMAX to tools，chase trace and fiber optical system design the new sensor optical probe using the optical path of the probe； using a spectrometer structure function optimization，dissipated like processing and wavelength spot diagram analysis method design spectrometer of the initial structure and optimize the structure.Based on the spectrum diagnosis，a set of spectrum detection scheme which can be applied to the combustion of propellants is presented，which provides a basis for further research on the characteristics of the plasma produced by the combustion of propellant.

plasma；spectral method；structure optimization

0531

A