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摘要:本文针对热电离等离子体如何生成问题进行研究。以火药燃气产生的等离子体为研究对象,通过分析火药燃烧过程的四个阶段和相应的气体生成物,讨论了火药燃气生成热电离等离子体的过程,并对能够生成热电离等离子体的分子数在气体总分子数中所占的百分比进行了计算。最后建立了一套热电离等离子体试验系统,采用光谱测试法对热电离等离子体进行测试,获得电子温度、电子密度等参数。该研究为热电离等离子体的进一步的应用提供了一定的理论依据。
Abstract: This paper studies the generation of thermal ionization plasma. Taking the plasma produced by gunpowder gas as the research object, through the analysis of the four stages of gunpowder combustion process and the corresponding gas products, this paper discusses the process of gunpowder gas generating thermal ionization plasma, and calculates the percentage of the number of molecules to be able to generate thermal ionization plasma in the total number of molecules in the gas. Finally a set of thermal ionization plasma test system is established, and the method of spectrum test is used to test the thermal ionization plasma to get parameters such as electron temperature, electron density. This study provides certain theoretical basis for the further application of thermal ionization plasma.
关键词:热电离等离子体;火药燃气;等离子体光谱测试
Key words: thermal ionization plasma;gunpowder gas;plasma spectrum test
中图分类号:TH744.1 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)10-0189-03
0 引言
气体电离产生等离子体的种类有很多,比如直流放电等离子体、容性耦合等离子体、电感耦合等离子体、微波放电等离子体和热电离等离子体等。对于放电等离子体和耦合等离子体研究较多,而对于热电离等离子体的研究非常少,只有对于热电离几率的讨论等。
本文以火药燃气产生等离子体为研究对象,火药燃烧时燃气能达到3000K-4000K,压力达到400MPa,高温高压的环境会使气体发生热电离。通过理论分析研究产生热电离等离子体的过程,然后搭建一套等离子体试验测量系统,在密闭爆发器内引燃火药,用光谱测量法测量生成等离子体的发射光谱,并计算了电子密度、电子温度等相关参数。
1 热电离等离子体理论分析
1.1 火药燃烧过程分析
固体火药燃烧伴随着大量的热能和气体产物的生成。并且火药燃烧的产物不是一步生成的,而是经过了一系列复杂的物理化学变化才达到的。一般认为分为四个阶段(如图1所示)。
在亚表面反映区,主要发生硝酸酯的分解反应。在燃烧表面层,则进行如下反应:
1.2 热电离等离子体生成分析
所谓热电离是指原子在热运动中与其它粒子发生非弹性碰撞获得足够大的能量而产生的电离。火药燃烧时伴随着强光,该强光一般处于光谱段的紫光波段,该波段的部分光就是来自于电离离子与电子复合所发出的光,由此可见,在火药燃烧时处在超高温下,电离过程是会发生的。初步假设高温、高压气体处于热平衡状态,则气体分子的速度呈现麦克斯韦分布(Maxwellian Distribution):
对于能够产生电离的分子,其热速度为:
一团分子相互碰撞,各自都具有一定的速度。根据等离子体物理学理论,在3000K至4000K的温度下,若有两个分子分别以速度v=2500m/s相对碰撞,其碰撞过程的动能就可以使分子产生电离。因此,单位体积内高温高压火药气体中速度超过2500m/s的分子数约为:
这表明,火炮发射时若气体的温度达到3000k,火药燃烧产生的高温高压火药气体中有18%的气体分子的能量达到了热电离所需要的能量。
2 等离子体试验测量
2.1 光谱法测量原理
18世纪,科学家首次发现了离子或者原子处于激发态的发光原理。光谱法是基于物质与辐射能作用时,测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法,可分为原子光谱法和分子光谱法。光谱测量法已经成为了测量等离子体的重要方法,不仅可以获得等离子体成分及其分布、电子密度和温度,还可以获得离子密度及温度、磁场分布等重要数据。作为一种非接触式测量,光谱测量法环境要求低,系统结构简单,不会对所测等离子体产生干扰,已经被广泛应用于等离子体测量。光谱测量法的原理是测量等离子体发射光谱谱线强度、谱线半宽和偏移,然后通过计算分析获得等离子体密度。
2.2 试验测试系统设计
本项目通过等离子体测量试验系统对火药燃气生成热等离子体进行测试。等离子体测量试验系统由密闭爆发器和等离子体密度测量装置组成(如图2所示)。其中密闭爆发器内火药燃烧时形成的高温高压初始环境。火药气体在高温高压下会部分电离产生等离子体,通过对初始环境的温度、压力进行控制,配合等离子体密度测量装置,可以对等离子体密度进行调节。由于密闭爆发器内的特殊环境,如果采用接触式测量极易造成传感器的损坏,所以系统采用非接触式光谱仪传感器来进行等离子体的测试。将密闭爆发器与光谱仪连接,通过光谱仪将采集的等离子体特征谱线传输到仿真计算机上,通过计算机对光谱进行分析,获得相应的等离子体电子温度、离子密度等参数。
其中,密闭爆发器是试验系统的核心组件。密闭爆发器由三对宝石光学窗、点火装置或等离子体发生器、堵头以及燃烧室本体等组成。三对宝石光学窗为光学系统提供高温高压条件下观测等离子体特性的通道,通过光谱仪能够测出火药燃烧时试验装置内等离子体的发射光谱图。燃烧室本体两端用堵头封堵可以形成密闭爆发器,用于研究密闭状态等离子体的形成及其特性。点火装置及等离子体发生器用于引燃燃烧材料并生成高密度等离子体。
本试验采用的光谱仪是荷兰Avantes公司的AvaSpec-3648光谱仪(如图3所示)。采用对称式光路设计,入射焦距和色散焦距都是75mm;包括光纤接头(标准SMA接口,也可以选择其它类型的接口)、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和线阵CCD探测器,波长范围200-1100nm,最高分辨率0.025nm。
2.3 试验方法
图4给出了光谱测量等离子体的试验方法。试验采用不同药量的装药进行多组测量,装药量分配如表2所示,采用硝化棉火药。在密闭爆发器内通过点火装置引爆装药生成等离子体,通过光谱仪采集测量每次试验时等离子体的发射光谱曲线,通过计算机计算等离子体相关参数。
由于火药燃气产生氢气,本试验以测量氢气等离子体为例,氢气分子和离子的发射光谱主要集中在200nm到700nm之间,如图5所示为在火药燃气达到357MPa、3257K试验条件下获得的氢原子巴耳末系光谱图。光谱仪的探测范围完全满足试验需求。
3 结果与讨论
光谱图处理:
从原子发射光谱原理知,等离子体温度与光谱线相对强度之间的关系如下:
表3为氢原子光谱线参数,表4为不同测试组的氢原子谱线强度数据,通过计算所得等离子体温度约为1.52eV。
等离子体的密度可以根据谱线强度公式来计算,谱线强度公式:
式中,Amq为m态到q态的跃迁概率,Em为m能级能量,σmq为能级的碰撞截面,vmq为谱线频率,C为常数,N为气体分子密度;Ne为电子密度,Te为等离子体温度,h为普朗克常数,k为玻尔兹曼常数。
在上式中已经求出等离子体温度,通过谱线强度公式即可求出等离子体密度。通过计算所得等离子体密度大约为1.05*1011m-3。
4 结束语
本文以火药燃烧生成热电离等离子体为对象,研究热电离等离子体生成情况。对火药燃烧过程及其产物进行理论分析,并对热电离过程进行计算,然后通过等离子体测量试验系统进行试验。获得了等离子体的发射光谱图并计算了相关参数,为下一步研究热电离等离子体打下基础。
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