用于真空弧等離子體放電陰極溫度場(chǎng)測(cè)量的多光譜高溫計(jì)

楊宗舉，戴景民*，楊 林，王振濤

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001 2. 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900

引 言

真空弧等離子體具有電離度高、產(chǎn)生離子種類(lèi)多、束流強(qiáng)、純度好、離子電荷態(tài)高等特點(diǎn)，己被廣泛用于電弧鍵膜、離子注入、開(kāi)關(guān)和火箭推進(jìn)器以及離子源等領(lǐng)域[1]。金屬等離子體陰極在放電過(guò)程中會(huì)向外輻射能量，可以通過(guò)光譜的光強(qiáng)來(lái)反映出該等離子體的輻射溫度。因此對(duì)于快速精確的測(cè)量等離子體陰極放電時(shí)其陰極場(chǎng)溫度具有重要的意義。

對(duì)于真溫和發(fā)射率的測(cè)量，多光譜高溫計(jì)依然是最為主要的測(cè)量裝置。2005年，Simmons等采用CCD相機(jī)成像測(cè)量了粒子加速器中熱離子鎢陰極的溫度和不均勻性，通過(guò)獲取0.4 μm下的藍(lán)光光譜進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫精度為3%[2]。2011年，Bergner等根據(jù)CCD相機(jī)測(cè)試結(jié)果反演出鎢陰極的表面溫度分布，并采用了890 nm的干涉濾光片，在該波長(zhǎng)下對(duì)CCD進(jìn)行了校準(zhǔn)[3]。2017年，Methling等采用光纖式近紅外光譜儀結(jié)合高速攝像機(jī)測(cè)量了10～20 kA正弦電流下銅陽(yáng)極表面溫度，并通過(guò)校正電極發(fā)射光譜獲得了電極表面發(fā)射率，同時(shí)討論了等離子體輻射對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響[4]。與一般溫度場(chǎng)探測(cè)不同，真空弧陰極溫度場(chǎng)的空間尺度和時(shí)間尺度都很小，這給溫度場(chǎng)的測(cè)試帶來(lái)很大困難，常規(guī)的輻射測(cè)溫儀無(wú)法滿足要求。因此，本文研制了基于高速CCD相機(jī)的真空弧等離子體陰極放電溫度場(chǎng)測(cè)量多光譜高溫計(jì)，并對(duì)該高溫計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，獲取了真空弧等離子體陰極放電的數(shù)據(jù)，并計(jì)算了陰極溫度場(chǎng)測(cè)的溫度值。

1 測(cè)量原理

本文研制的多光譜高溫計(jì)具有4個(gè)光譜通道，采用多光譜測(cè)量方法，用于金屬電極放電后陰極場(chǎng)溫度測(cè)量。

如果多波長(zhǎng)溫度計(jì)有n個(gè)通道，則第i個(gè)通道測(cè)得的亮溫Ti與目標(biāo)真溫T的關(guān)系為

lnε(λi,T)=a+bλi

(1)

(2)

將式(1)代入式(2)，可得

(3)

整理得

(4)

(5)

本文采用的是4個(gè)光譜通道，其表達(dá)式為

(6)

通過(guò)進(jìn)行擬合計(jì)算得出被測(cè)目標(biāo)的真實(shí)溫度。

2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

高溫計(jì)主要由高速CCD相機(jī)和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩部分組成。高溫計(jì)測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示。高溫計(jì)的高速CCD相機(jī)具體包括成像系統(tǒng)、圖像傳感以及采集系統(tǒng)?？刂朴?jì)算機(jī)系統(tǒng)包括圖像處理系統(tǒng)。高溫計(jì)的成像系統(tǒng)和圖像傳感及采集系統(tǒng)主要用于將電極輻射能量信號(hào)處于高速CCD相機(jī)的非飽和區(qū)域，并最終得到被測(cè)電極目標(biāo)的數(shù)字圖像。圖像處理系統(tǒng)主要是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行的，高速CCD相機(jī)由一根網(wǎng)線連接至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)的軟件對(duì)圖像進(jìn)行采集及后續(xù)處理，最終得到放電電極的溫度(場(chǎng))信息。

圖1 高溫計(jì)原理圖Fig.1 Schematic diagram of pyrometer

本文設(shè)計(jì)的高溫計(jì)具有如下性能： 具有較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率； 濾光片的波長(zhǎng)選擇要避開(kāi)等離子體輻射中輻射較強(qiáng)的部分，保證探測(cè)器能獲得足夠的輻射能量，提高儀器的精度和靈敏度。(1)溫度場(chǎng)測(cè)量時(shí)所采用波長(zhǎng)數(shù)量決定了高溫計(jì)使用濾光片數(shù)量，濾光片數(shù)量增加會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本文中采用4個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行溫度測(cè)量。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，陰極表面溫度的理論計(jì)算值均在2 000 K以上，因此探測(cè)波段應(yīng)偏向短波波段，為了消除弧光的影響，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]發(fā)現(xiàn)真空弧放電等離子體的發(fā)射光譜為線狀譜而非連續(xù)譜，通過(guò)選擇輻射較弱或不存在的波段，作為陰極溫度的探測(cè)波段。本文選擇4個(gè)波長(zhǎng)分別為： 460，550，570和640 nm。本文選擇的濾光片為BP系列濾光片，其規(guī)格直徑6.3 mm×1.1 mm； Δλ=20 nm。(2)高速CCD相機(jī)選擇。采用的高速相機(jī)要具有以下性能，一是相機(jī)的響應(yīng)波段要包含輻射測(cè)溫所使用的探測(cè)波段，二是相機(jī)的時(shí)空分辨率要滿足要求。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，真空弧陰極溫度場(chǎng)區(qū)域直徑約為50 μm，存在時(shí)間約為2 μs，對(duì)高溫計(jì)進(jìn)行空間分辨率測(cè)試，測(cè)試中目標(biāo)的寬度為15.9 mm在圖像里有512個(gè)像素，空間分辨率就是單個(gè)像素代表的距離，通過(guò)計(jì)算其結(jié)果為31.05 μm。本文采用的高速CCD相機(jī)最小曝光時(shí)間為293 ns，因此高速CCD相機(jī)的時(shí)空分辨率滿足探測(cè)要求。三是高速CCD相機(jī)在所選波段范圍內(nèi)能有效的探測(cè)到陰極目標(biāo)輻射。

現(xiàn)有彩色CCD相機(jī)不能完全消除等離子體放電產(chǎn)生的弧光。只能采用單色CCD相機(jī)，單色相機(jī)只能測(cè)到單一波長(zhǎng)下的溫度值。為解決上述面臨的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了用于等離子體放電陰極溫度測(cè)量的新型多光譜高溫計(jì)。將一個(gè)濾光片四分波長(zhǎng)，即將4種不同波長(zhǎng)的濾光片嵌入到1個(gè)大的濾光片中，這樣單色相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)四波長(zhǎng)下的測(cè)溫。測(cè)量系統(tǒng)采用4分孔徑分光系統(tǒng)，即將光路分割成4個(gè)通道，通過(guò)加裝的濾光片實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的分離，在CCD探測(cè)器上實(shí)現(xiàn)四幅成像，實(shí)現(xiàn)多光譜測(cè)溫，進(jìn)而得到等離子體放電陰極溫度。圖2是設(shè)計(jì)的單色多波長(zhǎng)高溫計(jì)的鏡頭光學(xué)原理及結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 高溫計(jì)鏡頭光學(xué)原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of optical principle and structure for pyrometer lens

3 高溫計(jì)的標(biāo)定與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

(1)高溫計(jì)的標(biāo)定

為獲得真空弧等離子體放電陰極溫度，需要知道多波長(zhǎng)高溫計(jì)每個(gè)通道的亮溫值和有效波長(zhǎng)，因此需要進(jìn)行標(biāo)定，本文利用濾光片確定了目標(biāo)各個(gè)通道有效波長(zhǎng)，不需要對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定，只需要對(duì)溫度下目標(biāo)所輻射的能量進(jìn)行溫度標(biāo)定。利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以獲得最佳擬合結(jié)果。本文以第三通道為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)為0.998 2。圖3為研制的高溫計(jì)第三通道亮溫標(biāo)定曲線圖。

圖3 第三通道亮溫標(biāo)定曲線Fig.3 Bright temperature calibration curve of the third channel

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多光譜高溫計(jì)的有效性，在中國(guó)工程物理研究院進(jìn)行驗(yàn)證。應(yīng)用高溫計(jì)對(duì)等離子體放電陰極的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。放電電流為880 A，放電電極為銅電極。圖4為放電開(kāi)始前對(duì)銅電極拍攝的不同波長(zhǎng)下4幅圖像。通過(guò)圖4可以清晰的拍攝到1個(gè)濾光片下的4種波長(zhǎng)下的4幅成像圖，這樣就可以通過(guò)灰度-溫度得到陰極放電電極的溫度。圖4(a)為灰度圖，圖4(b)偽彩色圖。

圖4 銅電極的4幅成像圖 (a)： 銅電極的灰度圖； (b)： 銅電極的偽彩色圖Fig.4 Four images of copper electrodes (a)： Gray scale image of copper electrode； (b)： Pseudo-color image of copper electrode

本次測(cè)量放電電流880 A放電過(guò)程中銅電極陰極溫度場(chǎng)溫度。由于放電過(guò)程中，高溫計(jì)部分通道灰度值出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，需加入2%的衰減片進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)量。圖5為t1—t9時(shí)刻有衰減片的溫度場(chǎng)分布圖。

通過(guò)圖5溫度分布圖可以繪制出同一電流不同放電時(shí)刻溫度變化圖。圖6為放電電流880 A放電過(guò)程中不同時(shí)刻測(cè)量溫度變化曲線圖。

本文研制的高溫計(jì)在最小曝光時(shí)間293 ns下通過(guò)外部觸發(fā)完全能夠拍攝到等離子體放電的過(guò)程。通過(guò)圖6計(jì)算出對(duì)于同一放電電流情況下測(cè)量的陰極溫度。銅電極沸點(diǎn)溫度在2 567 ℃，等離子體在氣化過(guò)程中陰極溫度會(huì)降低，所以理論上陰極溫度略小于2 567 ℃，等離子體放電溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的陰極溫度峰值為2 541.51 ℃，略低于銅電極沸點(diǎn)，與理論值相符，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的高溫計(jì)可以有效測(cè)量等離子體放電陰極溫度。

圖5 有衰減片銅電極t1—t9時(shí)刻溫度場(chǎng)分布圖Fig.5 Temperature field distribution of attenuator copper electrode at time t1—t9

圖6 同一放電電流不同放電時(shí)間溫度圖Fig.6 Temperature diagram of different discharge time for the same discharge current

4 不確定度分析

采用的高溫計(jì)的測(cè)量不確定度受多種因素的影響，主要包括四個(gè)方面： 理論誤差的不確定度； CCD相機(jī)在非理想情況下響應(yīng)波長(zhǎng)帶寬不確定度； 發(fā)射率變化不確定度； 標(biāo)定的不確定度。

理論誤差不確定度在本次高溫測(cè)量中，通過(guò)使用維恩公式得出系統(tǒng)的理論誤差，系統(tǒng)的最大相對(duì)誤差為εe=1.0%； CCD相機(jī)在非理想情況下響應(yīng)波長(zhǎng)帶寬不確定度為εa=0.012%； 目標(biāo)發(fā)射率變化不確定度根據(jù)文獻(xiàn)[10]，經(jīng)計(jì)算可知發(fā)射率變化不確定度為εb=0.93%； 標(biāo)定的不確定度本文只需要溫度標(biāo)定，因此標(biāo)定的不確定度就是溫度標(biāo)定的不確定度，根據(jù)該高溫計(jì)的溫度標(biāo)定結(jié)果可知，標(biāo)定的不確定度為εc≈0.14%。

由以上不確定度分析可以得到此多波長(zhǎng)高溫計(jì)的真溫測(cè)量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(9)

通過(guò)乘以包含因子k=2，得到合成擴(kuò)展不確定度為2.74%，此時(shí)置信概率為95%。

5 結(jié) 論

研制了基于高速CCD相機(jī)的單色四波長(zhǎng)真空弧等離子體陰極放電溫度測(cè)量多光譜高溫計(jì)，其波長(zhǎng)范圍為300～900 nm。本文對(duì)濾光片進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將4種不同波長(zhǎng)的濾光片嵌入到1個(gè)濾光片中，實(shí)現(xiàn)多光譜測(cè)溫。通過(guò)對(duì)等離子體陰極放電溫度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，驗(yàn)證了高溫計(jì)的工作性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的高溫計(jì)可以測(cè)等離子體放電陰極溫度。在同一放電電流情況下，陰極的溫度隨放電時(shí)刻的變化先增大后減小，實(shí)驗(yàn)值與理論值相符。高溫計(jì)測(cè)量的是等離子體放電陰極溫度。高溫計(jì)的研制成功為真空弧等離子體陰極放電的真實(shí)溫度測(cè)量提供了一種有效的途徑。