中国兵器213研究所 西安 710061
摘要：作为一种非介入诊断技术，光谱法有着独特的优势，具有瞬态测量、非接触方式以及对测试对象无干扰等优点。本文针对PPT放电等离子体的特点，应用发射光谱法测量脉冲等离子体推力器（PPT）放电通道的光谱特性。设计并搭建了试验系统，解决了光谱测试中PPT初始定位、时间基准以及光强标定等问题，并对PPT放电通道的等离子体进行了光谱测试，获得了不同波长的光谱在不同位置随时间变化的规律。
关键词：光谱法，PPT，等离子体
1、引言
与一般的稳态等离子体相比，PPT放电产生的等离子体有两个主要的不同。一方面，PPT放电产生的等离子体是脉冲等离子体，等离子体存活时间非常短，约几us到几十us，这个特点使得普遍应用于稳态等离子体诊断的技术很难用于PPT等离子体；另一方面，PPT等离子体的产生与PPT放电时间高度重合，伴随着强烈的电磁辐射，测试设备仪器不可避免的受到干扰。
相对于其他传统等离子体诊断方法，光谱法有着无可比拟的优势。作为一种非介入诊断技术，它不会干扰试验对象本身的工作。同时，它可以对各种形态的等离子体进行精确诊断，不仅适用于稳态等离子体，也应用于瞬态等离子体的测定。因此，光谱法适合用于PPT产生的瞬态等离子体测试，并在PPT工作机理研究中发挥了重要的作用。
在众多光谱方法中，发射光谱法因设备简单和易于实施受到PPT研究者的青睐。通过发射光谱法对存在强电磁场作用的PPT放电通道内等离子体的探测，有助于理解PPT内部等离子体复杂的化学反应与流动耦合机制[ ]。
2、PPT试验方案
2.1、试验系统搭建
针对PPT试验需求，本文主要研究放电通道内等离子体的诊断技术。试验系统主要包括光谱仪、高压稳压电源、高速数据采集系统、PC控制主机、控制器、步进电机、定位光源和标定装置。
试验系统的工作原理为：PPT样机放置在真空舱内由步进电机驱动的电移台上，以便实现精确定位；PPT产生的等离子体的发射光穿过狭缝后经过滤光片轮消除多级光谱，并经光谱仪成为单色光，然后进一步经光电倍增管转换为电压信号，最后送入高速数据采集系统记录。
2.2、推力器
本试验中所用的推力器为单喷口型PPT样机[ ， ]，主要由正负电极、储能电容器、火花塞、聚四氟乙烯推进剂（Teflon）以及固定、补给装置组成。推进剂放置在放电极板之间，火花塞安装在靠近推进剂端面位置，储能电容器与放电极板的正负极相连。
2.3、步进定位装置
步进定位装置由控制器、电移台和步进电机两个部分组成。控制器放置于真空舱外。电移台和步进电机放置于真空舱内，并通过真空舱壁的高真空插头与控制器相连。
3、试验方法
3.1、初始定位
试验开始前，首先将定位光源放置在滤光片轮与PPT样机共线的另一端，并且放置高度与PPT样机通道出口的高度一致。然后，通过调节定位光源使采集到的信号最大时以保证定位光源处于最佳位置。最后，通过步进电机控制PPT前后的移动，当PPT移动到一定位置时，会遮挡住定位光源所发射的红光，即无法利用光谱仪采集到红光信号，利用步进电机的高精度移动优点，可以找到PPT遮挡住红光的临界位置。该临界点即为PPT定位的统一初始位置。
3.2、时间基准选择
时间基准信号选择火花塞点火信号。PPT工作电源使用的是中科院研制的“MDT-Ⅱ型”地面试验电源，可实现控制火花塞的点火频率的功能。根据PPT的工作原理， PPT放电处于火花塞点火之后。具体的火花塞点火电路如图7所示。由于火花塞点火频率由内置的单片机控制，点火时间精确度较高。因此火花塞点火信号可作为时间基准信号。
鉴于火花塞点火电压高达600V，火花塞点火信号无法直接作为高速数据采集系统的外触发信号，因此采用分压原理将点火信号降低到允许记录的信号范围内。具体实现方法为：在点火信号输出点并联一个电路，电路中串联两个阻值分别为2000Ω和10Ω的电阻，以10Ω电阻两端的信号作为时间基准信号。
3.3、光强标定
光强标定是利用光强已知的高精度光源对试验系统进行标定，从而获得光谱仪输出电压与绝对光谱强度之间的关系。本试验采用海洋光学HL-2000-CAL辐射定标光源，光源标定证书包含300-1050nm绝对光强数据。标定时用定标光源替代被测对象，标定过程中外部环境及光谱仪参数（包括波长、狭缝、光栅、稳压幅值）与实际测量过程严格保持一致。
4、试验结果和分析
4.1、试验条件及内容
本试验的光谱仪条件设定：稳压电源650V，入口和出口狭缝大小200um,选用70G1200-300（1200g/mm）光栅。
试验中分别测量了不同电压下不同位置的CⅠ、CⅡ、CⅢ、FⅠ和FⅡ等5种组分在光谱仪范围内的较为显著波长的光谱信号，并分析了不同位置和不同电压下组分和速度的变化规律。
4.2、试验结果
4.2.1 不同放电位置的光谱变化
在放电电压为1300V的工况下测量了放电通道内距离推进剂表面0mm、7mm、14mm不同位置的放电光谱，所选波长如表2所示。各种组分不同波长的光谱变化规律如图所示。
（d） CⅢ组分
图1 不同位置组分变化
由图a可以看出， 14mm处相比于0和7mm处多出两条FⅠ谱线，即在通道出口处F原子增多。由图b可以看出，FⅡ组分在整个等离子体通道均存在。从图c和图d可以看出，CⅡ和CⅢ组分的谱线强度在0mm、7mm、14mm的位置逐渐减小。 由此可知：在通道出口的14mm处，等离子体的电离程度相对有所降低。
4.2.2 不同放电电压的光谱变化
在放电通道14mm位置，通过改变极板间所加的放电电压，测量出1100V、1300V、1500V不同放电电压下的光谱数据，变化规律如图2所示。
（d） CⅢ组分
图2 不同放电电压组分变化
由图可知，在不同放电电压下，放电通道同一位置的等离子体组分一致。对于同一波长，光谱强度是随着放电电压的升高而增大。放电电压对等离子体组分基本没有影响，但会影响组等离子体组分的浓度，尤其FⅡ和CⅢ组分变化明显。这说明高电离度的离子随放电电压增大而增多。
5、结论
本文根据脉冲等离子体推力器（PPT）放电通道内等离子体的特点，使用发射光谱法研究PPT放电通道的光谱特性。研究中解决了测试过程中初始定位、时间基准和光谱标定等关键问题，并对放电通道的等离子体进行了光谱测试。研究结果表明：光谱随时间变化与电流变化不完全一致；在放电通道内，等离子体不同组分具有不同的最高速度，等离子体运动呈“加速-下降”趋势，电离程度也在出口处有所减小；高电离度的离子随放电电压增大而整体增多。
参考文献
[1]Thomas E.Markusic,Ronald A.Spores. Spectroscopic emission measurements of a pulsed plasmathruster Plume [J]. American Institut of Aeronautics and Astronautics, Inc,1997.
[2]吴汉基.脉冲等离子体电火箭在卫星控制方面的应用[J].电工电能新技术， 1986.10.
[3]吴汉基，蒋远大，张宝明，等.电火箭推进的空间探测器[J].中国航天，2006.
论文作者:李丹
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/24
标签：等离子体论文; 光谱论文; 组分论文; 电压论文; 火花塞论文; 信号论文; 通道论文; 《防护工程》2017年第17期论文;