壁稳弧等离子体温度测量

　　0　引言

　　等离子体作为物质的一种状态广泛存在于自然界中,如闪电、极光、星云等,实验室等离子体则更为多见,如日光灯、霓虹灯、高速飞行器尾迹、等离子体发生器、电弧、受控核聚变、原子弹氢弹爆炸等。近年来,对等离子体的基本性质、基本过程的研究越来越深入,在此基础上,等离子体技术,特别是低温等离子体技术(2000K～20000K),在现代工业及科技领域中得到了日益广泛的应用。

　　等离子体温度是等离子体热力学状态的一个重要参数,等离子温度测量已有多种方法,如探针法、干涉法、激光法等等。本文介绍一种新的等离子体温度测量法——壁稳定弧等离子体温度测量,德国PTB的学者曾采用该法对Ar+5%H的壁稳弧等离子体的温度进行了测量。

　　1　理论依据

　　如图1所示,由辐射传导方程可导出下列公式[1]:

　　其中,Sλ(T)—波长为λ温度为T时,黑体的光谱辐射亮度;Hλ(T)—波长为λ温度为T时,等离子体的光谱吸收系数;Lλ(T)—波长为λ温度为T时,等离子体的光谱辐射亮度;l—等离子体的有效长度。

　　若上式中的第一项不等于0,就意味着在等离子体的外边还有辐射产生,在壁稳定弧的情况下,此项为0,这样就得到以下公式:

　　由式(1)可以看出,若能测出等离子体的光谱辐射亮度Lλ(T)和吸收系数Hλ(T),即可求出黑体的光谱辐射亮度Sλ(T),再由普朗克公式,就可计算出温度。

　　其中,C1—第一辐射常数;C2—第二辐射常数;λ—波长;T—热力学温度。

　　2　测量方法

　　图2为壁稳弧等离子体温度测量法原理图。在壁稳弧等离子体的后方放置一个凹面反射镜。Lλ(T)为不带凹面反射镜时,等离子体的光谱辐射亮度;L*λ(T)为带凹面反射镜时,等离子体的光谱辐射亮度;τ为等离子体石英窗口透射比,R~为凹面反射镜反射比;R为总反射比。由于光两次通过窗口,故

　　所测得的谱线剖面如图3所示。由于谱线很窄(约10 ),故在此可将Sλ(T)视为常数,因此所带来的误差可忽略不计。由于线翼处的光谱辐亮度LλF(T)小于其他各处的光谱辐亮度Lλ(T),该处的Hλ(T)l(记作HλF(T)l)小于其他各处的Hλ(T)l,这样,我们可以作以下假设:线翼处的HλF1(T)<<1(脚标1表示第一次近似值),即为光学薄等离子体。由(3)式得到R的第一次近似值为

　　现要验证上述假设是否成立,即在线翼处HλF1(T)<<1是否成立。