真空弧等离子体具有电离度高、 产生离子种类多、 束流强、 纯度好、 离子电荷态高等特点, 己被广泛用于电弧键膜、 离子注入、 开关和火箭推进器以及离子源等领域^[1]。 金属等离子体阴极在放电过程中会向外辐射能量, 可以通过光谱的光强来反映出该等离子体的辐射温度。 因此对于快速精确的测量等离子体阴极放电时其阴极场温度具有重要的意义。

对于真温和发射率的测量, 多光谱高温计依然是最为主要的测量装置。 2005年, Simmons等采用CCD相机成像测量了粒子加速器中热离子钨阴极的温度和不均匀性, 通过获取0.4 μ m下的蓝光光谱进行测温, 测温精度为3%^[2]。 2011年, Bergner等根据CCD相机测试结果反演出钨阴极的表面温度分布, 并采用了890 nm的干涉滤光片, 在该波长下对CCD进行了校准^[3]。 2017年, Methling等采用光纤式近红外光谱仪结合高速摄像机测量了10~20 kA正弦电流下铜阳极表面温度, 并通过校正电极发射光谱获得了电极表面发射率, 同时讨论了等离子体辐射对测量带来的影响^[4]。 与一般温度场探测不同, 真空弧阴极温度场的空间尺度和时间尺度都很小, 这给温度场的测试带来很大困难, 常规的辐射测温仪无法满足要求。 因此, 本文研制了基于高速CCD相机的真空弧等离子体阴极放电温度场测量多光谱高温计, 并对该高温计进行了测试, 获取了真空弧等离子体阴极放电的数据, 并计算了阴极温度场测的温度值。

本文研制的多光谱高温计具有4个光谱通道, 采用多光谱测量方法, 用于金属电极放电后阴极场温度测量。

如果多波长温度计有n个通道, 则第i个通道测得的亮温T_i与目标真温T的关系为

lnε(λi, T)=a+bλi(1)

1T-1Ti=λiC2lnε(λi, T)(2)

将式(1)代入式(2), 可得

1T-1Ti=λiC2(a+bλi)(3)

整理得

-C2Ti=-C2T+aλi+bλi2(4)

记Y_i=- C2Ti, b₀=- C2T, b₁=a, b₂=b, 则式(4)变为

Yi=b0+b1λi+b2λi2(5)

本文采用的是4个光谱通道, 其表达式为

Y1=b0+b1λ1+b2λ12Y2=b0+b1λ2+b2λ22Y3=b0+b1λ3+b2λ32Y4=b0+b1λ4+b2λ42(6)

通过进行拟合计算得出被测目标的真实温度。

高温计主要由高速CCD相机和控制计算机系统两部分组成。 高温计测量系统原理如图1所示。 高温计的高速CCD相机具体包括成像系统、 图像传感以及采集系统。 控制计算机系统包括图像处理系统。 高温计的成像系统和图像传感及采集系统主要用于将电极辐射能量信号处于高速CCD相机的非饱和区域, 并最终得到被测电极目标的数字图像。 图像处理系统主要是在计算机系统中运行的, 高速CCD相机由一根网线连接至上位机, 通过上位机的软件对图像进行采集及后续处理, 最终得到放电电极的温度(场)信息。

图1

Fig.1

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	图1 高温计原理图Fig.1 Schematic diagram of pyrometer

本文设计的高温计具有如下性能: 具有较高的时间分辨率和空间分辨率; 滤光片的波长选择要避开等离子体辐射中辐射较强的部分, 保证探测器能获得足够的辐射能量, 提高仪器的精度和灵敏度。 (1)温度场测量时所采用波长数量决定了高温计使用滤光片数量, 滤光片数量增加会增加系统设计的复杂性。 本文中采用4个波长进行温度测量。 根据文献[5], 阴极表面温度的理论计算值均在2 000 K以上, 因此探测波段应偏向短波波段, 为了消除弧光的影响, 根据参考文献[1]发现真空弧放电等离子体的发射光谱为线状谱而非连续谱, 通过选择辐射较弱或不存在的波段, 作为阴极温度的探测波段。 本文选择4个波长分别为: 460, 550, 570和640 nm。 本文选择的滤光片为BP系列滤光片, 其规格直径6.3 mm× 1.1 mm; Δ λ =20 nm。 (2)高速CCD相机选择。 采用的高速相机要具有以下性能, 一是相机的响应波段要包含辐射测温所使用的探测波段, 二是相机的时空分辨率要满足要求。 根据文献[6], 真空弧阴极温度场区域直径约为50 μ m, 存在时间约为2 μ s, 对高温计进行空间分辨率测试, 测试中目标的宽度为15.9 mm在图像里有512个像素, 空间分辨率就是单个像素代表的距离, 通过计算其结果为31.05 μ m。 本文采用的高速CCD相机最小曝光时间为293 ns, 因此高速CCD相机的时空分辨率满足探测要求。 三是高速CCD相机在所选波段范围内能有效的探测到阴极目标辐射。

现有彩色CCD相机不能完全消除等离子体放电产生的弧光。 只能采用单色CCD相机, 单色相机只能测到单一波长下的温度值。 为解决上述面临的问题, 本文设计了用于等离子体放电阴极温度测量的新型多光谱高温计。 将一个滤光片四分波长, 即将4种不同波长的滤光片嵌入到1个大的滤光片中, 这样单色相机就可以实现四波长下的测温。 测量系统采用4分孔径分光系统, 即将光路分割成4个通道, 通过加装的滤光片实现对光谱的分离, 在CCD探测器上实现四幅成像, 实现多光谱测温, 进而得到等离子体放电阴极温度。 图2是设计的单色多波长高温计的镜头光学原理及结构示意图。

图2

Fig.2

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	图2 高温计镜头光学原理及结构示意图Fig.2 Diagram of optical principle and structure for pyrometer lens

(1)高温计的标定

为获得真空弧等离子体放电阴极温度, 需要知道多波长高温计每个通道的亮温值和有效波长, 因此需要进行标定, 本文利用滤光片确定了目标各个通道有效波长, 不需要对波长进行标定, 只需要对温度下目标所辐射的能量进行温度标定。 利用最小二乘法对数据进行拟合, 以获得最佳拟合结果。 本文以第三通道为例, 进行数据拟合, 拟合的相关系数为0.998 2。 图3为研制的高温计第三通道亮温标定曲线图。

图3

Fig.3

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	图3 第三通道亮温标定曲线Fig.3 Bright temperature calibration curve of the third channel

(2)现场实验

为进一步验证设计的多光谱高温计的有效性, 在中国工程物理研究院进行验证。 应用高温计对等离子体放电阴极的温度场进行测量。 放电电流为880 A, 放电电极为铜电极。 图4为放电开始前对铜电极拍摄的不同波长下4幅图像。 通过图4可以清晰的拍摄到1个滤光片下的4种波长下的4幅成像图, 这样就可以通过灰度-温度得到阴极放电电极的温度。 图4(a)为灰度图, 图4(b)伪彩色图。

图4

Fig.4

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	图4 铜电极的4幅成像图 (a): 铜电极的灰度图; (b): 铜电极的伪彩色图Fig.4 Four images of copper electrodes (a): Gray scale image of copper electrode; (b): Pseudo-color image of copper electrode

本次测量放电电流880 A放电过程中铜电极阴极温度场温度。 由于放电过程中, 高温计部分通道灰度值出现饱和现象, 需加入2%的衰减片进行温度场测量。 图5为t₁— t₉时刻有衰减片的温度场分布图。

图5

Fig.5

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	图5 有衰减片铜电极t1— t9时刻温度场分布图Fig.5 Temperature field distribution of attenuator copper electrode at time t1— t9

通过图5温度分布图可以绘制出同一电流不同放电时刻温度变化图。 图6为放电电流880 A放电过程中不同时刻测量温度变化曲线图。

图6

Fig.6

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	图6 同一放电电流不同放电时间温度图Fig.6 Temperature diagram of different discharge time for the same discharge current

本文研制的高温计在最小曝光时间293 ns下通过外部触发完全能够拍摄到等离子体放电的过程。 通过图6计算出对于同一放电电流情况下测量的阴极温度。 铜电极沸点温度在2 567 ℃, 等离子体在气化过程中阴极温度会降低, 所以理论上阴极温度略小于2 567 ℃, 等离子体放电温度测量实验中测得的阴极温度峰值为2 541.51 ℃, 略低于铜电极沸点, 与理论值相符, 说明了设计的高温计可以有效测量等离子体放电阴极温度。

采用的高温计的测量不确定度受多种因素的影响, 主要包括四个方面: 理论误差的不确定度; CCD相机在非理想情况下响应波长带宽不确定度; 发射率变化不确定度; 标定的不确定度。

理论误差不确定度在本次高温测量中, 通过使用维恩公式得出系统的理论误差, 系统的最大相对误差为ε _e=1.0%; CCD相机在非理想情况下响应波长带宽不确定度为ε _a=0.012%; 目标发射率变化不确定度根据文献[10], 经计算可知发射率变化不确定度为ε _b=0.93%; 标定的不确定度本文只需要温度标定, 因此标定的不确定度就是温度标定的不确定度, 根据该高温计的温度标定结果可知, 标定的不确定度为ε _c≈ 0.14%。

由以上不确定度分析可以得到此多波长高温计的真温测量的合成标准不确定度为

εTotal=εe2+εa2+εb2+εc2≈1.37%(9)

通过乘以包含因子k=2, 得到合成扩展不确定度为2.74%, 此时置信概率为95%。

研制了基于高速CCD相机的单色四波长真空弧等离子体阴极放电温度测量多光谱高温计, 其波长范围为300~900 nm。 本文对滤光片进行了重新设计, 将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中, 实现多光谱测温。 通过对等离子体阴极放电温度的现场测量, 验证了高温计的工作性能。 实验结果表明, 所研制的高温计可以测等离子体放电阴极温度。 在同一放电电流情况下, 阴极的温度随放电时刻的变化先增大后减小, 实验值与理论值相符。 高温计测量的是等离子体放电阴极温度。 高温计的研制成功为真空弧等离子体阴极放电的真实温度测量提供了一种有效的途径。