CN117420083B - 一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置及方法，涉及等离子体光谱测试技术领域，解决的技术问题为“如何进行等离子体推进器工部件侵蚀痕量产物监测”，该装置包括金属屏蔽罩，以及设置于所述金属屏蔽罩内部的第一凸透镜、第一反射镜、分光棱镜、第二凸透镜、光栅以及第二反射镜，以及设置于所述金属屏蔽罩外部的光电倍增管和分析处理设备；所述金属屏蔽罩侧壁上固定有入射光狭缝和出射光狭缝，所述出射光狭缝与所述光电倍增管连接，所述光电倍增管与所述分析处理设备连接；该装置及方法设计了光谱仪设备对痕量产物谱线光强进行监测，建立痕量物质辐射谱线强度和光强信号波动关系，以获得痕量产物绝对密度，可靠性高，监测灵敏。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体光谱测试技术领域。
背景技术
等离子体推进器是电推进***核心设备，其承担着卫星推进与姿态调控的重要作用，其性能状态直接决定了推进***的状态。
等离子体推进器传统寿命考核测试成本高昂，且需要大量的时间，不利于工程单位快速迭代优化设计。实际上，有研究表明，等离子体推进器寿命失效的原因主要是部件侵蚀，例如，空心阴极发射体侵蚀和霍尔推力器壁面侵蚀导致推力器失效。因此，监测等离子体推进器部件侵蚀痕量产物是评估等离子体推进器寿命的有效的手段，而发射光谱方法具备原位、即时、无侵扰的特点，其可用于等离子体推进器部件侵蚀痕量产物的监测。实际上，等离子体侵蚀痕量产物密度相比于推力器主体放电工质密度而言，其数量级要低数倍，需要设计光谱仪设备，使其具备监测痕量产物的能力。
然而，现有的其他领域的光谱测定方法所测的信号具有强信号的特征，其不涉及对痕量物质的弱信号的测试与分析，故而不适用于等离子体推进器寿命评估中痕量弱信号的采集，若直接应用存在无法测得痕量产物信号的问题。
因此，如何解决等离子体推进器工部件侵蚀痕量产物监测的问题，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置及方法，该装置设计了光谱仪设备对痕量产物谱线光强进行监测，建立痕量物质辐射谱线强度和光强信号波动关系，以获得痕量产物绝对密度，可靠性高，监测灵敏。
一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置，包括金属屏蔽罩，以及设置于所述金属屏蔽罩内部的第一凸透镜、第一反射镜、分光棱镜、第二凸透镜、光栅以及第二反射镜，以及设置于所述金属屏蔽罩外部的光电倍增管和分析处理设备；
所述金属屏蔽罩侧壁上固定有入射光狭缝和出射光狭缝，所述出射光狭缝与所述光电倍增管连接，所述光电倍增管与所述分析处理设备连接；所述第一凸透镜靠近所述入射光狭缝设置于所述金属屏蔽罩内，所述第一反射镜与所述第一凸透镜对应设置；
所述入射光狭缝收集到的等离子体辐射光依次经过所述第一凸透镜、所述第一反射镜、所述分光棱镜、所述第二凸透镜、所述光栅以及所述第二反射镜，并经所述出射光狭缝入射至所述光电倍增管，所述光电倍增管将获取到的实验光强信息传输至所述分析处理设备；
所述分析处理设备包括如下模块：
光强采集模块，用于采集痕量产物波长范围内的实验光强信息；
波动误差计算模块，用于基于所述实验光强计算实验光强波动导致的波动误差；
关系建立模块，用于建立理论光强与所述实验光强的关系；
痕量产物密度计算模块，用于基于所述波动误差以及所述理论光强与所述实验光强的关系，计算痕量产物的密度；
其中，所述理论光强通过如下公式表示：
Imodel=ε×ne×ni×Qi；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数，Imodel表示理论上痕量产物发光的强度，即理论光强。
进一步地，所述入射光狭缝宽度为25um。
进一步地，所述入射光狭缝外接SMA接头，所述SMA接头连接光纤，所述光纤另外一侧用于接收等离子体区域辐射的光，所述光纤为芯心为1000um的高透深紫外光纤。
进一步地，所述装置还包括光栅角度调控部件，所述光栅角度调控部件设于所述金属屏蔽罩与入射光狭缝的所述侧壁相邻的侧壁，所述光栅角度调控部件与所述光栅连接。
一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测方法，应用上述装置，包括如下步骤：
采集痕量产物波长范围内的实验光强信息；
基于所述实验光强计算实验光强波动导致的波动误差；
建立理论光强与所述实验光强的关系；
基于所述波动误差以及所述理论光强与所述实验光强的关系，计算痕量产物的密度。
进一步地，采集痕量产物波长范围内的实验光强信息时，在连续时间采集预设次数，所述预设次数为100次。
进一步地，所述痕量产物波长范围为：波长中心为250nm，范围是1nm的区域。
进一步地，所述痕量产物的密度通过如下公式计算：
ni=erro2/(ε×ne×Qi)；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数，erro为波动误差。
进一步地，ε为0.01，ne取空心阴极设备探针测量电子密度值，值为1011cm-3；
所述激发速率系数表示如下：
Qi=2.56×10-8×Te (0.193)×exp(-3.93/Te)；
其中，Te取空心阴极设备探针测量电子温度值，值为3eV。
本发明提供的等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置及方法，至少包括如下有益效果：
（1）设计了光谱仪设备对痕量产物谱线光强进行监测，等离子体辐射光进入装置内部后，经分光棱镜和光栅两次分光以及发散汇聚后，被光电倍增管接收，在连续时间内多次接收被测量的光谱强度，建立痕量物质辐射谱线强度和光强信号波动关系，以获得痕量产物绝对密度，相较于传统测试方法，该监测方法可靠性高，监测灵敏；
（2）在连续时间内多次接收被测量的光谱强度，能够更好地衡量痕量产物光强的波动性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置一种实施例的光路图；
图2为等离子体侵蚀痕量产物在线监测方法一种实施例的流程图；
附图标记：1-金属屏蔽罩，2-入射光狭缝，3-第一凸透镜，4-第一反射镜，5-分光棱镜，6-第二凸透镜，7-光栅，8-第二反射镜，9-出射光狭缝，10-光电倍增管，11-精密机械步进调控台。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，下面通过参考附图的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请中“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”“连通”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例一：
参见图1，在一些实施例中，提供一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置，包括金属屏蔽罩1，以及设置于所述金属屏蔽罩1内部的第一凸透镜3、第一反射镜4、分光棱镜5、第二凸透镜6、光栅7以及第二反射镜8，以及设置于所述金属屏蔽罩1外部的光电倍增管10和分析处理设备；
所述金属屏蔽罩1侧壁上固定有入射光狭缝2和出射光狭缝9，所述出射光狭缝9与所述光电倍增管10连接，所述光电倍增管10与所述分析处理设备连接；入射光狭缝2用于将收集等离子体辐射光。所述第一凸透镜3靠近所述入射光狭缝2设置于所述金属屏蔽罩1内，所述第一反射镜4与所述第一凸透镜3对应设置；
所述入射光狭缝2前接SMA905接头的光纤，光纤另一端放置在待监测区域收集等离子体辐射出来的光，而后从入射光狭缝2依次经过所述第一凸透镜3、所述第一反射镜4、所述分光棱镜5、所述第二凸透镜6、所述光栅7以及所述第二反射镜8，并经所述出射光狭缝9入射至所述光电倍增管10，所述光电倍增管10将获取到的实验光强信息传输至所述分析处理设备。
所述分析处理设备包括如下模块：
光强采集模块，用于采集痕量产物波长范围内的实验光强信息；
波动误差计算模块，用于基于所述实验光强计算实验光强波动导致的波动误差；
关系建立模块，用于建立理论光强与所述实验光强的关系；
痕量产物密度计算模块，用于基于所述波动误差以及所述理论光强与所述实验光强的关系，计算痕量产物的密度。
优选的，所述第一反射镜4的法向与来自所述第一凸透镜3的入射光束成45度角。
优选的，所述入射光狭缝2宽度为25um，所述入射光狭缝2外接SMA接头，所述SMA接头用于***光纤，所述光纤另外一侧用于接收等离子体区域辐射的光，所述光纤为芯心为1000um的高透深紫外光纤。需要说明的是，狭缝的大小会影响分辨率和光通量，一般而言，狭缝越小分辨率越高，但光通量就越小，光通道小会让信号强度降低，设备难以测得。故而，为了兼顾分辨率和光通量，选择了25um的尺寸。
所述装置还包括光栅7角度调控部件，所述光栅7角度调控部件设于所述金属屏蔽罩1与入射光狭缝2的所述侧壁相邻的侧壁，所述光栅7角度调控部件与所述光栅7连接。
优选的，光栅7角度调控部件为精密机械步进调控台11，所述精密机械步进调控台11与所述光栅7连接，用于控制所述光栅7的角度。
工作时，经所述入射光狭缝2收集到的光束传播至第一凸透镜3，第一凸透镜3将光纤汇聚，光纤变为平行光；再入射至所述第一反射镜4，光束经三角形第一反射镜4传播方向改变90度，并入射至分光棱镜5，所述光束经所述分光棱镜5发生色散，分光棱镜5的作用为将复色光分解为单色光，再入射至所述第二凸透镜6，第二凸透镜6将光束汇聚；所述光束经所述第二凸透镜6汇聚入射至所述光栅7进行分光，经分光棱镜5和光栅7两次分光的光束，进一步传播至第二反射镜8；光束被出射光狭缝9接收，并入射到光电倍增管10探测器上，转化为可分析处理的电信号。光电倍增管10接收到的光的波段与光栅7偏转角度相关，光栅7偏转角度可由精密机械步进调控台11控制。至此，等离子体辐射出的光经分光后被光电倍增管10接收。
以上为监测装置通用性描述，现结合具体应用场景，以航天电推进空心阴极设备发射体侵蚀痕量产物B原子谱线的监测为例，进一步说明前述装置的实施与方法的应用。
航天电推进空心阴极设备侵蚀产物B原子典型波长为249.68nm和249.77nm。因此光谱仪***需要提取波长中心为250nm范围是1nm的区域的谱线。通过调整精密机械步进调控台11，控制光栅7的角度，可实现上述目的。
等离子体辐射的光进入光谱仪***是通过光纤导光完成的。光纤一端通过光纤耦合器固定再真空罐中监测电推进空心阴极设备发光区域，另一端固定在过真空光纤馈通法兰上。真空罐外用一根光纤，光纤一侧连接在过真空光纤馈通法兰上，另一侧旋拧在光谱仪入射狭缝SMA接口处。优选的，光纤选择芯心为1000um的高透深紫外光纤。需要说明的是，痕量产物的信号出现的波长的位置为紫外信号，若采用非紫外光纤则会因为光纤的原因降低信号，会使本来就很弱的信号还损失一部分，信号更弱难以测得。而芯心为1000um能够增加光通量，以便于提高信号的信噪比。
至此，电推进空心阴极设备等离子体辐射的复色光，经光谱仪***处理，被光电倍增管10探测并接收。控制光电倍增管10设置，可实现连续时间采集。优选的，等离子体空心阴极设备在一个工况下，连续时间采集100次，以衡量痕量产物光强的波动性。
实施例二：
参见图2，在一些实施例中，提供一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测方法，应用上述装置，包括如下步骤：
S1、采集痕量产物波长范围内的实验光强信息；
S2、基于所述实验光强计算实验光强波动导致的波动误差；
S3、建立理论光强与所述实验光强的关系；
S4、基于所述波动误差以及所述理论光强与所述实验光强的关系，计算痕量产物的密度。
具体地，步骤S1中，采集痕量产物波长范围内的实验光强信息时，在连续时间采集预设次数，所述预设次数为100次。
采集过程中，采集痕量产物波长范围内的实验光强信息是通过调整光栅7角度实现的。所述痕量产物波长范围为：波长中心为250nm，范围是1nm的区域。
步骤S3中，所述理论光强通过如下公式表示：
Imodel=ε×ne×ni×Qi；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数，Imodel表示理论上痕量产物发光的强度，即理论光强。
步骤S4中，所述痕量产物的密度通过如下公式计算：
ni=erro2/(ε×ne×Qi)；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数。
作为一种较优的实施方式，ε为0.01，ne取空心阴极设备探针测量电子密度值，值为1011cm-3；
所述激发速率系数表示如下：
Qi=2.56×10-8×Te (0.193)×exp(-3.93/Te)；
其中，Te取空心阴极设备探针测量电子温度值，值为3eV。
具体的推导计算过程如下：
识别痕量产物光谱，并将其光强记为Ii(i=1-100)。
实验光强波动导致的误差通过如下公式表示：
erro=( Ii-Ii’)/ Ii’,i=1-100；
其中，Ii’为实验多次采集平均值，erro为实验光强波动导致的误差。
再计算理论上痕量产物发光的强度如下：
Imodel=ε×ne×ni×Qi；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，由光纤与辐射光的几何光学关系决定，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数, Imodel表示理论上痕量产物发光的强度。
在本实施例中，ε为0.01，ne取空心阴极设备探针测量电子密度值，其值为1011cm-3,Te取空心阴极设备探针测量电子温度值，其值得为3eV。Qi为2.56×10-8×Te (0.193)×exp(-3.93/Te)。
实验光强波动和实验光强绝对强度的关系为：
erro=1./sqrt(Imodel)；
erro=1./sqrt(ε×ne×ni×Qi)；
erro=( Ii-Ii’)/ Ii’, i=1-100；
从而得到痕量产物的密度表示如下：
ni=erro2/(ε×ne×Qi)。
本实施例提供的等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置及方法，设计了光谱仪设备对痕量产物谱线光强进行监测，等离子体辐射光进入装置内部后，经分光棱镜和光栅两次分光以及发散汇聚后，被光电倍增管接收，在连续时间内多次接收被测量的光谱强度，建立痕量物质辐射谱线强度和光强信号波动关系，以获得痕量产物绝对密度，相较于传统测试方法，该监测方法可靠性高，监测灵敏；在连续时间内多次接收被测量的光谱强度，能够更好地衡量痕量产物光强的波动性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测装置，其特征在于，包括金属屏蔽罩，以及设置于所述金属屏蔽罩内部的第一凸透镜、第一反射镜、分光棱镜、第二凸透镜、光栅以及第二反射镜，以及设置于所述金属屏蔽罩外部的光电倍增管和分析处理设备；
所述金属屏蔽罩侧壁上固定有入射光狭缝和出射光狭缝，所述出射光狭缝与所述光电倍增管连接，所述光电倍增管与所述分析处理设备连接；
所述入射光狭缝收集到的等离子体辐射光依次经过所述第一凸透镜、所述第一反射镜、所述分光棱镜、所述第二凸透镜、所述光栅以及所述第二反射镜，并经所述出射光狭缝入射至所述光电倍增管，所述光电倍增管将获取到的实验光强信息传输至所述分析处理设备；
所述分析处理设备包括如下模块：
光强采集模块，用于采集痕量产物波长范围内的实验光强信息；
波动误差计算模块，用于基于所述实验光强计算实验光强波动导致的波动误差；
关系建立模块，用于建立理论光强与所述实验光强的关系；
痕量产物密度计算模块，用于基于所述波动误差以及所述理论光强与所述实验光强的关系，计算痕量产物的密度；
其中，所述理论光强通过如下公式表示：
Imodel=ε×ne×ni×Qi；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数，Imodel表示理论上痕量产物发光的强度，即理论光强；
采集痕量产物波长范围内的实验光强信息时，在连续时间采集预设次数，所述预设次数为100次；
所述痕量产物波长范围为：波长中心为250nm，范围是1nm的区域；
所述痕量产物的密度通过如下公式计算：
ni=erro2/(ε×ne×Qi)；
其中，ε为入射光狭缝接收到等离子体辐射的光比例，ne为电子密度，ni为痕量产物密度，Qi为激发速率系数，erro为波动误差；
ε为0.01，ne取空心阴极设备探针测量电子密度值，值为1011cm-3；
所述激发速率系数表示如下：
Qi=2.56×10-8×Te (0.193)×exp(-3.93/Te)；
其中，Te取空心阴极设备探针测量电子温度值，值为3eV。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射光狭缝宽度为25um。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射光狭缝外接SMA接头，所述SMA接头连接光纤，所述光纤另外一侧用于接收等离子体区域辐射的光，所述光纤为芯心为1000um的高透深紫外光纤。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光栅角度调控部件，所述光栅角度调控部件设于所述金属屏蔽罩与入射光狭缝的所述侧壁相邻的侧壁，所述光栅角度调控部件与所述光栅连接。
5.一种等离子体侵蚀痕量产物在线监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4任一所述的装置，包括如下步骤：
采集痕量产物波长范围内的实验光强；
基于所述实验光强计算实验光强波动导致的波动误差；
建立理论光强与所述实验光强的关系；
基于所述波动误差以及所述理论光强与所述实验光强的关系，计算痕量产物的密度。
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