[发明专利]基于发射光谱的防热材料催化特性检测方法与测试装置

权利要求书

1.一种基于发射光谱的防热材料催化特性测试装置，包括等离子电源(1)、三螺钉调配器(2)、波导传输装置(3)、进气阀门(4)、红外测温窗口(5)、双比色测温仪(6)、发射活塞(7)、感应加热电源(8)、冷却水入口(9)、冷却水出口(10)、反应腔(11)、电阻真空计(12)、真空法兰(13)、感应线圈(14)、试样(15)、氧化锆托架(16)、单轴电动步机(17)、长焦聚焦透镜(18)、短焦聚焦透镜(19)、截止滤光片(20)、光阑(21)、光纤支架(22)、镜架(23)、光纤(24)、光谱仪(25)和计算机(26)，其特征在于：波导传输装置(3)的一端与等离子电源(1)连接，波导传输装置(3)的另一端与谐振腔连接，通过控制电源输出功率、三螺钉调配器(2)及发射活塞(7)调节输出能量进而调节等离子强度，反应腔(11)内设有氧化锆托架(16)，试样(15)放置在氧化锆托架(16)上，反应腔(11)底部与真空法兰(13)连接，反应腔(11)内的压力由进气、真空子系统进行动态调节并通过电阻真空计(12)进行实时监控，集中由计算机(16)进行控制和存储，光谱仪(25)的输出端与电荷耦合器件CCD相机相连并通过数据线与计算机(26)连接控制，光谱仪(25)前端的入射狭缝通过光纤适配器与光纤(24)的一端相连，光纤(24)的另一端与光纤支架(22)连接，试样(15)表面的发射荧光通过长焦聚焦透镜(18)、短焦聚焦透镜(19)、截止滤光片(20)和光阑(21)汇聚在至光纤(24)的端面上，长焦聚焦透镜(18)、短焦聚焦透镜(19)、截止滤光片(20)和光阑(21)与试样(15)中心位于同一水平线上，长焦聚焦透镜(18)、短焦聚焦透镜(19)、截止滤光片(20)和光阑(21)通过镜架(23)固定与光学导轨上，光学导轨由单轴电动步机(17)驱动，氧气氩气由气瓶经减压阀、截止阀、电磁阀、流量计与进气阀门(4)相连，反应腔(11)上端设有红外测温窗口(5)，双比色测温仪(6)透过红外测温窗口(5)测试轴线下方试样(15)的表面温度，温度数据传输至计算机(26)并存储，试样外侧套有感应线圈(14)，感应线圈(14)与感应加热电源(8)相连，由计算机(26)控制，感应线圈(14)内通入冷却循环水，冷却循环水从冷却水入口(9)进入，经冷却水出口(10)进入制冷机。

2.一种基于发射光谱的防热材料催化特性检测方法，其特征在于：在材料表面流动区域中，利用原子发射光谱沿着被测材料表面上空间的中轴线测量被测原子发射光强线与氩原子发射光强比率I_A/I_Ar，间接表征被测原子在材料表面临近空间的浓度变化，该方法使用有如下约束条件：

(1)确保对整个示踪气体流动区域无扰动；

(2)当前的被测原子通过微波激励源在低压放电下产生，原子的激发只能通过电子产生，不考虑其它的激发方式；

(3)被测原子退激发形式主要通过辐射光子方式进行；

(4)与剖面电子激发被测原子和氩原子相关的能量必须与理论相同，具有相似的跃迁能量阈值；考虑柱体区域，每个点坐标表示为(r，x)，对于固定点(r，x)利用柱坐标扩散方程描述原子A浓度C_A随时间的变化：

∂CA∂t+divCA·Ux+divCA·Ur+ω=0---(1)]]>

其中ω是气相和试验设备壁面再结合产生的浓度变化，在稳态条件下浓度关于时间的变化等于零，在稳态条件下方程(1)可演化为：

D·(∂2CA∂x2+∂2CA∂r2+1r∂CA∂r)+ω=0---(2)]]>

忽略气相中原子组分的自结合以及原子组分在试验设备壁面重组，不考虑气相空域的径向扩散，仅仅考虑轴向的一维扩散，那么任意一点的浓度仅仅是x的函数，式(2)进一步简化为：

D·∂2CA∂x2=0---(3)]]>

方程(3)有如下假设：

(1)假定I_A/I_Ar沿着放电区域是常数，即远离测试材料表面的轴线上的原子浓度超出了壁面的催化的影响，在距离壁面L的轴线上原子浓度为：

C(x＝L)＝C₀＝const   (4)

(2)对于测试试样表面原子浓度表示为C(x＝0)，当不考虑原子与材料表面的化学反应时，扩散到达材料表面的原子通量和原子在表面再结合量之间建立平衡关系；

DA,gas·∂CA∂x|x=0-CA(x=0)·γ·V*4=0---(5)]]>

其中V^*表示原子的方均根速率，根据气体动力学理论有如下表达式：

V*≈N·kB·TgMA---(6)]]>

由式(3)可得，一维扩散稳态条件下浓度在轴向的偏导数为常数，即浓度在轴向的变化为固定斜率的线性变化，结合式(4)可得：

γ=-4DA,gasV*·1CA(x=0)·∂CA∂x|x=0---(7)]]>

空域内浓度变化斜率表示为：

∂CA∂x|x=0=CA(x=L)-CA(x=0)L---(8)]]>

由上得到催化重组系数的表达式为：

γ=4DA,gasV*·L·CA(x=L)-CA(x=0)CA(x=0)---(9)]]>

因为惰性参考气体为单原子气体，且不与其它物质发生反应，在整个气相区域中它的浓度可以近似看做常数，所以，在考察的空间中任何一点，目标测试原子的发射光谱光强与惰性参考气体的发射光强的比例正比于目标原子浓度，即：

CACAr=CAArIAIAr---(10)]]>

其中CAAr=f(kD(A),QA*,CA,kD(Ar),QAr*,CAr*)]]>

选取与被测原子A具有相同激发阈值能的示踪气体Ar的激发态Ar^*，则k_D(A)＝k_D(Ar)，并假定因此比例常数只与阈值附近的性质有关；

CA(x=L)CA(x=0)=(IA/IAr)x=L(IA/IAr)x=0---(11)]]>

将式(11)代入式(9)中得到：

γ=((IA/IAr)x=L(IA/IAr)x=0TTg-1)·4·DA,gasV*·L---(12)]]>

其中扩散系数通过Chapman-Enskog理论确定；

DO2-O=0.0018583T3(1MO2+1MO)1pσO2-O2ΩO2-O(1,1)---(13)]]>

通过测量的数学模型得到的催化系数表达式可知，要确定测试材料的催化重组系数，需要确定如下几个物理参数：

(1)试样表面和反应边界层处的发射光强比(I_A/I_Ar)_x＝0和(I_O/I_Ar)_x＝L；

(2)目标原子组分在气相中的扩散系数D_A，gas；

(3)催化反应边界层的厚度l；

(4)原子组分的方均根速率

(5)反应边界层内气体的温度T_g；

当系统处于热力学平衡状态时，等离子体中的粒子从高能级到低能级跃迁时发射某一波长的荧光光子，其辐射密度可表示为：

ϵ=Ahv4π·gZ(T)n0exp(-EkT)---(14)]]>

其中A表示从高能级到低能级跃迁的几率，g表示高能级上的统计权重，Z(T)表示该波长荧光谱线的原子配分函数，E为高能级的激发能，n₀表示发射荧光的原子数密度，v为谱线的频率，由式(14)可知，如果能测量得到同一原子的两条谱线的发射光谱辐射密度，通过两者的比值就可以确定等离子体的激发温度，在热力学平衡状态下，等离子的激发温度可以代表等离子的温度；

ϵ1ϵ2=A1g1λ2A2g2λ1exp(-E1-E2kT)---(15)]]>

对式(15)进行变换，则温度的表达式为式(16)：

T=E1-E2k·ln(A1g1A2g2)-ln(ϵ1λ1ϵ2λ2)---(16)]]>

在实际应用中，利用原子发射光谱法只能测得一定波长谱线沿观测方向的积分强度值，通常假定等离子区是均匀稳定的，则谱线的辐射密度之比近似等于光谱积分强度比，故(16)写为：

T=E1-E2k·ln(A1g1A2g2)-ln(λ1λ2)-ln(I1I2)---(17)]]>

所用谱线的A，g，E值可以由文献或者光谱手册查到，只要测量得到谱线对应的积分强度之比就可以得到等离子的平均温度。