[发明专利]等离子体速度测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及电推进等离子体诊断技术领域，特别地，涉及一种等离子体速度测量方法及系统。

背景技术

在太空飞行器喷气推进技术领域，以静电力加速离子或者以洛伦兹力加速等离子体的电推力器占据越来越重要的地位，其技术发展空间还很大。电推力器所喷射的工质是低温等离子体，具有15000m/s-40000m/s甚至更高的宏观速度，同时压力较低，一般仅为数Pa到数百Pa的压强。为评定推力矢量、工质利用效率及羽流污染等特征，需要精确测量射流宏观速度的空间分布。

迄今对上述低温等离子体宏观速度分布的测量还是一项需要继续完善的技术。目前已有的方法主要包括两种：(1)马赫探针法。这是一种接触式测量方法，探针本身会对流场产生干扰；另一方面，马赫探针的测量精度受磁场影响，在磁场较强的条件下测量结果存在较大误差，而在电推力器中磁场的影响常常是不可忽略的。(2)NPLS方法。在流场中引入纳米颗粒作为示踪粒子，通过追踪粒子运动测算本底流场的速度等信息，这种方法只反映中性气体的速度场。由于电推力器通过彻体力加速带电粒子，且其自身气体密度低，中性示踪粒子的运动与带电粒子有很大差异。因此，亟需发展一种新型的适用于电推力器低压等离子体射流宏观速度精细化测量的方法及系统。

发明内容

本发明提供了一种等离子体测量方法及系统，以解决现有的马赫探针的接触式测量导致的流场扰动及测量精度受到磁场限制、NPLS方法引入纳米粒子无法直接应用至电推力器流场的等离子体速度测量的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种等离子体速度测量方法，该方法包括：

待测流场等离子体宏观速度的频率起算点标定，以同种气体的静态等离子体源作为参考源，测量参考源的激光诱导荧光信号，选择荧光信号强度最高处的激光频率为频率起算点；

对待测流场等离子体基于激光诱导荧光测量，测量得到荧光信号强度随激光频率变化曲线；

根据测量结果分离得到多普勒展宽效应分量，以频率起算点为基准进行代换得到待测流场等离子体的实际速度分布。

进一步地，对待测流场等离子体基于激光诱导荧光测量包括：

采用激光器作为荧光激发光源，激发光经光路系统进入流场内部待测点上与粒子发生作用并向外辐射荧光；

荧光信号经相敏检波以从背景噪声中提取并经处理器采集，处理器以预定频率扫描激光器的输出频率，得到荧光信号强度随激光频率变化曲线。

进一步地，根据测量结果分离得到多普勒展宽效应分量，以频率起算点为基准进行代换得到待测流场等离子体的实际速度分布包括：

对荧光信号强度随激光频率变化曲线通过积分归一化得到实测光谱线型；

对实测光谱线型进行多普勒效应分离得到多普勒展宽效应分量；

以频率起算点对多普勒展宽效应分量进行多普勒变换得到目标区域粒子的速度-概率密度关系。

根据本发明的另一方面，提供一种等离子体速度测量系统，该系统包括：

标定装置，用于标定待测流场等离子体宏观速度的频率起算点，以同种气体的静态等离子体源作为参考源，测量参考源的激光诱导荧光信号，选择荧光信号强度最高处的激光频率为频率起算点；

测量装置，用于对待测流场等离子体基于激光诱导荧光测量，测量得到荧光信号强度随激光频率变化曲线；

后处理装置，用于根据测量结果分离得到多普勒展宽效应分量，以频率起算点为基准进行代换得到待测流场等离子体的实际速度分布。

进一步地，测量装置包括：作为荧光激发光源的激光器，激光器的输出端连接光路系统，激发光经光路系统进入流场内部待测点上与粒子发生作用并向外辐射荧光；

测量装置还包括：用于将荧光信号耦合入光纤的光纤准直器，光纤准直器经光纤连接光纤单色仪、光电倍增管及锁相放大器，锁相放大器的输出端连接用于数据采集的处理器，处理器扫描激光频率且记录锁相放大器经相敏检波检测的荧光信号强度以得到荧光信号强度随激光频率变化曲线。

进一步地，光路系统包括设于激光器出口的分束镜，激发光经分束镜反射的部分光进入波长计以监测激光频率，波长计连接处理器；激发光经分束镜透射的部分光依次经斩波器、多面反射镜、聚焦透镜进入待测流场内部以与粒子发生作用使之受激吸收并向外辐射荧光。

进一步地，激光器为可调谐激光器。

进一步地，聚焦透镜的焦距不小于2m，经聚焦透镜出射的聚焦光斑直径不超过1mm。