用于真空弧等離子體放電陰極溫度場測量的多光譜高溫計

楊宗舉，戴景民*，楊 林，王振濤

1. 哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001 2. 中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900

引 言

真空弧等離子體具有電離度高、產生離子種類多、束流強、純度好、離子電荷態高等特點，己被廣泛用于電弧鍵膜、離子注入、開關和火箭推進器以及離子源等領域[1]。金屬等離子體陰極在放電過程中會向外輻射能量，可以通過光譜的光強來反映出該等離子體的輻射溫度。因此對于快速精確的測量等離子體陰極放電時其陰極場溫度具有重要的意義。

對于真溫和發射率的測量，多光譜高溫計依然是最為主要的測量裝置。2005年，Simmons等采用CCD相機成像測量了粒子加速器中熱離子鎢陰極的溫度和不均勻性，通過獲取0.4 μm下的藍光光譜進行測溫，測溫精度為3%[2]。2011年，Bergner等根據CCD相機測試結果反演出鎢陰極的表面溫度分布，并采用了890 nm的干涉濾光片，在該波長下對CCD進行了校準[3]。2017年，Methling等采用光纖式近紅外光譜儀結合高速攝像機測量了10～20 kA正弦電流下銅陽極表面溫度，并通過校正電極發射光譜獲得了電極表面發射率，同時討論了等離子體輻射對測量帶來的影響[4]。與一般溫度場探測不同，真空弧陰極溫度場的空間尺度和時間尺度都很小，這給溫度場的測試帶來很大困難，常規的輻射測溫儀無法滿足要求。因此，本文研制了基于高速CCD相機的真空弧等離子體陰極放電溫度場測量多光譜高溫計，并對該高溫計進行了測試，獲取了真空弧等離子體陰極放電的數據，并計算了陰極溫度場測的溫度值。

1 測量原理

本文研制的多光譜高溫計具有4個光譜通道，采用多光譜測量方法，用于金屬電極放電后陰極場溫度測量。

如果多波長溫度計有n個通道，則第i個通道測得的亮溫Ti與目標真溫T的關系為

lnε(λi,T)=a+bλi

(1)

(2)

將式(1)代入式(2)，可得

(3)

整理得

(4)

(5)

本文采用的是4個光譜通道，其表達式為

(6)

通過進行擬合計算得出被測目標的真實溫度。

2 測量裝置設計

高溫計主要由高速CCD相機和控制計算機系統兩部分組成。高溫計測量系統原理如圖1所示。高溫計的高速CCD相機具體包括成像系統、圖像傳感以及采集系統?？刂朴嬎銠C系統包括圖像處理系統。高溫計的成像系統和圖像傳感及采集系統主要用于將電極輻射能量信號處于高速CCD相機的非飽和區域，并最終得到被測電極目標的數字圖像。圖像處理系統主要是在計算機系統中運行的，高速CCD相機由一根網線連接至上位機，通過上位機的軟件對圖像進行采集及后續處理，最終得到放電電極的溫度(場)信息。

圖1 高溫計原理圖Fig.1 Schematic diagram of pyrometer

本文設計的高溫計具有如下性能： 具有較高的時間分辨率和空間分辨率； 濾光片的波長選擇要避開等離子體輻射中輻射較強的部分，保證探測器能獲得足夠的輻射能量，提高儀器的精度和靈敏度。(1)溫度場測量時所采用波長數量決定了高溫計使用濾光片數量，濾光片數量增加會增加系統設計的復雜性。本文中采用4個波長進行溫度測量。根據文獻[5]，陰極表面溫度的理論計算值均在2 000 K以上，因此探測波段應偏向短波波段，為了消除弧光的影響，根據參考文獻[1]發現真空弧放電等離子體的發射光譜為線狀譜而非連續譜，通過選擇輻射較弱或不存在的波段，作為陰極溫度的探測波段。本文選擇4個波長分別為： 460，550，570和640 nm。本文選擇的濾光片為BP系列濾光片，其規格直徑6.3 mm×1.1 mm； Δλ=20 nm。(2)高速CCD相機選擇。采用的高速相機要具有以下性能，一是相機的響應波段要包含輻射測溫所使用的探測波段，二是相機的時空分辨率要滿足要求。根據文獻[6]，真空弧陰極溫度場區域直徑約為50 μm，存在時間約為2 μs，對高溫計進行空間分辨率測試，測試中目標的寬度為15.9 mm在圖像里有512個像素，空間分辨率就是單個像素代表的距離，通過計算其結果為31.05 μm。本文采用的高速CCD相機最小曝光時間為293 ns，因此高速CCD相機的時空分辨率滿足探測要求。三是高速CCD相機在所選波段范圍內能有效的探測到陰極目標輻射。

現有彩色CCD相機不能完全消除等離子體放電產生的弧光。只能采用單色CCD相機，單色相機只能測到單一波長下的溫度值。為解決上述面臨的問題，本文設計了用于等離子體放電陰極溫度測量的新型多光譜高溫計。將一個濾光片四分波長，即將4種不同波長的濾光片嵌入到1個大的濾光片中，這樣單色相機就可以實現四波長下的測溫。測量系統采用4分孔徑分光系統，即將光路分割成4個通道，通過加裝的濾光片實現對光譜的分離，在CCD探測器上實現四幅成像，實現多光譜測溫，進而得到等離子體放電陰極溫度。圖2是設計的單色多波長高溫計的鏡頭光學原理及結構示意圖。

圖2 高溫計鏡頭光學原理及結構示意圖Fig.2 Diagram of optical principle and structure for pyrometer lens

3 高溫計的標定與現場試驗

(1)高溫計的標定

為獲得真空弧等離子體放電陰極溫度，需要知道多波長高溫計每個通道的亮溫值和有效波長，因此需要進行標定，本文利用濾光片確定了目標各個通道有效波長，不需要對波長進行標定，只需要對溫度下目標所輻射的能量進行溫度標定。利用最小二乘法對數據進行擬合，以獲得最佳擬合結果。本文以第三通道為例，進行數據擬合，擬合的相關系數為0.998 2。圖3為研制的高溫計第三通道亮溫標定曲線圖。

圖3 第三通道亮溫標定曲線Fig.3 Bright temperature calibration curve of the third channel

(2)現場實驗

為進一步驗證設計的多光譜高溫計的有效性，在中國工程物理研究院進行驗證。應用高溫計對等離子體放電陰極的溫度場進行測量。放電電流為880 A，放電電極為銅電極。圖4為放電開始前對銅電極拍攝的不同波長下4幅圖像。通過圖4可以清晰的拍攝到1個濾光片下的4種波長下的4幅成像圖，這樣就可以通過灰度-溫度得到陰極放電電極的溫度。圖4(a)為灰度圖，圖4(b)偽彩色圖。

圖4 銅電極的4幅成像圖 (a)： 銅電極的灰度圖； (b)： 銅電極的偽彩色圖Fig.4 Four images of copper electrodes (a)： Gray scale image of copper electrode； (b)： Pseudo-color image of copper electrode

本次測量放電電流880 A放電過程中銅電極陰極溫度場溫度。由于放電過程中，高溫計部分通道灰度值出現飽和現象，需加入2%的衰減片進行溫度場測量。圖5為t1—t9時刻有衰減片的溫度場分布圖。

通過圖5溫度分布圖可以繪制出同一電流不同放電時刻溫度變化圖。圖6為放電電流880 A放電過程中不同時刻測量溫度變化曲線圖。

本文研制的高溫計在最小曝光時間293 ns下通過外部觸發完全能夠拍攝到等離子體放電的過程。通過圖6計算出對于同一放電電流情況下測量的陰極溫度。銅電極沸點溫度在2 567 ℃，等離子體在氣化過程中陰極溫度會降低，所以理論上陰極溫度略小于2 567 ℃，等離子體放電溫度測量實驗中測得的陰極溫度峰值為2 541.51 ℃，略低于銅電極沸點，與理論值相符，說明了設計的高溫計可以有效測量等離子體放電陰極溫度。

圖5 有衰減片銅電極t1—t9時刻溫度場分布圖Fig.5 Temperature field distribution of attenuator copper electrode at time t1—t9

圖6 同一放電電流不同放電時間溫度圖Fig.6 Temperature diagram of different discharge time for the same discharge current

4 不確定度分析

采用的高溫計的測量不確定度受多種因素的影響，主要包括四個方面： 理論誤差的不確定度； CCD相機在非理想情況下響應波長帶寬不確定度； 發射率變化不確定度； 標定的不確定度。

理論誤差不確定度在本次高溫測量中，通過使用維恩公式得出系統的理論誤差，系統的最大相對誤差為εe=1.0%； CCD相機在非理想情況下響應波長帶寬不確定度為εa=0.012%； 目標發射率變化不確定度根據文獻[10]，經計算可知發射率變化不確定度為εb=0.93%； 標定的不確定度本文只需要溫度標定，因此標定的不確定度就是溫度標定的不確定度，根據該高溫計的溫度標定結果可知，標定的不確定度為εc≈0.14%。

由以上不確定度分析可以得到此多波長高溫計的真溫測量的合成標準不確定度為

(9)

通過乘以包含因子k=2，得到合成擴展不確定度為2.74%，此時置信概率為95%。

5 結 論

研制了基于高速CCD相機的單色四波長真空弧等離子體陰極放電溫度測量多光譜高溫計，其波長范圍為300～900 nm。本文對濾光片進行了重新設計，將4種不同波長的濾光片嵌入到1個濾光片中，實現多光譜測溫。通過對等離子體陰極放電溫度的現場測量，驗證了高溫計的工作性能。實驗結果表明，所研制的高溫計可以測等離子體放電陰極溫度。在同一放電電流情況下，陰極的溫度隨放電時刻的變化先增大后減小，實驗值與理論值相符。高溫計測量的是等離子體放電陰極溫度。高溫計的研制成功為真空弧等離子體陰極放電的真實溫度測量提供了一種有效的途徑。