等离子体天线开启时间光电时差测量法

发布时间：2019-09-24 07:07

【摘要】：将发射光谱信号引入到辉光放电等离子体天线开启时间测量当中,根据等离子体光信号与激励电压信号的时间差测出辉光等离子体天线的开启时间。结果发现该方法可有效测量直流和频率较高的交流辉光等离子体天线开启时间。直流和kHz级交流等离子体天线开启时间约为在1ms,MHz级交流等离子体天线开启时间在0.5ms左右。而对于50Hz低频交流等离子体天线,由于放电状态不稳定,测量误差较大。天线的开启时间与激励电源的功率和电源的响应时间有很大关系。在一定范围内,随放电功率增加,天线的开启时间缩短。同时放电功率的增加也增大了天线开启时间测量结果的可重复性,误差减小,为1%~2%。
【图文】：

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＝（ｌ＋ｄ）／ｃ（７）式中：ｌ是等离子体放电管外壁到光纤探头的垂直距离；ｄ是管壁厚度；ｃ为光速。该时间经计算在１０－１１ｓ左右，光电倍增管响应时间也在ｎｓ量级，因此利用光电时差法测量的开启时间可近似表示为ｔｏｎ＝ｔａ－ｔｂ（８）光电时差方法将等离子体激励电压信号产生时刻到等离子体产生的时间延迟考虑在内，也考虑了等离子体信号产生到稳定的时间延迟。２实验根据辉光放电等离子体天线开启时间测量原理，天线开启时间测量装置原理示意图如图１所示。选取直流、工频交流、ｋＨｚ级交流和ＭＨｚ级交流源作为等离子体天线激励源。由于各激励源激励方式不同，图１（ａ）所示的为在直流和低频交流激励源激励条件下，等离子体天线开启时间测量原理示意图。放电管两端激励采用直连式，高压端连接示波器端口１，中间接入高压分压器以保护示波器端口１免受损坏，该通道称为“激励电信号采集通道”。示波器端口２与光电倍增管相连接，光电倍增管用于将等离子体发射光信号转换为电信号，传入示波器进行分析，为调节光－电信号强度，，示波器与光电倍增管之间连接调压器，该通道称为“光－电信号采集通道”。图１（ｂ）所示的为利用高频激励源激励等离子体天线开启时间测量示意图，其与（ａ）大致相同，主要区别在于激励模式，高频等离子体天线这里采用电感耦合模式进行激励。接激励源的线圈端连接示波器端口１，示波器与电感线圈之间连接带阻滤波器，在１０～５０ＭＨｚ频段内衰减约－３５ｄＢ，用以保护示波器端口１，示波器端口２的连接方式与图１（ａ）一样。为减小测量误差，光电信号采集通道与激励电信号采

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０５２００１－３Ｆｉｇ．２Ｄｅｖｉｃｅｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｗｉｔｃｈ－ｏｎｔｉｍｅｏｆｇｌｏｗｐｌａｓｍａａｎｔｅｎｎａ图２辉光等离子体天线开启时间测量装置图率Ｐ，具体测量细节参见文献［１９］。３结果与分析３．１直流与低频交流天线测试结果根据等离子体天线激励模式的不同，直流与低频交流激励模式均采用直连式激励方法，而高频ＭＨｚ量级交流激励下的等离子体天线采用电感耦合激励模式。根据图２的实验装置所示，示波器的两个通道分别接入光电倍增管和高压电源激励端。图３（ａ）所示的是利用光电时差法测量１０ｋＨｚ交流激励的辉光等离子体天线开启时间，图中上部分波形表示的是利用示波器接收到由光电倍增管采集到的光电信号，下部分波形表示的是由示波器采集到的激励电源的电信号。天线放电管长度为８０ｃｍ，填充气体为Ｎｅ，放电功率为３Ｗ，光电倍增管光纤探头距离放电管１ｃｍ，从激励电源起始时刻到稳定光－电信号产生时刻之间的时间差约为１ｍｓ，即等离子体天线的开启时间为１ｍｓ。对等离子体天线开启时间测量结果中涵盖了放电信号的产生时间、激励电源响应延迟等影响等离子体天线开启时间的关键因素。Ｆｉｇ．３ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＤＣａｎｄｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙＡＣｐｌａｓｍａａｎｔｅｎｎａｓ图３直流与低频交流等离子体天线开启时间测量直流激励模式下的辉光等离子体天线开启时间测量结果如图３（ｂ）所示，放电管与图３（ａ）相同，放电功率为０．７Ｗ。上层的光电信号与下层的激励电压信号表现行为不同。在激励电压信号产生并上升的过程中，伴有等离子体光产生，但该光电信号不稳定，从开启激励
【作者单位】：上海海事大学商船学院;大连海事大学物理系;
【基金】：国家自然科学基金项目(51579143) 上海市曙光计划(15SG44) 上海市科委项目(16040501700) 中国博士后基金面上项目(2015M581585)
【分类号】：TN820

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