銅絲電爆炸的光譜分析＊

金 涌，栗保明

（南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京210094）

電熱化學發射一般通過金屬電爆炸產生的等離子體消融毛細管壁點燃發射藥［1－2］，等離子體的性質直接影響電熱化學發射的效率，因此，研究電弧等離子體的特性對實際工程應用具有重要意義［3－6］。等離子體溫度是描述等離子體熱力學狀態的重要參數之一，用光譜研究等離子體是實時和非破壞性的實驗研究方法，對等離子體溫度的測量始終是光譜學和測試專業的熱門課題［7－8］。本文中，通過搭建脈沖成形網絡（PFN）放電模塊和光譜測試系統，測量銅絲電爆炸過程中的發射光譜，計算銅絲電爆炸產生的等離子體的激發溫度并分析其變化特性。

1 測量原理

測量高溫物質的方法［9－11］有分子帶狀光譜法、光譜線多普勒寬度法、雙譜線相對強度法、絕對譜線強度法、多譜線斜率法、等電子譜線法和聲速法等。本文中采用雙譜線相對強度法計算等離子體的激發溫度。常壓下，假設電弧等離子體處于熱力學平衡狀態，則其內部的氣體溫度Tg、電子溫度Te和激發溫度Ta均相等［12］，即T＝Tg＝Te＝Ta。此時各激發態和基態的粒子濃度滿足Boltzmann分布：

式中：n0為單位體積內處于基態的粒子數，ni為單位體積內處于第i激發態的粒子數，gi和g0分別為第i激發態和基態的統計權重，Ei為第i激發態的能級能量，k為Boltzmann常數，T為等離子體溫度。

譜線強度公式為：

式中：Ai，m為從第i到第m 能級的躍遷幾率，h為Planck常數，νi，m為從第i到第m 能級躍遷時發射光子的頻率。將式（1）代入式（2）得：

若測得某元素的2條譜線強度分別為I1和I2，不考慮自吸收等其他因素，則有：

式中：λ1和λ2分別為對應譜線的波長。將式（4）取以e為底的對數并整理得等離子體激發溫度：

2 實驗系統

實驗系統如圖1所示，熱化學發射中主要由PFN放電模塊為等離子體提供能量，通過調整各模塊的參數和放電時間，靈活地調整脈沖電流峰值、寬度和輸出功率。PFN電路主要由高密度電容C、脈沖成形電感L、觸發開關K和快恢復硅堆D組成，負載電阻值為R，如圖1虛線左邊所示。光譜測試系統主要由光譜儀和高速數據處理電腦組成，如圖1虛線右邊所示。電爆炸現場與光譜儀采用光纖耦合，經過iCCD相機采集的信號通過數據線傳送給高速數據處理電腦。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1Schematic diagram of experimental system

3 結果與分析

實驗中PFN模塊的電容為2.0mF，電感為8.0μH，充電電壓為3.0kV，對長100mm、直徑0.25mm的銅絲進行脈沖放電，獲得的銅絲電爆炸時的電壓和電流如圖2所示。圖2中紅色和綠色分別為銅絲電爆炸的電壓和電流的變化曲線，可以看出，電壓瞬時峰值為2.5kV，電流峰值為30kA，脈寬約為1.35ms。銅絲電爆炸時間約為0.1ms，因此，等離子體持續的時間約為1.2ms。由于電爆炸往往發生在PFN放電電流的上升階段，可以推測通過這種方式所產生的等離子體的溫度有一個先上升、后衰減的過程。圖2中藍色為觸發信號，2次觸發時刻t1和t2的間隔為1ms，分別用于測量電爆炸早期和后期的光譜數據。把觸發信號控制在電壓峰值之后，保證了所測的光譜為等離子體的光譜。由于金屬電爆炸過程涉及固態至等離子體的迅速相變和狀態轉移，圖中電壓曲線的峰值時刻為銅絲完全汽化的時刻，之后即由于電離而使電壓迅速下降，因此，將電壓曲線的峰值點作為是否處于等離子體狀態的判斷依據。

圖2 PFN放電時負載電壓和電流Fig.2Load voltage and current by PFN discharging

實驗中使用Shamrock 750 Czerny －Turner光譜儀和配套的iCCD相機。選擇的光柵的刻線密度為1 200mm－1，線色散值為1.0nm/mm。 測 得 的 400～500nm波段的光譜如圖3所示。

由圖3可知，等離子體光譜是在連續譜上疊加了一系列分立譜線，連續譜來源于熱電子的韌致輻射和電子－離子的復合輻射，在這個波長范圍內的分立譜主要用來辨認一次電離銅離子CuⅠ的譜線。

顯然，t1時刻為銅絲電爆炸形成等離子體的初始時刻，注入的電能很強，等離子體處在發展上升階段，銅離子和空氣電離成分等各種譜線均很豐富，譜線強度也較高；t2時刻PFN放電即將結束，等離子體由穩定期即將衰減，雜質粒子溫度已經下降，此時CuⅠ的譜線較明顯。因此，重點分析t2時刻等離子體的光譜（見圖4）來獲得等離子體穩定時期的激發溫度。

圖3 銅絲電爆炸等離子體光譜Fig.3Plasma spectra by exploding a copper wire

圖4 t2時刻的等離子體光譜Fig.4Plasma spectrum at t2

圖4中454.0、458.7和465.1nm 等3條譜線很清晰，將表1所示的光譜參數［13－15］代入式（5）計算等離子體的激發溫度。利用454.0nm/458.7nm、458.7nm/465.1nm 和454.0nm/465.1nm 譜線對計算得到的激發溫度分別為5 427.26、5 376.27和5 318.65K，取其平均值得到等離子體的平均激發溫度約為5 374K?？梢钥闯?，采用不同譜線對引起的計算誤差約為1.2%。

表1 CuⅠ若干譜線的光譜參數［13－15］Table 1Parameters of CuⅠ emission lines［13－15］

為了獲得銅絲電爆炸等離子體溫度的時間演化特性，將時序觸發間隔設為0.1ms進行了更多的放電實驗，圖5中給出了3次相同放電條件下所測的等離子體溫度隨時間的變化曲線。由圖5可以看出，銅絲電爆炸產生的等離子體的溫度變化趨勢和負載電流波形相似，存在之前所推測的先上升、后下降的變化。在等離子體形成早期，由于環境條件和等離子體本身的狀態都在迅速改變，所測得的等離子體的溫度變化較大（圖5中前0.6ms）；在等離子體穩定期，電弧具有穩定的形態，等離子體的狀態較穩定，所測得的等離子體的溫度變化平緩且較集中（圖5中后0.4ms）。由銅絲電爆炸產生的穩態等離子體的激發溫度約為5 400K，整個脈沖時間內溫度差約為800K。

4 結 論

發射光譜分析方法是一種簡單有效的獲取等離子體內部信息的重要手段。用發射光譜法測量電熱等離子體溫度，若能正確選擇光譜參數，可以獲得準確的等離子溫度，實驗的可信度達98%～99.5%［16］。

利用Andor SR750光譜儀實現了對銅絲電爆炸等離子體光譜的實時數據采集；選取等離子體穩定期內的光譜數據，采用雙譜線相對強度法計算得到等離子體的激發溫度約為5 400K；對脈沖電流放電時間內電爆炸產生等離子體后的光譜數據進行了采集和分析。

圖5 等離子體溫度變化曲線Fig.5Plasma temperature curves

結果表明：開始產生等離子體時（前0.6ms），等離子體的激發溫度變化較大；在放電后期，等離子體的激發溫度變化平緩且較集中（后0.4ms）；整個脈沖時間內，等離子體的激發溫度差約為800K。采用發射光譜法測量等離子體的激發溫度可為研究等離子體的內部細節和變化規律提供重要數據。

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