[发明专利]一种感应耦合等离子体热平衡的判断方法

说明书

本发明公开了一种感应耦合等离子体热平衡的判断方法，具体包括：通过工业相机从透明的圆柱反应器内放电等离子体源的轴向获得气体放电的稳定态图像；通过平衡态等离子体磁流体动力学模型进行感应耦合等离子体源热平衡的二维模型仿真，得到热平衡感应耦合等离子体轴向的仿真温度等值线图；将工业相机所采集到的彩色图像通过光照强度分析方法得到等离子体源的光强分布三维图；判断等离子体源光强分布与仿真等离子体源内热平衡状态的温度分布趋势一致，则说明检测的感应耦合等离子体放电为热平衡放电。本发明将图像处理与感应耦合等离子体热平衡下的仿真结果相结合，提高等离子体热平衡判断的准确性，具有实时、直观、稳定、非接触、低成本的优点。

技术领域

本发明属于等离子体热平衡技术领域，涉及一种感应耦合等离子体热平衡的判断方法。

背景技术

由于在实验装置中，准确获得ICP(感应耦合等离子体)的流动特性和温度分布是昂贵的或者难以实现的，而在ICP研究工作中，按其放电模型不同，可以把感应耦合等离子体放电分为平衡ICP放电和非平衡ICP放电。首先需判断等离子体放电状态才能从相对应的模型出发，对ICP放电复杂的电磁流体力学过程进行准确研究，所以判断气体放电状态十分必要。

现有判断方法为：通过发射光谱法采集等离子体放电的光谱强度，然后根据热平衡状态下的发射系数和光谱强度之间的关系得到发射系数，再通过boltzmann分布和saha方程计算出发射系数和温度的关系，得到感应耦合等离子体的电子温度，如果感应耦合等离子体的电子温度明显高于平动温度，即其具有典型的非平衡特性。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：(1)判断ICP放电产生的是热平衡等离子体还是非热平衡等离子体的划分界限难以确定，未有明确的理论支持；(2)发射光谱法具有灵敏度高、无干扰性、光谱信息丰富等优点；但光谱仪易受光学系统参数等外部或内部因素影响，经常出现曲线非线性问题，对检测结果的影响较大，且购买与维护成本高，建模成本高，性价比低，同时很难直观反映等离子体分布；发射光谱法需要采用合适的波段光谱，由于发射光谱法是在假设等离子体满足热平衡的条件下开展计算的，要求等离子体一定要满足局部热平衡状态，该状态在实际实验中难以完全满足，将会影响发射光谱法计算感应耦合等离子体电子温度的准确性；因此在不同的实验条件下，得到的结果往往差别很大，极大程度降低了感应耦合等离子体热平衡判断的准确性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种感应耦合等离子体热平衡的判断方法，将图像处理与感应耦合等离子体热平衡下的仿真结果相结合，提高等离子体热平衡判断的准确性，为感应耦合等离子体的进一步研究提供便利；具有实时、直观、稳定、非接触、低成本的优点，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种感应耦合等离子体热平衡的判断方法，具体按照以下步骤进行：

S1，通过工业相机从透明的圆柱反应器内放电等离子体源的轴向获得气体放电的稳定态图像；

S2，以步骤S1的圆柱反应器为几何模型通过平衡态等离子体磁流体动力学模型进行感应耦合等离子体源热平衡的二维模型仿真，等离子体源的放电功率、气压、进气状态均与步骤S1相同，得到仿真等离子体源内热平衡状态的温度分布三维图；

S3，处理仿真等离子体源内热平衡状态的温度分布三维图，得到热平衡感应耦合等离子体轴向的仿真温度等值线图，横坐标与纵坐标为仿真的透明圆柱反应器的轴端面的横轴与纵轴，温度等值线的深浅度代表温度；

S4，将工业相机所采集到的彩色图像通过光照强度分析方法得到等离子体源的光强分布三维图；图中x轴与y轴为图像二维平面的横轴与纵轴，z轴为光强强度值；

S5，判断步骤S4中等离子体源光强分布与步骤S3中仿真等离子体源内热平衡状态的温度分布趋势是否一致，如果一致则说明检测的感应耦合等离子体放电为热平衡放电；否则，检测的感应耦合等离子体放电为非热平衡放电。