[发明专利]非常规条件下气体放电实验分析方法

摘要

非常规条件下气体放电实验分析方法，属于高电压与高能物理学气体放电技术领域。本发明是为了解决非常规条件下气体放电过程的试验手段落后，使其放电过程状态无法被准确获得，进而无法解读气隙放电信号所表达的信息的问题。分析方法为：首先获得粒子在高能级E_n向低能级E_m跃迁时的谱线强度I_nm；再获得粒子在公共下能级的两条谱线相对强度比值；建立波尔兹曼分布方程，根据粒子达到热力学平衡或局部热力学平衡时，同种粒子的两个能级E_m和E_n上的粒子密度比值计算获得粒子温度T；再由粒子温度T，确定密闭放电室内气体介质的光谱特性，进而获得粒子密度分布。本发明用于气体放电过程的分析。

主权项

一种非常规条件下气体放电实验分析方法，其特征在于，它基于非常规条件下气体放电实验装置实现，该实验装置包括密闭放电室(1)、棒板铜电极(2)、单色仪(3)、光图像采集器(4)、放电图像采集器(5)和计算机(6)，棒板铜电极(2)设置在密闭放电室(1)中，棒板铜电极(2)的棒部的首端与板部间具有间隙，板部与电源地连接，棒部的末端经过一电阻与高电压电源连接；密闭放电室(1)的两个相对的侧壁上分别设置有石英玻璃窗(1‑1)，该两个相对的侧壁与棒板铜电极(2)的板部的放电表面相垂直；单色仪(3)用于采集透过一个石英玻璃窗(1‑1)的光信号，光图像采集器(4)用于采集单色仪(3)出射口输出的光信号，光图像采集器(4)采集获得的光图像信号传递给计算机(6)；放电图像采集器(5)用于采集透过另一个石英玻璃窗(1‑1)的放电图像，放电图像采集器(5)再将放电图像传递给计算机(6)；所述分析方法为：由光图像采集器(4)采集获得密闭放电室(1)内电晕放电过程中粒子在高能级E_n向低能级E_m跃迁时的谱线强度I_nm：$I_{\mathrm{nm}}=A_{\mathrm{nm}}\frac{{\mathrm{hV}}_{\mathrm{nm}}}{4\mathrm{\π}}{N}_{n}l,$                    (公式一)式中A_nm为粒子从能级n跃迁到能级m的自发跃迁概率；h为普朗克常量；V_nm为粒子从能级n跃迁到能级m时光的频率；N_n为激发能级为n的粒子密度；l是测量方向上粒子的厚度；粒子在公共下能级的两条谱线相对强度比值为：$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{N_m{A}_{\mathrm{mr}}{V}_{\mathrm{mr}}}{N_n{A}_{\mathrm{nr}}{V}_{\mathrm{nr}}},$                      (公式二)式中I_mr为粒子在高能级E_m向低能级E_r跃迁时的谱线强度，I_nr为粒子在高能级E_n向低能级E_r跃迁时的谱线强度；N_m为激发能级为m的粒子密度；N_n为激发能级为n的粒子密度；A_mr为粒子从能级m跃迁到能级r的自发跃迁概率；A_nr为粒子从能级n跃迁到能级r的自发跃迁概率；V_mr为粒子从能级m跃迁到能级r时光的频率；V_nr为粒子从能级n跃迁到能级r时光的频率；建立波尔兹曼分布方程，当粒子达到热力学平衡或局部热力学平衡时，同种粒子的两个能级E_m和E_n上的粒子密度满足：$\frac{N_m}{N_n}=\frac{g_m}{g_n}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$           (公式三)式中g_m为粒子在m能级的统计权重，g_n为粒子在n能级的统计权重，k为波尔兹曼常数，T为粒子温度；将公式三代入公式二消去粒子密度参数，获得粒子跃迁时的谱线强度与温度关系方程：$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m{V}_{\mathrm{mr}}}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n{V}_{\mathrm{nr}}}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$                     (公式四)计算获得粒子温度T：$T=\frac{(\ln \frac{V_{\mathrm{mr}}}{V_{\mathrm{nr}}}+\ln \frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n})h(V_{\mathrm{mr}}-V_{\mathrm{nr}})}{k(\ln \frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{mr}}}-\mathrm{\Λ})},$                 (公式五)式中Λ为校正因子；再由粒子温度T，确定密闭放电室(1)内气体介质的光谱特性，进而获得粒子密度分布。