基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置

本发明涉及气体电弧电子数密度测量领域，尤其涉及一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置及方法。

背景技术：

1、气体电弧是气体开关电器中最为核心的研究对象，其电子密度测量对于分析开关电器的燃弧-灭弧机理具有重要意义。激光汤姆逊散射诊断法可以精确测量电子密度，是公认的不依赖局部热力学平衡态假设和轴对称假设的测量电子密度最准确的等离子体诊断方式。

2、气体电弧自身具有强烈的自发光，相较于很弱的汤姆逊散射信号，会导致极差的信噪比。并且由于气体电弧形态的高不稳定性，仅有百微米级别直径的探针激光难以准确切入等离子体目标。同时由于气体电弧的电子数密度等级约为1022/m3，其汤姆逊散射信号相对于探针激光波长的偏移量很小(仅有2-3nm)，极容易被探针激光的瑞利散射所掩盖。综上因素导致汤姆逊散射法很难被应用于气体电弧等离子体的诊断。

3、因此，如何提供一种能够解决上述问题的针对气体电弧等离子体的汤姆逊散射电子数密度测量系统是本领域技术亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种针对气体电弧的基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置及方法，通过信号收集测偏振光校正提高信噪比、特定喷口稳定等离子体、光谱仪过滤瑞利散射杂散光来有效获得气体电弧的汤姆逊散射信息。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置，包括：

4、用于切入等离子体对象的探针激光产生及聚焦装置、气体电弧稳定装置、散射信号收集装置；

5、所述探针激光产生及聚焦装置由激光光源、半波片、偏振片、聚焦透镜组成；

6、所述气体电弧稳定装置由静触头及其夹具、气体喷口、动触头及其夹具组成；

7、所述散射信号收集装置由信号收集透镜组、转90°反射镜组、偏振片、光谱仪、iccd组成。

8、进一步的，所述的激光光源为可以发出7ns强脉冲激光束的激光，最高激光能量为400mj。

9、进一步的，所述的气体喷口在面向探针激光方向及其垂直方向存在两对通孔。

10、进一步的，所述光谱仪选用的是1200l/mm折射率>80％的光栅搭建，其中透镜尺寸直径大于60mm。

11、本发明还提出一种利用本发明所揭示的装置实现基于汤姆逊散射的喷口限制下的气体电弧电子数密度测量的方法，包括步骤如下：

12、步骤1、脉冲激光经由偏振片校正偏振方向后切入喷口视窗内的等离子体；

13、步骤2、散射信号经由喷口视窗由所述收集测透镜组和转90°反射镜收集成像；

14、步骤3、散射信号进光谱仪，经由光栅分光后，被iccd捕捉分析。

15、进一步的，散射信号进入光谱仪后需要经过光谱展开-收集的过程，通过边缘挡板实现激光杂散光的滤除。

16、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种针对开关电器中喷口气体电弧的汤姆逊散射信号收集装置及方法，借助巧妙设计特定喷口实现气体电弧的稳定，依据气体电弧灭弧室有限的安装条件，通过偏振光校正和光谱仪过滤，实现了对气体电弧在汤姆逊散射信号采集过程中产生的自发光和杂散光的过滤，以及喷口气体电弧电子数密度测量，并有效提高信噪比。

17、本发明的优点是：

18、本发明具有针对性强、数据测量信噪比高、数据精准性好的特点，针对气体电弧难以测量的痛点，本发明实现了汤姆逊散射信号的收集，并且对其特定的噪声进行了针对性的过滤，获得较高信噪比的散射信号数据，并最终获得高精准度的电子数密度数据以实现喷口气体电弧电子数密度测量。

技术特征：

1.一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置，其特征在于：优选的，

3.根据权利要求1所述的一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置，其特征在于：

5.一种利用权利要求1的装置实现基于汤姆逊散射的喷口限制下的气体电弧电子数密度测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于汤姆逊散射的喷口限制下的气体电弧电子数密度测量的方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种基于汤姆逊散射的喷口气体电弧电子数密度测量装置及方法，所述装置包括：用于切入等离子体对象的探针激光产生及聚焦装置、气体电弧稳定装置、散射信号收集装置；所述探针激光产生及聚焦装置由激光光源、半波片、偏振片、聚焦透镜组成；所述气体电弧稳定装置由静触头及其夹具、气体喷口、动触头及其夹具组成；所述散射信号收集装置由信号收集透镜组、转90°反射镜组、偏振片、光谱仪、ICCD组成。本发明具有针对性强、数据测量信噪比高、数据精准性好的特点，通过喷口装置对气体电弧进行稳定，并且对气体电弧特定的噪声进行了针对性的过滤，获得较高信噪比的散射信号数据，并最终获得高精准度的电子数密度数据。技术研发人员：孙昊,吴翊,纽春萍,荣命哲,刘天晓,张雨石受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15