高重频声光门控自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术分析研究

为了消除激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)中的自吸收效应,提高元素定量分析的精确度,同时满足工业中便捷分析元素的要求,需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术(self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy,SAF-LIBS)的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术,使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度,并将声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)作为门控开关,从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器(intensified charge coupled device,ICCD)和中阶梯型光栅光谱仪,实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积,降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后,对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明,等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1~50 kHz激光重复频率范围内,Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱,确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下,Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小,在45°处信噪比最高,且在一定的积分时间下,最佳光学薄时间t_(ot)为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下,对Al元素进行定量分析和预测结果表明,Al元素定标曲线的线性度R2为0.982,平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽,同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点,有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。

二元激光等离子体的时空演化机制研究

由于等离子体是激光诱导击穿光谱(LIBS)的光谱源,其内部粒子的分布结构将直接影响LIBS谱线的信噪比,因此研究等离子体粒子分布结构和动态膨胀过程对提高LIBS的定量测量精度具有指导意义。利用时间、空间、波长分辨的双波长差分成像技术分析激光诱导铝锡合金产生的二元等离子体,获取等离子体内各态粒子发射率的时空分布图像,以期探索不同激光支持吸收波(LSAW)类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。实验通过低、高激光辐照度的脉冲激光,分别构建了激光支持燃烧波(LSCW)和激光支持爆轰波(LSDW)型等离子体。通过观察等离子体的形态、内部结构、粒子分布、粒子寿命,结合元素的物理性质及谱线属性,分析了激光与金属及等离子体之间的相互作用,形成了二元激光等离子体的时空演化机制。结果表明:(1)激光辐照度会改变等离子体的粒子分布结构;(2)低辐照度激光诱导产生的LSCW型等离子体内部有明显的层状分布,激光主要吸收区位于蒸汽等离子体,此时粒子的寿命较短,分布结构主要依赖于元素熔点,低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化并析出,分布于蒸汽等离子体顶部;(3)高辐照度激光产生等离子体的传播模型为LSDW型,其内部蒸汽等离子体与冲击气体层有很大的混合区域,激光主要被冲击气体层所吸收,此时粒子寿命延长,分布结构主要依赖于元素的相对原子质量。高激光辐照度会使难混溶合金表面烧蚀区域内的粒子同时汽化,粒子速度与相对原子质量的平方根成反比,即相对原子质量小的粒子飞行速度快,分布在蒸汽等离子体顶部。以上等离子体粒子分布结构的时空演化机制有望普适于其他元素甚至多元等离子体情形。

30mm电热化学炮膛内压力波数值模拟研究

使用包含瞬态燃速公式的一维内弹道模型模拟30 mm电热化学发射过程,通过与发射实验结果相比较,验证了该模型的精确性。对比常规发射和电热化学发射膛内压力波曲线可知,电热化学发射技术可以有效降低膛内压力波。进一步分析输入电能、放电时序、发射药弧厚、装填密度等参数变化对膛内压力波的影响。研究表明:同步放电的条件下,电能比不大于0.042时,压力波峰值变化很小;电能比大于0.042时,压力波峰值随着电能比的增加迅速增大;首个负波幅值随着电能比线性递增,但受电能比影响小于压力波峰值;采用时序放电时,在控制压力波的前提下,电能比与放电电流的脉宽呈正比;在较高电能比下,压力波峰值与放电电流的脉宽呈反比;随着发射药装填密度的增加,膛内压力波增大;但在控制压力波的前提下,可输入的电能比无明显变化,首个负波幅值随着电能比的变化趋势不变;弧厚的变化对压力波的影响可忽略不计。

一种真空触发开关脉冲电源系统研究

脉冲电源系统性能基本取决于放电开关的特性,真空触发开关因其具有工作电压范围宽、承载电荷量高、介质恢复迅速、结构紧凑等优点,可用于脉冲电源的主开关。采用RVU-43型真空触发开关研制了一套总储能2 MJ、额定工作电压13 k V的脉冲电源。电源系统由17个118 k J电容储能模块并联组成,单个模块短路放电最大电流达52 k A,系统包含了充电、控制、测量子系统。电源在模拟负载上进行了单模块、系统同步与时序控制放电性能测试,并在电热化学发射装置上进行了发射试验。结果表明,系统输出的电流幅值较高且波形灵活可调,可靠性高,可满足电热化学发射试验的研究。

高光利用率高精度计算光谱成像系统设计

为了解决编码感知快照光谱成像技术(CASSI)现有的光利用率低、重构精度低等问题,通过对CASSI系统光路的研究,提出了一种新型的高光利用率高精度的计算光谱成像技术;相比于CASSI系统增加了全色分支光路的采样,全色分支的采样与CASSI分支的采样在数据上形成互补。原理样机的成像实验表明,提出的系统大大减轻了重构问题的欠定程度;通过全色分支和CASSI分支的双路数据配准和融合,实现了高精度的光谱数据重构。相比于CASSI系统,所提出的系统光通量利用率提高了一倍以上。