铜丝电爆炸的光谱分析＊

金 涌，栗保明

（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京210094）

电热化学发射一般通过金属电爆炸产生的等离子体消融毛细管壁点燃发射药［1－2］，等离子体的性质直接影响电热化学发射的效率，因此，研究电弧等离子体的特性对实际工程应用具有重要意义［3－6］。等离子体温度是描述等离子体热力学状态的重要参数之一，用光谱研究等离子体是实时和非破坏性的实验研究方法，对等离子体温度的测量始终是光谱学和测试专业的热门课题［7－8］。本文中，通过搭建脉冲成形网络（PFN）放电模块和光谱测试系统，测量铜丝电爆炸过程中的发射光谱，计算铜丝电爆炸产生的等离子体的激发温度并分析其变化特性。

1 测量原理

测量高温物质的方法［9－11］有分子带状光谱法、光谱线多普勒宽度法、双谱线相对强度法、绝对谱线强度法、多谱线斜率法、等电子谱线法和声速法等。本文中采用双谱线相对强度法计算等离子体的激发温度。常压下，假设电弧等离子体处于热力学平衡状态，则其内部的气体温度Tg、电子温度Te和激发温度Ta均相等［12］，即T＝Tg＝Te＝Ta。此时各激发态和基态的粒子浓度满足Boltzmann分布：

式中：n0为单位体积内处于基态的粒子数，ni为单位体积内处于第i激发态的粒子数，gi和g0分别为第i激发态和基态的统计权重，Ei为第i激发态的能级能量，k为Boltzmann常数，T为等离子体温度。

谱线强度公式为：

式中：Ai，m为从第i到第m 能级的跃迁几率，h为Planck常数，νi，m为从第i到第m 能级跃迁时发射光子的频率。将式（1）代入式（2）得：

若测得某元素的2条谱线强度分别为I1和I2，不考虑自吸收等其他因素，则有：

式中：λ1和λ2分别为对应谱线的波长。将式（4）取以e为底的对数并整理得等离子体激发温度：

2 实验系统

实验系统如图1所示，热化学发射中主要由PFN放电模块为等离子体提供能量，通过调整各模块的参数和放电时间，灵活地调整脉冲电流峰值、宽度和输出功率。PFN电路主要由高密度电容C、脉冲成形电感L、触发开关K和快恢复硅堆D组成，负载电阻值为R，如图1虚线左边所示。光谱测试系统主要由光谱仪和高速数据处理电脑组成，如图1虚线右边所示。电爆炸现场与光谱仪采用光纤耦合，经过iCCD相机采集的信号通过数据线传送给高速数据处理电脑。

图1 实验系统示意图Fig.1Schematic diagram of experimental system

3 结果与分析

实验中PFN模块的电容为2.0mF，电感为8.0μH，充电电压为3.0kV，对长100mm、直径0.25mm的铜丝进行脉冲放电，获得的铜丝电爆炸时的电压和电流如图2所示。图2中红色和绿色分别为铜丝电爆炸的电压和电流的变化曲线，可以看出，电压瞬时峰值为2.5kV，电流峰值为30kA，脉宽约为1.35ms。铜丝电爆炸时间约为0.1ms，因此，等离子体持续的时间约为1.2ms。由于电爆炸往往发生在PFN放电电流的上升阶段，可以推测通过这种方式所产生的等离子体的温度有一个先上升、后衰减的过程。图2中蓝色为触发信号，2次触发时刻t1和t2的间隔为1ms，分别用于测量电爆炸早期和后期的光谱数据。把触发信号控制在电压峰值之后，保证了所测的光谱为等离子体的光谱。由于金属电爆炸过程涉及固态至等离子体的迅速相变和状态转移，图中电压曲线的峰值时刻为铜丝完全汽化的时刻，之后即由于电离而使电压迅速下降，因此，将电压曲线的峰值点作为是否处于等离子体状态的判断依据。

图2 PFN放电时负载电压和电流Fig.2Load voltage and current by PFN discharging

实验中使用Shamrock 750 Czerny －Turner光谱仪和配套的iCCD相机。选择的光栅的刻线密度为1 200mm－1，线色散值为1.0nm/mm。 测 得 的 400～500nm波段的光谱如图3所示。

由图3可知，等离子体光谱是在连续谱上叠加了一系列分立谱线，连续谱来源于热电子的韧致辐射和电子－离子的复合辐射，在这个波长范围内的分立谱主要用来辨认一次电离铜离子CuⅠ的谱线。

显然，t1时刻为铜丝电爆炸形成等离子体的初始时刻，注入的电能很强，等离子体处在发展上升阶段，铜离子和空气电离成分等各种谱线均很丰富，谱线强度也较高；t2时刻PFN放电即将结束，等离子体由稳定期即将衰减，杂质粒子温度已经下降，此时CuⅠ的谱线较明显。因此，重点分析t2时刻等离子体的光谱（见图4）来获得等离子体稳定时期的激发温度。

图3 铜丝电爆炸等离子体光谱Fig.3Plasma spectra by exploding a copper wire

图4 t2时刻的等离子体光谱Fig.4Plasma spectrum at t2

图4中454.0、458.7和465.1nm 等3条谱线很清晰，将表1所示的光谱参数［13－15］代入式（5）计算等离子体的激发温度。利用454.0nm/458.7nm、458.7nm/465.1nm 和454.0nm/465.1nm 谱线对计算得到的激发温度分别为5 427.26、5 376.27和5 318.65K，取其平均值得到等离子体的平均激发温度约为5 374K。可以看出，采用不同谱线对引起的计算误差约为1.2%。

表1 CuⅠ若干谱线的光谱参数［13－15］Table 1Parameters of CuⅠ emission lines［13－15］

为了获得铜丝电爆炸等离子体温度的时间演化特性，将时序触发间隔设为0.1ms进行了更多的放电实验，图5中给出了3次相同放电条件下所测的等离子体温度随时间的变化曲线。由图5可以看出，铜丝电爆炸产生的等离子体的温度变化趋势和负载电流波形相似，存在之前所推测的先上升、后下降的变化。在等离子体形成早期，由于环境条件和等离子体本身的状态都在迅速改变，所测得的等离子体的温度变化较大（图5中前0.6ms）；在等离子体稳定期，电弧具有稳定的形态，等离子体的状态较稳定，所测得的等离子体的温度变化平缓且较集中（图5中后0.4ms）。由铜丝电爆炸产生的稳态等离子体的激发温度约为5 400K，整个脉冲时间内温度差约为800K。

4 结 论

发射光谱分析方法是一种简单有效的获取等离子体内部信息的重要手段。用发射光谱法测量电热等离子体温度，若能正确选择光谱参数，可以获得准确的等离子温度，实验的可信度达98%～99.5%［16］。

利用Andor SR750光谱仪实现了对铜丝电爆炸等离子体光谱的实时数据采集；选取等离子体稳定期内的光谱数据，采用双谱线相对强度法计算得到等离子体的激发温度约为5 400K；对脉冲电流放电时间内电爆炸产生等离子体后的光谱数据进行了采集和分析。

图5 等离子体温度变化曲线Fig.5Plasma temperature curves

结果表明：开始产生等离子体时（前0.6ms），等离子体的激发温度变化较大；在放电后期，等离子体的激发温度变化平缓且较集中（后0.4ms）；整个脉冲时间内，等离子体的激发温度差约为800K。采用发射光谱法测量等离子体的激发温度可为研究等离子体的内部细节和变化规律提供重要数据。

［1］ Dyvik J，Herbig J，Appleton R，et al.Recent activities in electrothermal chemical launcher technologies at BAE systems［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（1）：303 －307.

［2］ Kim K.Time －dependent one －dimensional modeling of pulsed plasma discharge in a capillary plasma device［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2003，31（4）：729 －735.

［3］ Christou C.Temporally resolved visible and UV spectroscopy of exploding wires［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1995，31（1）：689 －691.

［4］ 王广海，李国新，焦清介，等.光谱辐射测量金属薄膜桥电爆炸温度［J］.含能材料，2009，17（5）：616 －618.Wang Guang －hai，Li Guo －xin，Jiao qing－jie，et al.Electrical explosion temperature of metal thin film bridge measured by spectrum radiation method［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（5）：616 －618.

［5］ 陈林，周之奎，孙承纬.电热化学发射中等离子体发生器放电特性的实验研究［J］.爆炸与冲击，1997，17（4）：375 －381.Chen Lin，Zhou Zhi －kui，Sun Cheng －wei.Experimental studies on discharge characteristics of plasma generator in electrothermal －chemical launchers［J］.Explosion and Shock Waves，1997，17（4）：375 －381.

［6］ 伍俊英，冯长根，陈朗，等.金属电爆炸等离子体辐射温度测量［J］.战术导弹技术，2006，9（5）：31 －33.Wu Jun －ying，Feng Chang－gen，Chen Lang，et al.Plasma radiation temperature measurement of metal explosion［J］.Tactical Missile Technology，2006，9（5）：31 －33.

［7］ 林兆祥，李小银，程学武，等.激光大气等离子体时间演化特性的光谱研究［J］.光谱学与光谱分析，2003，23（3）：421 －425.Lin Zhao －xiang，Li Xiao －yin，Cheng Xue －wu，et al.Spectroscopic study on the time evolution behaviors of the laserinduced air plasma［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2003，23（3）：421 －425.

［8］ 任庆磊，林麒.低温等离子体的光谱测量研究［J］.光谱实验室，2007，24（5）：839 －843.Ren Qing －Lei，Lin Qi.Study on spectral measurement of low temperature plasma［J］.Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory，2007，24（5）：839 －843.

［9］ 吴蓉，李燕，朱顺官，等.等离子体电子温度的发射光谱法诊断［J］.光谱学与光谱分析，2008，28（4）：731 －735.Wu Rong，Li Yan，Zhu Shun －guan，et al.Emission spectroscopy diagnostics of plasma electron temperature［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2008，28（4）：731 －735.

［10］ 王中辉，蒋力培，齐铂金，等.发展中的电弧等离子体温度场诊断技术［J］.材料科学与工艺，2007，15（5）：654 －657.Wang Zhong －hui，Jiang Li －pei，Qi Bo －jin，et al.Developing diagnostics of the arc plasma temperature field［J］.Materials Science ＆ Technology，2007，15（5）：654 －657.

［11］ 沈华，陈磊，朱日宏，等.等离子体激发和辐射温度瞬态光谱测试方法［J］.光学学报，2009，29（8）：2216 －2220.Shen Hua，Chen Lei，Zhu Ri －hong，et al.Spectroscopic diagnostication of transient excitation and radiation temperature of plasma［J］.Acta Optica Sinica，2009，29（8）：2216 －2220.

［12］ 李倩，徐送宁，宁日波.用发射光谱法测量电弧等离子体的激发温度［J］.沈阳理工大学学报，2011，30（1）：45 －48，89.Li Qian，Xu Song －ning，Ning Ri －bo.Measurement of the arc plasma excitation temperature by emission spectroscopy method［J］.Journal of Shenyang Ligong University，2011，30（1）：45 －48，89.

［13］ 苏茂根，陈冠英，张树东，等.空气中激光烧蚀Cu产生等离子体发射光谱的研究［J］.原子与分子物理学报，2005，22（3）：472 －477.Su Mao －gen，Chen Guan －ying，Zhang Shu －dong，et al.The research of laser induced Cu plasma emission spectra in air［J］.Journal of Atomic and Molecular Physics，2005，22（3）：472 －477.

［14］ Cho C，Choi Y W，Jiang W.Time －resolved spectroscopic investigation of an exploding Cu wire process for nanosized powder synthesis［J］.Journal of the Korean Physical Society，2005，47（6）：987 －990.

［15］ Baudelet M，Willis C C C，Shah L，et al.Laser －induced breakdown spectroscopy of copper with a 2μm thulium fiber laser［J］.Optics Express，2010，18（8）：7905 －7910.

［16］ 孙秀云，周学铁，李燕，等.发射光谱Boltzmann法测量毛细管放电产生的电热高密度等离子体温度之误差分析［J］.光谱学与光谱分析，2003，23（3）：563 －565.Sun Xiu －yun，Zhou Xue －tie，Li Yan，et al.Error analysis of temperature measurement by Boltzmann plot in atomic emission spectroscopy for a high －density plasma produced by electrothermal capillary discharge［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2003，23（3）：563 －565.