本發(fā)明涉及低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置和方法。

背景技術(shù)：

大氣壓液體電極產(chǎn)生的等離子體廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，如殺菌消毒、液體官能化、水的活化、污染水的處理、納米材料的合成與加工、材料生長(zhǎng)等。通常，液體電極裝置產(chǎn)生的放電絲是旋轉(zhuǎn)的，測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的方法主要有三種。

第一種為電學(xué)法，通過(guò)測(cè)量放電電壓獲知等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。這種方法只適用于等離子體絲旋轉(zhuǎn)軌跡是橢圓形的情況。在這種情況下，等離子體絲在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。這種變化會(huì)導(dǎo)致放電電壓的波動(dòng)，通過(guò)電壓波形的波動(dòng)頻率即可估算等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。顯然，這種方法僅適用于外加電壓為直流電壓的情況，應(yīng)用面較窄。并且，由于信噪比差的原因，放電電壓的波動(dòng)頻率的估算誤差較大（參見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)2008plasmasourcessci.technol.17，045001）。

第二種，利用電荷耦合器件（iccd），通過(guò)拍攝不同曝光時(shí)間下等離子體絲的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)而估測(cè)等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期，這種方法比較適用于等離子體絲旋轉(zhuǎn)頻率低的情況。因?yàn)楫?dāng)?shù)入x子體絲的旋轉(zhuǎn)頻率高時(shí)，短曝光時(shí)間下等離子體絲旋轉(zhuǎn)軌跡的弧長(zhǎng)很短，圓心角度小，測(cè)量誤差大。

第三種，利用高速錄像機(jī)，記錄短曝光時(shí)間下放電絲（即等離子體絲）運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間即為等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。曝光時(shí)間越短，信噪比越差，因而這種方法也存在弊端（參見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)2014ieeetrans.plasmasci.,42，10）。

上述三種測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的方法均存在測(cè)量誤差大的問(wèn)題，而且這三種方法中所用到的設(shè)備都比較昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一就是提供一種測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置，以解決現(xiàn)有的用來(lái)測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置昂貴、信噪比差、測(cè)量誤差大等的問(wèn)題。

本發(fā)明的目的之二就是提供一種測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的方法，用該方法測(cè)量等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期具有測(cè)量精確、信噪比高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置，包括光學(xué)準(zhǔn)直管、光闌、光電倍增管、同軸線(xiàn)纜和示波器；

所述光學(xué)準(zhǔn)直管為水平設(shè)置的中空直管結(jié)構(gòu)，其一端指向旋轉(zhuǎn)等離子體絲的下端，另一端與所述光闌的通孔相接；所述光闌設(shè)置在所述光電倍增管的窗口前并與所述光電倍增管緊貼；所述光電倍增管通過(guò)所述同軸線(xiàn)纜與所述示波器相連接；旋轉(zhuǎn)等離子體絲呈上小下大的錐形體結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)等離子體絲的發(fā)光信號(hào)經(jīng)所述光學(xué)準(zhǔn)直管和所述光闌后進(jìn)入所述光電倍增管，所述光電倍增管用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并使電信號(hào)經(jīng)同軸線(xiàn)纜傳送至所述示波器中，通過(guò)所述示波器上顯示的電信號(hào)波形即可得知等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。

所述光學(xué)準(zhǔn)直管的材質(zhì)是石英或玻璃等非金屬電介質(zhì)材料。光學(xué)準(zhǔn)直管內(nèi)腔的橫截面形狀可以是圓形、方形或橢圓形等。光學(xué)準(zhǔn)直管的內(nèi)腔尺寸（指內(nèi)腔最長(zhǎng)的距離，對(duì)于圓形內(nèi)腔指內(nèi)徑，對(duì)于方形內(nèi)腔指對(duì)角線(xiàn)，對(duì)于橢圓形內(nèi)腔指長(zhǎng)軸）為0.5-2mm；光學(xué)準(zhǔn)直管內(nèi)腔尺寸過(guò)大則測(cè)量誤差偏大，光學(xué)準(zhǔn)直管內(nèi)腔尺寸過(guò)小則獲得信號(hào)的信噪比較差。光學(xué)準(zhǔn)直管的長(zhǎng)度一般設(shè)置為大于3cm，小于8cm。所述光學(xué)準(zhǔn)直管的外側(cè)壁用不透光材質(zhì)包裹，以防止雜散光進(jìn)入，影響信噪比。

所述光闌的通孔形狀及大小與所述光學(xué)準(zhǔn)直管的外側(cè)壁（或外圍）形狀及大小分別相匹配。所述光闌固定在光電倍增管的窗口前并且與光電倍增管緊密貼合來(lái)防止雜散光進(jìn)入光電倍增管。

優(yōu)選的，所述光電倍增管與示波器間通過(guò)50歐姆同軸線(xiàn)纜連接，且示波器的阻抗設(shè)置為50ω。光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送入示波器中，通過(guò)示波器顯示的光信號(hào)波形可得知等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。

優(yōu)選的，所述光學(xué)準(zhǔn)直管的反向延長(zhǎng)線(xiàn)通過(guò)等離子體絲的旋轉(zhuǎn)軸，并與水平面平行。

本發(fā)明所提供的測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置包括光學(xué)準(zhǔn)直管、光闌、光電倍增管、同軸線(xiàn)纜和示波器；等離子體絲的發(fā)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直管后成為平行光束，該光束再經(jīng)光闌后入射進(jìn)光電倍增管，光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并使電信號(hào)由同軸線(xiàn)纜送入示波器，示波器上所顯示的電信號(hào)波形即可反映等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。當(dāng)?shù)入x子體絲旋轉(zhuǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管的反向延長(zhǎng)線(xiàn)時(shí)，入射進(jìn)光電倍增管的光信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)；等離子體絲在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管的反向延長(zhǎng)線(xiàn)時(shí)，那么，等離子體絲距離光學(xué)準(zhǔn)直管的入射光口越近則發(fā)光信號(hào)越強(qiáng)，等離子體絲距離光學(xué)準(zhǔn)直管的入射光口越遠(yuǎn)則發(fā)光信號(hào)越弱。等離子體絲旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間就是光信號(hào)的周期，即利用示波器監(jiān)測(cè)光信號(hào)的周期就可以得到等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。本發(fā)明利用光電倍增管的靈敏度高、信噪比好、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量等離子體絲的發(fā)光信號(hào)進(jìn)而得出等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。

本發(fā)明所提供的測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量結(jié)果精確，裝置成本低，便于推廣應(yīng)用。

本發(fā)明的目的之二是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的方法，包括如下步驟：

a、將光學(xué)準(zhǔn)直管水平設(shè)置，并使其一端對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)等離子體絲的下端，另一端插接在光闌的通孔處；光學(xué)準(zhǔn)直管為中空直管結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)等離子體絲呈上小下大的錐形體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述光學(xué)準(zhǔn)直管的反向延長(zhǎng)線(xiàn)通過(guò)等離子體絲的旋轉(zhuǎn)軸。

b、將光闌固定在光電倍增管的窗口前，并使光闌與光電倍增管緊貼；

c、利用同軸線(xiàn)纜將光電倍增管與示波器相連接；

d、打開(kāi)示波器和光電倍增管的開(kāi)關(guān)，同時(shí)調(diào)節(jié)光電倍增管的增益電壓；增益電壓的調(diào)節(jié)范圍是550v~800v。

e、旋轉(zhuǎn)等離子體絲的發(fā)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直管和光闌后進(jìn)入光電倍增管，光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳送至示波器中，通過(guò)示波器上顯示的電信號(hào)波形即可對(duì)等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄；

f、待對(duì)等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期記錄完畢后，將光電倍增管的增益電壓調(diào)節(jié)為0v，然后關(guān)閉示波器和光電倍增管的開(kāi)關(guān)。

優(yōu)選的，步驟c中光電倍增管與示波器之間通過(guò)50ω的同軸線(xiàn)纜連接，且示波器的阻抗為50ω。

優(yōu)選的，步驟a中所述光學(xué)準(zhǔn)直管的長(zhǎng)度為3-8cm，其內(nèi)腔尺寸為0.5-2mm。

本發(fā)明利用光學(xué)方法測(cè)量等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。等離子體絲在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與光學(xué)準(zhǔn)直管入射光口的距離在不斷的改變，因此光電倍增管接收到的光信號(hào)也在不斷的變化。等離子體絲距光學(xué)準(zhǔn)直管的入射光口越近則光信號(hào)越強(qiáng)，越遠(yuǎn)則光信號(hào)越弱。且光信號(hào)的強(qiáng)度與等離子體絲旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與光學(xué)準(zhǔn)直管反向延長(zhǎng)線(xiàn)的距離成負(fù)相關(guān)，因此等離子體絲發(fā)光信號(hào)的周期就是等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。光電倍增管接收經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直管和光闌后的光信號(hào)并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)同軸線(xiàn)纜被傳輸至示波器中，示波器可顯示電信號(hào)波形，通過(guò)觀(guān)察示波器上電信號(hào)的周期便可得到等離子體絲的旋轉(zhuǎn)周期。

本發(fā)明所提供的方法相對(duì)一般測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量精確，設(shè)備廉價(jià)，操作方便，因而便于推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所提供的測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是采用佳能eos7d拍攝的針尖與水面之間的放電照片示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中所測(cè)量的旋轉(zhuǎn)等離子體絲發(fā)光信號(hào)的波形示意圖。

圖中：1、鎢針，2、水槽，3、等離子體絲，4、光學(xué)準(zhǔn)直管，5、光闌，6、光電倍增管，7、示波器，8、同軸線(xiàn)纜。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的裝置具體包括：光學(xué)準(zhǔn)直管4、光闌5、光電倍增管6、示波器7和同軸線(xiàn)纜8。

產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)等離子體絲的裝置包括鎢針1、裝滿(mǎn)水的水槽2、直流電源和鎮(zhèn)流電阻。鎢針1豎直放置（即鎢針1與水平面垂直），本實(shí)施例中鎢針1的直徑為1mm，其下端針尖呈半球形，針長(zhǎng)5cm。水槽2處于鎢針1的正下方；水槽2為不銹鋼材質(zhì)，水槽2中盛滿(mǎn)自來(lái)水，本實(shí)施例中水槽2內(nèi)的水量為300ml。鎢針1下端的針尖距水槽2內(nèi)水面之間的間距為5mm。

直流電源提供負(fù)高壓，電流范圍在0ma~-30ma。本實(shí)施例中鎮(zhèn)流電阻的阻值為1000kω。鎮(zhèn)流電阻的一端連接直流電源的負(fù)極，鎮(zhèn)流電阻的另一端連接鎢針1；直流電源的正極接地線(xiàn)且與水槽2相接，由此形成回路。在直流電源的激勵(lì)下，在鎢針1和水槽2之間即可產(chǎn)生放電并形成旋轉(zhuǎn)的等離子體絲3。等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中形成上小下大的錐形體結(jié)構(gòu)。

光學(xué)準(zhǔn)直管4是中空直管結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為石英或玻璃等非金屬電介質(zhì)材料；光學(xué)準(zhǔn)直管4的長(zhǎng)度為3cm~8cm，其內(nèi)腔尺寸為0.5mm~2mm。光學(xué)準(zhǔn)直管4內(nèi)腔的截面形狀可以是圓形、方形、橢圓形等；前述“內(nèi)腔尺寸為0.5mm~2mm”中的“內(nèi)腔尺寸”分別是：對(duì)于圓形而言指內(nèi)徑，對(duì)于方形而言指對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，對(duì)于橢圓形而言指長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。光學(xué)準(zhǔn)直管4的外圍用不透光的材質(zhì)包裹。

光學(xué)準(zhǔn)直管4呈水平設(shè)置，其一端指向等離子體絲3的下端，其另一端插接在光闌5的通孔內(nèi)。光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a通過(guò)等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)軸。光闌5上通孔的形狀與光學(xué)準(zhǔn)直管4外側(cè)壁的形狀相匹配，光闌5上通孔的大小也與光學(xué)準(zhǔn)直管4外側(cè)壁的大小相適配。光闌5固定在光電倍增管6的窗口前，并且與光電倍增管6緊密貼合。這樣做的目的是使得入射光完全進(jìn)入光電倍增管6，也避免雜散光進(jìn)入光電倍增管6。

光電倍增管6增益電壓的調(diào)節(jié)范圍是550v~800v。光電倍增管6與示波器7之間通過(guò)50歐姆的同軸線(xiàn)纜8連接，且示波器7的阻抗設(shè)置為50ω。當(dāng)有光入射進(jìn)光電倍增管6時(shí)，光電倍增管6會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后在示波器7上顯示。

等離子體絲3的發(fā)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直管4后成為平行光束，該平行光束再經(jīng)光闌5后入射進(jìn)光電倍增管6，光電倍增管6將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)由同軸線(xiàn)纜8傳輸至示波器7，示波器7上可顯示電信號(hào)波形，根據(jù)電信號(hào)波形即可得出等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)周期。

實(shí)施例2，測(cè)量等離子體絲旋轉(zhuǎn)周期的方法。

結(jié)合圖1，本發(fā)明所提供的測(cè)量等離子體放電絲旋轉(zhuǎn)周期的方法具體步驟如下：

a、將光學(xué)準(zhǔn)直管4水平設(shè)置，光學(xué)準(zhǔn)直管4為中空直管結(jié)構(gòu)。使光學(xué)準(zhǔn)直管4的一端對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)等離子體絲3的下端，使其另一端插入光闌5的通孔處。本實(shí)施例中光學(xué)準(zhǔn)直管4為玻璃管。

等離子體絲3呈上小下大的錐形體結(jié)構(gòu)，等離子體絲3形成在鎢針1與水槽2之間。采用佳能eos7d拍攝鎢針針尖與水面之間的放電照片，如圖2所示。圖2所示照片的曝光時(shí)間為1/20s。由于在曝光的1/20s內(nèi)，等離子體絲3會(huì)旋轉(zhuǎn)多個(gè)周期，因此圖2中倒扣鐘型源于旋轉(zhuǎn)等離子體絲3不同時(shí)刻的疊加。由圖2可以看出，等離子體絲3繞軸旋轉(zhuǎn)的底面面積最大，故本步驟中使光學(xué)準(zhǔn)直管4的一端對(duì)準(zhǔn)靠近水面的區(qū)域（即：使光學(xué)準(zhǔn)直管4的一端對(duì)準(zhǔn)等離子體絲3的下端）更有利于測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果也會(huì)更準(zhǔn)確。而且，本實(shí)施例中使光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a通過(guò)等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)軸。

b、將光闌5固定在光電倍增管6的窗口前，并使光闌5與光電倍增管6緊密貼合。

c、利用同軸線(xiàn)纜8將光電倍增管6與示波器7連通。同軸線(xiàn)纜8的電阻為50ω，示波器7的阻抗為50ω。

d、打開(kāi)光電倍增管6與示波器7的開(kāi)關(guān)，并調(diào)節(jié)光電倍增管6的增益電壓，以對(duì)等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。

e、待對(duì)等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)周期記錄完畢后，將光電倍增管6的增益電壓調(diào)節(jié)為0v，然后關(guān)閉示波器7和光電倍增管6的開(kāi)關(guān)。

等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a時(shí)，入射進(jìn)光電倍增管6的光信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)；等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a時(shí)，則等離子體絲3距離光學(xué)準(zhǔn)直管4的入射光口越近則發(fā)光信號(hào)越強(qiáng)，等離子體絲3距離光學(xué)準(zhǔn)直管4的入射光口越遠(yuǎn)則發(fā)光信號(hào)越弱。等離子體絲3每旋轉(zhuǎn)一周會(huì)兩次經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a，而光信號(hào)與等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)過(guò)程同步，因此等離子體絲3旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間就是光信號(hào)的周期，即利用示波器7監(jiān)測(cè)光信號(hào)的周期就可以得到等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)周期。

如圖3所示，圖3是本實(shí)施例所測(cè)量的旋轉(zhuǎn)等離子體絲發(fā)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后在示波器7上所顯示出來(lái)的波形示意圖。由圖3可以看出，光信號(hào)的時(shí)間周期性很好，并且光強(qiáng)也隨時(shí)間在周期性的改變。每個(gè)周期的光信號(hào)存在兩個(gè)脈沖，說(shuō)明等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中兩次經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a。當(dāng)脈沖峰值為-6時(shí)，例如對(duì)于a點(diǎn)，說(shuō)明此時(shí)等離子體絲3經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a，且距光學(xué)準(zhǔn)直管4的入射光口最近；當(dāng)脈沖峰值為-4時(shí)，例如對(duì)于c點(diǎn)，說(shuō)明此時(shí)等離子體絲3經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a，且距光學(xué)準(zhǔn)直管4的入射光口最遠(yuǎn)。圖中b點(diǎn)和d點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中處于光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a的兩側(cè)，且距光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a最遠(yuǎn)的點(diǎn)。由于等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中并非繞軸呈規(guī)則的圓形旋轉(zhuǎn)，因此b點(diǎn)和d點(diǎn)呈不對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，故兩點(diǎn)處的光強(qiáng)不同。圖3中表示等離子體絲3再次經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a，且距光學(xué)準(zhǔn)直管4的入射光口最近，因此等離子體絲3旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間就是與a點(diǎn)之間的時(shí)間差，也即等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)周期?；蛘哒f(shuō)，等離子體絲3在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直管4的反向延長(zhǎng)線(xiàn)a，且距離光學(xué)準(zhǔn)直管4的入射光口最近和最遠(yuǎn)的時(shí)間差（a和c點(diǎn)之間的時(shí)間差）就是等離子體絲3旋轉(zhuǎn)半周的時(shí)間。等離子體絲3旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間就是光信號(hào)的周期，表現(xiàn)在示波器7的電信號(hào)波形上即是與a點(diǎn)之間的時(shí)間差或a與c點(diǎn)之間時(shí)間差的2倍。本實(shí)施例中光信號(hào)的周期為12μs，因此等離子體絲3的旋轉(zhuǎn)周期為12μs。