技术领域
[0001] 本
发明涉及低温等离子体技术领域，具体地说是一种测量等离子体丝旋转周期的装置和方法。
背景技术
[0002]
大气压液体
电极产生的等离子体广泛的应用于医疗、环境、工业、军事等领域，如杀菌消毒、液体官能化、
水的活化、污染水的处理、
纳米材料的合成与加工、材料生长等。通常，液体电极装置产生的放电丝是旋转的，测量等离子体丝旋转周期的方法主要有三种。
[0003] 第一种为电学法，通过测量放电
电压获知等离子体丝的旋转周期。这种方法只适用于等离子体丝旋转轨迹是椭圆形的情况。在这种情况下，等离子体丝在旋转过程中的长度会发生变化。这种变化会导致放电电压的
波动，通过电压
波形的波动
频率即可估算等离子体丝的旋转周期。显然，这种方法仅适用于外加电压为直流电压的情况，应用面较窄。并且，由于
信噪比差的原因，放电电压的波动频率的估算误差较大（参见公开文献2008 Plasma Sources Sci. Technol. 17，045001）。
[0004] 第二种，利用电荷
耦合器件（ICCD），通过拍摄不同曝光时间下等离子体丝的运动轨迹进而估测等离子体丝的旋转周期，这种方法比较适用于等离子体丝旋转频率低的情况。因为当等离子体丝的旋转频率高时，短曝光时间下等离子体丝旋转轨迹的弧长很短，圆心
角度小，测量误差大。
[0005] 第三种，利用高速录像机，记录短曝光时间下放电丝（即等离子体丝）运动一周所需要的时间即为等离子体丝的旋转周期。曝光时间越短，信噪比越差，因而这种方法也存在弊端（参见公开文献2014 IEEE Trans.plasma Sci.,42，10）。
[0006] 上述三种测量等离子体丝旋转周期的方法均存在测量误差大的问题，而且这三种方法中所用到的设备都比较昂贵。
发明内容
[0007] 本发明的目的之一就是提供一种测量等离子体丝旋转周期的装置，以解决现有的用来测量等离子体丝旋转周期的装置昂贵、信噪比差、测量误差大等的问题。
[0008] 本发明的目的之二就是提供一种测量等离子体丝旋转周期的方法，用该方法测量等离子体丝的旋转周期具有测量精确、信噪比高、操作简单等优点。
[0009] 本发明的目的之一是这样实现的：一种测量等离子体丝旋转周期的装置，包括光学
准直管、光阑、
光电倍增管、同轴线缆和示波器；
[0010] 所述光学准直管为水平设置的中空直管结构，其一端指向旋转等离子体丝的下端，另一端与所述光阑的通孔相接；所述光阑设置在所述光电倍增管的窗口前并与所述光电倍增管紧贴；所述光电倍增管通过所述同轴线缆与所述示波器相连接；旋转等离子体丝呈上小下大的锥形体结构；旋转等离子体丝的发光
信号经所述光学准直管和所述光阑后进入所述光电倍增管，所述光电倍增管用于将
光信号转化为
电信号并使电信号经同轴线缆传送至所述示波器中，通过所述示波器上显示的电信号波形即可得知等离子体丝的旋转周期。
[0011] 所述光学准直管的材质是
石英或玻璃等非金属
电介质材料。光学准直管内腔的横截面形状可以是圆形、方形或椭圆形等。光学准直管的内腔尺寸（指内腔最长的距离，对于圆形内腔指内径，对于方形内腔指对角线，对于椭圆形内腔指长轴）为0.5-2mm；光学准直管内腔尺寸过大则测量误差偏大，光学准直管内腔尺寸过小则获得信号的信噪比较差。光学准直管的长度一般设置为大于3cm，小于8cm。所述光学准直管的外
侧壁用不透光材质包裹，以防止杂散光进入，影响信噪比。
[0012] 所述光阑的通孔形状及大小与所述光学准直管的外侧壁（或外围）形状及大小分别相匹配。所述光阑固定在光电倍增管的窗口前并且与光电倍增管紧密贴合来防止杂散光进入光电倍增管。
[0013] 优选的，所述光电倍增管与示波器间通过50欧姆同轴线缆连接，且示波器的阻抗设置为50Ω。光电倍增管将光信号转化为电信号传送入示波器中，通过示波器显示的光信号波形可得知等离子体丝的旋转周期。
[0014] 优选的，所述光学准直管的反向延长线通过等离子体丝的旋
转轴，并与水平面平行。
[0015] 本发明所提供的测量等离子体丝旋转周期的装置包括光学准直管、光阑、光电倍增管、同轴线缆和示波器；等离子体丝的发光信号经光学准直管后成为平行光束，该光束再经光阑后入射进光电倍增管，光电倍增管将光信号转化为电信号并使电信号由同轴线缆送入示波器，示波器上所显示的电信号波形即可反映等离子体丝的旋转周期。当等离子体丝旋转过程中经过光学准直管的反向延长线时，入射进光电倍增管的光信号强度较强；等离子体丝在旋转过程中不经过光学准直管的反向延长线时，那么，等离子体丝距离光学准直管的入射光口越近则发光信号越强，等离子体丝距离光学准直管的入射光口越远则发光信号越弱。等离子体丝旋转一周的时间就是光信号的周期，即利用示波器监测光信号的周期就可以得到等离子体丝的旋转周期。本发明利用光电倍增管的灵敏度高、信噪比好、响应速度快的特点，通过测量等离子体丝的发光信号进而得出等离子体丝的旋转周期。
[0016] 本发明所提供的测量等离子体丝旋转周期的装置，结构简单，操作方便，测量结果精确，装置成本低，便于推广应用。
[0017] 本发明的目的之二是这样实现的：一种测量等离子体丝旋转周期的方法，包括如下步骤：
[0018] a、将光学准直管水平设置，并使其一端对准旋转等离子体丝的下端，另一端插接在光阑的通孔处；光学准直管为中空直管结构，旋转等离子体丝呈上小下大的锥形体结构。优选的，所述光学准直管的反向延长线通过等离子体丝的
旋转轴。
[0019] b、将光阑固定在光电倍增管的窗口前，并使光阑与光电倍增管紧贴；
[0020] c、利用同轴线缆将光电倍增管与示波器相连接；
[0021] d、打开示波器和光电倍增管的
开关，同时调节光电倍增管的增益电压；增益电压的调节范围是550V 800V。~
[0022] e、旋转等离子体丝的发光信号经光学准直管和光阑后进入光电倍增管，光电倍增管将光信号转化为电信号后传送至示波器中，通过示波器上显示的电信号波形即可对等离子体丝的旋转周期进行监测和记录；
[0023] f、待对等离子体丝的旋转周期记录完毕后，将光电倍增管的增益电压调节为0V，然后关闭示波器和光电倍增管的开关。
[0024] 优选的，步骤c中光电倍增管与示波器之间通过50Ω的同轴线缆连接，且示波器的阻抗为50Ω。
[0025] 优选的，步骤a中所述光学准直管的长度为3-8cm，其内腔尺寸为0.5-2mm。
[0026] 本发明利用光学方法测量等离子体丝的旋转周期。等离子体丝在旋转过程中与光学准直管入射光口的距离在不断的改变，因此光电倍增管接收到的光信号也在不断的变化。等离子体丝距光学准直管的入射光口越近则光信号越强，越远则光信号越弱。且光信号的强度与等离子体丝旋转过程中与光学准直管反向延长线的距离成负相关，因此等离子体丝发光信号的周期就是等离子体丝的旋转周期。光电倍增管接收经光学准直管和光阑后的光信号并将光信号转化为电信号，电信号经同轴线缆被传输至示波器中，示波器可显示电信号波形，通过观察示波器上电信号的周期便可得到等离子体丝的旋转周期。
[0027] 本发明所提供的方法相对一般测量方法的优点在于测量精确，设备廉价，操作方便，因而便于推广应用。
附图说明
[0028] 图1是本发明
实施例1所提供的测量等离子体丝旋转周期的装置结构示意图。
[0029] 图2是采用佳能EOS7D拍摄的针尖与水面之间的放电照片示意图。
[0030] 图3是本发明实施例2中所测量的旋转等离子体丝发光信号的波形示意图。
[0031] 图中：1、钨针，2、水槽，3、等离子体丝，4、光学准直管，5、光阑，6、光电倍增管，7、示波器，8、同轴线缆。
具体实施方式
[0032] 实施例1，测量等离子体丝旋转周期的装置。
[0033] 如图1所示，本发明所提供的测量等离子体丝旋转周期的装置具体包括：光学准直管4、光阑5、光电倍增管6、示波器7和同轴线缆8。
[0034] 产生旋转等离子体丝的装置包括钨针1、装满水的水槽2、直流电源和镇流
电阻。钨针1竖直放置（即钨针1与水平面垂直），本实施例中钨针1的直径为1mm，其下端针尖呈半球形，针长5cm。水槽2处于钨针1的正下方；水槽2为不锈
钢材质，水槽2中盛满
自来水，本实施例中水槽2内的水量为300mL。钨针1下端的针尖距水槽2内水面之间的间距为5mm。
[0035] 直流电源提供负高压，
电流范围在0mA -30mA。本实施例中镇流电阻的阻值为~1000kΩ。镇流电阻的一端连接直流电源的负极，镇流电阻的另一端连接钨针1；直流电源的正极接地线且与水槽2相接，由此形成回路。在直流电源的激励下，在钨针1和水槽2之间即可产生放电并形成旋转的等离子体丝3。等离子体丝3在旋转过程中形成上小下大的锥形体结构。
[0036] 光学准直管4是中空直管结构，其材质为石英或玻璃等非金属电介质材料；光学准直管4的长度为3cm 8cm，其内腔尺寸为0.5mm 2mm。光学准直管4内腔的截面形状可以是圆~ ~形、方形、椭圆形等；前述“内腔尺寸为0.5mm 2mm”中的“内腔尺寸”分别是：对于圆形而言指~
内径，对于方形而言指对角线长度，对于椭圆形而言指长轴长度。光学准直管4的外围用不透光的材质包裹。
[0037] 光学准直管4呈水平设置，其一端指向等离子体丝3的下端，其另一端插接在光阑5的通孔内。光学准直管4的反向延长线a通过等离子体丝3的旋转轴。光阑5上通孔的形状与光学准直管4外侧壁的形状相匹配，光阑5上通孔的大小也与光学准直管4外侧壁的大小相适配。光阑5固定在光电倍增管6的窗口前，并且与光电倍增管6紧密贴合。这样做的目的是使得入射光完全进入光电倍增管6，也避免杂散光进入光电倍增管6。
[0038] 光电倍增管6增益电压的调节范围是550V 800V。光电倍增管6与示波器7之间通过~50欧姆的同轴线缆8连接，且示波器7的阻抗设置为50Ω。当有光入射进光电倍增管6时，光电倍增管6会将光信号转
化成电信号，然后在示波器7上显示。
[0039] 等离子体丝3的发光信号经光学准直管4后成为平行光束，该平行光束再经光阑5后入射进光电倍增管6，光电倍增管6将光信号转化为电信号，电信号由同轴线缆8传输至示波器7，示波器7上可显示电信号波形，根据电信号波形即可得出等离子体丝3的旋转周期。
[0040] 实施例2，测量等离子体丝旋转周期的方法。
[0041] 结合图1，本发明所提供的测量等离子体放电丝旋转周期的方法具体步骤如下：
[0042] a、将光学准直管4水平设置，光学准直管4为中空直管结构。使光学准直管4的一端对准旋转等离子体丝3的下端，使其另一端插入光阑5的通孔处。本实施例中光学准直管4为玻璃管。
[0043] 等离子体丝3呈上小下大的锥形体结构，等离子体丝3形成在钨针1与水槽2之间。采用佳能EOS7D拍摄钨针针尖与水面之间的放电照片，如图2所示。图2所示照片的曝光时间为1/20s。由于在曝光的1/20s内，等离子体丝3会旋转多个周期，因此图2中倒扣钟型源于旋转等离子体丝3不同时刻的
叠加。由图2可以看出，等离子体丝3绕轴旋转的底面面积最大，故本步骤中使光学准直管4的一端对准靠近水面的区域（即：使光学准直管4的一端对准等离子体丝3的下端）更有利于测量，测量的结果也会更准确。而且，本实施例中使光学准直管
4的反向延长线a通过等离子体丝3的旋转轴。
[0044] b、将光阑5固定在光电倍增管6的窗口前，并使光阑5与光电倍增管6紧密贴合。
[0045] c、利用同轴线缆8将光电倍增管6与示波器7连通。同轴线缆8的电阻为50Ω，示波器7的阻抗为50Ω。
[0046] d、打开光电倍增管6与示波器7的开关，并调节光电倍增管6的增益电压，以对等离子体丝3的旋转周期进行监测和记录。
[0047] e、待对等离子体丝3的旋转周期记录完毕后，将光电倍增管6的增益电压调节为0V，然后关闭示波器7和光电倍增管6的开关。
[0048] 等离子体丝3在旋转过程中经过光学准直管4的反向延长线a时，入射进光电倍增管6的光信号强度较强；等离子体丝3在旋转过程中不经过光学准直管4的反向延长线a时，则等离子体丝3距离光学准直管4的入射光口越近则发光信号越强，等离子体丝3距离光学准直管4的入射光口越远则发光信号越弱。等离子体丝3每旋转一周会两次经过光学准直管4的反向延长线a，而光信号与等离子体丝3的旋转过程同步，因此等离子体丝3旋转一周的时间就是光信号的周期，即利用示波器7监测光信号的周期就可以得到等离子体丝3的旋转周期。
[0049] 如图3所示，图3是本实施例所测量的旋转等离子体丝发光信号转化为电信号后在示波器7上所显示出来的波形示意图。由图3可以看出，光信号的时间周期性很好，并且光强也随时间在周期性的改变。每个周期的光信号存在两个脉冲，说明等离子体丝3在旋转过程中两次经过光学准直管4的反向延长线a。当脉冲峰值为-6时，例如对于A点，说明此时等离子体丝3经过光学准直管4的反向延长线a，且距光学准直管4的入射光口最近；当脉冲峰值为-4时，例如对于C点，说明此时等离子体丝3经过光学准直管4的反向延长线a，且距光学准直管4的入射光口最远。图中B点和D点分别对应等离子体丝3在旋转过程中处于光学准直管4的反向延长线a的两侧，且距光学准直管4的反向延长线a最远的点。由于等离子体丝3在旋转过程中并非绕轴呈规则的圆形旋转，因此B点和D点呈不对称性结构，故两点处的光强不同。图3中表示等离子体丝3再次经过光学准直管4的反向延长线a，且距光学准直管4的入射光口最近，因此等离子体丝3旋转一周的时间就是与A点之间的时间差，也即等离子体丝3的旋转周期。或者说，等离子体丝3在旋转过程中经过光学准直管4的反向延长线a，且距离光学准直管4的入射光口最近和最远的时间差（A和C点之间的时间差）就是等离子体丝3旋转半周的时间。等离子体丝3旋转一周的时间就是光信号的周期，表现在示波器7的电信号波形上即是与A点之间的时间差或A与C点之间时间差的2倍。本实施例中光信号的周期为12μs，因此等离子体丝3的旋转周期为12μs。
