表面波型微波感偶低气压氦等离子体空间分辨光谱诊断

用光学多道分析仪考察了低气压表面波型微波感氦偶等离子体的发射光谱.经过阿贝尔(Abel)反演变换后,得到了在各种气压和微波功率下此等离子体光谱辐射光强和激发温度的空间分布及其变化规律.讨论了此等离子体的激发机理.推算了其中亚稳态原子的空间分布情况.     

等离子体微波辐射简介和研究进展

近年来,等离子体微波辐射作为新兴高功率微波源,因其具有频带宽、相干和可调谐等优点,因而受到国际上的广泛关注.本文着重介绍了几种典型的等离子体微波辐射理论和实验研究现状,包括电子束与等离子体互作用、等离子体局部扰动、三波互作用等.     

真空二极管辐射微波的机理分析

在研究真空开关的过程中,发现真空二极管能辐射出宽带微波.这种器件只由带触发装置的阴极和平板阳极组成,不存在金属波纹慢波结构,所以真空二极管的辐射机理与等离子体填充微波器件不同,不能直接套用等离子体填充微波器件的相关理论.本文描述了真空二极管产生辐射的物理过程,建立了真空二极管辐射的数学模型,通过求解波动方程得到产生辐射的色散关系,并绘制出了色散曲线.将理论分析得到的色散曲线与已经测得的微波辐射进行比较,两者能很好地符合.理论分析和实验结果表明,电子束和磁化等离子体的相互作用是真空二极管产生微波辐射的原因.     

表面波型微波感耦氖等离子体空间分辨光谱诊断

用光学多道分析仪（ＯＭＡ－３）考察了表面波型微波感耦氖气离子（Ｎｅ－ＭＩＰ）的发射光谱。经过Ａｂｅｌ反演后，得到了各种气压和微波功率下Ｎｅ－ＭＩＰ光谱辐射光强和激发温度的空间分布及其变化规律，讨论了等离子体的激发机理，推算了亚稳态原子的空间分布情况。     

脉冲等离子体辐射微波机理的初步研究

 在分析了等离子体辐射微波的电流波形和喇叭天线接收到的微波信号波形的基础上,对脉冲等离子体辐射微波的机理进行了理论分析：阴阳极间存在TEM和TM两种模式的波;流经等离子体的电流产生的磁场使等离子体中的波成为慢波;高频场的激励因素有两个,一是作加速运动的电子,二是阳极斑点溅射时阳极电位突降;同一时刻具有不同速度的电子将能量转换给相应相速的波是其产生超宽带辐射的原因。     

一种大气微波环形波导等离子体设备

 微波等离子体相对其它等离子体而言有很多的优点，具有极高的工业应用价值。但在大气条件下，大体积的微波等离子体较难获得。为达到产生该种微波等离子体并将之应用的目的，特设计了一台环形波导反应腔设备并从事了等离子体激发的相关研究。介绍了该设备的设计思路，给出了常用的非磁化微波等离子体工作气体的击穿曲线，通过软件仿真得到了反应腔内的电场分布，并陈述了微波等离子体反应的基本现象。结合试验的结果，证明了软件仿真的正确性和装置的有效性。目前，该装置可在大气压下顺利激发一定体积的氦、氩等离子体。     

压缩空气微波等离子体发射光谱的实验研究

利用微波等离子体发生装置,以压缩空气为工作气体,在1～5 atm气压下激发了微波等离子体。使用光谱测量系统,对不同气压和不同入射微波功率情况下的压缩空气微波等离子体的发射光谱进行了实验研究。结果显示,在其他条件不变时,随着气压升高,压缩空气微波等离子体的带状连续谱特征逐渐减弱;随着入射微波功率降低,带状连续谱强度逐渐减弱而带状连续谱特征依然显著。实验结果为了解压缩空气微波等离子体的光谱特性和NO活性基团的产生条件提供了实验依据。     

一种准光反射聚焦微波放电大气等离子体装置

设计了一种准光反射聚焦方式的微波放电大气等离子体实验装置,装置包括大气环境模拟室和微波辐射聚焦系统。辐射微波在腔室中心形成kV/cm量级的非均匀强场,击穿大气产生等离子体。通过仿真计算了腔室内的空间辐射场分布,并利用小信号传递的方式进行测量,测量结果与仿真相符,形成的等离子体形态与辐射场分布强弱一致。电磁场在聚焦区域形成驻波,等离子体出现明显分层现象。实验通过拍照记录了不同参数条件下的等离子体图样,等离子体形态随气压升高而收缩,放电区域受场强和气压共同影响。对实验结果进行分析,验证了该装置的能力。     

纳秒激光等离子体相互作用过程中激光强度对微波辐射影响的研究

在强激光与等离子体的相互作用中,通常能够产生时间尺度长达百纳秒量级的微波辐射,形成的复杂电磁环境会干扰或损坏机械电子设备,并给物理过程的准确认识与表征带来困难.然而,目前对于微波辐射的产生机制的研究还不够系统和完善.本文通过系统地改变纳秒激光与等离子体作用过程中入射的激光能量以改变入射激光强度,发现微波辐射强度随激光强度非单调变化.在较低的激光强度下,辐射强度随激光强度的增加先增加后减小,辐射场时间波形呈现连续振荡的特征,辐射频谱包含低于和高于0.3 GHz两部分分量;在较高的激光强度下,辐射强度随激光强度的增加而增加,辐射场时间波形表现为数十纳秒的单极性辐射,辐射频谱主要包括0.3 GHz以下的分量.分析表明,导致微波波形和频谱差别的原因是辐射机制发生了变化.在较低的激光强度下,微波辐射由偶极辐射和靶上电子束向真空出射共同作用产生,其中偶极辐射占主导;在较高的激光强度下,微波辐射主要由靶上电子束向真空出射产生.研究结果对于理解纳秒激光与等离子体相互作用过程中的微波辐射机制具有比较重要的意义,同时也为借助微波辐射诊断激光与等离子体相互作用过程中的逃逸电子、靶面鞘层场等问题提供了参考.     

常压微波等离子体炬的模拟及硫化氢处理

对常压微波等离子体炬装置及H2S废气的处理进行了研究。介绍了一种具有特殊喷嘴结构的微波等离子体炬装置,模拟了不同喷嘴结构下谐振腔中微波电场的强度及分布,在此基础上,进行了H2S废气处理的实验研究。结果表明:采用新型喷嘴结构在喷嘴尖端产生的电场强度和分布更利于等离子体炬的激发,微波功率为500 W时,喷嘴尖端处的电场强度在1.5×106 V/m以上,远大于氩气的击穿电场强度,能有效地激发等离子体炬;当H2S气体与Ar气体流量比为10∶90,总流量为1000mL/min,微波功率为1000 W时,H2S的转化率最大达91.32%;大气微波等离子体炬能有效地处理H2S废气。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

Excitation of Doubly‐Charged Ion Emission Lines from a Grimm‐Style Glow Discharge Plasma—Comparison Between Yttrium and Zirconium

Spectra of yttrium and zirconium emitted from a Grimm‐style glow discharge plasma were investigated to elucidate the excitation mechanism of doubly‐charged ionic lines when using argon–helium mixed gas as well as argon gas alone. The energy sum for exciting doubly‐charged ion species of yttrium is slightly smaller compared to the case of zirconium, which yields an interesting correlation in the excitation energy between their ionic species and excited species of helium or argon. The Y III emission lines which were assigned to the 4p⁶5p–4p⁶5s(4p⁶4d) transitions could be observed in the argon–helium mixed gas plasma, but those were hardly excited with argon gas only. The Zr III emission lines did not appear in the spectra emitted by the argon gas plasma nor by the mixed gas plasma. A possible explanation for these phenomena is that the excitation of these ionic species is caused principally by collisional energy transfer from helium species to the analyte atoms.     

透镜与样品之间距离对激光等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器产生的激光(～25J)在减压氩气环境下诱导钢和土壤样品等离子体,研究了激光束聚焦透镜(f=130 mm)与样品之间距离对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,当聚焦透镜的焦点围绕样品表面上下移动时,对于合金钢样品,激光束焦斑位于样品表面以下0.4 mm左右,则激光等离子体的辐射强度、激发温度和物质烧蚀质量均出现最大值;而对于土壤样品,当激光束聚焦位置在样品表面以下0.2 mm左右,等离子体辐射强度和物质烧蚀质量具有最大值。为了比较透镜与样品之间距离对等离子体形状的影响,也拍摄了氩气和空气环境下产生的激光等离子体象。所得结果证明,激光等离子体特性明显依赖于透镜与样品之间距离。     

Comparative Study on Excitation Mechanism of Chromium Emission Lines in Argon Radio‐Frequency Inductively‐Coupled Plasma,Nitrogen Microwave Induced Plasma,and Argon or Nitrogen Glow Discharge Plasmas

Boltzmann plots of both atomic and ionic chromium emission lines are investigated to compare the excitation mechanisms in four different plasmas: an argon inductively‐coupled plasma (Ar‐ICP), a nitrogen high‐power microwave induced plasma (N₂‐MIP), an argon glow discharge plasma (Ar‐GDP), and a nitrogen glow discharge plasma (N₂‐GDP). The plots of the atomic lines and the ionic lines give both linear relationships as well as similar excitation temperatures in the case of the Ar‐ICP, the N₂‐MIP, and the N₂‐GDP. It implies that a thermodynamic process such as electron collision would control their excitations. However, only in the case of the ionic‐line plot in the Ar‐GDP, a departure from linear relationship is observed and the estimated excitation temperature is rather higher than that with the atomic lines, meaning that a specific excitation mechanism exists in the Ar‐GDP. A possible explanation for these results is that a charge‐transfer collision between chromium atom and argon ion plays a dominant role in exciting highly‐lying energy levels of chromium ion, especially in the Ar‐GDP.     

环境气氛对高能量激光诱导等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器(～25 J)激发诱导金属等离子体,研究了环境气体及其压力对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,相同压强下,氩气中等离子体的谱线强度明显高于空气中等离子体的谱线强度;0.8×105Pa氩气条件下,光谱标钢等离子体的谱线强度达到了最大值;随着环境气压的增大,谱线自吸明显增强,当环境气压达到(0.8～0.93)×105Pa时,标样铝的AlⅠ308.22 nm和AlⅠ309.27 nm两条谱线产生了严重自蚀;另外,等离子体的激发温度也随环境气压的增大而增大,0.93×105Pa氩气条件下标钢等离子体的激发温度相对于0.43×105Pa时升高了近1 500 K。     

悬浮液雾化进样感耦等离子体基本参数研究I.等离子体激发温度测定

研究了悬浮液雾化进样感耦等离子体原子发射光谱基本参数——等离子体激发温度。实验用Ti线为温标线,并采用多谱线法测量溶液雾化进样和0.05％二氧化钛悬浮液雾化进样等离子体激发温度。测定结果显示这两种雾化进样方式的等离子体激发温度接近,为5 000～6 000 K。随感耦等离子体原子发射光谱仪器功率的提高,悬浮液雾化进样等离子体激发温度也相应增大,但增大幅度较小。悬浮液雾化进样等离子体发射光谱分析,若单纯改变仪器功率对于颗粒在等离子体中的原子化效率没有显著的变化,因此对于分析结果没有显著的改善作用。     

悬浮液雾化进样感耦等离子体基本参数研究Ⅰ.等离子体激发温度测定

研究了悬浮液雾化进样感耦等离子体原子发射光谱基本参数——等离子体激发温度。实验用“线为温标线，并采用多谱线法测量溶液雾化进样和0．05％二氧化钛悬浮液雾化进样等离子体激发温度。测定结果显示这两种雾化进样方式的等离子体激发温度接近，为5000-6000K。随感耦等离子体原子发射光谱仪器功率的提高，悬浮液雾化进样等离子体激发温度也相应增大，但增大幅度较小。悬浮液雾化进样等离子体发射光谱分析，若单纯改变仪器功率对于颗粒在等离子体中的原子化效率没有显著的变化，因此对于分析结果没有显著的改善作用。     

基于平面螺旋电感的微型ICP激发源

随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,基于MEMS的光谱仪分光系统和光电检测系统研究报道日益增多,但是微型激发源的研究报道相对较少。文章介绍了一种基于表面微机械加工技术的微型电感耦合等离子体(ICP)激发源,其RF功耗在数瓦以下、氩气消耗量远低于常规ICP激发源。阐述了这种激发源的结构、加工工艺流程及性能指标。同时还介绍了作者设计制作的基于PCB工艺的微型ICP激发源,采用了平面螺旋电感线圈和平面梳状交指电容,在100 Pa氩气气压下用13.56 MHz,3.5 W射频功率激励点燃了等离子体火炬,给出了装置的外观微型ICP火炬的照片。最后展望了该微型的ICP激发源在光谱仪中的应用前景。     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。