真空弧Ti-H等离子体热力学参数的原子发射光谱双温度研究北大核心CSCD

金属氢化物作阴极的真空弧离子源,假设其放电产生双温度的非平衡态Ti-H等离子体,其内部的气体解离过程和粒子电离过程分别由Culdberg-Waage解离方程和Saha电离方程进行描述,结合原子发射光谱以及电荷准中性条件,求出Ti-H等离子体的电子温度Te、重粒子温度Th和粒子数密度之后,可更进一步对等离子体的质量密度、焓、比热容等热力学参数进行描述。在不同的电子数密度下,研究各参数随变量θ(电子温度Te与重粒子温度Th的比值)变化的情况。计算结果显示:电子数密度已知,随θ值升高,除氢气分子数密度外,等离子体温度和单原子粒子数密度的计算结果均变化甚微。高电子数密度时,等离子体中单原子粒子占绝对优势,热力学参数由其控制;低电子数密度下,随θ值的升高,等离子体逐步由单原子粒子占优势转为氢气分子占绝对优势,热力学参数的变化情况表现出相同的规律。     

基于氢原子碰撞辐射模型的发射光谱法诊断电子密度

基于碰撞辐射模型,利用氢原子的巴尔末线比对HUST射频负氢离子源等离子体电子密度进行诊断。首先针对HUST离子源等离子体的放电条件,建立了综合考虑氢原子直接激发和氢分子解离激发机制的碰撞辐射模型。基于建立的模型,利用氢原子的巴尔末线比来诊断电子密度。进一步分析了不同的氢原子分子密度比对电子密度诊断的影响,结果表明当电子温度较高,氢分子的解离度较低的等离子体放电状态下,必须同时考虑氢原子直接激发和氢分子解离激发对激发态氢原子的贡献。     

基于电弧光谱诊断的水下湿法焊接电弧等离子体组分计算

水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用,提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量,但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少,更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究,搭建了水下湿法焊接实验平台,通过电弧光谱诊断系统,对得到的电弧光谱进行诊断分析,确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。在光谱诊断结果的基础上,进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析,确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子,在计算得出配分函数的基础上,通过牛顿迭代法求解由Saha方程、电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组,得出了各个粒子的数密度,绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。计算结果表明,在不同温度区间,水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同,生成的主要粒子不同,在温度较低时,水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、原子及电离能较低的低价态离子组成,随着温度的升高,解离反应和电离反应持续进行,高价态的离子不断被电离出来;不同粒子随温度变化的趋势也不同,有的粒子数密度随温度持续升高,有的不断降低;计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合,验证了计算结果的正确性。等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础,也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。     

闪电放电通道等离子体成分及相关特性的研究

以无狭缝摄谱仪获得了青海和西藏地区的云对地闪电回击过程的光谱,依据谱线波长和相对强度等信息,结合等离子体相关理论,得到了放电通道温度和电子密度;在此基础上,根据Saha方程、电荷守恒方程和粒子数守恒方程计算了闪电通道主要元素各级电离的离子数密度,进而得到通道质量密度、压强及平均电离度, 并分析了不同强度闪电放电通道的电离度、粒子数密度及其分布特征。结果表明：回击通道接近于完全电离,一次电离离子占主要地位,且NⅡ离子数密度最高;不同强度的闪电放电通道中,NⅡ和OⅡ离子的相对浓度值变化不大;计算过程中考虑带电离子间库仑相互作用以后,原子电离能的计算值降低,中性原子以及一次电离离子数密度的计算值变小,高次电离离子数密度的计算值变大。     

GMAW电弧等离子体平衡成分计算及其在光谱学中的应用

计算了常压下3 000～25 000 K范围内熔化极气体保护焊(GMAW)保护气体Ar,CO₂,82%Ar-18%CO₂及其与Fe蒸汽的混合物的平衡成分。上述气体被看作一种Ar-CO₂-Fe等离子体,等离子体中的39种粒子被分为5种主元粒子和34种非主元粒子。根据化学方程,非主元粒子由主元粒子表示以减少未知数的个数和求解量,再利用牛顿迭代法对平衡方程进行求解,最终实现了成分求解。计算结果表明,Ar气随着温度升高依次发生一次电离和二次电离,CO₂气体除了在高温时发生原子电离外,在低温时(T<8 000 K)还存在CO₂,O₂,CO等分子的解离,82%Ar-18%CO₂混合气则既有解离又有电离。Fe的加入会增加等离子体的电子密度,特别是在15 000 K以下。等离子体成分的确定为GMAW电弧等离子体辐射属性计算以及电弧中Fe蒸汽浓度的光谱测定奠定了基础。     

类氢氖基态电离势随等离子体温度密度的变化

采用自洽场离子球模型,研究类氢氖基态1s的电离势随等离子体电子温度及电子密度的变化规律,计算得到基态电离势的百分偏移量随等离子体电子密度的变化关系,拟合结果表明两者的对数值满足很好的线性关系.该结果对计算等离子体电离态分布及光谱模拟具有一定意义.     

超热电子在稠密等离子体中输运的混合粒子模拟方法

相对论激光等离子体相互作用以及所产生的带电粒子束在高密度等离子体中的输运行为非常重要.该物理问题的数值模拟研究仍面临技术挑战.本文介绍一种粒子/流体混合模拟方法.该方法中超热电子采用动力学方法描述,背景冷的稠密等离子体采用简化的流体方程描述,适合于超热电子密度远小于背景电子密度,超热电子能量远大于背景电子温度.我们的三维并行混合模拟程序HEETS的模拟结果表明：背景材料的电离和电阻率模型至关重要,将严重影响高能电子输运过程的模拟.     

部分电离金属钛和银等离子体输运性质的计算

金属等离子体的组分为计算热力学、光学和辐射输运特性研究提供了基本的输入参数.为获得此参数,本文用部分电离等离子体模型,在考虑金属发生三次电离,以及电子与中性粒子的极化作用、离子与离子之间、电子与离子之间、电子与电子之间库仑相互作用下,计算得到了等离子体组分,进而用线性响应理论计算了金属钛和银的电导率.并与已有的实验数据进行了比较,验证了模型的可靠性.在此基础上进一步预测了密度在0.001—2.0 g/cm³、温度在1.5×10⁴—2.5×10^{4关键词： 等离子体 线性响应理论 电离度 输运系数}     

局部热力学平衡状态下的等离子体电导率计算

在Zollweg & Liebermann模型（Z&L模型）的基础上,结合高温条件下的量子机理作用,考虑了电子与中性粒子的碰撞关系,最终得出修正后的电导率模型,并对局部热力学平衡状态下的水中放电等离子体的粒子数密度及电导率进行了模拟计算.计算结果表明压力为定值的情况下,水中放电等离子体的总粒子数密度随温度变化呈下降趋势,温度达到15000 K时,一次电离达最大值.电导率随温度增加总体呈上升趋势,温度低于12000 K时,电子与中性粒子的碰撞起主导作用,而温度高于25000 K时,电子与离子的碰撞起主导作用.     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

 采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

The Impact of Direct Ionization by Beam Electrons on the Electron Kinetics of the Beam Discharge Plasma in Molecular Hydrogen

In a recent paper the stationary beam plasma discharge in partially dissociated hydrogen was investigated where the electron component was described by the Boltzmann equation for a mixture of atomic and molecular hydrogen and the main heavy charged and neutral particles by balance equations. It was assumed that, via the quasilinear beam plasma interaction, the electron beam produces only the turbulent electric field whilst an additional production of plasma electrons due to direct ionization by the beam and thus a direct influence on the balances of charge carriers were neglected. Now the additional production of plasma electrons due to direct ionization by the beam is studied on the basis of a generalized Boltzmann equation but for the simpler model of a purely molecular hydrogen plasma. For experimentally obtainable values of the turbulence energy density, beam energy, beam ionization degree and electron life time the calculation of the electron energy distribution function and of the direct beam contribution to the electron particle balance shows a marked influence of the direct beam ionization with increasing degree of beam ionization.     

不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究

水下湿法焊接技术应用日益广泛,由于特殊的焊接条件,导致深水下其焊接质量亟待改善。通过搭建水下湿法焊接实验平台,压力罐调节气压分别模拟0.3, 20和40 m水深,界定焊接引弧阶段,分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据,采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能,分别采集引弧5,10,15,20和25 ms时刻的光谱数据,对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据,得到各元素粒子的识别结果。对于高价态的元素离子态,因为其电离能比较大,激发电离程度会受到电弧温度变化的影响,不能仅靠光谱图进行识别诊断,还需要进一步对其组分进行数密度计算。结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程,确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子,求解由沙哈方程、解离电离方程、准中性方程、气体压力平衡方程等组成的方程组,采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解,对于求解非线性方程组,采取分段赋值的方法,得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度,并对其变化规律进行分析,探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的,随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。随着水深的增加,电弧会受到压缩,但电弧不能无限制被压缩;粒子的电离受温度的影响,温度越大电离作用越强烈,但当温度升高到一定程度时,各个电离作用有其电离极限,粒子数密度也不会无限增大。通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算,对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究,为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。     

双温度氩-氮等离子体热力学和输运性质计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分;采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质;基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质.利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm=101325 Pa),电子温度在300—30000 K范围内,非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质.结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程,从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响.在局域热力学平衡条件下,计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.     

The Hydrogen Dissociator

A performance analysis is presented for the hydrogen dissociator used in hydrogen masers to provide a beam of atomic hydrogen. An analysis of the discharge characteristics yields relations for electron temperature as a function of vessel size and gas pressure and for plasma density as a function of power input. Also a relation between ion impact energy at the wall and electron temperature is derived. For a typical dissociator (2" diameter, 0.1 Torr hydrogen pressure, and 4 watt input power) these relationships yield an electron temperature of 39,000°K, a plasma density of 1011 cm-3 and an ion impact energy of 20 volts. The dissociation rate is calculated using published cross-sections. Assuming a recombination rate of 4 × 10-3, the analysis yields an atomic hydrogen density of about 1014 cm-3, a degree of dissociation of 2%, and an atomic beam flux of 1.3 × 1018 cm-2 × sec-1 for the example quoted. This beam flux is in good agreement with estimated values for hydrogen masers. A coefficient for performance ? is derived for the hydrogen dissociator, defined as the ratio of atomic beam flux to discharge power consumption. It is shown that ? is a function of the electron temperature and has a maximum at 87,000°K. It is concluded from this analysis that the discharge in presently used hydrogen dissociators is well optimized given the pressure constraints of the system.     

Optical emission spectroscopy of 50 Hz pulsed dc nitrogen–hydrogen plasma in the presence of active screen cage

The N₂-H₂ plasma gas mixture, generated in a 50?Hz pulsed dc discharge system with active screen cage, is characterized by optical emission spectroscopy (OES), as a function of gas pressure, the fractions of hydrogen and current density. The N₂ dissociation degree and N atomic density was measured with actinometery where argon gas is used as actinometer. It was shown that the increase in hydrogen fraction enhances the dissociation of N₂, until the maximum of 40%. The excitation temperature is determined from Ar-I emission line intensities by using the simple Boltzmann plot method. The dissociation fraction and excitation temperature is found to increase with hydrogen mixing in nitrogen plasma.     

激光诱导Al表面等离子体温度的发射谱诊断

探测了脉冲能量0.3 J波长1064 nm的纳秒激光聚焦Al表面诱导的等离子体200-900 nm范围的发射谱.分析了线状谱的基本规律,根据谱线的强度,考虑到光谱仪与电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)的探测效率,通过线性拟合给出了等离子体中Al Ⅰ、Al Ⅱ、N Ⅰ、O Ⅰ粒子的激发温度.根据谱线的半高宽计算了等离子体电子密度,进而计算了等离子中Al Ⅰ的电离温度.结果表明,在等离子体状态快速演化过程中,不同粒子的电离、激发与退激存在较大差异,Al Ⅱ、Al Ⅰ相对于N Ⅰ、O Ⅰ有较高的激发温度,并且等离子体中Al Ⅰ的电离温度高于所有粒子的激发温度.     

氢原子谱线测定EACVD中电子平均温度

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂混合气体为原料气体的EACVD中氢原子的发射过程进行了模拟。在模拟中考虑了电子与H₂的弹性碰撞及振动激发、分解、电子激发、相应于H_α, H_β, H_γ谱线的激发、电离及分解电离等非弹性碰撞过程;与CH₄的碰撞考虑了弹性动量传输及振动激发、分解、电子激发、电离及分解电离等非弹性碰撞过程。研究了不同CH₄浓度下基片表面上电子平均温度与氢原子谱线相对强度的关系,给出了一种对EACVD中电子平均温度进行实时监测的方法。对于有效控制工艺条件,生长出高质量的金刚石薄膜具有重要意义。     

氢原子谱线与高质量金刚石薄膜

采用蒙特卡罗方法,对以CH₄/H₂混合气体为源气体的电子助进热丝化学气相沉积(EACVD)中的氢原子发射过程进行了模拟。在模拟中考虑了电子与H₂的弹性碰撞及振动激发、分解、电子激发(包括H_α, H_β, H_γ谱线的激发)、电离及分解电离等非弹性碰撞过程;与CH₄的碰撞考虑了弹性动量传输及振动激发、分解、电子激发、分解激发(包括H_α, H_β, H_γ谱线的激发)、电离及分解电离等非弹性碰撞过程。研究了不同实验条件下产生的H, CH₃的数目与氢原子谱线相对强度的关系,给出了一种利用氢原子谱线来获得最佳成膜实验条件的方法。对于有效控制工艺条件,生长出高质量的金刚石薄膜具有重要意义。     

圆筒内氢等离子体非定常化学反应羽流场DSMC分析

利用直接模拟Monte Carlo方法研究圆筒侧壁注入氢等离子体羽流场在8×10^-6s内的非定常流动特性.根据Bird的化学反应模型考虑离解-复合反应模型和电荷转移反应模型.在流场中注入H₂、H、金属原子X、H₂⁺和H⁺五种组分,研究离解-复合反应对流场中粒子分布和密度的影响,结果表明离解-复合反应使H₂数密度降低,H数密度增加,说明在流场中H₂的离解反应速率大于H的复合反应速率.加入电荷转移反应后H₂⁺数密度降低,H⁺数密度增加,对其他组分数密度没有显著影响.