条纹相机在真空弧离子源等离子体诊断中的应用

针对真空弧离子源,利用条纹相机将时间轴信息转换为空间轴信息的特点,结合光谱仪分光功能,建立了一套高时间分辨与光谱分辨能力的发射光谱诊断装置,其时间分辨率和光谱分辨率分别可达26ps与0.1nm。利用该诊断装置采集获得了单次脉冲内等离子体的时间演化特性;同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了一套谱线拟合的等离子体温度与密度计算模型。相比传统的Boltzmann斜率法与Stark展宽法需要寻找孤立的不受附近谱线叠加的干净线状光谱,建立的拟合光谱模型可以直接处理多条谱线因为展宽效应而叠加形成的光谱线型,计算得到等离子体中电子温度与电子密度。结果表明,在脉冲功率源的作用下,真空弧放电等离子体的电子温度与电子密度分别可达1eV与3.5×1024 m-3。     

H2O/N2脉冲流光放电和介质阻挡放电发射光谱比较

本文采用脉冲流光放电和介质阻挡放电两种放电形式分别获得了H2O / N2等离子体的发射光谱。 OH荧光辐射在两种放电等离子体中均出现,而Ha荧光辐射仅存在于脉冲流光放电等离子体中。实验还对脉冲流光放电条件下H、OH 荧光信号进行了时间分辨测量,结果显示Ha荧光信号滞后OH荧光信号约10 ns。根据时间分辨测量结果以及水分子离解的相关文献,实验判断等离子体内水分子离解的主要产物是基电子态的H原子和OH自由基,Ha荧光辐射源于快电子对H原子的次级碰撞激发。介质阻挡放电等离子体的放电脉冲宽度较窄,不能对基态 原子进行有效地次级碰撞激发,所以H2O / N2介质阻挡放电等离子体发射光谱中没有出现Ha荧光辐射。实验结论证实放电脉冲宽度对放电等离子体内次级碰撞激发过程有影响。     

大气压氩气针-板介质阻挡放电的光电诊断

利用针-板介质阻挡放电装置,在4 mm长的气隙中产生了大气压氩气射流等离子体。利用电学方法实现了对放电电流和电荷量的同时测量,并且对放电脉冲数和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对放电等离子体进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ696.54 nm的Stark展宽计算了等离子体的电子密度。结果发现:随着外加电压的增加,每个周期内的放电脉冲数增加,放电功率也增加。随着针头距离的增加,电子密度由2.94×1015cm-3逐渐减小到2.28×1015cm-3。实验结果表明:电场强度对放电脉冲数和电子密度的空间分布起重要作用。     

激光诱导Ni 等离子体电子温度、电子密度的时间演化特性研究

本文在350～600 nm波长范围内测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的时间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体电子温度和电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子温度、电子密度的时间演化特性.     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

YAG����Al�������������ʱ�շֱ����

采用光学多通道分析仪等设备对532nm YAG激光诱导产生的Al等离子体光谱进行了时空分辨测量,得到了等离子体时空分辨光谱。利用局部热平衡(LTE)模型和谱线的Stark展宽计算得到了等离子体电子温度和电子密度的时空演化曲线,获得了与文献[9～11]一致的结果。     

双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪

 利用双狭缝、透射光栅配亚仟X光条纹相机做了具有一维空间、时间和能谱分辨的三维软X光测量仪器(双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪), 并成功地获得了金盘靶的N带X光(中心波长1.7nm)时空分辨图象 。该仪器空间分辨可达23μm, 时间分辨可达003ns, 能谱分辨(当源大小为100～300μm时对波长1.7nm的X光)可达0.4～ 0.7nm, 只需稍加改动, 即可用于其它波段的X光测量。     

Silex-I飞秒激光装置X射线探测系统时间特性北大核心CSCD

在Silex-Ⅰ飞秒激光装置上,利用32fs、800nm的激光辐照平面金靶,产生小于1ps的X射线脉冲,作为δ脉冲X射线源,研究XRD探测器的时间响应特性,并且探索X射线条纹相机时间分辨和分幅相机曝光时间的X射线标定方法。实验给出了XRD探测器的时间响应特性。解决了条纹相机和分幅相机触发晃动问题,给出了条纹相机时间分辨和分幅相机曝光时间的X射线标定方法,初步给出条纹相机时间分辨和分幅相机曝光时间。     

直流激励等离子体喷枪的发光特性研究

利用针-板喷枪装置,在直流电压激励下产生了大气压非平衡态低温等离子体羽。采用光学方法,研究发现等离子体羽的放电模式为脉冲放电。通过比较放电的总发光信号、337.1 nm谱线的发光信号与电流信号,发现电流信号脉冲宽度最大,337.1 nm谱线的信号脉冲宽度最小。通过对发光信号频率随电压的变化关系进行研究,发现放电脉冲频率随电压的增大而增大。利用光谱仪测量了337.1 nm的谱线强度,发现它随气流增大减小,随电压增大表现为先增大后减小。利用气体放电理论,对以上物理现象进行了定性解释。这些研究结果对于大气压非平衡态低温等离子体羽的产生和应用都具有重要意义。     

时间分辨原子发射光谱诊断脉冲放电气体束等离子体

建成了一套脉冲放电气体束和原子发射光谱等离子体诊断实验装置,利用这套实验装置测量了不同放电条件下等离子体的时间分辨发射光谱,并采用玻尔兹曼作图法和Hα谱线斯塔克展宽法研究了等离子体的原子温度、离子温度和自由电子密度等参数的演化。实验结果表明,脉冲放电的总电量对等离子体参数的演化有较大影响;脉冲放电气体束等离子体中的离子温度远高于原子温度,自由电子密度相对较低,等离子体处于非局域热平衡状态。A special designed pulsed discharge nozzle (PDN) ion source and a plasma diagnostics system based on the atomic emission spectroscopy were constructed. The time-resolved emission spectra of Argon atoms and ions in the region of 300-800 nm were observed and analyzed. The plasma temperatures, including atomic and ionic temperatures, were simulated by Boltzmann plot method, and the free electron density was simulated through the Stark broadening of Hα line. The evolution of these plasma parameters were investigated by high-resolution time-resolved emission spectra. The results show that the total energy struck on the pulsed gas beam is the most important factor which determines the plasma properties and its evolution. The plasma in PDN is concluded into non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) during the evaluation because of the low electron density and the big difference between the temperatures of Argon atoms and ions in all discharge conditions.     

Elliptically-bent crystal spectrograph for X-ray diagnosis of laser-produced plasmas

In order to measure spatially and temporarily resolved laser-produced plasma X-ray spectra in 0.2 - 2nm region, a novel two-channel elliptically-bent crystal spectrograph has been developed. Dispersive elements are LiF, PET, Mica, and KAP crystals, which cover Bragg angles in the range of 30 - 67.5degrees. Eccentricity and focal distance of twin ellipses are 0.9586 and 1350 mm, respectively. Spatially resolved spectrum is photographically recorded with an X-ray film or X-CCD camera in one channel, and temporarily resolved one is photographically recorded with an X-ray streak camera in another channel,thus spatially and temporarily resolved spectra can be simultaneously obtained. Spectral images were acquired with X-CCD and PET in SHENGUANG-Ⅱ laser facility, and experimental results show that the spectral resolution of the spectrograph is about 0.002 nm.     

脉冲微放电发射光谱用于合金样品元素分析

利用大气压脉冲微放电剥蚀源对铝合金进行光谱分析。该针板结构微放电装置具有价格低廉、操作便捷、分析快速等特点。脉冲放电能瞬间注入极大的放电能量,不致使样品融化,进而保证放电的稳定性。在几微秒的时间内,对钨针电极施加近-4 000 V的高压,电极间迅速形成放电通道,针尖和样品之间形成高达20 A的电流,造成对样品的剥蚀,并对被剥蚀的粒子进行激发。单次放电脉冲注入能量约为8.5 mJ,能量以电流的形式传递于放电电极。剥蚀形貌图表明放电微等离子体局域在电极间隙,针尖轴向上的能量传递和电流密度远高于离轴区域。为了深入研究剥蚀机制和物理性质,对等离子体源的电学特性进行了讨论。通过精确的时序拍摄技术观测了等离子体的演化过程,从ICCD相机的快速成像结果可以看到等离子体源寿命与脉冲高压放电源的脉宽相当,发光强度与放电电流变化趋势相吻合。与光谱分析装置相连接,脉冲微放电剥蚀源可有效激发合金样品中的铝、镁、锰、铜等元素原子谱线。对放电过程等离子体光谱特性进行考察,利用玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算等离子体电子温度和电子数密度,分别得到过程中等离子体电子激发温度约6 700 K,等离子体电子数密度约1017 cm-3量级,并验证了放电处于局域热平衡状态。探究其定量分析性能,结果表明该脉冲微放电等离子体直接作为一种光谱分析源可实现对铝合金样品快速定量分析。     

闪电首次回击过程中通道温度与电导率的演化特征

利用以高速摄像机为记录系统组装的无狭缝摄谱仪,在青海地区获得了多次云对地闪电首次回击过程400-900 nm波长范围的时间分辨光谱,分别计算了闪电电流核心通道和外围发光通道的温度;结合空气等离子体的传输理论,获得了闪电通道的电导率,探讨了回击过程中通道温度及电导率的演化特征.结果表明,闪电电流核心通道的温度比外围通道高约5000-7000 K,并且,与以往关于通道峰值温度持续时间的观点不同,回击过程中,通道保持高温的时间远远大于峰值放电电流存在的时间,在回击电流缓慢减小的数百微秒内,核心电流通道维持20000 K以上高温,这一特性是热效应导致雷电灾害的主要根源.     

闪电首次回击过程中通道温度与电导率的演化特征

利用以高速摄像机为记录系统组装的无狭缝摄谱仪,在青海地区获得了多次云对地闪电首次回击过程400-900 nm波长范围的时间分辨光谱,分别计算了闪电电流核心通道和外围发光通道的温度;结合空气等离子体的传输理论,获得了闪电通道的电导率,探讨了回击过程中通道温度及电导率的演化特征.结果表明,闪电电流核心通道的温度比外围通道高约5000-7000K,并且,与以往关于通道峰值温度持续时间的观点不同,回击过程中,通道保持高温的时间远远大于峰值放电电流存在的时间,在回击电流缓慢减小的数百微秒内,核心电流通道维持20000K以上高温,这一特性是热效应导致雷电灾害的主要根源.     

激光烧蚀脉冲放电激发的土壤等离子体电子数密度和温度的研究

以激光烧蚀快脉冲放电激发土壤为例,研究了激光烧蚀快脉冲放电等离子体技术产生的土壤等离子体的电子数密度和温度。根据实验测得的Si原子和离子谱线的强度和萨哈玻尔兹曼方程,计算了等离子体的电子温度,并从分析Si I 250.69nm谱线的斯塔克展宽中导出了等离子体的电子数密度。与使用同样激光能量激发的激光等离子体相比,激光烧蚀快脉冲放电激发等离子体的电子数密度和温度都明显增加,与观察到的光谱信号强度是一致的。     

直流激励的大气压氩气喷枪的光谱研究

利用正高压驱动空心针-板喷枪装置,通入工作气体氩气,在大气压空气中产生了均匀稳定的喇叭状等离子体羽。电学和光学测量结果表明,放电虽然是在直流电源驱动下工作,但放电为周期性的脉冲。通过对等离子体羽发光信号进行空间分辨测量,研究了脉冲的形成机理,发现除针尖附近的电晕放电外,等离子体羽是以正流光(等离子体子弹)从针尖向着接地电极方向传播的。采用光谱学方法,对电子激发温度随电压的变化及其空间分布进行了测量。结果表明,电子激发温度(约为3 eV)随电压的增大而升高,在一定电压下,电子激发温度沿气流方向也在升高。     

Combined effect of acoustic cavitation and pulsed discharge plasma on wastewater treatment efficiency in a circulating reactor: A case study of Rhodamine B

The present study investigates the wastewater treatment performance of an acoustic cavitation assisted plasma (ACAP) process in a circulating reactor using Rhodamine B (RhB) as a model water pollution. The concept of this process was proposed by the authors recently for a batch type rector. The measurements revealed that combining the ultrasound irradiation with pulsed discharge plasma allows the RhB degradation efficiency to be drastically increased as compared with the plasma-alone case. This effect is especially significant at higher values of solution electrical conductivity examined in a range of 20 ~ 400 μS/cm. Acidic conditions and larger flow rates of solution were found to be favorable for the degradation efficiency. The effect of flow rate was also analyzed through numerical simulation. The results indicated that the mass transfer of RhB to the plasma-cavitation zone is one of the controlling parameters influencing the degradation performance. Behavior of bubbles and pulse discharge frequency were examined using a high-speed video camera. Relatively large bubbles were found to favor the plasma pulse generation and propagation when move near the high-voltage electrode. On the whole, the results of this study suggest that the ACAP process has the potential to synergistically extend the application area of underwater plasma in both research and industry.     

平焦场光栅光谱仪

 介绍了用于X光能谱测量研究的平焦场凹面光栅光谱仪的原理、结构及象差校正的设计方法。利用2 400L/mm的变栅距光栅设计和建立了一台平焦场光栅光谱仪，其测谱范围为1.5～10nm。通过在星光装置上利用该谱仪测量C10H16O6等离子体的发射谱线，对谱仪进行了实验考核，表明该谱仪分辨率达到0.02nm。并成功应用于辐射加热等离子体的吸收谱测量研究中。