空气放电非平衡等离子体的模拟计算

 基于空气放电非平衡等离子体动力学,对空气放电进行了数值计算,分析了放电后等离子体中的主要粒子（N₂(v6),N₂(A3),O₂(a1),O和O₃）数密度随起始温度、电子数密度和约化场强的变化趋势。计算结果表明,随着初始温度的升高,空气放电产生的粒子数密度增加。温度为300 K时,放电产生的O原子数密度最大值约为4.90×⁷ cm^-3,而当温度升高到400 K和500 K时,O原子数密度的最大值则相应地增加到5.2×10¹⁰ cm^-3和5.51×10¹⁰ cm^-3。约化场强的影响与温度类似,其中氮气的振动激发态N₂(v6)数密度随约化场强的变化幅度不明显。电子数密度增加,粒子数密度大幅增加,氮分子的激发态N₂(A3)粒子数密度与电子数密度保持严格的线性关系。     

射频电感耦合夹层等离子体中的模式转换

本文利用微波相位法和光谱诊断法, 研究了ICP放电等离子体在圆台状夹层等离子体中E模和H模相互转换的物理现象. E模和H模的之间转换过程是一个瞬间突变的, 转换点的输入功率随真空室压强的变化而变化. H模向E模转换的阈值功率低于E模向H模转换的值, 等离子体参数随输入功率变化曲线类似于铁磁物质中的磁滞回线. Ar II 408.2 nm谱线的强度的变化规律和电子密度随功率变化的规律基本一致. 通过本实验可以获得一种电子密度范围为3.85×10¹¹ cm^-3 < n_e < 4.68× 10¹¹ cm^-3, 外表面积为0.3 m², 厚度为2 cm稳定工作的等离子体源.     

托卡马克微波预电离等离子体

使用回旋管系统产生的电子回旋波段的大功率微波在托卡马克中得到无电流等离子体。其电子密度达8×10¹²cm^-3,电子温度达50eV,粒子约束时间约为0.5ms,加热效率达25％以上。研究了对环向击穿的影响及加热机制。     

电子回旋共振离子源等离子体的密度测量

 诊断电子回旋共振离子源等离子体的传统方法是采用传统的单探针无发射时测量伏安曲线,并根据曲线的拐点由理论公式计算出的等离子体密度。本文设计并研制了等离子体密度的测量装置。采用单根朗缪尔探针（该探针可以用来发射电子）测量等离子体的伏安特性。在探针有发射和无发射两种状态下测量得到两条伏安曲线,根据这两条曲线的"分叉点"得到等离子体电位,然后根据该电位直接由计算机计算出电子温度、电子密度。采用该新方法,测量得到的等离子体参量空间电位约为17 V,悬浮电位约为-5 V,电子温度约为4.4 eV,离子密度为1.10×10¹¹cm^-3,与传统方法计算出的等离子体1.12×10¹¹cm^-3相比,两者相差仅1.8％,但新方法效率和精度更高。     

Al激光等离子体电子温度的时间分辨诊断

 将门控分幅相机与平面晶体谱仪耦合，构成时间分辨光谱测量系统，对Al激光等离子体的K壳层发射谱进行测量，获得了相对入射激光延迟约1ns，积累时间约200ps的光谱信号。利用稳态碰撞-辐射平衡（CRE）近似条件下的等离子体光谱辐射动力学模型，给出了Al激光等离子体Ly-β线与He-β线强度比以及Ly-γ线与He-γ线强度比与电子温度的函数关系。在此基础上，根据实验谱线强度比，得到激光强度为2.319×10¹⁴，1.937×10¹⁴和3.946×10¹⁴ W/cm²时，等离子体冕区电子温度分别为1.190(1±27%)，1.165(1±27%)和1.525(1±27%)keV。     

用离焦4f差分干涉仪测量等离子体壳层电子密度

 将环型横向剪切干涉仪置于两个镜头之间,由此设计出一种新型的离焦4f差分干涉仪,该干涉仪同时具有分离光路的剪切量和条纹空间频率分别可调的优点以及共光路结构的稳定性和易于调节的优点,使得在测量大密度梯度等离子体的密度分布时,可以在不降低空间分辨率的条件下仍保证干涉条纹可读。在DPF装置上进行了实验,获得了等离子体壳层的干涉图样,计算了等离子体的径向电子密度分布,在内电极端面上方测量到的最高电子密度约为1.2×10¹⁹ cm^-3,外围等离子体壳层的电子密度约为2×10¹⁸ cm^-3。     

宽带腔增强吸收光谱技术应用于痕量气体探测及气溶胶消光系数测量

基于氙灯的非相干宽带腔增强吸收光谱系统, 并将其应用于痕量气体及气溶胶消光系数的测量. 该系统的探测灵敏度通过测量NO₂在520—560 nm波长范围内的吸收得到验证, 最小可探测灵敏度为1.8× 10^-7cm^-1 (1σ, 0.12 s积分时间, 50次平均), 对应的NO₂探测极限～33 nmol/mol. 结合标准气溶胶粒子发生系统, 测量了不同浓度的单分散硫酸铵气溶胶粒子在532 nm波长处的消光系数, 得到粒径为600 nm的硫酸铵气溶胶的消光截面为1.12× 10^-8cm², 与文献报道值1.167× 10^-8cm²相一致, 验证了气溶胶测量的可行性和准确性.     

LiNbO3和LiTaO3晶体Er3+/Yb3+掺杂水热外延层室温吸收光谱分析

本文引入与浓度和厚度有关的k_NL待定参数, 在J-O理论基础上, 对Er³⁺/Yb³⁺掺杂的LiNbO₃和LiTaO₃单晶衬底上 的多晶水热外延样品进行了基于吸收光谱的拟合计算. LiNbO₃:Ω₂=2.34× 10^-20 cm², Ω₄=0.77× 10^-20 cm², Ω₆=0.31×10^-20 cm², k_NL=4.32× 10^-2 mol·m^-2. LiTaO₃:Ω₂=1.68×10^-20 cm², Ω₄=0.84×10^-20 cm², Ω₆=0.45×10^-20 cm², k_NL=9.17×10^-3 mol· m^-2. 该方法可尝试推广到粉体或胶体等难以直接获得浓度和厚度数据的体系. 经上转换发光测试及光谱参数计分析认为Er³⁺/Yb³⁺离子的掺杂浓度比为1:1的情况下, 样品呈现绿色上转换发光光谱; 可尝试以降低基质声子能量的方法提高⁴I_13/2能级 对²H_11/2和⁴S_3/2能级的量子剪裁效率.     

掺铒铋酸盐玻璃的光谱性质研究

研究了掺铒铋酸盐玻璃的吸收和荧光光谱性质,应用Judd-Ofelt理论计算了玻璃的三个强度参量Ω_t=(t=2,4,6),分别为Ω₂=3.71×10^-20cm²,Ω₄=1.86×10^-20cm²,Ω₆=1.28×10^-20cm²,计算了Er³⁺离子的自发跃迁几率、荧光分支比等光谱参量.经荧光谱测试发现掺Er³⁺铋酸盐玻璃的荧光半高宽可达70nm.应用McCumber理论计算1.53μm处的受激发射截面可达9×10^-21cm².对Er³⁺离子在不同基质玻璃中光谱特性的比较发现,Er³⁺在铋酸盐玻璃中具有相对较高的受激发射截面和宽的荧光半高宽.     

激光产生蒸汽羽的干涉研究

 根据拍摄1.06 μm长脉冲钕玻璃激光与LY12铝靶耦合产生蒸汽羽的干涉分幅照片，测出在t<50 μs空气冲击波速度约为473 m/s而蒸汽羽阵面扩散速度约为162 m/s。运用蒸汽羽等离子体的有关热力学特性方程组，得到蒸汽羽等离子体的电子密度、电子温度、电离度和吸收系数的最大值分别为N_e≈3.1×10¹⁷ cm^-1，T≈6 096 K，η≈0.014，α_(1.06μm)≈0.03 cm^-1的结果。     

大气压等离子体炬电子密度的光谱诊断

利用空心针-板放电装置产生了大气压等离子体炬,采用光谱法测量了其内部及表面的电子密度. 向空心针中通入氩气,在大气环境中产生了长度为1cm的等离子体炬.实验分别测量了Hα谱线和ArⅠ(696.54nm)谱线,通过反卷积方法分离出其相应的Stark展宽,并由此计算了电子密度.结果发现,采用Hα谱线和ArⅠ(696.54nm)谱线Stark展宽计算得到的等离子体的电子密度分别为1.0×10¹⁵cm^－3和3.78×10^{15关键词： 等离子体炬 电子密度 气体温度 Stark展宽}     

小尺寸瞬态等离子体电子密度光谱法试验研究

本文对SCB等离子体发射光谱进行了试验研究,在局部热力学平衡条件下,用AlⅠ394.40nm谱线Stark的展宽法测量了SCB等离子体的电子密度;在发射光谱和Saha方程理论的基础上,设计并建立一套测试仪器,时间分辨率为0.1μs,将其测量的电子密度与同种试验条件下的Stark展宽法得到的结果相比较,电子密度的数量级都为1015cm-3－1016cm-3,且随时间的变化的规律相同。     

表面粗糙度对激光诱导击穿光谱信号的影响

硅橡胶复合绝缘子是高压输电线路的关键设备,长期在复杂外界环境条件下带电运行后会发生表面老化,表现为粉化、褪色、粗糙度和硬度上升等现象。粗糙度作为复合绝缘子的老化特征量之一,其测量是复合绝缘子在线带电检测的难题。激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)适用于开展输电线路复合材料的远程在线检测,但粗糙度对LIBS信号的影响还没有得到系统的研究,利用这种基体效应进行绝缘子表面粗糙度的测量尚无报道。制备了不同粗糙度的硅橡胶新样品,与500 kV线路退运的复合绝缘子样品进行对比分析,研究了硅橡胶材料的粗糙度对LIBS信号的影响,结果表明,对于新制备硅橡胶材料随着粗糙度的增加,各主体元素特征谱线强度会随之增强,不同主体元素之间的原子谱线强度比（Si 288.2 nm/C 247.9 nm和Al 394.4 nm/Si 288.2 nm）随之下降,说明样品粗糙度对LIBS测量结果影响显著。但特征谱线强度及不同主体元素原子谱线强度比与粗糙度之间的函数关系不明显,难以用于粗糙度测量。硅橡胶的主体元素为Si,Al,C和O等,考虑元素含量及特征谱线的选取方便选择Si为主要分析元素。对于Si原子谱线强度比,选取了两条上能级相近（E_ki＝40 991.88, 39 955.05 cm-1）的原子谱线（SiⅠ288.2 nm,SiⅠ250.7 nm）作为分析线,在满足局部热力学平衡与光学薄的条件下两条谱线的强度比应为定值,但样品粗糙度的改变会影响脉冲激光烧蚀材料表面的过程,从而改变等离子体的状态,使得谱线强度比值也随之变化。上述两条硅原子谱线强度比和粗糙度建立的定标关系,线性相关系数为0.88。对于500 kV输电线路退运的老化硅橡胶材料,其表面由于老化有部分氢氧化铝填料析出,使得基体成分不均匀性更为显著,其表面也变得更为粗糙,这导致一对谱线强度比值作为定标函数,实用性降低。因此针对老化硅橡胶材料,除了选择Si元素谱线(SiⅠ250.7 nm,SiⅠ251.4 nm,SiⅠ251.9 nm)以外,还引入了Al元素谱线(AlⅠ305.7 nm, AlⅠ305.9 nm),利用三组谱线强度比进行多元回归分析,对于两个实测粗糙度为2.659和2.523 μm老化硅橡胶样品,LIBS测量的相对误差分别为0.218和0.189。结果表明对同样成分的复合材料,表面粗糙度对LIBS信号的影响是必须考虑的,而利用这种基体效应,开展远程在线测试复合绝缘子表面粗糙度,对于高压输电线路检测运维具有重要的应用价值。     

Oxygen spectral lines for diagnostics of atmospheric laser-induced plasmas

In the present study OI spectral lines are measured, tested, and developed for diagnostics of laser-induced plasma experiments in air. The plasma plume was generated by the interaction of a 6-ns 750-mJ Nd:YAG laser at the fundamental wavelength of 1.06 µm with a standard Al target of known elemental composition in air. The emitted spectrum was in the range 200–1000 nm and was recorded using an Echelle spectrograph equipped with a time-gated ICCD camera. The measurements were performed at several delay times (0–10 µs). Based on LTE assumption, the excitation temperature is derived using a Boltzmann plot of OI emission lines. The FWHM of the Stark broadened OI line at 844.65 nm is used for electron density measurements at different times.     

1064 nm Nd:YAG激光诱导铁等离子体特征参数的研究

利用1064 nm Nd:YAG激光器研究了激光诱导铁条等离子体的特征参数。为了减小测量误差和谱线自发辐射跃迁几率不确定性带来的计算误差,采用改进的迭代Boltzmann方法精确求解铁等离子体的电子温度为8058 K。Lorentz函数拟合Fe I 376.553 nm得到等离子体的电子数密度为8.71017 cm-3。分析表明等离子体的加热机制主要是逆轫致过程,其吸收系数是0.14 cm-1。实验数据证实激光诱导铁等离子体处于局部热力学平衡状态和光学薄状态。     

超强飞秒激光与固体靶产生的超热电子加热机制

 在SILEX-1激光器上测量了超强飞秒激光与Ta靶相互作用产生的出射超热电子能谱及角分布，研究了出射超热电子加热机制。激光脉宽为 30 fs，激光功率密度为8.5×10¹⁸ W/cm²。靶前法线方向超热电子温度为550 keV。从实验结果可知：共振吸收是靶前法线方向超热电子主要加热机制，这与靶前存在大密度标长预等离子体的实验条件吻合。靶厚为6～50 μm时，靶后超热电子沿法线方向出射；靶厚为2 mm时，该发射峰消失。     

单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0 μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ：404.581 nm和CaⅠ：422.67 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730 K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1,再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明：再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。     

Spectroscopic studies of sodium nitrate plasma produced by nanosecond laser ablation

We present the optical emission characteristics of the sodium plasma produced at the surface of sodium nitrate (NaNO₃) also known as Chile saltpeter. We used a Q-switched Nd:YAG (Quantel Brilliant) pulsed laser having a pulse duration of 5?ns and 10?Hz repetition rate which is capable of delivering 400?mJ at 1064?nm and 200?mJ at 532?nm. The target material was placed in front of laser beam in air (atmospheric pressure). The experimentally observed line profiles of neutral sodium have been used to extract the electron temperature using the Boltzmann plot method, whereas the electron number density has been determined from the Stark broadening. The electron temperature is calculated by varying the distance from the target surface along the line of propagation of the plasma plume and also by varying the laser irradiance. Besides, we have studied the variation of number density as a function of laser irradiance as well as its variation with the distance from the target surface. It is observed that electron temperature and electron number density increase as the laser irradiance is increased.     

CO2激光锡等离子体极端紫外及可见光光谱

利用CO2激光烧蚀锡靶产生等离子体,当入射到靶面的单个脉冲能量为400mJ,半峰全宽(FWHM)为75ns时,使用光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)采集了等离子体的时间分辨光谱。在局域热平衡假设下,利用谱线的斯塔克展宽和五条Sn II谱线的相对强度计算并得到了等离子体电子密度、电子温度和辐射谱线强度随时间的变化规律;利用掠入射极端紫外平场光栅光谱仪,结合X射线CCD同时探测了光源在6.5～16.8nm波段的时间积分极端紫外辐射光谱。实验结果表明:激光点燃等离子体早期的100ns内有很强的连续谱,此后才能分辨出明显的原子和离子线状谱。在延时0.1～2.0μs的时间区间内,等离子体中的电子温度和密度分别在2.3～0.5eV和7.6×1017～1.2×1016 cm-3范围内,均随时间经历了快速下降,然后再较缓慢下降的过程。激光锡等离子体极端紫外不可分辨辐射跃迁光谱峰值中心位于13.5nm,FWHM为1.1nm。     

激光诱导等离子体LTE态判定方法研究

针对目前等离子体温度测量中常用的Boltzmann平面法和双线法的测量精度较差的问题,提出结合Boltzmann-Maxwell分布和Saha-Eggert公式来提高等离子温度的测量精度;根据高斯公式的面积与峰值关系建立了发射谱线线宽的简便算法,并通过谱线的Stark展宽计算等离子体的电子密度;建立了以McWhirter准则的等离子局部热平衡(LTE)态判据。以铝为被测样品的实验结果表明,随着激光能量的增加,等离子体温度和电子密度随之呈线性上升趋势;激光能量在127～510 mJ范围内的等离子体电子密度变化范围为1.305 32×1017～1.873 22×1017 cm-3,等离子体温度的变化范围为12 586～12 957 K,根据McWhirter准则本实验中所有等离子体均满足LTE态阈值条件;针对在光谱仪波段内可观测到的处于同一电离态谱线相对较少的铝元素,在不适合用Boltzmann平面法计算温度时,利用Saha-Boltzmann方法对100组铝等离子体光谱进行温度测量的相对标准偏差(RSD)为0.4%,相比于双线法的1.3%,大幅提高了测量精度。该计算方法可用于快速计算等离子体温度、电子密度及判断等离子体LTE态,在自由定标、光谱有效性分析、谱线的温度校正、确定最佳采光位置以及等离子体LTE分布状态等研究中都有较高的应用价值。