真空电弧离子源Ti(H)等离子体原子发射光谱分析的初步研究

作为一种常用的等离子体诊断方法,原子发射光谱法具有非侵入、在线诊断、时空分辨等优点,在等离子体诊断领域得到了广泛的应用。作为一种单次脉冲离子源,真空弧离子源具有结构紧凑、工作压强低、束流大和可以随时开始工作等其他类型的离子源所无法比拟的优点,在离子源研究和应用领域受到了极大的关注。为了研究真空弧离子源的放电过程,对其放电生成等离子体的特性进行详细描述,并为进一步的离子源研究和改进奠定基础,采用原子发射光谱法对其放电生成等离子体的参数进行诊断。本文结合原子发射光谱的斯塔克(Stark)展宽和Saha-Boltzmann方程,发展了两种针对光谱仪采集到的发射光谱数据的处理方法,可对等离子体的电子温度、电子密度、离子温度以及热运动状态进行诊断。对阴极为Ti(H)材料时真空弧离子源放电生成的等离子体,分别采用这两种方法对其进行了诊断,对诊断结果的有效性进行了判断。此外,还对光谱采集过程中,实验室背景辐射对诊断结果的影响进行了讨论。     

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。     

含氢电极脉冲放电等离子体特性诊断

利用飞行时间质谱法诊断了含氢电极脉冲真空弧离子源放电等离子体成分、离子电荷状态及离子扩散速度等特性.实验结果表明,含氢电极脉冲真空弧离子源放电等离子体的离子成分主要由H+,Ti+,Ti2+和Ti3+组成,其中Ti2+占主要部分.当放电电流为40～80 A时,Ti离子的平均电荷数在1.95～2.13之间,随着放电电流的增...     

非平衡态Ti-H等离子体发射光谱的双温度诊断研究

单次脉冲工作的真空弧离子源,采用金属钛吸附氢形成的Ti-H固溶体作阴极,生成的等离子体同时包含金属钛和氢的成分,且在径向、横向以及时间尺度上都存在梯度,整个体系处于非平衡状态,不能用一个统一的温度来描述。假设由电子组成的子系统和由其他重粒子组成的子系统分别达到平衡,即Ti-H等离子体由电子温度和重粒子温度两个温度来描述,为双温度等离子体。采用Culdberg-Waage解离方程和Saha电离方程分别对系统中的分子解离和原子电离过程进行描述,结合等离子体电荷准中性条件,同时引入原子发射光谱这一无干扰的等离子体诊断方法,对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行诊断。在MATLAB环境下,同时考虑金属Ti原子和一价Ti离子的电离,计算结果显示：根据谱线的斯塔克展宽确定的电子密度进行计算,除重粒子温度和氢气分子的数密度之外,其他的参数均可得到较准确的诊断结果;电子密度数值的准确性对计算结果有很大的影响;如果能够在计算之前确定重粒子温度,则可对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行准确的定量分析。     

含氢电极真空弧放电等离子体时空分布特性研究

真空弧离子源在真空镀膜、材料表面改性、真空大电流开关、加速器离子注入等领域有广泛应用,目前国内外对真空弧放电等离子体的研究主要针对纯金属或合金电极,对含氢电极的研究和公开报道较少.本文利用高时空分辨的四分幅图像诊断系统,结合氢和钛原子特征线单色器件,研究了含氢钛电极的真空弧微秒级脉冲放电等离子体的轴向和径向时空分布特性.研究表明:在真空击穿阶段,阳极区域发光更为明显,阳极电极解吸附释放的氢原子是引发击穿的主要放电介质;在真空弧阶段,阴极-绝缘-真空三结合点处产生圆锥状阴极斑,喷射出大量的等离子体以维持弧放电,同时电极内壁非阴极斑区域也有少量等离子体产生,等离子体中H原子的轴向和径向空间分布均比Ti原子均匀.     

用于真空弧等离子体放电阴极温度场测量的多光谱高温计

阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数,对真空弧等离子体的形成、电极腐蚀预测、热传导以及离子源的寿命都有重要影响。真空弧离子源的阴极具有目标小,放电过程快等特点,其温度的测量,对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高,阴极表面温度的测量技术的欠缺,使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响,如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。这无疑给其温度场的测试研究带来困难。针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义,在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求,本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。该高温计采用单色高速CCD相机,主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温,设计了高温计的光学系统,该系统采用4孔径分光系统。将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。该研究设计的高温计可用于2 000~6 000 K的等离子体温度测量。并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试,测试过程中将研制的高温计,通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄,高温计完全拍摄到等离子体放电过程。利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。实验结果表明,设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息,测量的温度值低于放电电极的沸点温度,与等离子体放电过程中出现气化现象相符,说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。     

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。     

基于原子发射光谱的TiC等离子体沉积诊断

对通过磁过滤阴极真空弧(FCVA)获得的高密度、高离化率的等离子体进行诊断。为研究C2H2气流量对磁过滤阴极弧产生的等离子体的影响,采用原子发射光谱(OES)法对FCVA沉积过程中产生的Ti C等离子体进行诊断。利用Saha-Boltzmann方法对不同气流量下等离子体的参数进行计算,并对等离子体产生过程中的谱线强度随气流量变化的机制进行研究。结果表明,等离子体电离度较高,约为0.8左右且随气流量的变化不大;电子温度和电子密度分别在1×10~4～2×10~4K和10~(23)～10~(24)m~(-3)范围内变化,且随着气流量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势;Ti粒子谱线相对强度随气流量的变化不大,表明Ti粒子大部分在阴极弧斑附近被离化。     

容性耦合等离子体的光谱诊断及其仿真模拟

等离子体电磁辐射谱携带了大量有关等离子体内部的放电信息。利用等离子体光谱诊断的原理和实验技术,可以得到等离子体的一些参数,如电子数密度和电子温度等,且具有适用范围广、灵敏度高、操作相对简单、无干扰、光谱信息丰富、对不同尺寸、均匀或非均匀等离子体都可诊断等优点。本文首先利用射频放电技术,电离密闭腔体内低压、惰性气体,制备等离子体。然后利用发射光谱诊断系统,测量了200~1 100nm范围内等离子体的发射光谱强度。分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程,计算了不同放电功率、不同气体压力下等离子体的电子温度和电子数密度,结果表明,当射频放电功率为100~800W,气体压力为30~600Pa时,等离子体电子温度范围约为1.4~1.9eV,电子数密度范围约为109~1011cm-3。最后将光谱诊断结果与COMSOL数值仿真结果进行对比,结果表明等离子体发射光谱的诊断结果与仿真结果相接近,利用光谱法可初步诊断出等离子体的放电参数,为后续研究等离子体性质提供依据。     

含氘电极真空弧等离子体空间分布特性诊断研究

真空弧放电等离子体含有多种离子成分,并且各离子在空间上具有不同的分布规律.本文针对金属氘化物电极真空弧离子源,搭建了一台紧凑型磁分析装置,用来研究放电等离子体中氘离子与金属离子的空间分布.当离子源弧流为100 A左右时,该装置能有效地传输引出束流,并且具有较好的二次电子抑制效果,可准确获得各离子流强.利用该装置测量并获得了氘化钛含氘电极真空弧放电等离子体内氘离子和钛离子空间分布规律,结果表明:径向上,氘离子和钛离子都呈高斯分布,但氘离子分布均匀,而钛离子相对集中在轴线附近,导致轴线附近氘离子比例最低;轴向上,所有离子数量都以自然指数函数减少,而且相对幅度接近,所以氘离子比例几乎不变.本文研究结果不仅有助于理解真空弧放电等离子体膨胀过程,还可以指导金属氘化物电极真空弧离子源及其引出设计.     

常压辉光等离子体催化CH_4转化制C_2烃在线诊断研究

利用发射光谱原位技术对旋转电极辉光等离子体作用下CH4-H2转化反应进行诊断研究,在300~700 nm波长范围内检测到了C,CH,C2,H和H2等激发态物种的发射谱线。利用H原子发射光谱,通过Boltzmann图解法计算了等离子体的激发温度,该激发温度在6 300~6 600 K之间。同时由谱线展宽计算了电子密度,其数量级在1020m-3。     

低电压下氮气放电的发射光谱分析

建立了一套直流放电产生氮气等离子体装置,该装置以碳纳米管修饰ITO电极为阳极,铝平板为阴极,两极间距~80 μm。在室温低电压(低于150 V)对氮气进行气体放电,利用发射光谱法对氮气放电过程中的活性物种进行了诊断研究。在直流电压下,观测到氮气发射光谱中能量最强最清晰的谱带N₂(C3Π_u),强度比较弱的Gaydon’s Green带系N₂(H₃Φ_u-G3Δ_g),以及820 nm附近氮原子的发射谱线(4p-4p0),发现氮分子的亚稳态是导致一系列激发态氮原子和氮气电离的主要因素,与交流电下(1.1 kV)产生的发射光谱相比,直流电下氮原子谱线光谱较强,且在500~800 nm范围检测到一个宽的分子谱带。考察了氧气与氢气对氮气发射光谱的影响,氧气对氮气的激发态有猝灭作用,使氮气发光强度降低,但其发射光谱图的谱型相似,都检测到氮气的第二正带系、Gaydon’s Green带系及氮原子谱线。当氮气与氢气的体积比为1∶1时,氮气的第二正带系及Gaydon’s Green带系都会受到很大的影响,说明加入的氢气可抑制氮等离子体激活,导致氮气的发光强度明显减弱,Gaydon’s Green System消失不见。碳纳米管修饰的ITO电极能使击穿电压降低,在10 V的低电压下,通过光电倍增管可观察到气体弱电离产生的光信号。     

Line broadening studies in low energy plasma focus

Optical emission spectroscopic studies were carried out to characterise the plasma leading to the estimation of two plasma parameters, electron density and temperature. These experiments were conducted on a 2 kJ plasma device which is equipped with squirrel cage electrode configuration enclosed in a glass vacuum chamber filled with hydrogen at a pressure of 5 mbar. Spectral emissions obtained from each flash were photographed in the region of 4000–6000 Å using one metre Czerny-Turner spectrograph cum monochromator. Detailed examination of the observed features showed that theH _β andH _λ lines of hydrogen showed significant broadening of the order of 35 Å FWHM which is due to Stark effect expected in high density plasmas. Further several atomic lines of Cu and Zn from the electrode material (brass) showed broadening which was due to quadratic Stark effect. A comparative study of the broadening of lines obtained in DC arc, hollow cathode and plasma focus was made. Electron density from Stark broadened hydrogen lines and quadratic Stark Coefficient C₄ for the CuI and ZnI lines were evaluated. The excitation temperature was determined from the line intensity ratio method using CuI lines.     

等离子体羽中氧原子的光谱强度分布

大气压等离子体羽放电产生的低温等离子体由于不需要真空装置,可以对复杂材料进行三维处理等,在工业上具有广泛的应用前景。本工作利用等离子体针放电装置在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽。通过光谱测量,发现等离子体羽发射谱中存在777.5和844.6nm的氧原子谱线。这表明在大气压空气放电中产生了具有高化学活性的氧原子。通过光谱学方法研究了氧原子谱线强度的空间分布,发现靠近电极处氧原子谱线强度远大于其他位置。为了对这一现象进行解释,利用光电倍增管对等离子体羽的发光信号进行了空间分辨测量,发现靠近电极处发光信号宽度远大于其他位置的发光信号宽度。这些结果对大气压空气等离子体羽在杀菌消毒等领域的应用具有重要意义。     

Optical emission spectroscopy of point-plane corona and back-corona discharges in air

Results of spectroscopic investigations and current-voltage characteristics of corona discharge and back discharge on fly-ash layer, generated in point-plane electrode geometry in air at atmospheric pressure are presented in the paper. The characteristics of both discharges are similar but differ in the current and voltage ranges of all the discharge forms distinguished during the experiments. Three forms of back discharge, for positive and negative polarity, were investigated: glow, streamer and low-current back-arc. In order to characterize ionisation and excitation processes in back discharge, the emission spectra were measured and compared with those obtained for normal corona discharge generated in the same electrode configuration but with fly ash layer removed. The emission spectra were measured in two discharge zones: near the tip of needle electrode and near the plate. Visual forms of the discharge were recorded with digital camera and referred to current-voltage characteristics and emission spectra. The measurements have shown that spectral lines emitted by back discharge depend on the form of discharge and the discharge current. From the comparison of the spectral lines of back and normal discharges an effect of fly ash layer on the discharge morphology can be determined. The recorded emission spectra formed by ionised gas and plasma near the needle electrode and fly ash layer are different. It should be noted that in back arc emission, spectral lines of fly ash layer components can be distinguished. On the other hand, in needle zone, the emission of high intensity N₂ second positive system and NO _γ lines can be noticed. Regardless of these gaseous lines, also atomic lines of dust layer were present in the spectrum. The differences in spectra of back discharge for positive and negative polarities of the needle electrode have been explained by considering the kind of ions generated in the crater in fly ash layer. The aim of these studies is to better understand the discharge processes encountered in electrostatic precipitators.     

发射光谱研究大气压等离子体射流的气体温度

采用介质阻挡放电等离子体喷枪装置,在大气压下流动氩气中产生了射流等离子体。利用光电倍增管,对射流等离子体进行了时空分辨测量,分析了等离子体喷枪内介质阻挡放电和外部等离子体羽的放电特性。利用高分辨率光谱仪采集等离子体羽处的发射光谱,通过对发射光谱中OH(A2Σ+→X2Π,307.7～308.9nm)及N2+的第一负系(B2Σ+u→X2Π+g,390～391.6nm)谱线拟合得到了射流等离子体的转动温度,拟合得到的转动温度分别为443和450K。在5%的误差范围内,这2种方法得到的结果是一致的。由于在大气压下,转动温度近似等于产生气体放电的气体温度,所以可以确定大气压射流等离子体气体温度。利用该方法研究了不同电压下的气体温度,发现气体温度随着外加电压增加而增大。     

激光诱导钛产生等离子体的光谱分析及电子温度的测量

用Nd∶YAG激光器产生的1.06μm、10ns的脉冲激光激发钛靶,用光学多通道分析仪(OMAII)测量了钛等离子体的时间分辨发射光谱,记录并分析了在40ns~200ns延迟范围内438~448nm波段的钛等离子光谱,用一组钛原子谱线的相对强度计算了不同延迟时间下等离子体电子温度。