气压对于低气压双频容性耦合Ar/O2 等离子体放电特性影响的研究

 研究了气压对双射频氩氧混合等离子体电子温度和电子密度的影响。在13.56MHz低频功率和94.92MHz高频功率固定为60W和氩氧气体比为1:9的情况下，利用发射光谱法分析了气压不同时氩氧混合等离子体的放电光谱中的特征谱线的变化规律。使用一维质点网格法(PIC-MC)静电模型计算了电子温度和电子密度。结果表明：电子温度随着气压的增加先降低后升高，与实验结果趋势相吻合；电子密度随着气压的增加先增大后减小。     

等离子体效应对类氦氖Kα线系电偶极辐射的影响

采用离子球模型，通过自洽求解Boltzmann方程和Poisson方程，得到类氦氖离子Kα线系的两条电偶极辐射光谱能量随等离子体环境的漂移.结果显示，Kα线系电偶极谱线随等离子体电子密度增大发生红移，红移量与等离子体电子密度有近似的正比关系；随着等离子体电子温度的降低，光谱红移对等离子体电子密度的敏感性增大.另外，所研究的两条谱线间的能量间隔随等离子体电子密度的增大而减小，减小量随等离子体电子密度的变化也呈现出近似的线性规律.值得注意的是，类氦氖Kα线系中两条电偶极谱线分别为互组合线与共振谱线，而其能量差就是1s2p(³P₁)的交换能，因此进一步发现能级中交换能将随等离子体环境变化的规律.所观察到的光谱红移和精细结构分裂在高密度等离子体中都有明显的变化，对探索高密度等离子体的诊断新方法有重要意义. 关键词： 光谱漂移 交换能 等离子体 类氦离子     

等离子体效应对碳的类氢离子能级的影响

通过在狄拉克方程中考虑德拜休克尔(Debye-Hückel)屏蔽势,研究了类氢离子C5 低能级能量1s(2S1/2),2s(2S1/2),2p(2P1/2和2P3/2)随等离子体电子温度及电子密度的变化规律,计算得到类氢离子C5 能级能量及能级电离势随等离子体环境的变化关系。同时,拟合得到了基于德拜休克尔屏蔽势下相当好的束缚态能级能量随等离子体环境变化的解析公式,利用该公式得到了类氢离子C5 相应各能级发生压致电离的临界电子密度,其结果与其它文献比有很好的可比性。结果表明:束缚态能级能量随等离子体电子温度的升高而减小,随等离子体电子密度的增大而增大。能级能量百分漂移量的对数值与等离子体电子密度的对数值以及等离子体电子温度的对数值之间均呈现出近似线性关系。对计算等离子体电离态分布及光谱模拟具有一定的意义。     

等离子体对电子间相互作用的屏蔽效应研究

在计算等离子体环境中的原子结构时,一般情况下只考虑等离子体对核-电子相互作用的屏蔽,较少考虑其对电子-电子相互作用的屏蔽.本文采用MCDHF (multi-configuration Dirac-Hartree-Fork)方法结合屏蔽势研究了电子-电子相互作用的等离子体屏蔽对原子结构参数的影响随电子密度、电子温度、核电荷数和束缚电子个数的变化规律.结果表明,对于类氦离子的基态和第一激发态,等离子体对电子-电子相互作用的屏蔽引起的能量移动量、跃迁能移动量和跃迁几率移动量分别随着电子密度和电子温度的升高而不断增大和减小;随着核电荷数的增大,能量移动量逐渐增大并趋于稳定值,跃迁能移动量和跃迁几率移动量逐渐减小并趋于0.能量移动量随着束缚电子个数的增加而增大.当满足电子密度(束缚电子个数)大于或者等于其临界值以及电子温度(核电荷数)小于或者等于其临界值任意一条件时,等离子体对电子-电子相互作用的屏蔽效应不可忽略.     

等离子体效应对类氦氖Kα线系电偶极辐射的影响

采用离子球模型,通过自洽求解Boltzmann方程和Poisson方程,得到类氦氖离子Kα线系的两条电偶极辐射光谱能量随等离子体环境的漂移.结果显示,Kα线系电偶极谱线随等离子体电子密度增大发生红移,红移量与等离子体电子密度有近似的正比关系;随着等离子体电子温度的降低,光谱红移对等离子体电子密度的敏感性增大.另外,所研究的两条谱线间的能量间隔随等离子体电子密度的增大而减小,减小量随等离子体电子密度的变化也呈现出近似的线性规律.值得注意的是,类氦氖Kα线系中两条电偶极谱线分别为互组合线与共振谱线,而其能量差就是1s2p(3P1)的交换能,因此进一步发现能级中交换能将随等离子体环境变化的规律.所观察到的光谱红移和精细结构分裂在高密度等离子体中都有明显的变化,对探索高密度等离子体的诊断新方法有重要意义.     

Langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度

为研究实验参数对螺旋波诱导的低压氢等离子体状态的影响,用Langmuir探针对等离子体伏安特性曲线进行了原位诊断,采用双曲正切函数的指数变换模型拟合曲线,根据Druyvesteyn方法得到状态参数电子密度、有效电子温度和电子能量几率函数,分析了它们随实验参数的变化规律。结果表明:射频输入功率、气压和约束磁场对等离子体状态有较大影响。随着射频射入功率增大,放电模式发生转变,电子密度跳跃增长;随着气压增大,电子密度先增大后减小,1.5 Pa为最佳电离气压,随约束磁场的增强呈线性增长;有效电子温度随功率和气压的增大而下降,随约束磁场的增强线性降低,电子能量几率函数曲线峰位和高能部分都向低能移动,与有效电子温度变化规律吻合。     

KCl添加剂对激光诱导土壤等离子体辐射强度的影响

为了提高激光诱导击穿光谱技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了KCl添加剂对土壤样品发射光谱的增强效应。利用高能量钕玻璃脉冲激光器烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果证明,随着KCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的规律。当KCl加入量为15%时,等离子体辐射最强,元素Mn,Fe,和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了2.23,1.13和2.04倍,信背比分别提高了1.33,0.89和0.94倍;而等离子体的温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%和38%。     

样品添加剂对激光诱导等离子体辐射的增强效应

为了改善激光诱导等离子体的辐射特性,利用由高能量钕玻璃脉冲激光器、组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统构成的光谱测量装置,以国家土壤标样为靶,研究了NaCl样品添加剂对激光等离子体辐射强度的影响,并由光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果表明:随着NaCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的趋势。当NaCl加入量为15%时,等离子体的辐射强度最大,元素Mn,K,Fe和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了39.2%,42.5%,53.9%和33.8%,光谱信背比分别提高了64.4%,84.3%,44.5%和58.2%,而等离子体的电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了0.17倍和0.36倍。     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响，以黄铜为研究对象，在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜，测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比；同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。实验结果表明，在激光功率为60 mW时，随着样品温度的升高，Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加，样品温度为130 ℃时达到最大值，然后趋于饱和。计算表明，黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm，Cu Ⅰ 427.51 nm，Cu Ⅰ 458.71 nm，Cu Ⅰ 510.55 nm，Cu Ⅰ 515.32 nm，Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm，Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、4.53倍、4.72倍，3.31倍、4.47倍、4.60倍、4.25倍、4.55倍，光谱信噪比分别增大了1.35倍，2.29倍、1.76倍、2.50倍、2.45倍、2.28倍、2.50倍，2.53倍。分析认为，升高样品温度会增大样品的烧蚀质量，相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度，进而提高等离子体发射光谱强度。所以，适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比，从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度，改善痕量元素的检测灵敏度。同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。计算表明，当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中，等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。分析认为，这主要是由于在升高样品温度的初始阶段，激光烧蚀量增大，等离子体内能增大，从而导致等离子体电子温度升高。当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化，激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、散射和反射，导致激光能量密度降低，电子温度趋于饱和，达到某种动态平衡。选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度，同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势，计算表明在样品温度为130 ℃时，Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。适当升高样品温度使得电子密度增大，从而提高电子和原子的碰撞几率，激发更多的原子，这是增强光谱谱线强度的原因之一。由此可见，升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。     

大气压空气滑动弧等离子体发射光谱诊断

为了解Ar添加对空气滑动弧等离子体的影响,在放电频率f=10 kHz、空气流量q_Air=15 L·min-1、1 atm下进行了Ar体积流量q_Ar对空气-Ar滑动弧放电的影响试验研究,重点分析了不同q_Ar及调压器电压U_调下空气等离子体的活性粒子种类、电子密度及振动温度。结果表明,滑动弧等离子体区的主要活性粒子为OH、N₂的第二正带系、Hα、O原子、ArⅠ及ArⅡ原子,其中O原子及ArⅠ、ArⅡ原子的相对光谱强度明显较强;随着q_Ar的增大,O（777.4 nm）的相对光谱强度先缓慢增长、再快速增大到极大值、随后缓慢减小并趋于稳定,O（777.4 nm）的相对光谱强度在1 580~6 650 a.u.之间变化;随U_调增大,O（777.4 nm）的相对光谱强度增大,且电压对其影响受q_Ar的影响：在高q_Ar（4~6 L·min-1）工况下,O（777.4 nm）的相对光谱强度变化趋势较大;Ar的加入使OH（313.4 nm）相对光谱强度有明显增加,OH（313.4 nm）相对光谱强度在235~311 a.u.之间变化;随着q_Ar的增大,OH（313.4 nm）相对光谱强度先增大再减小并趋于稳定。在较低U_调（100 V）工况下,OH（313.4 nm）的相对光谱强度随q_Ar变化不明显;而随着U_调增大,OH（313.4 nm）的相对光谱强度随q_Ar变化明显：在低q_Ar（0~4 L·min-1）工况下,OH（313.4 nm）的相对光谱强度随q_Ar增大而明显增大。利用Hα谱线做高斯拟合进行电子密度分析计算,得到电子密度在1.15~2.04×1017 cm-3之间。空气流量一定,Ar的加入能显著增加电子密度：在q_Ar为0~4 L·min-1工况下,电子密度增长趋势明显,随着q_Ar的继续增大,在较低U_调（100~120 V）工况下,电子密度先增大再减小并趋于稳定;在较高U_调（140~160 V）工况下,电子密度先增大再缓慢增大并趋于稳定。U_调变化也会对电子密度造成影响,电子密度随U_调增大而增大,且随U_调增大,电子密度增长趋势变快。     

Numerical study on the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced plasma

Based on the fluid theory of plasma, a model is built to study the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced argon plasma. In the model, species such as electrons, N2+, N4+, Ar+, and two metastable states (N 2(A3∑u+), N2 (a1 ∑u-)) are taken into account. The model includes the particle continuity equation, the electron energy balance equation, and Poisson抯equation. The model is solved with a finite difference method. The numerical results are obtained and used to investigate the effect of time taken to add nitrogen gas and initially-induced argon plasma pressure. It is found that lower speeds of adding the nitrogen gas and varying the gas pressure can induce higher plasma density, and inversely lower electron temperature. At high-pressure discharge, the electron density increases when the proportion of nitrogen component is below 40%, while the electron density will keep constant as the nitrogen component further increases. It is also shown that with the increase of initially-induced argon plasma pressure, the density of charged particles increases, and the electron temperature as well as the electric field decreases.     

不同样品温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导铜击穿光谱的影响

研究了不同温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)强度的影响,使用Nd:YAG脉冲激光激发样品并产生等离子体,探测的等离子体发射的光谱线为Cu(Ⅰ)510.55 nm,Cu(Ⅰ)515.32 nm和Cu(Ⅰ)521.82 nm.使用透镜的焦距为200 mm,测量的聚焦透镜到样品表面距离的范围为170—200 mm,样品温度从25℃升高到270℃,激光能量为26 mJ.总体上,升高样品温度能有效地提高LIBS光谱的辐射强度.在25℃和100℃时,光谱强度随着聚焦透镜到样品表面距离的增加而单调增加;在样品温度更高(150, 200, 250和270℃)时,光谱强度随着距离的增加出现先升高而后又降低的变化.同时,在样品接近焦点附近,随着样品温度的升高,LIBS光谱强度的变化不明显,还可能出现光谱强度随着样品温度升高而降低的情况,这在通过升高样品温度来提高LIBS光谱强度中特别值得我们注意.为了更进一步了解这两个条件对LIBS的影响,计算了等离子体温度和电子密度,发现等离子体温度和电子密度的变化与光谱强度的变化几乎一致,更高样品温度下产生的等离子体温度和电子密度更高.     

Ti类氦Kα线在高温稠密等离子体中的漂移

采用离子球模型，通过自洽求解Dirac方程和Poisson方程，得到类氦Ti离子Kα线系的两条电偶极辐射光谱能量随不同等离子体环境的变化关系.同时分析了束缚电子交换能随等离子体环境的变化规律.结果表明：光谱能量漂移量随等离子体电子密度变化呈现出很好的线性关系.对此，拟合得到Ti类氦Kα线光谱能量漂移量随等离子体环境参数变化的公式，对探索高温高密度等离子体诊断方法具有一定意义. 关键词： 类氦离子 自洽场离子球模型 光谱漂移 等离子体诊断     

13.56 MHz/2 MHz柱状感性耦合等离子体参数的对比研究

通过Langmuir双探针和发射光谱诊断方法,对比研究了驱动频率为13.56 MHz和2 MHz柱状感性耦合等离子体中电子密度和电子温度的径向分布规律.结果表明:在高频和低频放电中,输入功率的增加对等离子体参数产生了不同的影响,高频放电中主要提升了电子密度,低频放电中则主要提升了电子温度.固定气压为10 Pa,分别由高频和低频驱动时,电子密度的径向分布均为"凸型".而电子温度的分布差异比较明显,高频驱动时,电子温度在腔室中心较为平坦,在边缘略有上升;低频驱动时,电子温度随径向距离的增加而逐渐下降.为了进一步分析造成这种差异的原因,在相同放电条件下采集了氩等离子体的发射光谱图,利用分支比法计算了亚稳态粒子的数密度,发现电子温度的径向分布始终与亚稳态粒子的径向分布相反.继续升高气压到100 Pa,发现不论高频还是低频放电,电子密度的径向分布均从"凸型"转变为"马鞍形",较低气压时电子密度的均匀性有了一定的提升,但低频的均匀性更好.     

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采用离子球自洽玻尔兹曼方程和泊松方程,得到了类氦Cr离子kα线系的两条电偶极辐射光谱能量随不同等离子体环境的变化关系.分析了光谱能量漂移量和kα线交换能随等离子体环境变化的关系,给出了光谱能量漂移量随等离子体环境参数变化的公式.结果表明,光谱能量漂移量随等离子体电子密度变化呈现出很好的线性.关系.     

The impact of dense plasma environments on the 1s3l fine structure levels of He-like ions

Finite-temperature dense plasma relativistic atomic structure calculations are employed to study the energy eigenvalues and transition probabilities related to the 1s3l fine structure levels of He-like ions. We discovered a particular response of the level structure that is distinctly different from simple nuclear charge screening effects that exists also for atoms and ions in vacuum as Z decreases. It is demonstrated that characteristic level crossings are driven by the free electron screening due to a particular dependence on the quantum numbers of each level of the 1s3l-configuration. Levels with large l shift stronger to the continuum than levels with small l whereas spin dependent dense plasma effects are relatively small. As a result, the known energy level fine structure in vacuum is subject to characteristic changes (level crossings, level order). Numerical calculations performed for a wide range of density, temperature and different chemical elements indicate that induced level crossings and change in level order are general characteristics of dense plasma effects.