低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

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。     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

发射光谱法对早期激光诱导铝合金等离子体诊断研究

对激光诱导等离子体参数进行诊断有多种方法,其中采用发射光谱法对其诊断是一种重要的方法。文中采用Nd∶YAG固态激光器,输出波长1 064 nm红外激光与铝合金样品相互作用,深入研究了铝合金等离子体产生早期(<1 μs)谱线轮廓、谱线强度、线背比、谱线半峰宽及位移等随时间演变规律。研究表明,激光与物质相互作用早期,电子数密度非常大,电子与离子及原子之间的相互作用非常强烈,谱线的Stark展宽效应非常明显,导致多重谱线重叠在一起,随时间演变,电子数密度及电子温度的降低,多重谱线的半峰宽越来越窄且谱线轮廓对称性越来越好。MgⅠ285.212 6 nm谱线强度早期逐渐增强,大约100 ns左右谱线强度达到最大值,然后谱线强度呈逐渐减小的趋势,这是由于等离子体产生早期,电子及离子占主导地位,故早期原子谱线强度较弱,随时间演变,电子与离子之间的复合,原子数密度逐渐增加,故原子谱线逐渐增强,达到最大值之后,由于等离子体激发温度的降低,故谱线强度逐渐减弱。以NIST波长位置为参考,等离子体产生的早期谱线发生了红移,连续背景强度随时间演变呈幂函数形式急剧递减,与之相反,谱线的连续背景强度与谱线强度相比,连续背景衰减的速度更为迅速,故导致谱线信背比随时间演变呈增大趋势,本研究对等离子体早期这些现象从理论角度进行了深入探讨。     

激光诱导Ti等离子体光谱的时间演化特性研究

利用Nd:YAG激光器产生的1064 nm、10 ns脉冲激光聚焦在空气中的Ti靶,观测了激光诱导Ti等离子体发射光谱.调节激光能量为45 mJ/pulse,分析了时间范围在0到4000 ns的时间分辨发射光谱和谱线轮廓以及展宽.在局部热力学平衡(LTE)条件下,利用Saha-boltzmann图法拟合电子温度,Saha方程计算电子密度,讨论了等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律.结果表明,在所讨论的时间范围内,谱线的强度在延时250 ns处达到最大,250 ns后随着延迟时间的增加减小,电子密度和电子温度在延时1000 ns内快速衰减,1000 ns后衰减速度变慢.     

外加电场对激光诱导Al等离子体发射光谱的影响

在低压环境下,由Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光烧蚀金属Al靶产生等离子体,观测了外加电场下其空间分辨发射光谱,并由此分析了谱线相对强度、谱线展宽随外加电压的演化特性.结果发现:原子谱线强度及其半高全宽随外加电压的增加均有明显增大,而离子谱线受外加电压的影响较小.从微观机制上分析推断:外加电场使非稳态等离子体中的电子作定向运动,加剧电子与原子之间的碰撞是上述结果的主要原因.此外,由发射光谱线的Stark展宽计算了等离子体电子密度,并由实验结果讨论电子密度随外加电压的演化特性和空间演化特性.     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd:YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离(lens-to-sample distance,LTSD)对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100~4000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

透镜到靶材的距离对脉冲激光诱导等离子体的影响机理研究

采用高功率抽运调Q激光器分别在真空和空气中烧蚀Ti-Al合金靶材激发等离子体,研究了在不同气体压强下透镜到靶材的距离对等离子体参数的影响机理对于焦距为111mm的聚焦透镜,当透镜到靶材距离小于透镜焦距时,随着距离逐渐接近焦距,真空和空气中电子温度、电子密度和谱线强度均逐渐增强.当透镜到靶材距离大于透镜焦距时,真空中,电子温度和电子密度仍然继续升高,而谱线强度却变化不大.空气中,等离子体参数却有不同的演化特性:等离子体的电子温度、电子密度和谱线强度在透镜到靶材距离为107 mm时达到最大值,当距离继续增大时,均呈现出迅速下降的趋势,当透镜到靶材距离大于112mm时,电子温度和电子密度又有明显上升,特征谱线强度却大幅下降.     

激光诱导Ni等离子体特性的研究

以Nd·YAG激光器的二倍频输出作为激发源,获得了激光诱导Ni等离子体的发射光谱,基于发射光谱,对等离子体电子激发温度和电子密度进行了测量,其典型值分别为3 714 K,4.67×1016 cm-3。测量了等离子体电子激发温度和电子密度的空间分布,发现沿垂直于激光传播方向的径向,随到中心点距离的增加,等离子体辐射的强度减小,但线型和线宽不变,表明等离子体电子激发温度和电子密度沿径向均匀分布。沿激光传播方向,随到样品表面距离的增加,等离子体辐射强度、电子激发温度和电子密度先增加后降低,在距样品表面1.5 mm处,达到最大值。采用激光诱导击穿光谱技术进行相关探测时,收集距离样品表面1.5 mm处的发射谱,有利于提高探测灵敏度。     

基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究

研究了不同条件下脉冲放电CO₂激光烧蚀平板锡靶产生的等离子体极紫外辐射特性, 设计并建立了一套掠入射极紫外平焦场光栅光谱仪, 结合X射线CCD探测了光源在6.5～16.8 nm波段的时间积分辐射光谱,得到了极紫外光谱随激光脉宽, 入射脉冲能量及背景气压的变化规律。实验结果发现：入射激光脉冲能量在30～600 mJ变化时,极紫外辐射光谱的强度随辐照激光脉冲能量的增加而增加, 但并不是线性关系, 具有饱和效应, 且产生极紫外辐射的脉冲能量阈值约为30 mJ,当激光脉冲能量为425 mJ时具有最高的转换效率,此时中心波长13.5 nm处2%带宽内的转换效率约为1.2%。激光脉冲半高全宽在50～120 ns范围内变化时, 极紫外辐射光谱的峰值位置均位于13.5 nm,光谱形状几乎没有什么变化, 但是脉宽从120 ns变到52 ns后,由于激光功率密度的提高,极紫外辐射强度也随之增强了约1.6倍。极紫外光谱的强度随背景气压的增大而迅速下降, 当腔内空气气压为200 Pa时, 极紫外辐射光子几乎被全部吸收,而当缓冲氦气气压为7×104 Pa时,仍能够探测到微弱的极紫外辐射信号,计算表明100 Pa的空气对13.5 nm极紫外光的吸收系数为3.0 m-1,而100 Pa的He气的吸收系数为0.96 m-1。     

压强对空气/氩气介质阻挡放电中等离子体温度的影响

使用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体放电中,利用发射光谱法,研究了电子激发温度和分子振动温度随气体压强的变化关系。通过氩原子763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₆→1S₃)两条谱线强度比法计算电子激发温度;通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算氮分子的振动温度;对氮分子离子391.4 nm和激发态的氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度进行了测量,以进一步研究电子能量的变化。实验表明,随着压强从20 kPa增大到60 kPa, 电子激发温度减小,分子振动温度减小, 氮分子离子谱线与激发态的氮分子谱线强度之比减小。     

激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究

空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义.本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体.利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为.大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300—900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的.根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属.给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度.这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.     

大气压氩直流微放电光谱研究

微空心阴极放电或微放电是一种能够实现高气压下放电的有效方法。利用不锈钢空心针作阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压氩直流微放电实验研究。测量了大气压氩微放电光谱,发现氩气的发 射谱线主要集中在690～860 nm范围,且全部为氩原子4p—4s的跃迁。实验研究了不同放电电流、气体压强、气体流量与谱线强度之间的关系,发现谱线强度随放电电流、气体流量增加均增加,而谱线强 度随压强变化呈现不同特征：谱线强度随压强的增加先增加后降低,在13.3 kPa时强度最大。此外,选用跃迁波长为763.51和772.42 nm的两条光谱线,利用发射谱线强度比值法测量了氩气微放电等离子 体的电子激发温度。结果显示,其电子激发温度处于2 000～2 800 K之间,且随放电电流的增加而增加,随气体压强和气体流量的增加而降低。     

六边形晕斑图等离子体参数的光谱测量

在空气与氩气按比例混合组成的气体放电中,研究了由中心点和六边形晕组成的六边形晕斑图。从照片中观察六边形晕斑图结构,发现中心点和六边形晕的亮度有明显的差异,说明中心点和六边形晕可能处的等离子体状态不同。利用发射光谱法,详细研究了该六边形晕斑图结构的中心点和六边形晕的等离子体参数随压强的变化关系。实验根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)谱线计算了中心点和六边形晕的分子振动温度;通过氮分子离子(391.4 nm) 与氮分子(394.1nm)谱线强度比,反映中心点和六边形晕的电子平均能量;利用氩原子696.5 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽,研究了电子密度。实验结果表明： 六边形晕斑图主要范围是氩气含量从60%～75%、压强从30～46 kPa。在相同的压强条件下,六边形晕比中心点的分子振动温度、电子平均能量均要高。随着压强从30 kPa逐渐升高到46 kPa,中心点和六边形晕的分子振动温度、电子平均能量是逐渐增大的。在相同的压强条件下,六边形晕比中心点的谱线展宽要大,且随着压强的升高而增加,表明电子密度随着压强的增大而升高。六边形晕和中心点的等离子体的状态不同,说明二者放电机制上的差异。进一步采用高速照相机对斑图的电流脉冲进行分脉冲瞬时拍摄,发现中心点是由先放电的体放电形成,而六边形晕是由放电晚于体放电的沿面放电形成。     

光纤激光气体氮化钛合金发射光谱及等离子体研究

激光气体氮化工艺可在钛合金表面快速生成氮化层,提高钛合金表面硬度和耐磨性,促进钛合金应用。采用光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金,为了明确氮化过程光谱发射区是否形成等离子体,采用探针法检测了光谱发射区导电性;为了研究工艺参数对光谱特性、光谱发射区温度及等离子数量的影响,采用光谱仪采集了氮化过程发射光谱,并采用高速摄像拍摄了光谱发射区域照片。试验表明,光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金过程中,光谱发射区可以导电,形成了金属蒸汽等离子体,这与CO₂激光气体氮化钛合金工艺过程中形成的氮等离子体完全不同。采用光纤激光氮化Ti-6Al-4V钛合金工艺过程中,工艺参数显著影响金属蒸汽等离子体的数量,当激光功率较大,扫描速度较小,离焦量较小和氮气含量较高时,光谱发射区可产生金属蒸汽等离子体。氮化过程发射光谱由连续光谱和线状光谱组成,连续光谱主要由热辐射产生,连续光谱强度可以表征光谱发射区温度,线状光谱主要由等离子区域原子核外电子跃迁产生,线状光谱强度可以表征等离子体数量。氮化过程,随激光功率增大或扫描速度减小,连续光谱和线状光谱增强,表明光谱发射区温度升高,等离子体数量增加;随离焦量增大,连续光谱和线状光谱呈先减小后增大之后又减小的复杂变化趋势,表明光谱辐射区温度先降低后升高之后又降低,等离子体数量先减少后增加之后又减少;氮气中加入少量氩气,可强烈影响氮化过程,使连续光谱和线状光谱大幅减弱,随氩气流量进一步增加,线状光谱和连续光谱继续减弱,表明氮气中加入少量氩气使光谱发射区温度大幅降低,等离子体数量大幅减小,随氩气量进一步增加,光谱发射区温度继续降低,等离子体数量继续减少。     

空心针-板电极大气压氩气辉光放电的特性研究

大气压均匀放电等离子体在工业领域具有非常广泛的应用前景,它是利用直流电源激励的空心针-板放电装置,以氩气为工作气体在大气压空气中产生均匀稳定的放电。对氩气流量和气隙间距对辉光放电发光特性的关系进行了研究,结果表明放电所产生的等离子体柱连接两个电极,发光较为均匀(观察不到放电丝)。在板电极附近放电等离子体柱直径最大,最大直径随着电流和气流的增大而增大。放电伏安特性研究发现,与低气压辉光放电相类似,两电极间的电压随着电流的增大而减小,并且随气流和气隙间距的增大而增大。对该大气压直流均匀放电在扫描范围为330～450 nm的光学发射光谱进行分析,获得了放电等离子体的分子振动温度和谱线强度比I_391.4/I_337.1随氩气流量和气隙间距的变化关系。I_391.4/I_337.1均随流量和气隙间距的增大而降低。对等离子体柱的I_391.4/I_337.1沿气流方向(等离子体柱轴向)进行了空间分辨测量,并进行了定性分析,结果表明,振动温度及电子平均能量随着远离空心针口距离的增大而增大。这些结果对大气压辉光放电在工业中的应用具有重要意义。     

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。     

Glow Discharge Characteristics of Hollow Needle-Plate Electrode in Atmospheric Pressure ArgonSCIEI北大核心CSCD

Atmosphere pressure uniform plasma has the broad application prospect in the industrial field. Using hollow needle cathode - plate anode device excited by direct-current voltage, a uniform and stable glow discharge is generated at atmospheric pressure in ambient air with argon used as working gas. The influence of the experimental parameters (including gas flow rate and the gas gap width) on discharge has been investigated by optical method. It can be found that a glow-discharge plasma column can bridge the two electrodes. The plasma column is uniform, and no filaments can be discerned. Near the plate electrode, the diameter of the plasma column is largest of all positions. The maximal diameter of the plasma column increases with increasing the discharge current or the gas flow rate. Through electrical method, the voltage-current characteristic has been investigated. It has been found that the discharge voltage decreases with increasing the current which is similar with the characteristic of glow discharge in low pressure. It increases with increasing the gas gap width or the gas flow rate. By analyzing the optical emission spectrum scanning from 330 to 450 nm emitted from the direct-current glow discharge, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated as functions of the gas flow rate and gas gap width. Results indicate that both the vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 decrease with increasing the gas flow rate or the gas gap width. In addition, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated in spatial resolution along the direction of gas flow(plasma column axial), and give a qualitative analysis as well. It is found that the vibrational temperature and the average electron energy increase with increasing the distance from the hollow needle cathode. These results are important to the industrial applications of glow discharge.