电弧及辉光微等离子体大气压取样的发射光谱研究

在线化学分析需要实现开放环境下的样品取样和电离/激发。相比于激光切削或者激光诱导击穿,大气压微等离子体系统结构简单,更利于小型化。因而基于大气压微等离子体的在线化学分析技术引起行业的广泛关注。为了确定合适的微等离子体源进行样品的在线元素检测,需要进一步了解各放电模式及工作参数下微等离子体的自身特性以及取样效果。该工作主要研究了电弧及辉光放电微等离子体在大气压下对样品铁取样发射光谱的特性。实现了在开放环境下对高熔点金属样品的在线检测,并发现电弧放电微等离子体与光谱分析源联用具有更高的取样效率。高采样效率的电弧放电微等离子体源为实现金属及难解离样品的检测提供了一种新的方法。同时,相较于传统的取样装置,避免了复杂的样品制备、样品传输过程。实验装置采取简单的针对板放电结构,分别利用高压脉冲电源、直流电源获得电弧放电和辉光放电。实验的结果表明,在放电功率近似相等的条件下,电弧放电产生的微等离子体对样品铁取样的光学发射谱中,样品元素的特征谱线占据主导地位,同时伴随有空气中氮气的谱线,而且铁离子(FeⅡ)谱线的相对强度显著高于氮气分子谱线的相对强度。而在直流辉光放电中,样品铁原子(FeⅠ)谱线相对强度非常不明显。由此说明,电弧放电产生的微等离子体具有更高的采样效率。放电在样品表面留下的溅射坑也得出了相同的结论。增加辉光放电电流到25 mA,发现样品元素铁的谱线仍然没有明显的增强。同时,也研究了采样间距对两种采样模式的影响。实验结果表明,间距对两种模式的采样光谱没有显著的影响。采用主要成分为铝的合金铝箔进行了上述对比实验,得出相同的结论,即电弧放电微等离子体更适合作为光谱分析源来实现对金属样品的实时快速检测。     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

微秒脉冲激励的大气压氦等离子体射流放电特性北大核心CSCD

研究了不同电极结构以及放电参数对微秒脉冲激励的氦等离子体射流放电特性的影响。实验中采用不同管内径、不同电极形状、不同重复频率等参数,通过采集放电阶段的电流电压图、发光图像以及发射光谱等,对等离子体射流的电学特性和光学特性进行诊断。实验结果表明,随着管内直径的增大,氦等离子体射流的长度减小;管内径为8mm时,等离子体射流的击穿电压与放电电流最小,同时,其发射光谱中第二正带系N2,N+2和O等高能活性粒子的强度最高;管内径为5mm的等离子体射流的放电电流、功率及消耗的能量最大;在相同实验条件下,针尖电极结构中的放电电流、消耗的功率还有发射光谱强度都较大;随着重复频率的增加,氦等离子体射流的长度会增加,但击穿电压减小。     

利用光学方法研究单针射流等离子体的产生和发展机制

对单针电极射流等离子体产生和发展过程中的光信号进行了研究。首先发现等离子体的长度并不是随外加电压升高而增加,而是和驱动电源的能量在正半周放电脉冲之间的分配有关。通过研究等离子体通道内不同位置的发光信号,发现正半周期第一次放电脉冲是在针尖电极处产生,而第二个脉冲是在等离子体通道中部产生,电子激发温度也是在等离子体中部达到最高。通过分析发现,空间电荷产生的附加电场对于等离子体的产生和发展有着重大影响。     

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。     

Au表面等离子体激元激发的扫描探针电子能谱

结合扫描隧道显微镜（STM）与电子能谱仪是实现表面微区元素分析的途径之一．我们将环形电子能量分析器和三维扫描探针系统相结合,建立了一台扫描探针电子能谱仪(SPEES)．通过测量针尖近场发射束流激发的Au表面能量损失谱,我们用研究了Au原子的等离子体激元激发现象．进一步通过改变针尖－样品距离,我们研究了Au等离子体激元峰与弹性散射峰的强度比随针尖－样品距离变化的关系．研究结果发现该强度比与针尖－样品距离的关系并不是单调变化,而是在一个特定位置存在极大．     

大气压微等离子体射流电子密度研究

采用微空心阴极放电装置,利用光学方法和电学方法研究了大气压流动Ar和N₂混合气体中产生的微等离子体射流特性。研究发现,随着电源输入功率增大到一定数值,微空心阴极装置中两个电极间气体发生击穿,通过击穿气隙气体的流动会沿着气流方向产生最大为4 mm的等离子体射流。放电电流为准连续的脉冲放电形式,其中放电电流脉冲宽度约为0.1 μs。分别利用爱因斯坦方程和等离子体发射光谱中谱线的Stark展宽方法计算了电子密度。结果发现,2种计算方法得出的微等离子体射流的电子密度均在1015·cm-3的量级。研究还发现,功率对微等离子体射流电子密度影响不大。利用气体击穿理论,对以上结论进行了定性分析。     

脉冲放电射流辅助射频辉光放电研究

通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构,在射频放电前段增加脉冲电极,脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域,主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明:等离子体子弹经过射频放电区域后,由于等离子体子弹引入的活性粒子,会使射频放电区域等离子体强度增强;而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

Pulsed-discharge-aided laser ablation synthesis of nanoscale aluminum nitride powders

2 ) discharges were shown to efficiently generate atomic nitrogen that promoted the synthesis of high-purity aluminum nitride powders formed by pulsed-laser ablation of aluminum targets. The interaction between the nitrogen discharge plasma and the ablated aluminum plume depended on the synchronisation of the two pulsed events for maximum overlap of the transient reactants. By monitoring the optical emissions of the reactive N⁺ species and analysing the synthesised powder with X-ray photoelectron spectroscopy, it was found that when laser ablation occurred at about 3 μs after the pulsed discharge, the N⁺ emission from the overlapping plasma was the most intense and the purity of the aluminum nitride synthesized was the highest. Received: 8 September 1997/Accepted: 8 September 1997     

Characterization of sliding spark plasma source for direct trace spectronalysis

The sliding spark plasma – which is produced via ablation of a dielectric material enforced between a pair of electrodes by a pulsed high-voltage discharge propagating along the dielectric surface – has immense potential as a simple but novel spectroscopic source for direct in situ quantitative analysis of non-conducting samples, a ubiquitous theme in material characterization. The plasma-excited optical spectrum spans a broad spectral range Vacuum Ultra Violet-Near Infra Red (VUV-NIR) and carries the atomic and molecular signatures of the base matrix chemical composition. Since the analytical figures of merit for quantitative spectroanalysis are a function of the spark source and dielectric matrix ablation characteristics, we systematically studied the sliding spark plasma source, utilizing a charge-coupled device spectrometer with blazed holographic grating in order to find the combination of parameters that can tailor the source for trace spectroanalysis of dielectrics in air and atmospheric pressure. It was observed that in the UV–vis spectral range a unique set of sample matrix conditions, besides spark source parameters, exists for enhanced trace analyte spectral emission with low signal-to-noise ratios and where trace spectrochemical analysis of dielectrics depends multivariately on spark scan frequency, electrode geometry, plasma discharge current, spark source inductance, initial rate of applied voltage, mode of sample ablation, and specific capacitance of the dielectric surface.     

用激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术实现铝合金的高灵敏元素分析

报道了采用激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术分析铝合金中痕量元素时的分析行为。用低能量激光脉冲聚焦于样品表面并在放电电极之间产生等离子体来触发高压火花放电以改善火花诱导击穿光谱技术的分析行为。在当前空间几何配置下,研究得到了最佳的放电电压和储能电容等参数并在最佳实验条件下分析了样品中的铜元素,其检出限达到0.7 ppm。激光点火的辅助手段改善了火花诱导击穿光谱技术在元素分析时信号的稳定性、提高了分析精度。同时它还能够有效地降低放电电压,改善其空间分辨本领。研究表明激光点火辅助火花诱导击穿光谱技术具有灵敏度高、稳定性好以及具有较好的空间分辨本领的特点,非常适合于各种合金中的痕量元素分析。     

皮秒双脉冲LA-LIBS对合金样品的微损元素分析

研究了基于一台皮秒Nd∶YAG激光器实现合金样品的双脉冲激光剥离-激光诱导击穿光谱(LA-LIBS)微损元素分析。实验采用低能量的532 nm二倍频激光烧蚀并剥离出微量样品,然后采用较高能量的延时1064 nm激光对剥离出的样品进行二次激发,以增强等离子体中的原子辐射强度和提高光谱检测灵敏度。实验分别研究了烧蚀激光脉冲和二次激发光脉冲的能量对信号强度的影响。在烧蚀激光脉冲能量为10 μJ,二次激发光脉冲能量为2.5 mJ的条件下,LA-LIBS中Cu Ⅰ 324.75 nm原子谱线的强度与单脉冲LIBS相比改善了86倍,激光烧蚀坑洞的直径小于10 μm。研究表明：基于一台皮秒Nd∶YAG激光器,采用双脉冲LA-LIBS技术可以较好地实现对固体样品的微损元素分析。该技术在贵重样品分析和高空间分辨的二维元素显微分析中具有一定的应用价值。     

Analysis of the behavior of a discharge in a coaxial plasma jet accelerator

We analyze the behavior of the discharge in a coaxial plasma jet accelerator with a pulsed supply of the working gas released by an electric discharge from titanium hydride powder. Radiation (varying with time) from the discharge in the accelerator was detected using an optical method through a narrow slit cut along the outer electrode by a Bifo Company K008 streak camera. Stable operation of the source with the highest kinetic energy of a pure hydrogen plasma jet was attained for a relatively uniform glow of the discharge along the accelerator during the entire current pulse. Conversely, local glow of the discharge at the outlet or inlet of the accelerator considerably contaminated the discharge with impurities, and the kinetic energy of the plasma jet decreased by an order of magnitude. The highest energy of the plasma jet was attained when the polarity of the electrodes was the same as at the plasma focus.