用光谱层析技术重建等离子束射流场

提出了一种用光谱层析技术结合数值计算原理来重建等离子束射流温度、密度、压力和速度场的诊断方法.用CCD扫描光谱系统获得谱线强度，通过相对强度法重建温度场；再借助等离子射流有关物理方程来重建其它物理参量.分析了等离子束射流温度、密度、压力和速度场的空间分布特点以及它们之间的内在联系.     

电弧等离子体射流核脉动及射流卷吸的实验研究

湍流是电弧等离子体射流中典型的物理现象之一。以往的研究认为，射流存在一个处于层流状态的核心区域。采用电弧等离子体光谱诊断及数字高速摄影的方法对方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究，采用傅里叶变换的方法分析了弧电压和射流光谱强度信号。结果发现，电源的交流分量和阳极弧点运动在整个射流核的脉动特性中都有体现，射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域。相反，从谱线强度脉动图中可以看到，射流核的脉动是由电弧电压脉动造成的，这可能是射流核脉动的最主要原因。采用多元素谱线强度法研究了射流对空气的卷吸作用，并通过氮原子谱线强度确定了氮原子数密度在射流中的分布。     

等离子体电子温度的发射光谱法诊断

电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数。由于等离子体放电过程非常复杂,要实时准确测定其电子温度值非常困难。发射光谱法作为一种等离子体诊断技术,因其所使用的仪器相对简单,并采用非接触测量,灵敏度高,响应速度快,可广泛地应用于各种等离子体性质的研究和参数的诊断。文章介绍了测定等离子体电子温度的双谱线法、多谱线斜率法、等电子谱线法、Saha-Boltzmann法、谱线绝对强度法等多种发射光谱法,同时综述了这些方法在等离子体电子温度诊断中的应用,旨在为实际过程中选择合适的等离子体诊断方法提供参考。     

层流氩等离子体射流温度的测量

 采用给水冷管状静电探针施加负偏置电压、并使探针以一定速度垂直于射流轴线扫过层流氩等离子体射流的方法,测量探针所收集到的累积离子饱和电流随侧向位置的变化,利用Abel变换推导出了局部离子饱和电流密度沿射流径向的分布;采用自制的水冷动压探针,以动态扫描法测量了射流动压沿射流径向的分布;根据局部离子饱和电流密度和射流动压的测量数据,由理论关系式推导出了等离子体射流横截面上的温度分布,同时,采用谱线相对强度法测量了等离子体射流的激发温度。结果表明：两种方法得到的等离子体射流中心温度吻合较好,所得到的射流中心温度随弧电流加大而增大的变化趋势也一致。     

背景扣除和强度校正对激光诱导等离子体光谱参数的影响

激光诱导击穿光谱技术以其无需样品预处理、分析速度快、能实现多元素同时检测和远程分析等优点已经被广泛应用于诸多领域的物质成分定性或定量分析。该技术的理论基础是激光诱导等离子体。对等离子体光谱参数(如光谱谱线强度、等离子体温度等)的准确测量是利用该技术进行定性或定量分析的前提条件。实际的实验系统中,由于仪器本身固有的性能限制,会造成采集光谱信号的失真,从而限制等离子体光谱参数的精确测量或计算。为了克服仪器固有性能的影响,分析了实验系统所用中阶梯光栅光谱仪和传输光纤的固有性能缺点对光谱信号背景噪声和元素谱线绝对强度的影响,然后采用剥峰法对光谱信号中存在的锯齿状背景噪声进行扣除,利用辐射定标光源的标准光谱数据对谱线绝对强度进行校正,并对比了背景扣除和强度校正对等离子体谱线强度和等离子体温度的影响,实验表明谱线强度校正对合金钢等离子体380 nm以下的光谱信号具有较大影响,通过背景扣除和强度校正后,等离子体温度由13 401.75 K降低至8 980.72 K,玻尔兹曼平面法求解等离子体温度的拟合决定系数由0.60提高至0.91。因此在光谱数据处理之前对测量光谱进行背景扣除和强度校正是十分必要的,为提供可靠地光谱数据进行物质成分定性或定量分析奠定了基础。     

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.     

电弧等离子体射流核脉动的实验研究

电弧等离子体射流中的湍流是等离子体射流的典型物理现象之一，而以往的研究认为射流存在一个处于稳定状态的核心区域，也有人认为这个状态是层流的。本文采用电弧等离子光谱诊断及数字高速摄影的方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究，采用了傅里叶变换的方法分析弧电压和射流光谱强度信号，发现电源的交流分量和阳极弧点运动对整个射流核的脉动特性都有体现，射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域，相反谱线强度脉动图中可以看到，射流核的脉动是由电弧电压脉动造成的，这可能是射流核脉动的最主要原因。     

离焦量对空气中激光诱导铜等离子体光谱特性的影响

利用Nd: YAG脉冲激光在空气中烧蚀金属Cu靶,获得等离子体光谱;采用改变离焦量的方法,研究了离焦量的变化对谱线结构及谱线强度的影响;分析了离焦量分别为1mm、0mm和-2mm时,沿靶面法线方向不同空间距离处电子温度的演化规律;并对等离子体光谱的特性和产生机制进行了讨论. 结果表明,谱线结构、谱线强度和等离子体的电子温度都与离焦量的变化密切相关,聚焦点在-2mm处CuⅠ谱线相对强度出现峰值,电子温度数值最大;聚焦点在-0.5mm和-1.0mm附近谱线相对强度遽然降低的现象是由于等离子体的屏蔽效应造成的.     

大气感耦射流等离子体加工中的电子温度及激发光谱研究

大气感耦射流等离子体加工作为新型超光滑表面加工技术,其高密度等离子体激发能力为充分激发反应气体,提高材料去除率提供了有力条件。利用发射光谱仪,对加工过程中大气感耦射流等离子体激发的400~1 000 nm范围内的光谱进行了测量。并利用峰值明显,能级差较大的谱线计算电子温度。由于测量的谱线强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值,且感耦射流等离子体具有回转对称性,因此可利用阿贝尔变换求取光谱发射系数,进而通过玻尔兹曼图谱法计算电子温度。计算结果表明由于趋肤效应和旋流进气的双重作用,处于加工区域的温度分布呈现出双峰形;随着距离增大,双峰效应逐渐减弱,温度分布趋于平滑。研究也表明随着加工距离的增大,等离子体边缘逐渐偏离局部热力学平衡状态,玻尔兹曼图谱法计算电子温度的适用性降低,导致等离子体边缘的温度拟合优度值逐渐降低。进一步对通入反应气体CF₄后的等离子体光谱进行了研究,通入反应气体后的等离子体呈现鲜亮的蓝绿色,是由于激发反应气体后产生的位于400~650 nm范围的带状光谱所致,分析表明谱图中的带状光谱为双原子分子C₂谱带Swan Bands,而该双原子分子是感耦氩等离子体对碳源CF₄的充分激发产生。     

基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算

电弧等离子体是非均匀等离子体,其内部进行着复杂的能量和质量输运过程,等离子体的温度测量具有重要意义。Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、标准温度法等测温方法更为方便。基于Boltzmann作图法原理,对TIG电弧进行实时的空间扫描,分析了谱线的选取原则,测量计算出TIG焊电弧等离子体的温度场分布。     

Influence of Spectral Line Deconvolution on Measurement of Excitation Temperature in a Wall‐Stabilized Thermal Plasma by Optical Emission Spectroscopy

Abstract

The measurement of temperature in a wall‐stabilized thermal plasma is done by optical emission spectroscopy. The absolute intensity line method, relative intensity line method, and plot of the Boltzmann function are used. Another method, based on the measurement of electron density and calculations of concentrations, is also used. The influence of spectral line deconvolution on temperature profiles is studied. The results obtained by the four methods are compared. The influence of others parameters, such as the accuracy of spectroscopic constants, and the influence of the theoritical calculations of concentrations are also discussed. These methods employ Ar I, C I and O I lines to measure the temperature of an Ar–CO₂ mixture plasma produced in a wall‐stabilized arc.     

HL-2A托卡马克中性束辐射光谱的数值模拟

采用数值模拟的方法研究中性束辐射光谱(BES)对开展与中性束相关的光谱诊断与实验有重要的指导意义.本文在HL-2A托卡马克装置上利用ADAS数据库（Atomic Data and Analysis Structure,1998）计算有效束辐射系数和有效束衰减系数,分析了束辐射光谱强度与等离子体运行参数和中性束参数的关系,并在不同的中性束注入能量、等离子体密度分布和等离子体温度分布的情况下,获得了束辐射光谱强度的空间分布.在n_e=2×10¹³ cm< 关键词： 中性束 束辐射光谱 束衰减     

A sensitivity study on spectroscopic parameter accuracies for a mm/sub-mm limb sounder instrument

The purpose of this paper is to perform a detailed error analysis for a mm/sub-mm limb sounding instrument with respect to spectroscopic parameters. This is done in order to give some insight into the most crucial spectroscopic parameters and to work out a list of recommendations for measurements that would yield the largest possible benefit for an accurate retrieval. The investigations cover a variety of spectroscopic line parameters, such as line intensity, line position, air and self broadening parameters and their temperature exponents, and pressure shift. The retrieval process is performed with the optimal estimation method (OEM). The OEM allows one to perform an assessment of the total statistical error, as well as of the model parameter error, such as the error coming from spectroscopic parameters. The instrument parameters assumed are those of the MASTER instrument studied by the European Space Agency, one of the candidate instruments for a future atmospheric chemistry mission. However, the same principle and method of analysis can be applied to any other millimeter/sub-millimeter limb sounding instrument, for instance the Japanese instrument JEM/SMILES, the Swedish instrument Odin, and the Earth Observing System Microwave Limb Sounder. We find that an uncertainty in the intensity of the strong lines give an error of similar magnitude on the retrieved species to which the lines belong. Uncertainties in the line position have overall a small impact on the retrieval, indicating that the line positions are known with sufficient accuracy. The air broadening parameters and their temperature exponents of a few strong lines dominate the error budget. On the other hand, the self broadening parameters and the pressure shifts are found to have a rather small impact on the retrieval.     

Influence des conditions d'émission sur un écoulement de type jet plan laminaire isotherme ou chauffé

We propose numerical solutions for a laminar jet, accounting for emission conditions at the exit of the nozzle. Two emission cases are considered in this study: velocity and temperature profiles are uniform or parabolic, respectively. A finite difference scheme is developed for the resolution of the equations governing the isothermal and non-isothermal free jet and wall jet developing tangentially along an adiabatic flat plate. The analysed results are the centerline velocity and centerline temperature for the free jet, and wall temperature and shear stress for the wall jet. The results obtained are compared to another method that is based on two constraints of integration, i) conservation of momentum and ii) conservation of energy, to replace the emission conditions at the exit of the nozzle for the resolution of equations. Our results of the velocity and temperature profiles compare well with those obtained by the latter method solely in the plume region, where buoyancy forces are responsible for flow.     

Determination of temperature profiles from optically thick lines

A method for the evaluation of high-pressure discharge temperature profiles is proposed, which is based on a numerical solution of the radiative transfer equation. The measured quantities that have to be provided for the numerical evaluation are readily obtainable because only the absolute side-on intensity of a spectral line as a function of the lateral coordinate has to be measured. The method has been applied to several optically thick mercury lines. A comparison with temperatures obtained from optically thin lines shows good agreement. This method has the following two advantages: (i) temperature determination is possible in cases where no optically thin line is available, (ii) using optically thick lines of transitions with low excited states (e.g., resonance lines), the temperature profile can be determined for larger radii than from optically thin lines.     

氩等离子体射流在空气环境中冲击平板层流流动与传热的数值模拟

本文采用组合扩散系数方法处理不同气体组分之间的扩散，对氩等离子体的流射入空气环境并撞击平板时的层流流动和传热进行了数值模拟．这种新的处理混合气体中质量扩散的方法有助于更准确地描述等离子体条件下的组分扩散与能量输运。文中给出了射流中速度、温度及氩质量分数的分布情况，以及基板处热流密度分布的若干典型的数值模拟结果．     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。     

Corona discharge as a temperature probe of atmospheric air microwave plasma jet

We developed and tested a new method for temperature measurements of near-LTE air plasmas at atmospheric pressure. This method is specifically suitable for plasmas at relatively low gas temperature (800–1700 K) with no appropriate radiation for direct spectroscopic temperature measurements. Corona discharge producing cold non-equilibrium plasma is employed as a source of excitation and is placed into the microwave plasma jet. The gas temperature of the microwave plasma jet is determined as the rotational temperature of N₂? produced in the corona discharge. The corona probe temperature measurement was tested by the use of a thermocouple. We found a fairly good agreement between the two methods after correcting the thermocouple measured temperatures for radiative losses. The corona probe method can be generally applied to determine the temperature of the near-LTE plasmas and contrary to the thermocouple it can be used for higher plasma temperatures and is not affected by radiative losses and problems of interaction with the microwave plasma and electromagnetic fields.