大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明:起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N₂和N₂+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N₂和N₂+连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在（1~25）×10-6之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.      

激光诱导AlO自由基B2∑+–X2∑+跃迁光谱研究

基于激光诱导击穿光谱技术, 利用Nd:YAG脉冲激光激发Al₂O₃ (含量为99%)陶瓷片产生等离子体, 获得了AlO自由基B²∑⁺–X²∑⁺跃迁的33条发射谱线. 就AlO自由基光谱的时间演化规律和激光能量对谱线的影响规律进行了研究与分析. 结果表明, AlO自由基光谱出现在Al原子和Al离子光谱之后, 且持续时间较长. 当激光的脉冲能量由10 mJ起不断增加时, AlO自由基光谱强度逐渐减小, 且最大值出现时间随激光能量的增加而后移. 在此基础上, 进行了陶瓷等离子体在空气和氩气环境下的对比试验, 发现从Al₂O₃陶瓷片中激发所产生的AlO自由基必须有空气中O₂参与反应. 关键词： 激光诱导击穿光谱 AlO自由基 B²∑⁺–X²∑⁺跃迁光谱')" href="#">B²∑⁺–X²∑⁺跃迁光谱     

脉冲激光激发Cu等离子体温度的玻耳兹曼方法测量研究

 以YAG调Q脉冲激光为光源,以金属Cu作为样品,使用CCD技术采集Cu等离子体瞬态光谱,用玻耳兹曼分布法对激光等离子体的温度进行了测量。由测量结果可知,当激光脉冲能量为0.1J时,测量的Cu谱为原子激发谱,等离子体温度为14063K。作为对比,还用同样方法测量了交流电弧激发的Cu等离子体温度。所建立的测温方法对于研究激光与物质的相互作用有重要应用前景。     

激波管壁AlO自由基B~2∑~+-X~2∑~+和C~2∏_r-X~2∑~+带系辐射光谱的研究

爆轰驱动过程中产生的高温高压气流对铝质膜片、激波管壁产生烧蚀和冲刷作用,以致激波管壁、端盖上附有氧化铝等杂质,而高温下AlO自由基在气体分子的高速碰撞下被激发并产生强烈的辐射,从而干扰了高温气体辐射光谱的分析.用爆轰驱动加热技术将空气加热到4 000～7 000 K,利用多通道光学分析仪对AlO自由基辐射光谱进行分析,实验发现在460～530 nm波长范围内有多支辐射非常强烈的AlO自由基B~2∑~+-X~2∑~+(T_(00)=20 689 cm~(-1))带系辐射谱带,且每支谱带都由多个带头组成,带头间隔约为2 mn,带头处于高频位置并向低频方向伸延.通过实验与理论计算相结合,重点分析了AlO自由基B~2∑~+-X~2∑~+带系辐射光谱的结构特征.AlO自由基C~2∏_r-X~2∑~+(T_(00)=33 047 cm~(-1))带系辐射光谱处于270～335 nm波长范围内,其辐射强度相对于B~2∑~+-X~2∑~+带系较弱,并且与OH基A~2∑~+-X~2∏(T_(00)=32 682 cm~(-1))带系辐射光谱互相干扰而难以分辨,对该波段高温空气的辐射光谱分析产生不利的影响.     

激波管壁AlO自由基B~2Σ~+-X~2Σ~+和C~2Π_r-X~2Σ~+带系辐射光谱的研究

爆轰驱动过程中产生的高温高压气流对铝质膜片、激波管壁产生烧蚀和冲刷作用,以致激波管壁、端盖上附有氧化铝等杂质,而高温下AlO自由基在气体分子的高速碰撞下被激发并产生强烈的辐射,从而干扰了高温气体辐射光谱的分析。用爆轰驱动加热技术将空气加热到4 000~7 000 K,利用多通道光学分析仪对AlO自由基辐射光谱进行分析,实验发现在460~530 nm波长范围内有多支辐射非常强烈的AlO自由基B2Σ+-X2Σ+(T00=20 689 cm-1)带系辐射谱带,且每支谱带都由多个带头组成,带头间隔约为2 nm,带头处于高频位置并向低频方向伸延。通过实验与理论计算相结合,重点分析了AlO自由基B2Σ+-X2Σ+带系辐射光谱的结构特征。AlO自由基C2Πr-X2Σ+(T00=33 047 cm-1)带系辐射光谱处于270~335 nm波长范围内,其辐射强度相对于B2Σ+-X2Σ+带系较弱,并且与OH基A2Σ+-X2Π(T00=32 682 cm-1)带系辐射光谱互相干扰而难以分辨,对该波段高温空气的辐射光谱分析产生不利的影响。     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

AlO(0.0)谱带转动结构的分析

为了配合高校原子物理课中分子结构和分子光谱一章的教学,我们排出“AlO电子光谱带系振动结构的研究”实验之后,又对它的(0.0)谱带转动结构进行了分析,求出AlO双原子分子的转动常数,得到了较好的结果。     

精确预言双原子分子Q线系高振转激发态的跃迁谱线

用多重差分的方法,从双原子分子跃迁谱线的普遍表达式出发,已经建立起了预言双原子分子P线系高激发振转跃迁谱线的解析物理公式。采用同样的方法,充分利用现有实验条件下测定的部分振转跃迁谱线数据,文章建立了预言双原子分子Q线系高激发振转跃迁谱线的物理公式。使用该公式和一组经过物理筛选的(15条)精确的实验跃迁谱线,研究了IrN分子A1Π—X1Σ+跃迁系统中(4,1),(3,1)跃迁带的Q支发射光谱。结果表明,该公式不仅很好地重复了所有已知的实验光谱数据,且正确预言了实验没有获得的很多高转动量子态的未知发射谱线,从而提供了一种新的预言高转动量子态的未知跃迁谱线的物理方法。     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

射流冷却AlO自由基B2Σ+—X2Σ+光谱研究

利用铝电极放电产生的Al原子与O₂反应生成AlO自由基,在超声射流冷却下在43 0—480nm波长范围观测到AlO自由基B—X跃迁的激光诱导荧光激发谱.光谱振动结构分析表明 所有的谱带属于V′-V″=1,2,3跃迁,并获得基态和激发态的振动频率与非谐性常数.另外还 对其中(1,4)谱带的转动结构进行标识,并得到相应的转动常数和离心畸变系数.对从基态 振动能级V″=5向上跃迁的谱带强度增强进行了讨论. 关键词： 光谱 AlO     

飞秒激光引导高压放电下的SF_6等离子体时间分辨光谱特性

SF_6作为气体绝缘介质广泛应用于气体绝缘设备中,其电弧等离子体得到广泛研究,但对SF_6电弧等离子体时间分辨光谱特性的研究还未见报道.本文在SF_6环境中利用飞秒激光自聚焦产生的光丝引导高压放电,诱导产生SF_6等离子体;利用光谱系统采集300—820 nm波长范围内的SF_6等离子体光谱,对光谱谱线开展了识别和归属研究, S和F谱线主要分布在300—550 nm和600—800 nm波段,分析认为S和F原子主要由SF_6被高能电子碰撞直接或间接产生, S离子由S原子被高能电子撞击产生.给出了SF_6等离子体的时间分辨光谱,等离子体光谱强度先增大后减弱,均由带状光谱和分立光谱叠加而成,带状光谱主要是由轫致辐射和复合辐射共同作用导致,基于时间分辨光谱得到了部分S和F的荧光寿命.给出了电子温度和电子密度随时间的演化规律,二者演化规律基本相同,且都随延迟时间呈指数衰减.最后,利用Mc Whirter准则得到SF_6等离子体处于局部热平衡.研究结果对于开展SF_6分解机理和高压设备运行状态在线监测技术研究具有重要意义.     

氦原子双电子激发态的辐射光谱

利用同步辐射高等光源激发氦原子测量了在能量范围63～66 eV的双电子激发态的真空紫外辐射光谱,给定了sp,2n+(n至26),sp,2n-(n至24)和2pnd(n至9)的氦原子双电子激发态能级位置,获得了一些对认识原子双电子激发态过程中辐射跃迁的影响有价值的结果.     

高分辨连续光源原子吸收光谱法测定植物中的硫

硫元素在富燃的乙炔/空气火焰可形成CS双原子分子,在某些特定的波长下,这些CS分子吸收谱线具有原子吸收的轮廓和一定的吸收强度。文章主要研究利用高分辨连续光源原子吸收光谱法,通过测定硫元素在富燃-乙炔/空气火焰条件下形成的CS双原子分子的吸光度值,从而测定植物样品中的硫元素含量。实验对乙炔-空气比例和燃烧器高度等仪器条件进行了优化;实验研究了五种有机溶剂对CS分子吸收产生的影响情况、其他共存元素的光谱干扰和化学干扰以及不同的消解酸种类对测定结果的影响。在优化的条件下,硫在CS 257.961 nm的检出限为14 mg·L-1。通过对植物标准物质中硫含量的测定比对和精密度实验证明, 利用连续光源原子吸收光谱法,在富燃-乙炔/空气焰条件下以CS分子测定植物样品中的硫元素是一种简单、快速、有效的方法。     

AlM(M=O,S,Se,Te,Po)势能函数和光谱研究

本文用B3LYP方法,相对论有效实势,其中铝原子用6-311 G(d,p)基组,其它用sddall基组分别对AlM(M=O,S,Se,Te,Po)分子进行了优化计算,得出了它们的平衡结构和双原子分子光谱常数.计算结果表明:它们的基态结构分别为AlO(2Σ),AlS(2Σ),AlSe(2Σ),AlPo(2Σ),其中AlO和AlS的计算数据与实验结果是一致的.氧簇元素原子与铝结合的中性双原子分子的平衡距离,随原子序数的增加而增长,离解能随原子序数的增加而减小,但它们都能形成稳定的双原子中性分子.它们的谐振频率随原子序数的增加而减小,它们的最低空轨道和最高占据轨道能量随原子序数的增加而略有增加,但变化不大.其能隙随原子序数的增加而略有增加.本文从理论上系统地研究了氧簇元素的原子(包括放射性较强,不太稳定的Po)与铝原子形成的中性双原子分子的光谱和分析势能函数.     

复混肥中钾含量的激光诱导击穿光谱分析

将激光诱导击穿光谱技术(LIBS)应用于复混肥中的主要营养元素之一钾(K)元素的含量检测.样品中K养分的浓度较高,在等离子体形成过程中容易发生自吸收.通过分析谱线的激发能级、跃迁几率以及自吸收程度,确定最佳分析谱线为钾的原子线404.40 nm.同时为了提高LIBS分析复合肥样品的测量精度,分析了光谱测量稳定性随谱线信号平均次数的变化规律.结果显示,在本实验条件下,一次测量平均100个脉冲所得的光谱信号,其相对标准偏差较小.实验总共分析了9个复合肥样品,其中7个作为定标样品,建立K养分浓度的定标曲线,另外2个作为未知样品,用以检验LIBS分析K养分浓度的测量精确度.研究结果表明,定标曲线的线性拟合度为0.989,检验样品的绝对误差小于0.3%,体现了激光诱导击穿光谱技术快速分析复混肥中钾养分的潜力.     

纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的近红外辐射特性

开展纳秒激光诱导空气等离子体近红外辐射特性的实验研究,对波长为532 nm的脉冲ns激光诱导产生的空气等离子体的近红外光谱进行测量.结果表明:空气等离子体的近红外辐射在光谱范围为1100-2400 nm内由连续谱和线状谱组成,光谱指认表明线谱主要来源于N,O原子的中性原子谱和氮分子的振动光谱.通过对连续谱的分析得知,黑体辐射是连续辐射的主要来源.空气中波长1128 nm附近的辐射,可能是N和O中性原子谱的贡献.保持真空腔内气压不变,改变腔内氮气和氧气气体组分含量,分析测得的红外光谱数据,可知混合气体中氧气和氮气含量变化只对波长为1128 nm附近的辐射有影响.利用二元线性回归分析对数据进行分析后得知,氧气对波长为1128 nm附近的辐射贡献较大.最后从电离难易的角度分析造成这一结果的原因.     

ICP-AES法的外加磁场效应

等离子体与一般气体的不同之处就是它的运动受到磁场的影响,当等离子体横越磁力线运动时就会受到磁场的阻力,还会产生电流。发射光谱中常用的等离子体直流电弧的磁场效应已被研究和应用,它在外加磁场(50—400高斯)作用下可增加试样微粒在等离子体中的停留时间,改变激发温度和电子密度及其分布,改变电弧的外形,并使放电稳定,以致谱线强度有明显变化。例如在直流电弧和氩气气氛的情况下,非均匀磁场可使弧温提高780 K,电离度和电子密度也为之增加,钴、镍和锰的谱线强度分别提高到36.8、32.4和7.5倍。在直流电弧中加100高斯的均匀磁场,可使17个元素的谱线增强到1.7—43倍。对于交流电弧也发现了外加磁场的影响。将试液气溶胶喷入交流电弧进行分析时,600高斯的均匀磁场可使放电稳定,弧温增高600K,锰、铬、钼和铁的谱线强度增加到3—5倍。此外用空心阴极光源作光谱分析时,以及在激光微区光谱分析中,外加磁场也能提高灵敏度。但ICP光源的外加磁场效应尚未见报导。     

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。