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。     

分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度

通过OH自由基A2Σ+→X2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000 K,空气微波等离子体可超过6 000 K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足：T_Ar<T_N2<T_Air;气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

用发射光谱法测量氮气直流辉光放电的转动温度

本文报道了氮气气压分别为10和20Pa时，对直流辉光放电的发射光谱进行测量和分析的结果。选择的研究对象为N2放电中形成的N2^ B^2∑u^ →X^2∑g^ 跃迁的Δv=v′-v″=0谱带系中v′=0→v″=0谱带的R支。在阴极背面辉光区、阴极鞘层区、正柱区以及阳极辉光区中分别选择一点进行了转动分辨的发射光谱的测量。利用自己编写的光谱拟合程序，获得了相应的实验条件下N2^ 的转动温度，给出了转动温度随放电电压的变化趋势，其结果可以用直流放电的帕邢定律得到很好的解释。在10和20Pa气压下，放电的阴极鞘层区、正柱区、阳极辉光区中的转动温度都随放电电压呈现出了不同的变化趋势，甚至是完全相反的变化趋势。我们认为这是由于气压不同时，放电状态不同所致：气压为10Pa时的放电是正常辉光放电，而气压为时20Pa的放电为反常辉光放电。     

半导体桥等离子体温度的原子发射光谱法测量

半导体桥生成的等离子体由于温度高、尺度小、持续时间短等特点,对其温度的瞬态测量是个难题.本文采用高速数字存贮示波器应用原子发射光谱双谱线法对半导体桥等离子体温度进行了实时瞬态测量,并对在22μF电容下不同充电电压对半导体桥等离子体温度的影响进行了系统的研究,得到了22μF电容下等离子体最高温度与充电电压的关系式Tmax=700.6 115.2U.     

原子发射光谱法研究SCB放电特性

半导体桥(SCB)通过桥膜放电进行含能材料的点火,具有低点火能量、高安全性以及能与数字逻辑电路组合等优点.文章利用原子发射光谱技术研究了其放电特性.首先用Cu原子谱线510.5和521.8 nm进行温度测垦,用Si原子谱线390.5 nm和Si离子线413.0 nm进行电子密度测量,同时获得SCB放电温度和电子密度随时间分布的测量结果.在放电电压为20 V,充电电容为47 μF条件下,1.0 Ω的SCB放电温度分布在2 500～4 300 K之间,电子密度约为1016 cm-3左右.然后根据光谱诊断结果,结合等离子体成立的空间尺度和时问尺度条件,判断两种规格的SCB的放电行为是否产生等离子体.该研究结果为SCB桥体的设计以及点火方式的控制提供了理论依据.也为瞬态小尺寸等离子体的判断和诊断提供了一种参考方法.     

Kalman滤波法在电感耦合等离子体原子发射光谱分析中的应用…

本文研究了电感耦合等离子体原子发射光谱分析Ｋａｌｍａｎ滤波法测定高纯氧化铥中的１４种其他稀土杂质的方法。Ｋａｌｍａｎｉ滤波法有效地消除光谱干扰，可利用受干扰的光谱灵敏线，因而可提高灵敏度，是一种大大量基体存在下测定痕量杂质的有效方法。     

Kalman滤波法在电感耦合等离子体原子发射光谱分析中的应用…

本文研究了电感耦合等离子体原子发射光谱分析Ｋａｌｍａｎ滤波法测定高纯氧化铕中的１４种其他稀土杂质的方法。Ｋａｌｍａｎ滤波法有效地消除光谱干扰，可利用受干扰的光谱灵敏线，因而可提高灵敏度，是一种在大量基体存在下测量痕量杂质的有产方法。     

毛细管电泳电感耦合等离子体原子发射光谱法分析铁的形态

用毛细管电泳电感耦合等离子体原子发射光谱法研究了Fe2+-Fe3+在络合剂o-phen中,混合络合试剂o-phen和EDTA中的形态分离,以及游离态Fe2+-Fe3+的分离。考察了电压、缓冲液的pH值和络合剂浓度等对游离态铁形态分离的影响,获得了满意的分离条件。在分析过程中,阳离子、阴离子、以及络合试剂均不产生干扰,该方法优于毛细管电泳紫外-可见光谱法。     

激光诱导钛产生等离子体的光谱分析及电子温度的测量

用Nd∶YAG激光器产生的1.06μm、10ns的脉冲激光激发钛靶,用光学多通道分析仪(OMAII)测量了钛等离子体的时间分辨发射光谱,记录并分析了在40ns~200ns延迟范围内438~448nm波段的钛等离子光谱,用一组钛原子谱线的相对强度计算了不同延迟时间下等离子体电子温度。     

硼对电感耦合等离子体激发温度的影响

研究了制样时加入的硼酸或硼酸盐对感耦等离子体原子发射光谱的基本参数--等离子体激发温度的影响.测温实验用Fe线为温标线,采用多谱线Boltzmann作图法测量含有不同四硼酸钠浓度的溶液进样时的等离子体激发温度.测定结果表明,采用不同lg(gf)文献值计算所得的激发温度有所差距,但是同一lg(gf)文献值下测得的不同硼浓...     

原子发射双谱线法测火焰温度的实验研究

通过光谱仪测量火焰中K(766.5,769.9 nm)原子发射谱线的相对强度比来获得火焰温度。介绍了测量原理、测量方法、实验系统。在黑体炉炉膛达到热力学平衡状态下,进行原子发射双谱线法和热电偶测温的对比实验,结果两种方法所测温度相关性较好,实验证明了该方法的可行性。用该方法测量煤粉和木材的火焰温度,结果和实际相符合。     

大气等离子体加工过程的原子发射光谱研究

大气等离子体加工反应过程中,等离子体发生装置的热稳定过程对去除率有直接影响,CF₄是化学反应中活性F*原子的提供者,O₂是重要的辅助气体。为了寻找这三者对大气等离子体加工反应过程的影响规律,采用大气等离子体加工系统进行加工、光谱仪监控等离子体反应过程的活性F*原子的光谱变化。实验结果表明,在大气压等离子体加工系统中: 热稳定后,活性F*原子强度基本不随时间变化;随着CF₄含量的增加,F*原子谱线轮廓发生了自吸收现象,这说明采用光谱法研究CF₄含量对活性F*原子含量的影响是不完全准确的;由于O₂易和CF₄解离的中间产物反应,抑制活性粒子重新组合,因此一定范围内随着O₂含量增加,活性F*原子增加。     

原子发射光谱分析技术在大气等离子体抛光工艺研究中的应用

大气等离子体抛光是一种非接触式的超精密加工方法,它基于低温等离子体化学反应实现原子级的材料去处,避免了表层和亚表层损伤,特别适合于各种难加工材料的超光滑抛光。该方法首次引入了基于电容耦合原理的射频炬式等离子体源,为测试等离子体特性和进行工艺研究,在加工过程中使用微型光纤光谱仪进行光谱监测和采集,进而运用原子发射光谱分析技术初步讨论了射频功率和气体配比对加工过程的影响,分析结果显示：在一定范围内,射频功率对加工速率有着较明显的促进作用,而气体配比对等离子体区成分和表面生成元素的种类影响较大。电子跃迁轨道分析还揭示了处于不同激发态的活性氟原子对应的不同微观状态,为进一步的微观机理研究奠定了理论基础。基于工艺分析的结果,在单晶硅片上实现了Ra0.6 nm的表面粗糙度和32 mm3·min-1的加工速率。     

原子发射光谱双谱线法测量固体火箭发动机内燃气温度

发展了一种利用原子发射双谱线法，测试固体火箭发动机燃烧室内燃气温度的方法，设计了相应的测试系统。该方法利用石英光学纤维，将固体火箭发动机内高温高压燃气的光谱辐射信号传入测量系统；选用了两条波长间隔小的谱线，大大减少了光谱辐射率，光谱透射率等对光谱测量的影响，设计使用了耐压测量探头，保证在高压，强腐蚀条件下，系统的密封性和光的透过率，对装填有SQ－2推进剂的固体火箭发动机燃烧室内的气流温度进行了在线检测，测量时间分辨率可高达0．5μs。     

The Study on the Arc Plasma Temperature Measurement by Optical Emission Spectroscopy with Fiber Optical Transmission

Abstract

A method for transmitting radiation of the arc plasma with multimode fused quartz fiber onto the spectrograph has been studied. The plot of the Boltzmann function in emission spectral analysis is used for measuring temperature of the arc plasma. The measured temperature of the arc plasma is 5946.6K from least square linear regression of ln[λI/(gA)] and E_i for a number of the emission line intensities of the excited copper atom. Its regression coefficient and measured precision are ?0.97% and 1.7%, respectively. The advantages of the method of the diagnostic temperature for the arc plasma are absolute measurements of the temperature, remote sensing, precision and suitable for mal-environment, such as high temperature, toxic, explosion, strong magnetic or/and electrical fields.

In addition, we have discussed the effect of the spectroscopic constants, such as transition probability, A , the statistical weight of the upper level, g , and the energy of the upper level, E_i , of copper lines on calculating temperature with a plot of the Boltzmann function in detail. The results show that the accurate measurement of the temperature for the arc plasma is obtained only when the spectroscopic constants are selected correctly.     

发射光谱法研究纳秒激光烧蚀硅等离子体特性

利用调Q Nd3+∶YAG激光器三倍频355 nm激光脉冲烧蚀空气环境的硅样品,观测不同脉冲激光能量下产生的等离子体在380～420 nm范围内的时间-空间分辨等离子体发射光谱,观测到在等离子体羽膨胀初期存在N+发射光谱。在局域热力学平衡近似条件下,根据时间-空间分辨等离子体发射光谱计算得到等离子羽体电子温度和电子密度随时间延时存在二次指数衰减变化,等离子体羽体电子温度和电子密度的空间分布近似呈Lorentz分布,发现在确定激光脉冲能量下电子密度空间分布最大值偏离光谱强度最大空间位置并对产生原因进行分析,探讨了等离子体羽参数与激光脉冲能量的关系。     

炸药爆轰瞬态温度的光谱法测定

在双谱线原子发射光谱测温原理的基础上,设计了对炸药爆轰的瞬态温度进行实时测量的光纤光谱测试系统,利用光学纤维将炸药爆轰的光谱信号传入测光系统,用多通道数据采集器处理数据,系统的时间分辨率可高达0.1μs,所选择的两条谱线的波长分别为CuI 510.5和CuI 521.8nm,为炸药爆温的测量提供了一种简单有效的方法。利用该测温系统,通过对炸药爆轰光谱的测量,获得了实时瞬态爆轰温度-时间分布曲线。     

脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究

脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有体积小、重量轻、比冲高等优点,特别适合作为执行微小卫星轨道转移、阻力补偿和姿态控制等任务的推进系统。为了深入理解PPT推力产生的机理,本文对采用具有张角的舌型极板的尾部馈送式PPT等离子体羽流开展了时空分辨光谱诊断研究。通过对光谱数据的分析发现： 等离子体羽流的主要成分为C,F,C+,F+,C2+,还含有少量的由于极板烧蚀产生的Cu+和Cu2+;等离子体在放电通道内的分布不均匀,通道中心的等离子体浓度最大,靠近阳极板的等离子浓度要明显大于靠近阴极板的等离子体浓度;在不同位置处等离子体成分也具有较大差别,F+和中性粒子主要分布在靠近阳极侧的区域;通过对各个分立谱线进行多普勒线性拟合,得到了放电通道内等离子体温度信息;以中轴线靠近工质的观测点为例,对该点在整个放电过程中不同时刻的谱线进行分析,得到了该点等离子体的具体演化过程,发现在放电的不同阶段羽流成分及各组分所占比例差别较大。     

基于多元线性回归法的液体阴极辉光放电-原子发射光谱分析研究

液体阴极辉光放电-原子发射光谱是近些年兴起的一种水体金属元素检测技术。该技术具有开放大气环境工作,进样简便,体积小,运行费用低,可同时检测多种金属元素等显著特征。根据之前的研究工作可知,金属元素的浓度不仅与自身的某一条谱线强度有关,而且还与自身其他的谱线或者基体中其他元素的谱线强度有关。为提高该技术的检测能力和精度,降低实验过程中基体效应的影响,以及更加充分地利用光谱信息,采用多元线性回归法对光谱信息进行定量分析。选取Pb Ⅰ 368. 35 nm和Pb Ⅰ 405.78 nm两条特征谱线,建立Pb元素浓度与这两条光谱线强度的二元线性回归方程;相比于标准曲线法,Pb元素的拟合度R2从0.986 5提高到0.998 7,两组Pb测试液的相对误差从34.00%和29.00%降低到14.20%和1.51%。为降低复杂成分中基体效应的影响,建立Na的浓度与Na Ⅰ 589.38 nm,Zn Ⅰ 213.8 nm,PbⅠ405.78 nm和H_β四条特征谱线强度的四元线性回归方程;拟合度R2从标准曲线法的0.955 8提高到0.995 6,两组Na测试液的相对误差从11.67%和14.71%降低到2.33%和3.57%。以上结果表明：相比于标准曲线法,多元线性回归法可以降低实验过程中基体效应的影响,并且能更加充分地利用光谱信息,能提高拟合度R2,以及降低测量的误差,从而提高液体阴极辉光放电-原子发射光谱定量分析金属元素的精度。