分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度（英文）

通过OH自由基A~2Σ~+→X~2Π_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 000K,空气微波等离子体可超过6 000K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足:T_(Ar)T_N_2T_(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。     

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。     

基于Abel逆变换的激光诱导等离子体辐射特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用，但是与传统的分析方法相比，LIBS技术的分析性能还需进一步提高。LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体，从物理机理上研究等离子体特性，对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用，也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源，空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。为研究激光诱导等离子体的辐射特性，采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体，利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号，通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度，由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律，首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布，然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件，采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换，反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象，分析等离子体辐射光谱的空间分布特征，研究结果表明，等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征，这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的；通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布，结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律，等离子体中心处出现辐射率的极小值，造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度；选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线，采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度，得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布，两者具有类似的变化规律；由等离子体温度的横向空间分布可以看出，随着离样品表面距离的增加，等离子体温度呈现单调减小的趋势，等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低，这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果；由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低，这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。由此可见，采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析，为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据，从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。     

表面波型微波感偶低气压氦等离子体空间分辨光谱诊断

用光学多道分析仪考察了低气压表面波型微波感氦偶等离子体的发射光谱.经过阿贝尔(Abel)反演变换后,得到了在各种气压和微波功率下此等离子体光谱辐射光强和激发温度的空间分布及其变化规律.讨论了此等离子体的激发机理.推算了其中亚稳态原子的空间分布情况.     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

HL-2A 装置可见光诊断方法初探

等离子体H_α 径向分布的测量是等离子体实验中的重要内容。在HL- 2A 实验中, 等离子体成像系统中的CCD 图片记录了等离子体辐射信息, 特别是H_α  线辐射信息( 在相机前加H_α 滤光片) 。因为光测量是辐射的线积分, 数据的处理和分析显得十分必要的。利用等离子体可见光成像系统, 采用Abel 变换, 得到H_α  在HL- 2A 装置中的径向分布, 提供了一项可靠的测量手段。     

高气压Ar气对激光诱导Cu等离子体电子温度的影响

用高能量钕玻璃激光器产生的脉冲激光(0～25 J)烧蚀Ar气氛中的Cu靶,观测了激光诱导Cu等离子体的发射光谱强度随环境气压(0.1～0.5 MPa)的增强规律。为了探讨辐射增强的机理,在局部热平衡(LTE)近似条件下,测量了等离子体的电子温度随环境气压的变化。实验结果表明,等离子体的电子温度随着环境气压的升高而正比增加。为了进一步了解等离子体的空间行为,测量了Ar气气压分别为0.1,0.3,0.5 MPa时,等离子体电子温度的空间分布。     

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。     

多道干涉仪测量托卡马克等离子体电子密度

一、引 言 在目前托卡马克等离子体诊断中,采用垂直多道干涉仪测量等离子体电子密度时,由于等离子体水平位移的影响,使得测量信号在沿大环半径方向的分布是非对称的。这就要求采用非对称的Abel变换来给出等离子体电子密度的空间分布。一种常用的非对称Abel变换是分离变量法,它的基本思想是把测量信号分成对称元和非对称的权函数,对称部分采用标准的Abel变换,变换的结果乘上非对称的权函数。这种方法实际上是假定了等离子体电子密度弦积分值的不对称性与局部的不对称性是相同的;而且对称部分采用标准的Abel变换,如Barr的方法,Bockasten方法等。这些方法是把等离子体看成一个个同心圆,没有考虑到等离子体水平位移引起的弦长变化。本文采用一种新的变换方法,这种方法的特点是考虑到等离子体位移的实际情况。     

腔靶等离子体辐射温度空间分布测量

本文描述了用膜吸收法测量激光等离子体辐射温度空间分布的原理和方法给出了柱形缝靶轴向辐射温度随空间位置变化的特征,对测量结果进行了分析讨论。     

A Novel Measurement Method of the Emission Rules of Greenhouse Gases from Fertilized Soil Based on Fourier Transform Infrared Spectrometry with Long Optical Path

Farm soil is the main source of greenhouse gas emission. We developed an optical system for measuring nitrous oxide and carbon dioxide from soil using infrared spectrometer and long optical path gas cell based on multi-reflecting mirrors. The spectral characteristics of nitrous oxide at 2198–2223 cm^?1 and of carbon dioxide at 2258–2283 cm^?1 were observed with the system. We studied the rules of greenhouse gas emission and found that nitrous oxide increased with soil moisture whereas carbon dioxide showed no obvious relationship with moisture. We also studied the diurnal variation rules of nitrous oxide and carbon dioxide from fertilized soil. These results are consistent to the previous results obtained with other analytical methods. The results indicate that the infrared spectroscopy with long optical path is an effective way to measure greenhouse gas emission from soil.     

基于自发辐射光谱的超声速流场测速技术

等离子体状态参数测量是研究等离子体特性,开展等离子体模拟再入环境、等离子体隐身、等离子体减阻以及边界层控制等研究的重要基础。利用等离子体射流的自发辐射光谱,提出了一种基于光学多普勒频移效应的等离子体超声速射流测速的方法。首先,测量了等离子体中Ar原子产生的自发辐射光谱,选择696.54 nm的特征谱线,作为等离子体发生器测速实验的运动光源;其次,使用光谱仪、传能光纤、EMCCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗（F-P）干涉仪,设计了高温等离子体速度测量光路;最后,在氩壁稳电弧等离子体发生器上,开展了超声速射流速度测量实验。实验中,同一测点的Ar原子产生的自发辐射光谱,分别被与等离子体射流运动方向成49°和90°夹角的收集透镜收集进入光谱仪,经光谱仪分光后仅保留特征谱线696.54 nm附近自发辐射光进入传能光纤,从而消除其他波长的自发辐射光的影响;光谱仪输出的特征辐射光谱,经光纤传输及透镜整形成平行光后,精细度30、自由光谱范围6.6 GHz的F-P干涉仪,形成多光束干涉圆环,并由EMCCD相机采集,实现对特征谱线的超高精度分辨;根据多普勒原理,不同角度收集的同一测点处Ar 696.54 nm特征谱线的频移将有所不同,EMCCD采集的干涉圆环半径也将不同,通过测量同一级次不同收集方向特征谱线形成的干涉圆环半径改变量,可测得高温等离子体射流流动速度。针对同一喷管开展了两车对比试验,实验测得两车射流轴向速度分别为791和783 m·s-1,具有较好的重复性。结果表明基于多普勒效应,利用高温气体自发辐射光谱,结合高光谱分辨F-P干涉仪,能够实现高温等离子体射流速度的精确测量,该方法属于非接触测量,不干扰流场,尤其适用于传统传感器难以应用的高温流场测量。     

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.     

可在线校准的大气CO_2浓度光声光谱监测系统研究

Fs光声光谱系统的谐振频率和池常数通常在实验室由标准气体标定得到,但在实际应用中,由于标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、环境温湿度的变化,使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差,从而导致测量结果不准确。为了解决以上问题,提出了基于大气中氧气的在线校准技术,并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。大气中氧气浓度恒定为20.964%,通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号,实现共振频率和池常数的在线校准。该系统中光声池为直径6mm,长度100mm的一阶纵向共振模式结构。理论上分析了环境温湿度、气体成分对光声池性能的影响,同时给出了用标准气体、室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数,在标定结果的基础上,测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。实验结果显示,与校准过的气体分析仪的测量值相比,用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确,相对误差小于1%,远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。创新处在于,直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和共振频率进行在线校准,有效的减小了标准气体标定带来的误差,以及环境变化带来系统漂移,提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。     

Remote Fourier Transform Infrared Emission Spectroscopy in the Studies of the Solid Propellant Combustions

In this paper infrared emission spectra of the solid propellant combustion using remote Fourier transform spectroscopy have been studied. Both the infrared spectral radiance distributions and gas quantitative method for solid propellant combustions by remote Fourier transform infrared emission spectroscopy have been presented. In the method we utilize estimating temperature measuring models, which are modified by Junde Wang, based on emission fundamental band measurements of HCl or HF. Through measuring the temperature both the infrared spectral radiance distributions of the solid propellant combustions and their emisivities can be obtained. A remote measured gas concentration model based on combustion temperature, spectral radiance and emissivity has been developed. Field single-ended measurements at long distances for solid propellant plumes at temperature 1700—3500K can be extended to measuring fluctuations of instantaneous temperature and combustion reaction products.     

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...     

Infrared spectral radiative properties of high temperature gas with multi-component

The shock layer of high-speed missiles is a highly uneven gas medium with multi-component and high temperature. Its spectral radiation effects degrade and distort the remote sensing images of infrared sensors. The exact numerical calculating method of the shock wave thermal radiation noise has been developed in this paper. With the multi-temperature model and the rectangular grid recursive method of ray tracing, atomic-molecular absorption and emission spectra of CO₂, H₂O and N₂ were obtained along the line of sight along the seeker detectors. Based on image degradation evaluation criteria and the wind tunnel experimental results, how images blurred by the proposed model were verified. The relations between the shock wave thermal radiation noise and flow parameters were also analyzed. For the 3–8 μm infrared band, shock wave thermal radiation noise is little effected by flight altitude, and close relations with Mach number, as the empirical formula given.     

交流等离子体显示器的红外辐射光谱

为优化交流等离子体显示器(AC PDP)的单元结构和驱动电压,采用光谱测量系统和交流等离子体显示器宏单元对电极结构参量、带有浮动电极的新型单元结构及维持电压脉冲参量对Ne-Xe混合气体放电辐射的红外光谱的影响进行了实验研究。结果表明,随着维持电极宽度增加,单元放电辐射的828 nm红外光谱的强度提高,而其辐射效率基本保持不变;随着维持电极间隙增大或在维持电极间加有适当宽度的浮动电极,红外辐射光谱的强度及其辐射效率均提高;提高维持电压脉冲频率或幅度,可增加红外辐射强度,但辐射效率降低。     

Präzisionsmessungen am Spektrum des Wasserstoffplasmas

Detailed and precise investigations on the Balmer spectrum of a hydrogen arc have been made in order to compare the measured absolute values of the spectral emission coefficients with the existing theories, the results being of special interest with respect to line broadening calculations and to the lowering of the ionization energy. The plasma is generated in a stationary high power cascade arc at atmospheric pressure. The experiment covers the temperature range between 12000 and 20000 K, where all emission coefficients show maxima in their temperature dependence. To keep self-absorption within the plasma as low as possible, the investigations have been carried out in side-on observation. The extended gas layer of almost constant intensity surrounding the maxima ensures very accurate results of the side-on measurements. For the necessary precise calibration of the optical system both a standard carbon arc and tungsten strip lamps have been used. As the intensity of these different radiation standards only shows a few percent deviation, a very high accuracy can also be established for the measured hydrogen emission coefficients. After evaluating an average radial temperature distribution at first the absolute emission coefficients of five selected wavelengths are plotted vs. temperature and compared with theory, whereby a very good agreement is found. The emission coefficients of the continuous radiation thus confirm the lowering of the ionisation energy according to Griem used in the calculations. In the following the spectral intensities for 16250 K, i.e. the temperature in the neighbourhood of which all the maxima occur, are represented vs. wavelength to investigate the spectral dependence of the emission coefficients. Again an excellent agreement with theories of continuous radiation and line profiles is found. The experimental line shape ofH _α, however, is described much better by Vidal's ‘Unified Theory” than by Griem's standard profile. When the maxima of the emission coefficients appear appr. at half the tube radius, the side-on distributions of the intensity show a flat top in the center and their value is almost independent of the arc current. Because of these qualities and of the reliability of the theoretical calculations of the spectrum finally the hydrogen arc is recommended for a radiation standard both for the visible and the UV region.     

基于超窄带激光器扫描技术的气体检测研究

基于气体的差分吸收检测原理和超窄带半导体激光器的光谱扫描技术,设计了一种高精度分布式二氧化碳气体检测网络.系统采用超窄带可调谐半导体激光器作为光源,设计了新型气室结构,通过方波信号对光源光谱进行调制,消除了其他气体成分和灰尘颗粒的干扰,并结合空分复用技术,实现了二氧化碳的实时分布式检测.利用超窄带光谱扫描技术测得了不同...