介质阻挡放电氢等离子体中氢原子浓度的光谱诊断

在化学气相沉积功能材料等离子体刻蚀及表面处理等过程中, 氢原子起着非常重要的作用。文章详细论述了利用发射光谱技术诊断氢原子的基本原理,以氩气作为内标对介质阻挡放电氢等离子体中的氢原子浓度进行了定量的诊断,研究了氢原子浓度、氢分子解离率随气压的变化规律。发现在0.32到5.1 kPa气压范围内,氢分子的解离率由5.2%下降到0.089%,相应的氢原子浓度由4.9×1015·cm-3下降到1.3×1015·cm-3。文章还研究了氢Balmer系以及氩(750.4 nm)谱线的发射强度随气压、放电电压、频率等放电参数的变化规律。     

HL—1M托卡马克等离子体Hα观测

等离子体参烽的提高及约束改善是受控核聚变主要的研究课题之一。对于工作气体为氢和氘的等离子体,对Hα／Dα辐射的观测十分重要。氢原子由一个原子核和一个电子,在可见光范围,巴尔末线系Hα656．28nm辐射是最强的光,激发能E＝12．09eV,跃迁2p·^2p0-3d·^2D,一个光子能量hv=3.03×10^-19W。电离能E∞=13.6eV。HL－1等离子体参数为R＝102cm,α＝17-26cm,电子温度Te=0.3-1.5keV,电子密度ne-10^19m^-3,可认为光性薄,采用日冕模型,经钨带灯标定,Hα辐射强度可写为：     

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

 利用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWP-CVD)技术,以氢气为反应气体产生等离子体。通过采集氢的可见到紫外发射光谱,对等离子体进行了原位诊断,由氢Balmer系分析得到了不同实验参数对激发态氢原子相对密度的影响,通过对Fulcher带的分析,得到实验参数对氢振动温度的影响。结果表明：低压氢等离子体状态可借用日冕模型来诊断;激发态氢原子密度随入射功率增加而增加,随压强增加而减少,氢分子振动温度随压强增加先增大后减小;电子温度和电子密度是低压氢等离子体状态变化的关键因素。     

HT—6M托卡马克边界粒子循环

利用光学多道分析仪系统进行了高分辨率的Ｈａ谱线线型的测量,从Ｈａ谱线线型直接得出氢原子的能量分布。由能量分布可知 ,发生在等离子体边界的原子,分子过程是离子在孔栏表面中性化后的反射,以及电子碰撞引起的氢分子的激发离解和电离离解。通过高斯拟合,得出了再循环粒的入射速度。     

Hα线型分析

利用高斯分布拟合HT-6M托卡马克Hα线型，得出了由反射进入等离子体中的氢原子、氢分子离解后产生的氢原子，以及电荷交换产生的氢原子辐射Ｈα谱线的份额，由Doppler频移和展宽分别得出它们的入射速度和离子温度．在简化模型下讨论了氢原子的输运行为，得出了氢原子的密度分布和体发射系数，以及入射速度大小对粒子约束时间的影响，并与实验数据进行比较．由中性氢原子能量分布得出发生在边界的分子过程是氢分子的离解激发和电离离解 关键词：     

金激光等离子体冕区电离态特性研究

 提出一种测量金激光等离子体电荷态分布与平均电离度的X射线光谱学诊断方法。该方法基于稳态碰撞-辐射近似,考虑电子离子直接碰撞激发与双电子复合两种激发态布居方式,建立了金M带5f-3d跃迁组辐射总强度与离子态分布的耦合方程。根据实验测量的金平面靶激光等离子体冕区辐射的5f-3d跃迁线系的强度分布,诊断得到了金激光等离子体的电荷态分布与平均电离度。此外,还分析了电子温度、电子密度以及双电子复合过程对电荷态分布及平均电离度诊断的影响,并将实验诊断结果与辐射流体力学理论模拟结果及离化平衡动力学计算结果进行了对比分析。结果表明：实验诊断结果与基于CRE近似的离化平衡动力学计算结果近似;当电子温度高于1.5 keV时,双电子复合过程对电离度的诊断结果影响较小。     

氢及其同位素分子的电子碰撞解离反应截面研究

在边界等离子体中氢及其同位素分子与电子碰撞可以发生解离反应。对于尚无反应截面的氢及其同位素分子电子碰撞激发到三重态然后发生解离反应,作者基于莫尔斯函数、弗兰克－康登原理,采用半经典的Gryzinski方法计算了这一反应截面。得到了解离反应截面的影响因素、反应截面随电子能量的变化情况以及分子的振动能级对反应截面的影响。通过比较表明到排斥态的激发然后发生解离反应的反应截面占据主导地位,比激发到其它三重态激发然后发生解离的反应截面要大一个量级。     

介质阻挡放电羽的等离子体参数光学诊断

利用介质阻挡放电装置在大气压下产生了稳定的氩气等离子体羽,利用示波器对等离子体羽的外加电压、电流和发光信号进行了记录。光学诊断结果表明,等离子体羽由高速运动的等离子体子弹组成。基于碰撞辐射模型,利用300~800nm范围的光学发射谱诊断了等离子体羽的电子密度。结果表明,电子密度随外加电压和气体流量的增大而增大,随驱动频率的增大而减小。利用光谱法对等离子体羽的振动温度和转动温度进行了研究,发现其振动温度和转动温度均随外加电压和气体流量的增大而升高,随驱动频率的增大而降低。通过分析放电电场,对以上现象进行了定性解释。     

大气压介质阻挡放电超四边形斑图的等离子体参量

本工作利用双水电极介质阻挡放电装置,采用发射光谱方法,在大气压氩气介质阻挡放电中研究了由不同空间尺度 微放电通道构成的超四边形斑图的等离子体参量.实验发现直径较大的微放电通道(大点)和直径较小的微放电通道(小点)亮度不同.采用氮分子第二正带系谱线计算了分子振动温度,利用谱线强度比方法得到了电子激发温度,用氩原子696.54 nm谱线的Stark展宽估算了电子密度.结果显示小点的电子密度和分子振动温度均高于大点,而电子激发温度低于大点.这说明稳定超四边形斑图中不同尺度微放电的等离子体状态不同.     

条纹相机在真空弧离子源等离子体诊断中的应用

针对真空弧离子源,利用条纹相机将时间轴信息转换为空间轴信息的特点,结合光谱仪分光功能,建立了一套高时间分辨与光谱分辨能力的发射光谱诊断装置,其时间分辨率和光谱分辨率分别可达26ps与0.1nm。利用该诊断装置采集获得了单次脉冲内等离子体的时间演化特性;同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了一套谱线拟合的等离子体温度与密度计算模型。相比传统的Boltzmann斜率法与Stark展宽法需要寻找孤立的不受附近谱线叠加的干净线状光谱,建立的拟合光谱模型可以直接处理多条谱线因为展宽效应而叠加形成的光谱线型,计算得到等离子体中电子温度与电子密度。结果表明,在脉冲功率源的作用下,真空弧放电等离子体的电子温度与电子密度分别可达1eV与3.5×1024 m-3。     

离子(N2+, N+)在氮辉光放电等离子体光辐射中的作用

采用氮辉光放电等离子体电子与重粒子综合的Monte Carlo模型,研究了离子(N2+,N+)与氮分子碰撞产生光辐射的强度分布及其 在氮辉光放电等离子体光辐射中的作用。两种离子产生的各种碰撞激发和辐射都分布在鞘层区内,光辐射强度向阴极方向逐渐 增加,且总强度随放电电压增加而增强。相对于电子产生的碰撞激发辐射,离子(N2+,N+)引起的辐射在阴极附近引起次最大 光强,且原子离子N+的作用较分子离子N2+大。当电压较低时,离子(N2+,N+)引起的辐射可以忽略。模拟结果很好解释了两 种典型的N2辉光放电光学发射谱的实验结果,为等离子体诊断研究中的光谱数据分析提供参考。     

电子与氢及其同位素分子碰撞的非解离性电离截面研究

在边界等离子体中, 氢及其同位素分子与高能电子碰撞可发生电离反应. 对于尚无可利用的氢及其同位素分子的电子碰撞非解离性电离反应截面, 基于莫尔斯函数、弗兰克-康登原理, 采用半经典的Gryzinski方法进行了计算. 得到反应截面随电子能量的变化情况以及振动能级对反应截面的影响. 计算结果表明分子的振动激发对电离反应有着显著影响.     

氢原子能量分布和分子过程

利用多道光学分析仪（ＯＳＭＡ）系统进行了高分辨率的Ｈα的测量,从Ｈα线型分布直接得出氢原子的能量分布,由能量分布可知发生在等离子体边界的原子、分子过程是离子在限制器表面中性化后的反射,以及电子碰撞引起的氢分子的激发离解和电离离解。     

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

利用一套螺旋波激发等离子体化学气相沉积（HWP—CVD）发生装置及发射光谱采集装置，原位诊断了不同入射功率、气压、氢气流量下氢等离子体光谱，研究了激发态氢原子的变化情况、氢分子振动温度的变化和激发态氢分子的相对分布。结果表明：     

大气压氩气环境下体积介质阻挡放电光谱特性

通过介质阻挡放电产生的等离子体可与燃料中的烃类分子发生碰撞裂解反应,将燃料分子裂解生成更容易起爆的氢气和小分子烃类,能有效改善液体燃料连续旋转爆震发动机的起爆性能。该研究在真空仓中开展体积介质阻挡放电的丝状放电光谱测试,分析了大气压氩气环境下体积介质阻挡放电的电子激发温度和电子密度随加载电压的变化规律。丝状放电的电子激发温度通过波尔兹曼斜率法计算,电子密度采用斯塔克展宽法计算。发现发射谱线均由氩原子4p-4s能级跃迁产生;各谱线强度随加载电压的提高均呈上升趋势,且与电压基本呈线性关系;对于大气压丝状放电,加载电压对电子激发温度和电子密度没有明显影响作用,加载电压12.5～14.5 kV范围内,电子激发温度稳定在3 400 K附近,电子密度在1025 m-3量级。     

含锰钢表面氢原子/氢分子吸附行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了氢原子和氢分子在纯铁表面和锰原子掺杂表面的吸附与解离行为.研究结果表明,氢原子可在纯铁(001)表面稳定吸附,吸附能按照顶位,桥位和心位依次增强;而溶质原子锰降低了氢原子距离表面的位置并强化了氢原子的吸附行为.氢分子在纯铁表面的吸附解离行为取决于氢分子距离模型表面的初始距离和初始空间构型.氢分子平行于纯铁(001)表面时,距离心位1.2?发生解离,而桥位、顶位均不会发生解离;氢分子垂直放置时,距离桥位0.6?、顶位1.0?发生解离,心位不会发生解离.氢分子平行于锰掺杂纯铁(001)表面时,距离桥位0.6?、顶位0.7?、心位1.2?发生解离;氢分子垂直放置时,距离桥位、心位0.8?发生解离,而顶位放置氢分子不发生解离.归纳可知,锰溶质原子掺杂会增加铁基体表面氢原子和氢分子的吸附作用并促进氢分子发生分解.     

低气压闭式等离子体放电实验及光谱诊断

闭式等离子体可以克服等离子体隐身技术在开放环境中等离子体难以维持及能耗过大的问题。针对等离子体隐身应用,设计了一种封闭式的等离子体发生装置,选用微秒脉冲电源,以氩气为工质气体,在低气压环境下进行了放电实验。采用发射光谱法,测量了密闭腔体内部厚度方向上的Ar谱线强度,并将碰撞-辐射模型用于分析等离子体参数的分布规律。当放电参数确定时,给定电子温度和电子密度,可通过碰撞-辐射模型计算得到2p能级上的布居分布比值,将其与从光谱数据中得到的布居分布比值进行比较,当差异值最小时,即可确定相应的等离子体参数。通过对电子温度在1～5 eV范围内的2p9和2p1能级布居分布比值进行计算,分析了碰撞-辐射模型计算可能存在的误差。实验结果表明,在厚度方向上,封闭式腔体中的等离子体电子密度达到1011 cm-3量级且呈一定的梯度分布,但变化幅度不大,其分布情况有利于等离子体隐身技术的应用。     

HL-1M装置等离子体的MARFE现象

在HL-1M装置上用分子束注入等离子体的气体加料方法提高了等离子体的电子密度。当线平均电子密度从 4× 10 13cm-3 上升到 7× 10 13cm-3 时 ,利用多道辐射损失测量系统测量到来自等离子体边缘的非对称辐射现象。在强场侧等离子体辐射损失功率密度大大高于弱场侧而线平均电子密度、OⅥ杂质谱线和Hα 谱线明显增加     

非平衡态Ti-H等离子体发射光谱的双温度诊断研究

单次脉冲工作的真空弧离子源,采用金属钛吸附氢形成的Ti-H固溶体作阴极,生成的等离子体同时包含金属钛和氢的成分,且在径向、横向以及时间尺度上都存在梯度,整个体系处于非平衡状态,不能用一个统一的温度来描述。假设由电子组成的子系统和由其他重粒子组成的子系统分别达到平衡,即Ti-H等离子体由电子温度和重粒子温度两个温度来描述,为双温度等离子体。采用Culdberg-Waage解离方程和Saha电离方程分别对系统中的分子解离和原子电离过程进行描述,结合等离子体电荷准中性条件,同时引入原子发射光谱这一无干扰的等离子体诊断方法,对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行诊断。在MATLAB环境下,同时考虑金属Ti原子和一价Ti离子的电离,计算结果显示：根据谱线的斯塔克展宽确定的电子密度进行计算,除重粒子温度和氢气分子的数密度之外,其他的参数均可得到较准确的诊断结果;电子密度数值的准确性对计算结果有很大的影响;如果能够在计算之前确定重粒子温度,则可对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行准确的定量分析。     

中国联合球形托卡马克氦放电等离子体的碰撞辐射模型及其在谱线比法诊断的应用

介绍了针对中国联合球形托卡马克氦放电等离子体建立的碰撞辐射(CR)模型.给出CR模型计算的来自主量子数n=4激发态能级的三条谱线的强度比447.1 nm(23P—43S)/492.2 nm(21P—41D)和492.2 nm/504.8 nm(21P—41S)在电子温度Te和电子密度Ne空间内的计算结果.建立了根据谱线强度比确定Te与Ne的谱线比法.将该方法应用在氦放电等离子体诊断上,通过与微波干涉仪测量结果的对比以及CR模型与实验测量的激发态数密度的对比验证了方法的有效性.分析了引起诊断结果误差的因素,包括实验测量设备误差、CR模型使用的速率系数不确定度与能级选取,以及光谱测量的弦积分特性等.