电弧及辉光微等离子体大气压取样的发射光谱研究

在线化学分析需要实现开放环境下的样品取样和电离/激发。相比于激光切削或者激光诱导击穿,大气压微等离子体系统结构简单,更利于小型化。因而基于大气压微等离子体的在线化学分析技术引起行业的广泛关注。为了确定合适的微等离子体源进行样品的在线元素检测,需要进一步了解各放电模式及工作参数下微等离子体的自身特性以及取样效果。该工作主要研究了电弧及辉光放电微等离子体在大气压下对样品铁取样发射光谱的特性。实现了在开放环境下对高熔点金属样品的在线检测,并发现电弧放电微等离子体与光谱分析源联用具有更高的取样效率。高采样效率的电弧放电微等离子体源为实现金属及难解离样品的检测提供了一种新的方法。同时,相较于传统的取样装置,避免了复杂的样品制备、样品传输过程。实验装置采取简单的针对板放电结构,分别利用高压脉冲电源、直流电源获得电弧放电和辉光放电。实验的结果表明,在放电功率近似相等的条件下,电弧放电产生的微等离子体对样品铁取样的光学发射谱中,样品元素的特征谱线占据主导地位,同时伴随有空气中氮气的谱线,而且铁离子(FeⅡ)谱线的相对强度显著高于氮气分子谱线的相对强度。而在直流辉光放电中,样品铁原子(FeⅠ)谱线相对强度非常不明显。由此说明,电弧放电产生的微等离子体具有更高的采样效率。放电在样品表面留下的溅射坑也得出了相同的结论。增加辉光放电电流到25 mA,发现样品元素铁的谱线仍然没有明显的增强。同时,也研究了采样间距对两种采样模式的影响。实验结果表明,间距对两种模式的采样光谱没有显著的影响。采用主要成分为铝的合金铝箔进行了上述对比实验,得出相同的结论,即电弧放电微等离子体更适合作为光谱分析源来实现对金属样品的实时快速检测。     

时间分辨原子发射光谱诊断脉冲放电气体束等离子体

建成了一套脉冲放电气体束和原子发射光谱等离子体诊断实验装置,利用这套实验装置测量了不同放电条件下等离子体的时间分辨发射光谱,并采用玻尔兹曼作图法和Hα谱线斯塔克展宽法研究了等离子体的原子温度、离子温度和自由电子密度等参数的演化。实验结果表明,脉冲放电的总电量对等离子体参数的演化有较大影响;脉冲放电气体束等离子体中的离子温度远高于原子温度,自由电子密度相对较低,等离子体处于非局域热平衡状态。A special designed pulsed discharge nozzle (PDN) ion source and a plasma diagnostics system based on the atomic emission spectroscopy were constructed. The time-resolved emission spectra of Argon atoms and ions in the region of 300-800 nm were observed and analyzed. The plasma temperatures, including atomic and ionic temperatures, were simulated by Boltzmann plot method, and the free electron density was simulated through the Stark broadening of Hα line. The evolution of these plasma parameters were investigated by high-resolution time-resolved emission spectra. The results show that the total energy struck on the pulsed gas beam is the most important factor which determines the plasma properties and its evolution. The plasma in PDN is concluded into non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) during the evaluation because of the low electron density and the big difference between the temperatures of Argon atoms and ions in all discharge conditions.     

氩气/甲烷/空气介质阻挡放电等离子体的发射光谱诊断

为了获得可燃气体的放电及等离子体发射光谱特性,进一步揭示等离子体助燃作用下燃料在稀燃状态的点火与燃烧特性,在常压下以氩气作为载气对预混的甲烷和空气进行放电研究。实验基于平行板电极射频(13.56 MHz)介质阻挡放电的等离子体发生装置,首先在常压下对体积分数为90%氩气/10%空气的混合气体开展放电研究;再在90%氩气含量不变的情况下,调节空气含量并加入与之能形成燃烧化学当量比Φ＝1的甲烷,氩气/甲烷/空气的混合气体同样能实现稳定而均匀的放电;最后分别在90%氩气含量不变,甲烷和空气在当量比为Φ＝0.4～1.9六种情况下进行放电实验。由光谱仪记录不同放电工况下的发射光谱信息,诊断反应产物类型,利用观测到的氮分子第二正带系(0-2)380.4 nm和(1-3)375.4 nm处的发射谱线,与自编程序计算的模拟谱线拟合,得出分子转动温度(即气体温度)。研究结果表明：通过拟合模拟光谱与实验所测发射光谱的方法推测分子转动温度,进而获得气体的平动温度,氩气/空气放电的气体温度可达到1 150 K,氩气/甲烷/空气Φ＝1时放电气体温度升高到1 390 K;甲烷与空气形成不同当量比时,所测等离子体气体温度相对于90%氩气/10%空气混合气体温度的温升在70～240 K范围变化;由光谱信息观测到CH,H,OH和CH₂O等活性粒子的存在以及气体温度的升高,表明可燃成分混合气在射频电场放电作用下发生等离子体燃烧化学反应并释放出化学热。     

甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究

应用等离子体发射光谱法,用CCD(charge coupled device)光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1 100 nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷(99.99%)经100 kV, 100 Hz脉冲高压电离后的产物为H,C+,CH,C,C₂,C₃, C₄,C₅和烃等。通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CH_n(n=3,2,1)、碳、烃等产物的电离途径。结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物。实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据。     

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.     

光学发射光谱法测量氩气微空心阴极放电中特性参数

针对微空心阴极放电(MHCD)装置,通过在氩气中添加少量氮气,分析氮分子第一正带系N2(B3ΠgA3u+)发射光谱的方法测量了MHCD中的气体温度,通过氩气中混有的少量氢气,分析Hβ谱线Stark加宽得到电子数密度。研究表明,MHCD在极小的体积和很高的功率密度下维持放电,致使发生了明显的气体加热现象,气体温度可高于700 K,并且随着放电室压强和放电电流呈有规律的变化,具有较好的可控性,电子数密度的量级为1014～1015cm-3。通过对不同条件下等离子体特性参数的诊断和分析,得到了其量级和变化规律,对MHCD的广泛研究和应用提供了重要的实验数据和技术支持。     

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。     

微波液相放电等离子体发射光谱研究

液相放电能够产生各种活性物质,其中羟基自由基(OH),氢自由基(H)被认为是引发液相化学反应的主要活性物种,但由于其活性强寿命短的特点,测量比较困难,由于缺少标准样品,定量测量更为困难。用光学方法测量自由基是一种直接测量方法,其特点是瞬时在线测量,能立即获得数据,进行时间和空间分布测量。为了研究微波水中放电产生的自由基特性,利用发射光谱诊断技术对微波水中放电产生的活性物质进行了在线检测,考察了微波功率、反应器内部压强对OH自由基相对光谱强度的影响,并观测了等离子体中OH自由基强度的空间分布;同时,估算了微波液相等离子体中的电子激发温度。实验结果表明,微波水中放电可以产生大量的OH,H,O自由基,其中OH自由基的相对光谱强度最强,并随微波功率的增加呈现明显上升的趋势,随反应器内部压强的增大而迅速减弱;以OH为主的自由基主要产生于电极尖端附近。微波液相等离子体的电子激发温度约为0.33×104 K。     

常压介质阻挡放电等离子体发射光谱的检测分析

以常压介质阻挡放电等离子体作为研究对象,在常温常压条件下使用介质阻挡放电光谱诊断装置,得到N2第二正系跃迁和Ar原子发射谱线。通过对放电光谱的检测分析,可以察知常压介质阻挡放电等离子体的特性,并可运用同一元素谱线的相对强度来诊断电子激发温度等物理参量,以达到对材料表面改性过程的实时监控,工作的结果对常压介质阻挡放电及其在材料改性的应用中具有重要的意义。     

低电压下氮气放电的发射光谱分析

建立了一套直流放电产生氮气等离子体装置,该装置以碳纳米管修饰ITO电极为阳极,铝平板为阴极,两极间距~80 μm。在室温低电压(低于150 V)对氮气进行气体放电,利用发射光谱法对氮气放电过程中的活性物种进行了诊断研究。在直流电压下,观测到氮气发射光谱中能量最强最清晰的谱带N₂(C3Π_u),强度比较弱的Gaydon’s Green带系N₂(H₃Φ_u-G3Δ_g),以及820 nm附近氮原子的发射谱线(4p-4p0),发现氮分子的亚稳态是导致一系列激发态氮原子和氮气电离的主要因素,与交流电下(1.1 kV)产生的发射光谱相比,直流电下氮原子谱线光谱较强,且在500~800 nm范围检测到一个宽的分子谱带。考察了氧气与氢气对氮气发射光谱的影响,氧气对氮气的激发态有猝灭作用,使氮气发光强度降低,但其发射光谱图的谱型相似,都检测到氮气的第二正带系、Gaydon’s Green带系及氮原子谱线。当氮气与氢气的体积比为1∶1时,氮气的第二正带系及Gaydon’s Green带系都会受到很大的影响,说明加入的氢气可抑制氮等离子体激活,导致氮气的发光强度明显减弱,Gaydon’s Green System消失不见。碳纳米管修饰的ITO电极能使击穿电压降低,在10 V的低电压下,通过光电倍增管可观察到气体弱电离产生的光信号。     

Flowing and Nonflowing Liquid Electrode Discharge Microplasma for Metal Ion Detection by Optical Emission Spectrometry

Abstract

Liquid electrode discharge microplasma offers a simple, portable, and small platform for fast spectrochemical determination of metal ions in solution samples with lower consumption of consumables (e.g., working gases, electric current, and cooling water). Various liquid electrode discharge devices for metal ions determination with optical emission spectrometry have been developed in the past 20 years. We aim here to provide an overview of this field and to show the similarities and differences, and strengths and weaknesses of different flowing liquid electrode discharge systems and nonflowing liquid electrode discharge systems. We also discuss sample flow rates in flowing systems, required sample volume in nonflowing systems, and the two systems’ applications to real complex samples in this review.     

空气电晕放电发展过程的特征发射光谱分析与放电识别

局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程,并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200～980 nm范围内的发射光谱。放电初期的发射光谱主要由氮气分子N₂的带状光谱组成,分别为N₂第二正带系(second positive system, SPS)和N₂第一正带系(first positive system, FPS)。放电程度加深后,发生能级跃迁的粒子种类更加丰富,由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线,光谱范围也由放电初期的280～460 nm扩展至200～980 nm。放电处于临界击穿时,发射光谱的强度急剧增加,强度最高值出现在500.715和777.202 nm处,分别对应氮离子N⁺和氧原子O的辐射谱线,这意味着微观放电过程再次发生改变。基于空气放电机理分析得到：放电初期、放电加深、放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N₂...     

高阻隔铝塑膜辉光放电发射光谱深度谱测量参数的优化

脉冲-射频辉光放电发射光谱(GDOES)深度剖析是一种基于辉光放电原理的原子光谱技术,广泛应用于薄膜材料与功能多层膜结构中成分随深度分布的表征.该技术具有真空度要求低,灵敏度高,溅射速率快等优点.同时脉冲-射频电源所采用的瞬间高功率模式可使得氩离子周期性轰击样品表面,避免了由于热量积累所导致的熔融或碳化,因此脉冲-射频...     

基于液体阴极辉光放电—原子发射光谱法快速测定牛奶中钙含量

钙元素含量直接影响牛奶的品质,牛奶作为人体摄入钙营养素的一种重要食品来源,其钙含量分析样品量巨大,传统基于消解、灰化等复杂前处理的实验室方法分析效率较低,因此迫切需要建立牛奶中钙含量的快速及现场分析方法。近年来,液体阴极辉光放电-原子发射光谱(SCGD-AES)因无需真空条件和燃气、载气等附加气体而受到关注。自主开发了一套采用CCD检测器的便携式液体阴极辉光放电-原子发射光谱仪,采用牛奶样品直接稀释进样,考察了该仪器对牛奶中钙含量分析的适用性,建立了稀酸稀释进样-大气压液体阴极辉光放电-原子发射光谱法快速测定牛奶中钙含量的分析方法。对该法测定牛奶中钙含量的主要工作条件与参数进行了优化,结果表明：酸度对钙元素测定灵敏度的影响显著,采用1%(V/V)硝酸介质,该方法对钙元素测定具有最佳的灵敏度和稳定性。该方法将1%(V/V)硝酸作为牛奶样品的稀释液。系统考察了稀释倍数对牛奶样品中钙含量测定的影响,结果表明：采用100倍以上1%(V/V)稀硝酸稀释,牛奶中钙含量的测定准确度良好,未发现显著的基体干扰。将该方法应用于实际牛奶样品中钙含量的测定,稀释倍数选取100倍时,方法检出限为35 mg·L...     

Comparative Investigation on the Excitation of Copper Emission Lines Between Argon and Helium Spark Discharge Plasmas

The emission intensities and the signal‐to‐background ratios (SBRs) of copper emission lines in the wavelength range 200–360 nm were observed from a medium‐voltage spark discharge plasma when argon or helium was employed as the surrounding gas. The observed copper spectra comprised Cu(I) lines having excitation energy of 3.8–9.3 eV, and Cu(II) lines assigned to three different transitions: 3d ⁸4p–3d ⁸4s transition (excitation energy of 8.2–9.2 eV), 3d ⁸5s–3d ⁸4p transition (13.4–13.6 eV), and the 3d ⁸4d–3d ⁸4p transition (14.2–14.8 eV). The Cu(I) lines have much smaller intensities in the helium plasma compared with the argon plasma, whereas the Cu(II) lines have similar intensities between both plasmas. The SBRs of some ionic copper lines are larger in the helium plasma compared with the argon plasma. Therefore, when an ionic line has to be measured in the analytical applications, the helium plasma should be recommended.     

On the Conductance of the Gas Discharge Plasma at Space Anisotropic Excitation

The galvanic manifestation of two transformations of degenerate magnetic states of the neon atom, namely self‐alignment → non‐alignment and alignment ? orientation is studied by monitoring the voltage across the discharge in a range of hollow cathode discharge (HCD) lamps. The application of a magnetic field to the discharge disorders the self‐alignment. Alignment and orientation are optically induced and their effect on the discharge conductance is compared by measuring the optogalvanic signals. The degenerate states investigated are found to contribute to the gas discharge conductance in a manner which depends on their degree of coherence. Various hollow cathode discharge media are studied including Ne/As, Ne/Cu, Ne/Ni, Ne/Cd, Ne/Li and Ne/Ca in the corresponding trademarked HCD spectral lamps. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

氧化-原子发射光谱快速测定油田水中微量碘

柴达木盆地西部的南翼山地区油田水中碘资源丰富,有极大的开发利用价值.该油田水盐度高,组成复杂,现有碘的分析方法难以满足研究工作的需求,建立准确分析南翼山油田水中碘浓度的方法是开展相关研究工作的基础和关键.电感耦合等离子体原子发射光谱(IC P-A ES)具有分析快速、线性范围宽、样品基体影响小等优势.然而,由于碘属于高...     

光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.