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。     

基于电弧光谱诊断的水下湿法焊接电弧等离子体组分计算

水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用,提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量,但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少,更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究,搭建了水下湿法焊接实验平台,通过电弧光谱诊断系统,对得到的电弧光谱进行诊断分析,确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。在光谱诊断结果的基础上,进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析,确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子,在计算得出配分函数的基础上,通过牛顿迭代法求解由Saha方程、电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组,得出了各个粒子的数密度,绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。计算结果表明,在不同温度区间,水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同,生成的主要粒子不同,在温度较低时,水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、原子及电离能较低的低价态离子组成,随着温度的升高,解离反应和电离反应持续进行,高价态的离子不断被电离出来;不同粒子随温度变化的趋势也不同,有的粒子数密度随温度持续升高,有的不断降低;计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合,验证了计算结果的正确性。等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础,也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。     

局部热力学平衡状态下的等离子体电导率计算

在Zollweg & Liebermann模型（Z&L模型）的基础上,结合高温条件下的量子机理作用,考虑了电子与中性粒子的碰撞关系,最终得出修正后的电导率模型,并对局部热力学平衡状态下的水中放电等离子体的粒子数密度及电导率进行了模拟计算.计算结果表明压力为定值的情况下,水中放电等离子体的总粒子数密度随温度变化呈下降趋势,温度达到15000 K时,一次电离达最大值.电导率随温度增加总体呈上升趋势,温度低于12000 K时,电子与中性粒子的碰撞起主导作用,而温度高于25000 K时,电子与离子的碰撞起主导作用.     

局部热力学平衡状态下的等离子体电导率计算

在ZollwegLiebermann模型(ZL模型)的基础上,结合高温条件下的量子机理作用,考虑了电子与中性粒子的碰撞关系,最终得出修正后的电导率模型,并对局部热力学平衡状态下的水中放电等离子体的粒子数密度及电导率进行了模拟计算.计算结果表明压力为定值的情况下,水中放电等离子体的总粒子数密度随温度变化呈下降趋势,温度达到15000 K时,一次电离达最大值.电导率随温度增加总体呈上升趋势,温度低于12000 K时,电子与中性粒子的碰撞起主导作用,而温度高于25000 K时,电子与离子的碰撞起主导作用.     

闪电放电通道等离子体成分及相关特性的研究

以无狭缝摄谱仪获得了青海和西藏地区的云对地闪电回击过程的光谱,依据谱线波长和相对强度等信息,结合等离子体相关理论,得到了放电通道温度和电子密度;在此基础上,根据Saha方程、电荷守恒方程和粒子数守恒方程计算了闪电通道主要元素各级电离的离子数密度,进而得到通道质量密度、压强及平均电离度, 并分析了不同强度闪电放电通道的电离度、粒子数密度及其分布特征。结果表明：回击通道接近于完全电离,一次电离离子占主要地位,且NⅡ离子数密度最高;不同强度的闪电放电通道中,NⅡ和OⅡ离子的相对浓度值变化不大;计算过程中考虑带电离子间库仑相互作用以后,原子电离能的计算值降低,中性原子以及一次电离离子数密度的计算值变小,高次电离离子数密度的计算值变大。     

对超短脉冲激光与固体密度等离子体相互作用动力学过程的研究

结合Saha方程,建立了一个超短脉冲激光与固体密度等离子体相互作用的动力学过程中电子温度和电子密度随时间变化的简单模型.在降温过程中采用绝热膨胀模型,讨论了等离子体在绝热膨胀过程中的特殊性质,考虑了离子声速随温度的变化,推算了状态演化过程,得到了电离度随时间变化的演化规律. 关键词： 超短超强脉冲激光 固体密度等离子体 电离度     

极板电压与间距对大气压射频氩等离子体放电参数的影响

 基于1维流体力学模型,对大气压射频裸露金属电极氩气放电过程进行了研究。模型中考虑了氩等离子体放电过程中主要发生的激发和电离等7个反应过程,对等离子体反应产生的主要粒子,包括电子、氩原子离子Ar⁺、氩分子离子Ar2⁺和氩激发态Ar^*等,建立连续性方程、动量方程和电流平衡方程。分析了极板电压、极板间距对上述粒子数密度分布的影响。给出了电子,Ar⁺,Ar^*和Ar₂⁺密度随极板电压及间距变化的时空演化过程。得出极板电压或极板间距的改变会使放电空间的电场发生改变,对应一定的极板间距,极板电压有一个最佳值,极板电压和间距的变化会使对应的极板间有一个最佳电场值,而对应最佳电场有一个等离子体气体间最佳反应系数,从而使放电空间粒子数密度发生改变。     

不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究

水下湿法焊接技术应用日益广泛,由于特殊的焊接条件,导致深水下其焊接质量亟待改善。通过搭建水下湿法焊接实验平台,压力罐调节气压分别模拟0.3, 20和40 m水深,界定焊接引弧阶段,分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据,采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能,分别采集引弧5,10,15,20和25 ms时刻的光谱数据,对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据,得到各元素粒子的识别结果。对于高价态的元素离子态,因为其电离能比较大,激发电离程度会受到电弧温度变化的影响,不能仅靠光谱图进行识别诊断,还需要进一步对其组分进行数密度计算。结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程,确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子,求解由沙哈方程、解离电离方程、准中性方程、气体压力平衡方程等组成的方程组,采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解,对于求解非线性方程组,采取分段赋值的方法,得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度,并对其变化规律进行分析,探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的,随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。随着水深的增加,电弧会受到压缩,但电弧不能无限制被压缩;粒子的电离受温度的影响,温度越大电离作用越强烈,但当温度升高到一定程度时,各个电离作用有其电离极限,粒子数密度也不会无限增大。通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算,对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究,为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

 采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

利用不同原子模型计算局部热力学平衡等离子体电离态(英文)

等离子体电离态分布是等离子体物理学中被广泛应用的重要物理量之一,而原子数据是电离态计算的前提.首先,利用Rubiano相对论性原子结构模型、Faussurier非相对论原子结构模型和高度简化的More模型,分别计算各种电离度的Fe离子能量.通过与自洽场结果的比较后认为,Faussurier模型给出的原子数据比较精确可靠.然后,再利用以上模型研究了局部热力学平衡Fe等离子体电离态随温度和密度的变化情况.计算结果表明,不同原子模型提供的原子数据对平均电离度的计算结果影响不大,但明显地影响等离子体中的离子丰度.本文对这些差异进行了物理分析.     

The Impact of Direct Ionization by Beam Electrons on the Electron Kinetics of the Beam Discharge Plasma in Molecular Hydrogen

In a recent paper the stationary beam plasma discharge in partially dissociated hydrogen was investigated where the electron component was described by the Boltzmann equation for a mixture of atomic and molecular hydrogen and the main heavy charged and neutral particles by balance equations. It was assumed that, via the quasilinear beam plasma interaction, the electron beam produces only the turbulent electric field whilst an additional production of plasma electrons due to direct ionization by the beam and thus a direct influence on the balances of charge carriers were neglected. Now the additional production of plasma electrons due to direct ionization by the beam is studied on the basis of a generalized Boltzmann equation but for the simpler model of a purely molecular hydrogen plasma. For experimentally obtainable values of the turbulence energy density, beam energy, beam ionization degree and electron life time the calculation of the electron energy distribution function and of the direct beam contribution to the electron particle balance shows a marked influence of the direct beam ionization with increasing degree of beam ionization.     

双温度氩-氮等离子体热力学和输运性质计算

获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件.本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分;采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质;基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质.利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm=101325 Pa),电子温度在300—30000 K范围内,非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质.结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程,从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响.在局域热力学平衡条件下,计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.     

GMAW电弧等离子体平衡成分计算及其在光谱学中的应用

计算了常压下3 000～25 000 K范围内熔化极气体保护焊(GMAW)保护气体Ar,CO₂,82%Ar-18%CO₂及其与Fe蒸汽的混合物的平衡成分。上述气体被看作一种Ar-CO₂-Fe等离子体,等离子体中的39种粒子被分为5种主元粒子和34种非主元粒子。根据化学方程,非主元粒子由主元粒子表示以减少未知数的个数和求解量,再利用牛顿迭代法对平衡方程进行求解,最终实现了成分求解。计算结果表明,Ar气随着温度升高依次发生一次电离和二次电离,CO₂气体除了在高温时发生原子电离外,在低温时(T<8 000 K)还存在CO₂,O₂,CO等分子的解离,82%Ar-18%CO₂混合气则既有解离又有电离。Fe的加入会增加等离子体的电子密度,特别是在15 000 K以下。等离子体成分的确定为GMAW电弧等离子体辐射属性计算以及电弧中Fe蒸汽浓度的光谱测定奠定了基础。     

Geschwindigkeitsverteilung,Teilchendichte, transversale Driftgeschwindigkeit und Energiedichte des Neutralgases in der Freifallsäule unter Berücksichtigung der „Neutralgasaufzehrung”︁ durch die Ionisationsvorgänge

A neutral gas rarefaction caused by ionization processes occurs in the plasma of the low pressure gas discharges. The velocity distributions, the particle density, the transversal drift velocity and the energy density of the neutral gas are calculated both for the plane and for the cylindrical positive column under free fall conditions. The neutral gas rarefaction is taken into account. It is shown, that the velocity distributions is non-Maxwellian and anisotropic. The pressure tensor is anisotropic, too. Particle density and energy density of neutral gas decrease with increasing electron density and electron temperature relatively homogeneously over the cross section of the column. Only, if the degree of ionization is high, these densities are much smaller near the axis than at the wall. Decreasing neutral gas temperature causes a similar change in the particle density profile as increasing electron density and electron temperature do. The transverse neutral gas pressure decreases from the axis to the wall in all cases. In the steady-state column an upper limit exists for the transverse particle current density of the neutral gas and of the ion gas. This limit depends on the gas temperature, the filling pressure and the atomic mass of the filling gas. In the appendix the Boltzmann equation is given in a form, which is suitable to investigate cylindrical problems not only for simple examples.     

Kinetic Description of the Stationary Band-Like Weakly Turbulent Beam Discharge Plasma in Hydrogen. I. Basic Equations — Numerical Approach — Ionization and Dissociation Budget

On the basis of the electron Boltzmann equation and of the balances for the charge carriers (e, H⁺, H₂⁺, H₃⁺), the H-atoms and the metastable H(2s)-atoms for the H/H₂-mixture the behaviour of the weakly turbulent, band-like electron-beam discharge plasma in hydrogen has been calculated taking into account the main collision and transport processes. In dependence of the normalized discharge length, the life time of the neutral particles in the band-like plasma and the electron beam generated turbulence energy density the ionization and dissociation budget and in particular the most important electron-heavy particle collision rates, which appear in the balance equation system, are investigated in the present part of our paper. In a second part the results related to the budget of the ions and the metastable atomic state will be reported and an analysis of the main processes in the balances will be made.     

Plasma parameters within the cathode spot of the vacuum arc

The composition of the vacuum arc plasma for five elements (Cd, Mg, Al, Ni, and Mo) is calculated by the Saha equation, which assumes local thermodynamic equilibrium conditions within the ionization region of the cathode spot(s). The lowering of the ionization potential due to the high density of charged particles is considered. By matching the computed and the measured plasma ionic composition, the electron density and the temperature are estimated. The experimental plasma compositions can be approximated only at a high electron density (10¹⁹-10 ²¹ cm^-3) and at electron temperatures in the range of a few electronvolts     

Electron temperature measurements in a hydrogen spark plasma

A spark plasma was created in a hydrogen atmosphere at 50 torr by a high voltage discharge (10 kV) and showed severe deviations from equilibrium behaviour, as indicated by measured values of pressure, electron density and population densities. Three techniques were applied for the evaluation of the electron temperature. The method based on the ionization rate equation gave results in satisfactory agreement with the expected values.