Ar辅助确定Al等离子体电子温度

用Ar气作保护气时 ,Nd :YAG脉冲激光烧蚀Al靶 ,将诱发Ar气电离 ,并产生丰富的Ar离子谱线辐射。文章根据Ar离子谱线辐射信息 ,分析了ArⅡ 385 0 5 7,ArⅡ 386 85 3,ArⅡ 4 0 4 2 91 ,ArⅡ 4 0 7 2 0 1nm等 4条谱线的时间分辨行为 ,计算了Al等离子体的电子温度。结果发现 :Al等离子体的电子温度约 1 5 0 0 0～2 2 0 0 0K ,随延迟时间的增加 ,电子温度单调衰减     

激光诱导Mg等离子体电子温度的实验研究

利用波长为1 064 nm,最大能量为500 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温,一个标准大气压下对Mg合金冲击,改变激光能量,得到相应的Mg等离子体特征谱线。分析谱线,发现谱线有不同的演化速率,同时得到了MgⅠ,MgⅡ离子谱线,证明此实验条件下,激光能量足够Mg合金靶材充分电离。选择了相对强度较大的MgⅠ 383.2 nm, MgⅠ 470.3 nm, MgⅠ 518.4 nm三条激发谱线,利用这些发射谱线的相对强度计算了等离子体的电子温度,激光能量为500 mJ时,等离子体温度为1.63×104 K。实验结果表明：在本实验条件下,Mg原子可以得到充分激发;在200～500 mJ激光能量范围内,等离子体温度随着激光能量的降低而衰减,在350～500 mJ激光能量范围内的等离子体温度随激光能量的变化速度十分明显,200～350 mJ时等离子体温度变化速度迅速减缓;激光能量为300 mJ时,谱线相对强度明显减弱,低于350和250 mJ的谱线相对强度,不符合谱线相对强度会随着激光能量提高而上升的变化趋势,证明发生了等离子体屏蔽现象,高功率激光产生的等离子体隔断了激光与材料之间的耦合。此时的等离子体温度明显升高,不符合变化趋势,这是由于在发生等离子体屏蔽现象时,激光能量被等离子体吸收,导致等离子体温度上升。     

常压高频等离子体电子温度的光谱法诊断

常压高频等离子体由于其无电极污染、能量密度大、温度高及气氛可控的特点而得到了广泛应用,电子温度是影响其使用性能的关键参数,根据发射光谱使用玻尔兹曼图解法计算是最常用且最可行的诊断方法,但由于跃迁几率数据可靠性、环境背景、仪器误差、数据处理误差等原因,不同研究者根据不同谱线计算的结果通常不具有可比性。为了得到可靠性高的电子温度计算结果,针对存在SiO₂颗粒的常压高频空气等离子体,以光谱范围为200～1 077 nm的7通道高分辨光纤光谱仪为测量工具,该研究讨论了元素、光谱段选择对计算结果可靠性的影响。结果表明,由于N₂占电离气体的主要部分且不参与化学反应,N Ⅰ发射谱线是最佳选择,使用738～940 nm内N Ⅰ的谱线计算的拟合度为0.95,计算的电子温度最为可靠;由于Si和O极易结合成SiO₂颗粒,此二元素的能量不再满足玻尔兹曼分布,计算结果的可靠性较差,因此不能使用Si和O元素的发射谱线计算电子温度;使用掺入Ar的谱线同样不能得到可靠的电子温度计算结果。因此,为了有效诊断等离子体电子温度,在不同应用场合中,应当根据实际情况,合理选择测量光谱范围及光谱仪,选取合适的粒子及其发射谱线。     

环境气氛对高能量激光诱导等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器(～25 J)激发诱导金属等离子体,研究了环境气体及其压力对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,相同压强下,氩气中等离子体的谱线强度明显高于空气中等离子体的谱线强度;0.8×105Pa氩气条件下,光谱标钢等离子体的谱线强度达到了最大值;随着环境气压的增大,谱线自吸明显增强,当环境气压达到(0.8～0.93)×105Pa时,标样铝的AlⅠ308.22 nm和AlⅠ309.27 nm两条谱线产生了严重自蚀;另外,等离子体的激发温度也随环境气压的增大而增大,0.93×105Pa氩气条件下标钢等离子体的激发温度相对于0.43×105Pa时升高了近1 500 K。     

基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标,并且在696.5 nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到ε_rp,判定ArⅡ谱线发射系数大于ε_rp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5 nm谱线和480.6 nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。     

样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响,以黄铜为研究对象,在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜,测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比;同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。实验结果表明,在激光功率为60 mW时,随着样品温度的升高,Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加,样品温度为130 ℃时达到最大值,然后趋于饱和。计算表明,黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm,Cu Ⅰ 427.51 nm,Cu Ⅰ 458.71 nm,Cu Ⅰ 510.55 nm,Cu Ⅰ 515.32 nm,Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm,Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、4.53倍、4.72倍,3.31倍、4.47倍、4.60倍、4.25倍、4.55倍,光谱信噪比分别增大了1.35倍,2.29倍、1.76倍、2.50倍、2.45倍、2.28倍、2.50倍,2.53倍。分析认为,升高样品温度会增大样品的烧蚀质量,相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度,进而提高等离子体发射光谱强度。所以,适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比,从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度,改善痕量元素的检测灵敏度。同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。计算表明,当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中,等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。分析认为,这主要是由于在升高样品温度的初始阶段,激光烧蚀量增大,等离子体内能增大,从而导致等离子体电子温度升高。当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化,激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、散射和反射,导致激光能量密度降低,电子温度趋于饱和,达到某种动态平衡。选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度,同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势,计算表明在样品温度为130 ℃时,Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。适当升高样品温度使得电子密度增大,从而提高电子和原子的碰撞几率,激发更多的原子,这是增强光谱谱线强度的原因之一。由此可见,升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。     

激光等离子体温度时间演化特性

用脉冲CO2激光的10.6 μm光束击穿空气产生等离子体,使用光谱仪和ICCD采集等离子体辐射光谱,在局部热力学平衡近似下,利用相对谱线强度法对激光等离子体温度进行了计算。当激光器单脉冲能量为35 J时,选择NⅡ399.5 nm和NⅡ500.5 nm两条线状谱的相对谱线强度计算了不同延迟时间下等离子体温度。实验结果表明:在等离子体的不同位置,等离子体温度均随时间经历了明显的上升到饱和再到下降的过程,等离子体前沿的温度最先达到饱和,距离靶面最近的位置温度达到饱和所需时间最长。     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

激光等离子体温度时间演化特性

 用脉冲CO₂激光的10.6 μm光束击穿空气产生等离子体,使用光谱仪和ICCD采集等离子体辐射光谱,在局部热力学平衡近似下,利用相对谱线强度法对激光等离子体温度进行了计算。当激光器单脉冲能量为35 J时,选择NⅡ399.5 nm和NⅡ500.5 nm两条线状谱的相对谱线强度计算了不同延迟时间下等离子体温度。实验结果表明:在等离子体的不同位置,等离子体温度均随时间经历了明显的上升到饱和再到下降的过程,等离子体前沿的温度最先达到饱和,距离靶面最近的位置温度达到饱和所需时间最长。     

真空中脉冲激光烧蚀铝等离子体发射光谱及粒子速度研究

利用Q开关Nd:YAG激光器产生的1.06 μm倍频后532 nm、脉宽10 ns的脉冲激光聚焦在置于真空室中铝靶上,观测激光诱导的铝等离子体发射光谱.采用不同的激光能量,分析了波长范围为350 nm到400 nm的空间、时间分辨发射光谱.在局部热力学平衡(LTE)条件近似下,根据谱线的相对强度,计算得到等离子体电子温度,给出了靶面附近电子温度的空间、时间演化规律;根据谱线半宽,计算等离子体电子密度,并给出了靶面附近电子密度的空间与时间演化规律;在靶面正前方处放置动能探测器,记录粒子飞行时间信号,观测不同激光强度烧蚀铝靶产生等离子体中三种粒子到达探测器的时间,计算得出等离子体中三种观测到的粒子喷射速度.     

Thermische Anregungsfunktionen und Normtemperaturen von Atom- und Ionenlinien in Zweikomponentenplasmen

Within the temperature region 3,000 °K–50,000 °K and the pressure region 0.1 atm—5 atm thermal excitation functions of several important I, II and III spectral lines of the metals Na, Al, Fe, Zn and C have been calculated by means of a computer. Their optimum temperatures have been tabulated. If these elements are mixed with a second component with an essentially higher ionization energy, such as argon, then the optimum temperatures of atom lines are shifted to lower values. The lowering of the total pressure in the plasma causes the same effect. Moreover a second optimum temperature occurs at approximately 11,000 °K in plasmas of high dilution. This second maximum depends on the starting ionization of argon which decelerates the decrease of the atoms of the metal component. The relationship of the optimum temperature with ionization energy, pressure and concentration can be described by linear equations, according to a previously published approximation formula. The spectral lines of ions are less influenced by these parameters, especially by the second component.     

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。     

Evaluation of plasma produced by first and second harmonic nano-second laser for enhancing the capability of laser induced breakdown spectroscopy technique

Evaluation of plasmas produced and optimized for improving the capability of convenential laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for analytical purposes of solid samples is the main goal of the present work. The plasma produced in the present study was generated by focusing a single nano-second Nd:YAG laser at the fundamental wavelength of 1064 nm and at the second harmonic wavelength of 532 nm on an Al target in air at atmospheric pressure. The emission spectrum was recorded time resolved over the whole UV-NIR (200–1000 nm) spectral range. This work describes an extension of previously reported studies and focuses now on the determination of the plasma parameters at the optimum condition – highest signal-to-noise ratio (SNR) and minimum limit of detection (LOD) — of the LIBS technique, which is now widely applied to the elemental analysis of materials in atmospheric air. Parameters of the produced plasma in the time interval from 0 to 10 μs are determined for to further understanding the LIBS plasma dynamics. O I and Mn I spectral lines are used in the present work as thermometric lines for the determination of the plasma temperature based on Boltzmann plots. Stark broadening of lines yields the electron density. The widths of the H _α -line at 656.27 nm, of the O I line at 844.65 nm, of Al II lines at 281.65 nm and 466.30 nm and of the Si I line at 288.15 nm has been utilized for that. The plasma temperature ranged from 0.73 eV to around 1 eV for the different laser energies with both laser wavelengths for the optimized plasma used for LIBS analysis. This temperature is very close to that well known for the other spectrochemical analytical techniques or in excitation sources such as inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES).     

氩气含量对介质阻挡放电中单丝等离子体温度的影响

在空气与氩气组成的混合气体放电中,首次研究了由中心点和外层晕组成的单丝。从照片中观察单丝结构,发现混合气体中氩气所占的比例越重,单丝的直径随之越小,同时中心点和外层晕的亮度有明显的差异,说明中心点和外层晕可能处于不同的等离子体状态。实验对单丝结构进行了光学时空分辨测量,研究了中心点和外层晕两层结构的微观特性。利用发射光谱法,详细地研究了该单丝结构的中心点和外层晕的等离子体参数随氩气含量的变化关系。实验根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)谱线计算了中心点和外层晕的分子振动温度;通过氮分子离子N+₂(391.4 nm) 第一负带系谱线与氮分子N₂(394.1nm)谱线强度比,反映中心点和外层晕的电子平均能量随氩气含量的变化关系;利用氩原子763.2 nm(2P₆→1S₅)和772.077 nm(2P₂→1S₃)两条谱线的相对强度比法,估算了中心点和外层晕的电子激发温度。结果表明：中心点的光信号对应着第一个电流脉冲, 且其光信号较弱;而外层晕的光信号同时对应着第一个和第二个电流脉冲, 且其光信号较强。在相同的氩气含量条件下,外层晕比中心点的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均要高。随着氩气含量从30%逐渐增大到50%,中心点和外层晕的分子振动温度是逐渐减小的,而电子平均能量和电子激发温度均是逐渐增大的。     

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.     

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     

含温有界原子模型下电子与离子碰撞激发和电离截面的理论研究

采用扭曲波玻恩交换近似方法，在自由原子模型下计算了电子与离子碰撞激发、电离截面，计算值与实验一致；在含温有界平均原子模型下，系统研究了不同温度、密度等离子体中离子的电子碰撞直接电离截面，发现由于温度、密度效应导致离子的能级漂移，引起等离子体中离子的碰撞电离截面比自由原子情形发生较大变化. 关键词： 平均原子模型 扭曲波波恩交换近似 电离截面     

Ionization and excitation of some atomic targets and metal oxides by electron impact

We have calculated total inelastic and total ionization cross-sections for collisions of electrons on atomic targets oxygen (O), aluminium (Al) and copper (Cu) and metal oxides AlO and Al₂O, at impact energies from near excitation threshold to 2000 eV. A complex (optical) energy-dependent interaction potential is used to derive total inelastic cross-sections resulting from ionization as well as excitation processes. The inelastic cross-sections are bifurcated into discrete and continuum contributions and total ionization cross-sections have been deduced therefrom. Our calculation also provides information, hitherto sparse, on the excitation processes in the atomic targets O, Al, Cu and metal oxides AlO, Al₂O. Adequate comparisons are made with other theoretical and experimental data.     

一次空中触发闪电通道光谱分析

利用无狭缝光谱仪获得了一次空中触发闪电过程中400～660 nm的发射光谱,对空中触发闪电小回击和上行正先导通道的发射光谱进行了分析,讨论了人工触发闪电导线通道与空气通道光谱的差异,发现导线段通道光谱持续了约140 ms,而空气段通道仅持续了0.167 ms;结合Fe,N,O等元素的电离能、激发能,给出了导线通道亮度强、持续时间长的原因。在电流强度相同的情况下,人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发,能产生更多的光谱辐射,导线段通道的亮度远强于空气段,导线段通道的光谱强度也远强于空气段;在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。通过对小回击以及上行正先导导线通道上部、下部空气段光谱结构以及通道温度等参数与广东地区自然闪电特征谱线及温度等参数的比较,发现小回击通道光谱主要由NⅡ离子低激发态之间的跃迁组成,具有NⅡ 444.7 nm,NⅡ 517.9 nm,NⅡ 616.8 nm等广东地区一般强度自然闪电的特征谱线。上行正先导下部空气段通道具有高激发能的谱线开始消失,出现了H_α,H_β,OⅠ 615.8 nm等激发能较低的谱线,具有闪电回击后期的光谱结构。小回击通道以及上行正先导通道下部空气段温度分别为21 000和20 000 K,通道温度低于自然闪电温度。