利用原子谱线的斯达克加宽测量等离子体密度:电感耦合等离子体原子发射光谱法
时间：2019-02-18 03:31:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
【摘要】对于大气压介质阻挡放电形成的等离子体原子光谱,采用计算机程序拟合的办法,从原子谱线中分离出stark展宽,并根据stark展宽计算等离子体中电子密度。 【关键词】等离子体密度 stark展宽 光谱拟合
【中图分类号】O433 【文献标识码】A 【文章编号】1009―9646(2008)08-0131-02
大气压下等离子体不需要复杂的真空设备,因而在等离子体加工、材料清洗改造、等离子体隐身以及等离子显示等很多领域有着广泛的应用。近年来人们在不同的装置中对大气压等离子体进行了研究,包括直流电晕放电、脉冲电晕放电、介质阻挡放电、射频放电和空心阴极放电。在大气压等离子体应用的研究中,重要的课题是弄清楚微放电通道内的电力学过程,其中电子密度是一个重要的物理参数。因此大气压下电子密度的测量是一个十分重要的课题。
测量电子密度的方法有探针法、微波法、激光散射法以及光谱法[1-4]。静电探针它的基本类型很简单,是一根难熔金属(钨、钼、钽)丝或棒,外面一般用陶瓷管套上,仅留一小段暴露于等离子体。通过对探针内电流电压关系计算电子温度以及电子密度,但是在接近大气压下其测量原理不再适用。微波测量等离子体电子密度有两种方法,一是微波透射法,它是利用微波通过等离子体有个截止频率,由截止频率可直接算得等离子体的电子密度;二是微波干涉法,它是利用通过等离子体产生相位变化的微波与未通过等离子体的微波产生干涉来测量电子密度。但是探针法和微波法都是一种干扰测量的方法,都需要进入等离子体内部进行测量。激光散射法是测量等离子体电子温度和电子密度的方法是目前最有效的方法之一。激光散射的原理是等离子体中的自由电子对入射进来的激光产生电子散射,散射辐射会产生明显的多普勒位移,从而由散射光谱可以推断出电子的分布。但是这种方法是一种十分复杂的实验方法,实验技术要求很高而且设备昂贵。光谱法是一种非干扰的测量方法,它是利用等离子体发射光谱的Stark展宽来计算电子密度。综合以上因素考虑,对于大气压下等离子体密度的测量,光谱法方便可行。
1 原子谱线加宽以及线型
原子的谱线的线型和线宽是大量等离子参量的信息来源。谱线的加宽主要有自然加宽、多普勒加宽、斯达克加宽、碰撞加宽、仪器加宽[5]。
自然展宽来自能级寿命,当原子处于某一能级时,能级寿命不是无限长,因此当原子辐射出的光谱都有一定的宽度。自然展宽的线型是洛伦兹线型,但是一般情况下自然展宽很小,可以忽略。
多普勒展宽,这种展宽来自原子或离子的热运动。当发光原子相对接受器运动时,接受器探测到的光频率会发生变化,这称为光的多普勒现象。这种现象引起谱线加宽叫做多普勒加宽,加宽线型为高斯线型。多普勒加宽为:
(1)
在气体放电介质中,大量粒子处于无规则运动状态,粒子之间频繁的发生碰撞,由于碰撞会使激发态原子寿命缩短,也会导致谱线加宽,这种加宽叫做碰撞加宽。由于粒子的碰撞频率和气体压强有关系,所以这种加宽又叫做压力展宽。这种展宽本质上也是由于碰撞影响能级寿命所导致的加宽,因此也是洛伦兹线型。但是压力展宽远大于自然展宽,不能忽略。
斯达克展宽是由于辐射原子在周围电子和离子的电场作用能级分裂而产生。对于氢原子或者类氢原子呈现一次斯达克效应,它在电场中的分裂与电场强度成正比;对于非氢原子主要是二次斯达克效应。斯达克展宽(半最大值全宽)是电子密度和电子温度的复杂函数,可由下式[6]表示:
(4)
斯达克展宽线型是非对称的洛伦兹线型。
仪器加宽是由于仪器本身的分辨本领有限造成的。仪器加宽主要是高斯线型。
2 谱线的拟合与电子密度计算
如果有两种独立的谱线加宽和,同时存在时,那么谱线轮廓应为两种加宽卷积的结果:
(5)
如果是两个高斯轮廓,则合成轮廓仍为高斯型,其宽度关系为:
(6)
如果是两个洛伦兹轮廓,则合成轮廓仍为洛伦兹型,其宽度关系为:
(7)
在实验中,总的加宽机制是斯达克加宽、压力加宽、仪器加宽、多普勒加宽卷积的结果。斯达克加宽是不对称的洛仑兹线型,压力加宽是对称的洛仑兹线型,仪器加宽和多普勒加宽是高斯线型。对称的洛仑兹线型和不对称的洛仑兹线型卷积的结果仍然是不对称的洛仑兹线型。高斯线型和高斯线型卷积的结果仍然是高斯线型。最终实验得到的线型应当是高斯线型和不对称的洛仑兹线型的卷积结果。
首先采用计算机拟和程序将实验得到的谱线进行拟合,如图1,其中黑点为实验数据,虚线为计算机拟合得到的谱线。然后将拟合谱线分为两部分,高斯线型和不对称的洛仑兹线型,如图1所示。洛仑兹展宽包括对称的压力展宽部分和不对称的斯达克展宽。从分离得到的洛仑兹展宽减去压力展宽剩下部分为斯达克展宽,然后将得到的斯达克展宽代入公示(4)中即可得到电子密度。
利用此方法对大气压氩气介质阻挡放电进行了研究,利用氩原子谱线斯达克展宽测得电子密度约为1015/cm3。
参考文献
[1] Langmuir I ,Mott-Smith H. Studies of electric discharges in gases at lowpressures[J].Gen Elec Rev 1924,27:449-455.
[2] 陈宗柱,高树香编.气体导电(下册)[M],南京工学院出版社,1988,第一版:166.
[3] Ejiri A,Kawahata K .Transmissivity Measurement to Obtain Density. Profile of Sheet Plasmas,Jpn J of Appl Phys Part1 2000,39(5):2839-2842.
[4] Den Hartog DJ,Cekic M. A simple high-performance Thomson-scattering diagnostic for high-temperature plasma research[J]. Measurement sci&Techno,1994,5(9):1115-1123.
[5] 伍永征,王兆永,陈凌冰,赵衍盛.激光物理学[M].上海:复旦大学出版社,1989第一版:21.
[6] H.R Griem. Plasma spectroscopy[M], New York:McGraw-Hill,1964,第一版:492.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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