基于Hα線等離子體電子密度的光譜診斷

羅文峰， 劉崇琪， 劉 娟， 謝東華， 付 勇

(1．西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121； 2. 安陽凱信變壓器有限責(zé)任公司 技術(shù)部， 河南 安陽 455000)

基于Hα線等離子體電子密度的光譜診斷

羅文峰1， 劉崇琪1， 劉 娟1， 謝東華1， 付 勇2

(1．西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121； 2. 安陽凱信變壓器有限責(zé)任公司 技術(shù)部， 河南 安陽 455000)

為了實時準(zhǔn)確測量等離子體的電子密度，利用Lorentz函數(shù)擬合Hα發(fā)射譜線，測出該譜線的Stark展寬，從而算出等離子體的電子密度為5.14×1016cm-3?；趯嶒灲Y(jié)果，計算得到等離子頻率為5.14×1016Hz，該值遠(yuǎn)大于1064 nm激光光子頻率1014Hz，證明等離子體對激光的反射作用遠(yuǎn)小于吸收作用。

等離子體；發(fā)射光譜；Hα譜線；電子密度

電子密度是表征等離子體性質(zhì)的基本參數(shù)之一，在等離子體應(yīng)用中起著重要的作用，例如許多動力學(xué)反應(yīng)速率都直接或間接依賴于該參數(shù)[1]。由于等離子體放電過程非常復(fù)雜，要實時準(zhǔn)確測量等離子體的電子密度非常困難。這也是等離子體物理長期存在的一個難題，即如何準(zhǔn)確而又無干擾地診斷等離子體的特征參數(shù)[2]。

通常獲取等離子體特征參數(shù)的實驗裝置是Langmuir探針，但是這種侵入式測量方法，不可避免地對等離子體產(chǎn)生干擾，從而影響測量的準(zhǔn)確度和精密度[3]。

發(fā)射光譜診斷作為一種非侵入式診斷技術(shù)，因其測量速度快、靈密度高、儀器簡單，近年來發(fā)展迅速，在醫(yī)藥、材料、生物和化學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用[4-5]。本實驗以Hα線(656.2 nm)為研究對象，通過測量其Stark展寬得到等離子體的電子密度，進(jìn)而研究了等離子體的其它參數(shù)。

1 理論分析

等離子體中譜線的展寬主要是Stark展寬，是電場對譜線的影響造成的[6]。譜線的Stark展寬線型不嚴(yán)格依賴于等離子體溫度，而主要取決于等離子體的電子密度，且與等離子體是否處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)無關(guān)，也就是說從譜線的線型就可以確定等離子體的電子密度。因此，基于原子發(fā)射譜線的Stark展寬求解電子密度是診斷等離子體特征參數(shù)最可靠的方法之一[7]。

Stark展寬分為非類H譜線的Stark展寬和類H譜線的Stark展寬[8]。實驗表明，Hα線的Stark展寬較大，與其相比，Doppler展寬和儀器展寬等均可忽略。在忽略其它展寬機(jī)制的作用下，等離子體的電子密度與Hα譜線的半高全寬具有關(guān)系[9]

(1)

其中λ1/2(nm)是Hα譜線的半高全寬，Ne(cm-3)是等離子體的電子密度，α1/2(nm)是比例常數(shù)。因此，只要測量出Hα譜線的半高全寬就可以得到等離子體的電子密度。

2 實驗裝置及Hα譜線

實驗系統(tǒng)如圖1所示，光源系統(tǒng)采用調(diào)Q Nd: YAG脈沖激光器(激光器輸出脈沖寬度19.7 ns，波長1064 nm，脈沖能量135 mJ，重復(fù)頻率1 Hz)。激光光束經(jīng)焦距f = 150 mm的石英透鏡聚焦到樣品上。采集系統(tǒng)是快觸發(fā)型5通道光譜儀(AvaSpec-2048FT-5-RM，Avantes, Holland)。光譜儀的觸發(fā)信號來自激光器的Q信號。光譜儀光譜覆蓋范圍是200～720 nm，分辨率是0.06～0.08 nm(2400～1800 lines/mm)，所測樣品光譜信息的處理與分析由光譜儀所帶分析軟件完成。

圖1 實驗裝置

實驗是在常溫常壓下進(jìn)行的，因為實驗室不可避免地存在水蒸氣，由于水蒸氣電離就會在等離子體光譜中就探測到氫原子發(fā)射譜線Hα線，如圖2所示。

圖2 Hα線光譜

3 等離子體電子密度求解

氫元素譜線的Stark展寬法中Hα(656.2 nm)譜線在實際應(yīng)用最廣泛，同時理論發(fā)展也最完善。由圖2可知，和其它譜線相比，Hα譜線的強(qiáng)度較強(qiáng)。Hα譜線的歸一化譜圖如圖3所示，從中可見，該譜線非常光滑，既沒有平頂現(xiàn)象，又沒有自蝕現(xiàn)象，也就是說不存在自吸收現(xiàn)象，因此，Hα譜線非常適合求解等離子體的電子密度。

圖3 Hα譜線歸一化譜圖及其Lorentz擬合

在忽略其它展寬機(jī)制的情況下，等離子體的電子密度與譜線的半高全寬滿足式(1)。理論分析表明，Stark展寬后的譜線滿足Lorentz線型。Lorentz函數(shù)表達(dá)式為[10]

(2)

其中Δλ是譜線的半高全寬，A是譜線的積分強(qiáng)度，xc是譜線的中心波長，y0是背景輻射強(qiáng)度。圖3中的實線部分即為Hα譜線的Lorentz函數(shù)擬合曲線。由擬合數(shù)據(jù)及式(1)，經(jīng)計算即可得到等離子體的電子密度為5.14×1016cm-3。

4 等離子體頻率

等離子體頻率是另一個描述等離子體的重要參數(shù)，利用等離子體頻率就可以定性地描述等離子體對激光的屏蔽效應(yīng)。等離子體對激光的屏蔽效應(yīng)主要通過兩種機(jī)制，即等離子體對激光的反射和吸收[11]。等離子體頻率與等離子體電子密度的關(guān)系是[12]

(3)

其中ωp是等離子體頻率，Ne是等離子體電子密度。將等離子體的電子密度代入上式計算得到等離子體頻率為5.14×1016Hz。而1 064 nm對應(yīng)的光子頻率約為1014Hz，因此，等離子對激光的反射作用可以忽略[12]。相反，等離子體對激光光子的吸收便是主要機(jī)制了，這種吸收機(jī)制又被稱為韌制吸收，或逆韌制輻射，其原理是通過與離子或原子的碰撞，電子獲得足夠的能量，進(jìn)一步與原子發(fā)生碰撞電離，而且，等離子體的電子密度越大，逆韌制輻射系數(shù)越大[13]，即有

(4)

其中αIB是逆韌制輻射系數(shù)，Ne是等離子體電子密度。

綜上，在等離子體碰撞過程中，等離子體吸收激光光子，通過韌制吸收對等離子體加熱，造成等離子體的產(chǎn)生、膨脹和輻射。

5 結(jié)語

電子密度是表征等離子體性質(zhì)的一個重要參數(shù)。為避免測量對等離子體的干擾，實驗利用光譜分析方法得到Hα譜線，通過測量其Stark展寬算出等離子體電子密度為5.14×1016cm-3，再由等離子體電子密度求得離子體的頻率為5.14×1016Hz，該值遠(yuǎn)小于1064 nm激光光子頻率1014Hz，這足以說明等離子體對激光光子的吸收作用遠(yuǎn)強(qiáng)于反射作用。實驗結(jié)果有助于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體加熱機(jī)制的理解。

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[責(zé)任編輯:王輝]

Emission spectroscopy diagnostics of
plasma electron density based on Hαemission line

LUO Wenfeng1， LIU Chongqi1， LIU Juan1， XIE Donghua1， FU Yong2

(1．School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China；2．Department of Technology, Anyang Kaixin Transformer company limited，Anyang 455000，China)

In order to reduce the disturbance on plasma, and calculate the electron density more accurately, the Hαemission line is obtained and fitted with Lorentz function. With the Stark broadening, the electron density of 5.14×1016cm-3is inferred. Based on the experimental results, the plasma frequency of 5.14×1016Hz is also computed, which is smaller than the laser frequency. Therefore, the absorption of the plasma on the laser is stronger than the reflection.

plasma, emission spectroscopy, Hαemission line, electron density

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.015

2013-09-17

陜西省教育廳科研計劃基金資助項目(2013JK0607)；西安市科技計劃基金資助項目(CX12189WL02)；西安郵電大學(xué)青年教師科研基金資助項目(ZL2013-14)

羅文峰(1974-)，男，博士，講師，從事等離子體光子學(xué)研究。E-mail: luowenfeng@xupt.edu.cn 劉崇琪(1964-)，男，碩士，副教授，從事光通訊研究。E-mail: liu100th@aliyun.com

O53

A

2095-6533(2014)01-0070-03