真空中同軸LIBS 系統(tǒng)下鋁鋰合金等離子體時(shí)空演化行為研究

崔紫宵，武華策，吳鼎，劉佳敏，胡曉涵，海然，李聰，丁洪斌

（大連理工大學(xué) 物理學(xué)院，大連 116024）

0 引言

在磁約束聚變裝置運(yùn)行過程中，面向等離子體的材料（Plasma Facing Materials，PFMs）必須承受強(qiáng)烈的輻射、粒子轟擊以及高熱負(fù)荷，發(fā)生等離子體與壁相互作用（Plasma Wall Interaction，PWI）。PFMs 受到侵蝕和沉積的影響，性能會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而嚴(yán)重影響托卡馬克長(zhǎng)脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，甚至?xí)斐砂踩鹿剩?-3］。因此，對(duì)PFMs 進(jìn)行元素診斷和監(jiān)測(cè)，對(duì)于理解PWI 的物理過程，進(jìn)而改進(jìn)穩(wěn)態(tài)高約束等離子體運(yùn)行參數(shù)至關(guān)重要?；诩す獾姆椒ńY(jié)合光學(xué)發(fā)射光譜，特別是激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技術(shù)，是一種對(duì)材料進(jìn)行定性和定量分析的有用工具。由于它自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如在真空條件下檢測(cè)速度快、無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理、可遠(yuǎn)程原位分析等，LIBS 成為表征托卡馬克壁材料表面元素分布最合適的技術(shù)之一［4-11］。自2001 年以來，LIBS 技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多個(gè)聚變裝置第一壁材料的元素診斷［12-15］。2014 年，我們課題組已在EAST 裝置中成功研制安裝了遠(yuǎn)程原位LIBS 系統(tǒng)，開展了實(shí)時(shí)測(cè)量第一壁上的燃料滯留和雜質(zhì)分布的研究［16-20］。

ENEA 研究中心的COLAO F 等開發(fā)了一種LIBS 裝置，利用CF-LIBS 方法對(duì)沉積在等離子體表面組件上雜質(zhì)的元素分布進(jìn)行定性和定量分析，給出了氘元素的含量，其聲稱對(duì)微量組分濃度的測(cè)定精度達(dá)到20%［21］。印度的MAURYA G S 在大氣壓環(huán)境下利用CF-LIBS 方法離線分析了托卡馬克限制器上的雜質(zhì)沉積層，如Fe、Cr、Ni、Mo、Mn、Cu、C、Ca 和Mg 等元素并給出了百分比［22］。盡管研究人員利用CF-LIBS 方法得到了定量分析結(jié)果，但其可靠性和準(zhǔn)確性仍有待評(píng)估。采用CF-LIBS 的前提是假定等離子體處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，不同元素在燒蝕過程中沒有元素偏析發(fā)生。但在真空條件下，等離子體羽中不同元素的粒子由于質(zhì)量、所帶電荷和所處能級(jí)的差異，在膨脹過程中呈現(xiàn)出不同的擴(kuò)散速度，使得等離子體具有空間非均勻性［23，24］，導(dǎo)致該假設(shè)極有可能不成立。因此對(duì)等離子體時(shí)空演化行為進(jìn)行研究，是進(jìn)一步改進(jìn)真空中LIBS 定量分析精度的關(guān)鍵內(nèi)容。

我們課題組前期已經(jīng)利用垂直光學(xué)收集結(jié)構(gòu)研究了H、Li、C、Si、Mo 和W 等離子體的時(shí)空演化，觀察到不同元素縱向擴(kuò)張速度有所差異［25，26］。然而，對(duì)于原位LIBS 診斷而言，EAST 上可供LIBS 使用的光學(xué)窗口有限，垂直收集結(jié)構(gòu)不是優(yōu)選方案。同時(shí)，在垂直光學(xué)結(jié)構(gòu)的有限視場(chǎng)下，部分等離子體會(huì)逃出光譜探測(cè)區(qū)，同軸光學(xué)收集結(jié)構(gòu)被認(rèn)為可能是ITER 托卡馬克裝置原位LIBS 診斷的優(yōu)選方式。由于鈹（Be）的良好物理特性，如強(qiáng)吸氧性、不與氘元素發(fā)生反應(yīng)、良好的導(dǎo)熱性、化學(xué)濺射低、熔點(diǎn)低、蒸汽壓高等性質(zhì)，ITER 已經(jīng)確定使用Be 作為第一壁材料［27］。歐洲的JET 裝置已經(jīng)開始使用Be 作為第一壁［28］。但Be 具有毒性和易爆性，世界上僅有幾個(gè)裝置擁有進(jìn)行Be 實(shí)驗(yàn)的授權(quán)。在元素周期表中，Al 元素處于Be 元素的對(duì)角線位置，它的性質(zhì)與Be 元素的性質(zhì)相似，因此在實(shí)驗(yàn)室中可以通過研究Al 等離子體來間接了解Be 的特性。KRETER A 等在PISCES-B 線性等離子體裝置上研究了在等離子體雜質(zhì)的影響下，Be 的侵蝕、沉積層的形成和燃料滯留行為［29］。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于D 等離子體時(shí)，金屬Al 表現(xiàn)出與金屬Be 類似的性質(zhì)，被認(rèn)為是Be 的無毒代替品。為了克服高溫等離子體對(duì)PFMs 的侵蝕，鋰（Li）正在被探索作為核聚變反應(yīng)堆中潛在的第一壁材料［30］。一方面，它具有較好的散熱性能，對(duì)O2、CO、N2和氫同位素氣體等雜質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附性，可以提高長(zhǎng)脈沖H 模的等離子體運(yùn)行性能。另一方面，它容易排出殘留燃料，極大地減少了燃料和雜質(zhì)的再循環(huán)，并且沒有不可逆的機(jī)械表面變化，如開裂、起泡等，保證了第一壁表面可循環(huán)利用。EAST 裝置中已成功使用鋰化壁處理技術(shù)［31，32］。因此，我們選取鋁（取代Be）鋰合金來代替第一壁上的鋰沉積層作為研究對(duì)象。我們課題組前期還研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)激光燒蝕鋁鋰合金等離子體信號(hào)強(qiáng)度的影響。在真空環(huán)境中，強(qiáng)磁場(chǎng)的存在可能會(huì)減緩等離子體羽流的膨脹速度，且光譜發(fā)射的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，發(fā)射光譜強(qiáng)度增強(qiáng)［33，34］。但迄今為止，對(duì)鋁鋰合金樣品進(jìn)行同軸時(shí)空LIBS 測(cè)量的研究尚有不足，Al-Li 合金等離子體中各個(gè)物種的發(fā)光尺寸、發(fā)光時(shí)間、橫向擴(kuò)張速度等參數(shù)信息并不清楚。而這些信息對(duì)LIBS 技術(shù)用于托卡馬克裝置壁診斷中的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、門寬等參數(shù)設(shè)置十分重要。

本文在陣列光纖束收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種同軸LIBS 系統(tǒng)，模擬EAST 真空環(huán)境，在10－5mbar的氣壓條件下對(duì)鋁鋰合金等離子體發(fā)射光譜分別進(jìn)行時(shí)空積分和時(shí)空分辨測(cè)量。評(píng)估了等離子體發(fā)光時(shí)間～1 μs，發(fā)光區(qū)域大小～1 cm。進(jìn)一步研究了連續(xù)輻射、離子譜線和原子譜線的時(shí)間演化，給出了激光燒蝕等離子體不同輻射機(jī)制的輻射時(shí)間尺度。進(jìn)一步采用時(shí)空分辨光譜的方式，研究了激光誘導(dǎo)等離子體各類物種（離子和原子）的時(shí)空演化特性，獲取了各個(gè)物種的橫向擴(kuò)張速度，并對(duì)等離子體膨脹過程中的元素粒子“空間分離”以及“離子加速”現(xiàn)象進(jìn)行了較深入的研究，利用“鞘層加速”機(jī)制、較快的離子復(fù)合效應(yīng)以及激發(fā)態(tài)能級(jí)差異進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

同軸LIBS 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由激光器、光譜儀和真空腔室組成。實(shí)驗(yàn)采用的是Q 開關(guān)Nd∶YAG 激光器（Brilliant Eazy， Quantel），脈沖寬度為5 ns，重復(fù)頻率為4 Hz，波長(zhǎng)為1 064 nm。脈沖激光先后通過半波片、分束立方晶體、反射鏡，以及一個(gè)焦距為50 cm、直徑為10 cm 的平凸透鏡后被聚焦到樣品表面，燒蝕并產(chǎn)生等離子體。到達(dá)樣品表面的激光能量為150 mJ，激光燒蝕光斑直徑約為0.78 mm，對(duì)應(yīng)的激光燒蝕功率密度為6.3 GW/cm2。長(zhǎng)為4.5 cm、寬為0.6 cm、厚度為0.3 cm 的條狀鋁鋰合金樣品（Al 91.67%，Li 5.00%，Mg 2.14%）安裝在帶有石英窗口的真空腔室內(nèi)的二維移動(dòng)平臺(tái)上，通過步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)樣品實(shí)現(xiàn)樣品的燒蝕位置的改變。真空腔室連接著一個(gè)分子泵和一個(gè)機(jī)械泵，將腔室內(nèi)的氣壓維持在為5.0×10－5mbar。激光聚焦透鏡（焦距為50 cm、直徑為10 cm）和收集透鏡（焦距為15 cm、直徑為10 cm）組成了等離子體收集透鏡組，用于收集等離子體的發(fā)射光，并耦合進(jìn)光纖束中。光纖束由20 根直徑為300 μm 的光纖線性排列而成，每根光纖對(duì)應(yīng)著LIBS 等離子體的不同采集區(qū)域，光纖束的另一邊被耦合進(jìn)光譜儀的狹縫中。實(shí)驗(yàn)使用的是ICCD 光譜儀（ICCD-ANDOR iStar，340T，Shamrock SR-750-R），光柵為150 刻線/mm，響應(yīng)波段為350～800 nm，單測(cè)量覆蓋波長(zhǎng)為110 nm，入口狹縫寬度為80 μm。實(shí)驗(yàn)中，收集透鏡的物像比50∶15，像縮小了約3.3 倍，因此，光纖陣列的收集區(qū)域約20 mm，單芯光纖的收集范圍約1 mm。實(shí)驗(yàn)中，為了避免樣品表面雜質(zhì)元素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，先用10 個(gè)激光脈沖對(duì)樣品進(jìn)行清洗預(yù)處理。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，每一組數(shù)據(jù)都選取新的燒蝕位置，重復(fù)5 次，每張光譜由平均5 次獲得。

圖1 激光誘導(dǎo)等離子體光譜診斷實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Schematic illustration of laser induced plasma system

實(shí)驗(yàn)中光譜的采集時(shí)序如圖2 所示，光譜儀由激光器觸發(fā)，實(shí)驗(yàn)中零時(shí)刻t0設(shè)置為激光峰值前5 ns。光譜儀門延遲由td表示，時(shí)間積分光譜門寬設(shè)置為10 μs， 時(shí)間分辨光譜研究門寬設(shè)置為tw=3 ns+0.1×td。

圖2 光譜采集時(shí)序圖Fig.2 The time synchronization of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁鋰合金的典型時(shí)空積分光譜

圖3 給出了真空下激光燒蝕Al-Li 合金等離子體的典型時(shí)空積分發(fā)射光譜，光譜儀的門延遲td設(shè)置為0 ns，即激光達(dá)到峰值時(shí)刻之前的5 ns 作為0 時(shí)刻，門寬tw設(shè)置為10 μs。由于150 刻線光柵每次覆蓋波長(zhǎng)范圍約為110 nm，通過轉(zhuǎn)動(dòng)光柵位置多次測(cè)量，進(jìn)行拼接，獲取了鋁鋰合金樣品在較大波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。文中所有光譜信號(hào)均已經(jīng)用標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行強(qiáng)度相對(duì)校準(zhǔn)。

圖3 激光燒蝕鋁鋰合金等離子體時(shí)空積分發(fā)射光譜Fig.3 Space-time integral emission spectrum of laser ablated aluminum-lithium alloy plasma

如圖3 所示，在350～680 nm 范圍內(nèi)，激光燒蝕Al-Li 合金等離子體主要由連續(xù)光譜、線狀光譜組成。線狀譜主要由Al 和Li 元素的原子譜線、一價(jià)離子譜線以及Al 的二價(jià)譜線組成。圖中標(biāo)識(shí)的羅馬數(shù)字I、II、III分別代表對(duì)應(yīng)元素的原子、一價(jià)離子和二價(jià)離子譜線。觀察到的主要光譜線及相關(guān)參數(shù)在NIST 數(shù)據(jù)庫中查得［35］，如表1 所示。

表1 光譜中主要譜線及相關(guān)參數(shù)Table 1 Correlation spectral line parameters in spectrum

可以看出，在沒有時(shí)間分辨的情況下，等離子體發(fā)射光譜具有較強(qiáng)的連續(xù)背景輻射。而在發(fā)射光譜分析中，只有原子（或離子）輻射的特征譜線是進(jìn)行物種成分以及含量分析的有效信息源，連續(xù)輻射背景應(yīng)盡可能降低。因此為了探測(cè)到最佳的LIBS 光譜信號(hào)，需要選擇合適的延遲時(shí)間來減小連續(xù)背景光譜對(duì)特征光譜的影響，進(jìn)行LIBS 時(shí)間分辨測(cè)量十分必要。

2.2 時(shí)間分辨光譜（空間積分）

前面提到LIBS 測(cè)量方法通常是選用原子（離子）譜線做分析，連續(xù)輻射是對(duì)測(cè)量無用的干擾信號(hào)，為了能夠較優(yōu)地采集到光譜分析所需的原子（離子）譜線的信號(hào)，有必要對(duì)等離子體的時(shí)間演化過程進(jìn)行研究?？梢酝ㄟ^改變探測(cè)的延遲時(shí)間來研究光譜的時(shí)間演化行為。圖4 所示為不同時(shí)刻激光燒蝕鋁鋰合金等離子體時(shí)間分辨光譜，門寬tw設(shè)置為3 ns 加上門延遲時(shí)間的10%，所示光譜均由20 根光纖信號(hào)求和，對(duì)采集門寬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后得到。

圖4 激光誘導(dǎo)鋁鋰合金等離子體不同時(shí)刻時(shí)間分辨光譜（20 芯光纖信號(hào)求和）Fig.4 Emission spectrum of laser induced aluminum-lithium alloy plasma at various gate delay times

通過圖4 幾個(gè)典型時(shí)刻鋁鋰合金等離子體空間積分的發(fā)射光譜，可以看出連續(xù)背景和線狀譜的時(shí)間演化。在等離子體初期7 ns 時(shí)刻，連續(xù)背景占主導(dǎo)位置；在22 ns 時(shí)刻，連續(xù)背景減弱，開始出現(xiàn)線狀譜，主要是不同元素的離子線，此時(shí)的離子線比原子線強(qiáng)；在170 ns 時(shí)刻，連續(xù)背景已經(jīng)很弱，線狀譜占主要地位，此時(shí)的離子線已經(jīng)開始減弱，原子線開始變強(qiáng)；在700 ns 時(shí)刻，離子線的強(qiáng)度已經(jīng)很弱，線狀譜主要是由原子線組成；2 μs 時(shí)刻，光譜中離子線已經(jīng)完全消失，只剩下原子譜線；3 μs 時(shí)刻，原子線強(qiáng)度已經(jīng)減弱至光譜儀的探測(cè)限以下。

2.3 光譜信號(hào)的時(shí)間演化

為了便于分析，選取鋁鋰合金等離子體連續(xù)背景（481.39 nm 位置）、鋁原子譜線Al I 396.15 nm、一價(jià)鋁離子Al II 358.69 nm、二價(jià)鋁離子Al III 451.26 nm、鋰原子譜線Li I 670.78 nm 和一價(jià)鋰離子Li II 548.36 nm作為分析對(duì)象，圖5 給出了連續(xù)背景和不同元素特征譜線的時(shí)間演化?？梢钥闯?，不同譜線維持時(shí)間有所不同，在～1 μs 內(nèi)均已降低到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃?，因此等離子體的發(fā)光時(shí)間為1 μs 左右。

圖5 連續(xù)背景、A1 I 396.15 nm、Al II 358.69 nm、Al III 451.26 nm、Li I 670.78 nm 和Li II 548.36 nm 光譜強(qiáng)度隨時(shí)間的演化Fig.5 The spectral intensity of the continuum radiation， A1 I 396.15 nm， Al II 358.69 nm， Al III 451.26 nm， Li I 670.78 nm and Li II 548.36 nm as a function of delay time

從圖5 中可以進(jìn)一步看出在真空下激光燒蝕鋁鋰合金等離子體中不同輻射過程的時(shí)間尺度。連續(xù)發(fā)射光譜主要在早期30 ns 內(nèi)，Al III 451.26 nm 的發(fā)光區(qū)間為10～100 ns，峰值在40 ns，維持時(shí)間～100 ns；Al II 358.69 nm 的發(fā)光區(qū)間為10～200 ns，峰值在50 ns，維持時(shí)間～170 ns。離子譜線的下降伴隨著原子譜線的上升，Al I 396.15 nm 大約是在20 ns 后開始出現(xiàn)，隨著等離子體膨脹過程信號(hào)先增大后減小，原子線的強(qiáng)度在60 ns 達(dá)到最大值，并存在一個(gè)較長(zhǎng)的拖尾，發(fā)光時(shí)間約為1 000 ns，該拖尾的存在暗示了有其他能級(jí)或者離子復(fù)合產(chǎn)生了激發(fā)態(tài)Al 原子。觀測(cè)到不同元素原子譜線和離子譜線發(fā)射時(shí)間存在較大不同，離子譜線壽命低于原子壽命譜線。

總之，等離子體輻射譜線中，連續(xù)譜線主要產(chǎn)生于輻射初期，且存在時(shí)間短；隨著時(shí)間的推移，連續(xù)背景光譜強(qiáng)度迅速減小，此時(shí)明顯的分立譜線即特征譜線開始出現(xiàn)。在連續(xù)背景光譜衰減的同時(shí)，離子譜線強(qiáng)度逐漸達(dá)到最大，然后開始衰減直至消失。離子譜線和原子譜線的時(shí)間演化規(guī)律不同，原子譜線以較慢的速度增大，然后逐漸減小，比離子譜線強(qiáng)度減小得更慢，可以持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。這是由于離子相對(duì)于激發(fā)態(tài)原子處于更高的電離態(tài)，衰減地更快，而原子可由離子復(fù)合產(chǎn)生從而存在的時(shí)間更長(zhǎng)。從光譜信號(hào)時(shí)間演化分析還可以看出，連續(xù)發(fā)射光譜主要在早期30 ns 內(nèi)，50 ns 連續(xù)背景基本上降低到相當(dāng)?shù)偷乃?，線狀譜仍然保持較高的水平。因此為降低連續(xù)背景對(duì)信號(hào)的影響，門延遲時(shí)間選擇在50 ns 后以獲得質(zhì)量較高的光譜。

2.4 空間分辨光譜及分布（時(shí)間積分）

圖6 是當(dāng)門寬為10 μs 時(shí)，30 ns 時(shí)刻鋁鋰合金等離子體發(fā)射光譜的空間分布圖，其X軸是波長(zhǎng)，Y軸是等離子體的徑向空間位置?？梢杂^察到，等離子體在真空膨脹過程中，其中各類物種發(fā)光區(qū)域有顯著差異。

圖6 積分時(shí)間10 μs，門延遲30 ns 時(shí)刻鋁鋰合金等離子體中Al I、Al II、Al III、Li I、Li II 的空間分布光譜Fig.6 Spatial distribution spectra of Al I， Al II， Al III， Li I， Li II in aluminum-lithium alloy plasma at 30 ns， integrated time 10 μs

以 Al I 394.40 nm、Al II 559.33 nm、Al III 572.27 nm、Li I 610.36 nm 和 Li II 548.36 nm 為研究對(duì)象，研究了鋁鋰合金等離子體特征譜線的空間分布特征。如圖7 所示在30 ns 時(shí)刻，門寬為10 μs 時(shí)鋁鋰合金等離子體中兩種元素對(duì)應(yīng)的特征譜線的時(shí)間積分的空間分布，以對(duì)應(yīng)物種發(fā)光強(qiáng)度最大值的5%作為各自物種發(fā)光區(qū)域的邊界。

圖7 延遲時(shí)間30 ns、積分時(shí)間10 μs 時(shí) Al 和Li 譜線的空間分布Fig.7 Spatial distribution of spectral lines of Al and Li at delay time 30 ns， integrated time 10 μs

從圖7 可以看到，30 ns 時(shí)刻Al I 394.40 nm、Al II 559.33 nm、Al III 572.27 nm、Li I 610.36 nm、Li II 548.36 nm 的等離子體發(fā)光區(qū)域分別為：8.6 mm、5.6 mm、4.8 mm、6.9 mm、9.2 mm。對(duì)于Al 元素，等離子體發(fā)光區(qū)域：Al I>Al II>Al III，對(duì)于Li 元素，等離子體發(fā)光區(qū)域：Li II>Li I。

由于上述空間分布是時(shí)間積分結(jié)果，發(fā)光區(qū)域大小取決于發(fā)光時(shí)間和對(duì)應(yīng)物種擴(kuò)散速度，兩種機(jī)制的共同作用決定了發(fā)光區(qū)域的大小。由圖5（a）時(shí)間演化結(jié)果可以看出，Al 元素發(fā)光時(shí)間Al I>Al II>Al III，并且由表1 也看出發(fā)光時(shí)間短的上能級(jí)能量也較高，因此Al 等離子體中Al III 發(fā)光區(qū)域最小，Al II 次之，Al I發(fā)光時(shí)間最長(zhǎng)，擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)，發(fā)光區(qū)域最大。盡管我們?cè)谇捌诠ぷ饕呀?jīng)發(fā)現(xiàn)激光燒蝕等離子體過程中形成的“等離子體鞘層”對(duì)離子有加速作用［36，37］，由于不同物種對(duì)應(yīng)激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命差異較大，發(fā)光時(shí)間反而起主導(dǎo)作用。但由于Li II 和Li I 發(fā)光時(shí)間（壽命）差異較?。▓D5（b）可以看出），因此，相近發(fā)光時(shí)間下，發(fā)光區(qū)域大小取決于速度。由于瞬態(tài)鞘層的加速作用，離子速度大，因此相對(duì)于Li I 發(fā)光區(qū)域，Li II 發(fā)光區(qū)域較大。

2.5 粒子空間分布（時(shí)間分辨）及擴(kuò)散速度

為了探究原子和離子在等離子體膨脹過程的速度差異，圖8（a）～（f）分別給出了Al I 394.40 nm、Li I 610.36 nm、Li I 670.78 nm、Al II 559.33 nm、Li II 548.36 nm、Al III 572.27 nm 特征譜線在不同時(shí)刻的空間分布。需要提及的是，這里的空間分布均為時(shí)間分辨與前面的時(shí)間積分光譜有所不同，對(duì)應(yīng)的光譜門寬為3 ns 加上門延遲時(shí)間的10%。例如，延遲時(shí)間為60 ns 對(duì)應(yīng)的門寬為9 ns，延遲時(shí)間為330 ns 的對(duì)應(yīng)的門寬為36 ns。并進(jìn)一步繪制了原子譜線和離子譜線的對(duì)應(yīng)時(shí)刻和擴(kuò)張位置的關(guān)系，線性擬合得到了不同粒子在等離子體膨脹過程中的平均擴(kuò)張速度，如圖9 所示。表2 給出了鋁鋰合金中不同物種速度的匯總，也包括了另外額外三條Al 元素的特征譜線（Al I 396.15 nm、Al II 358.69 nm、Al III 569.66 nm）的擴(kuò)張速度。

表2 鋁鋰合金中兩種元素對(duì)應(yīng)原子和離子速度匯總Table 2 Summary of atomic and ion velocities corresponding to two elements in aluminum-lithium

圖8 Al I 394.40 nm、Li I 610.36 nm、Li I 670.78 nm、Al II 559.33 nm、Li II 548.36 nm、Al III 572.27 nm 特征譜線在不同時(shí)刻的空間分布Fig. 8 The spatial distribution of Al I 394.40 nm， Li I 610.36 nm， Li I 670.78 nm， Al II 559.33 nm， Li II 548.36 nm and Al III 572.27 nm at different times

圖9 兩種元素對(duì)應(yīng)原子和離子的速度擬合Fig. 9 Velocity fitting diagram of two elements corresponding to atoms and ions

可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種元素，離子速度大于中性原子速度，即Al III>Al II>Al I，Li II>Li I，這是由于在激光燒蝕過程中形成的等離子體鞘層對(duì)離子有加速作用。激光產(chǎn)生的等離子體主要通過電子-離子逆軔致輻射碰撞吸收納秒脈沖激光能量而形成，電子-離子的熱化時(shí)間（10-10～10-11s）比納秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間短得多，所以激光作用期間電子和離子雖可能處于熱平衡狀態(tài)。然而，由于巨大的質(zhì)量差異，電子速度會(huì)遠(yuǎn)高于離子速度，電子會(huì)更早地從樣品表面逃逸，導(dǎo)致樣品表面附近產(chǎn)生的電子和等離子體在空間上發(fā)生了電荷分離，這些電子少部分會(huì)逃逸，大部分被等離子體邊緣處的自生電場(chǎng)約束，形成了一個(gè)“瞬態(tài)鞘層”，前期研究已經(jīng)在激光燒蝕高Z 金屬W 等離子體中證實(shí)了電子逃離形成了“瞬態(tài)鞘層”的存在［36，37］。由于在等離子體鞘層中存在徑向電場(chǎng)，離子會(huì)受電場(chǎng)力的作用，因此同種元素中離子的速度大于中性原子的速度。對(duì)于不同元素的同種電荷態(tài)粒子速度差異，正常應(yīng)是質(zhì)量小的粒子速度較大，Li0+>Al0+，Li+>Al+，即“質(zhì)量分離效應(yīng)”。然而測(cè)量結(jié)果為，Al II 559.33 nm>Li II 548.36 nm >Al II 358.69 nm，而Li I 670.78 nm >Al I 394.4 nm ≈ Al I 396.15 nm>Li I 610.36 nm。質(zhì)量小的速度似乎并不總是大，粒子質(zhì)量差異導(dǎo)致的質(zhì)量分離效應(yīng)并不能完全解釋光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果。這可能是因?yàn)椋俣葴y(cè)量是利用某條光譜譜線測(cè)得，單一光譜可能不能代表某類物種的整體速度；另外形成等離子體過程中存在著各個(gè)復(fù)雜反應(yīng)，例如Al I 發(fā)光可能存在著較快的離子Al III 復(fù)合產(chǎn)生Al II，較快的Al II 與電子復(fù)合產(chǎn)生Al I，導(dǎo)致光譜結(jié)果可能存在著“偽加速”現(xiàn)象。需要說明的是，上述過程僅僅是一種推測(cè)性討論，涉及等離子體膨脹過程中更加復(fù)雜的物理化學(xué)過程，有待進(jìn)一步研究加以確認(rèn)。

3 結(jié)論

本文在10-5mbar 的真空條件下，以鋁鋰合金為樣品，在線性光纖束采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種同軸LIBS 系統(tǒng)。對(duì)鋁鋰合金等離子體發(fā)射光譜分別進(jìn)行時(shí)間積分和時(shí)空分辨測(cè)量，評(píng)估了等離子體發(fā)光時(shí)間～1 μs，發(fā)光區(qū)域大小～1 cm。同時(shí)研究了鋁鋰合金等離子體發(fā)射的時(shí)空演化行為，結(jié)果表明連續(xù)背景、不同元素的原子譜線和離子譜線隨時(shí)間的演化規(guī)律有所不同，并給出了激光燒蝕等離子體不同輻射機(jī)制的輻射時(shí)間尺度。觀察到了鋁鋰合金等離子體在真空膨脹過程中元素分布具有空間不均勻性。對(duì)于離子加速現(xiàn)象，利用“鞘層加速效應(yīng)”物理機(jī)制解釋了同種元素的離子速度大于其原子速度的結(jié)果。對(duì)于同種電荷態(tài)不同元素速度差異，利用“質(zhì)量分離”效應(yīng)以及較快的離子復(fù)合效應(yīng)進(jìn)行了討論。該研究為L(zhǎng)IBS 在EAST壁診斷的應(yīng)用提供了有用的信息，有助于深入理解激光燒蝕等離子體真空膨脹物理過程，同時(shí)為L(zhǎng)IBS 定量分析模型也提供了一定的參考。