等离子体电子温度的发射光谱法诊断

第 28卷 ，第4期 2 0 0 8年 4月 光 谱 学 与 光 谱 分 析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1．28，No．4，pp731-735 April，2008 等离子体电子温度的发射光谱法诊断 吴 蓉 。，李 燕h，朱顺官 ，冯红艳 ，张 琳 ，王俊德 1．南京理工大学化工学院现代光谱研究室，江苏 南京 210014 2．巢湖学院化学系，安徽 巢湖 238000 摘 要 电子温度是 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征等离子体性质的一个重要参数。由于等离子体放电过程非常复杂，要实时准确测 定其电子温度值非常困难。发射光谱法作为一种等离子体诊断技术，因其所使用的仪器相对简单，并采用非 接触测量，灵敏度高，响应速度快，可广泛地应用于各种等离子体性质的研究和参数的诊断。文章介绍了测 定等离子体电子温度的双谱线法、多谱线斜率法、等电子谱线法、Saha-Boltzmann法、谱线绝对强度法等多 种发射光谱法，同时综述了这些方法在等离子体电子温度诊断中的应用，旨在为实际过程中选择合适的等 离子体诊断方法提供参考。 关键词 等离子体；电子温度；发射光谱法；诊断 中图分类号：0657．3 文献标识码：A 文章编号：1000—0593(2008)04—0731—05 引 言 等离子体诊断是一项综合性很强的技术，其方法大体上 可分为主动式测量和被动式测量两大类l1 ]，主动式测量包 括探针 法、微 波法、阻抗测 量法 等，被 动式 测量 主要有 Thomson散射法、光谱法等 其中，光谱法作为一种非介入 诊断技术有着其他方法无可 比拟的优势[3]，它对不同尺寸、 均匀或非均匀等离子体等都可进行精确诊断，不仅适用于稳 态还可应用于瞬态等离子体的测定 。常用来诊断等离子 体参数的光谱法包括发射光谱法，激光诱导荧光法，吸收光 谱法，X射线光谱法等 ]，这些光谱法可以 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到等离子 体辐射所产生的多种电磁波谱，测量这些辐射，就可以获得 诸如等离子体的成分及其分布、电子密度、电子温度、离子 密度、离子温度和磁场分布等重要数据。发射光谱法因其所 使用的仪器相对简单，当前被广泛地应用于各种不同过程的 等离子体诊断及测试。本文就发射光谱法对等离子体电子温 度的测量原理及其在等离子体电子温度诊断方面的实际应用 做一综述，旨在为该参数的诊断提供参考。 1 双谱线法 根据原子发射光谱理论[”]，受激原子从高能级向低能 级跃迁时，将以光的形式辐射出能量，产生特定的原子光 谱。选择同种原子或离子的两条光谱线 ，在热力学平衡状态 (TE)或局部热力学平衡状态(LTE)下，两条光谱线的辐射 强度比满足下式 争一 exp卜 ＼ (1) 』 2 ^2g2^ 1 ＼ 』e ， 式中J 和Jz分别为两条谱线的发射光谱强度；A 和Az为跃 迁概率；gl和gz为统计权重； 和 z为两谱线的波长，E1 和B 为两谱线激发态能量，五为Boltzmann常数， 为等离 子体电子温度。参数A，g和E值可以从光谱常数表，化学或 物理常数手册中查到l1“ ]。通过实验测定出两条谱线的强 度后，代入相关光谱常数值，就可以获得等离子体的电子温 度。 刘大斌l1 等应用上述原理，建立了一套石英光导纤维 传输的瞬态实时双谱线测温系统，选用两条Cu原子谱线研 究了不同电压下导爆管起爆器的放电火花温度随时间的变化 规律，为电火花等离子体温度的测量提供了一种简单有效的 实时测定方法。杨栋l1 等，周新利l1。 9]等还将该测温系统 应用于炸药爆炸及一些瞬态等离子体测温方面，也取得了理 想的试验效果。 董丽芳l20]等采用该方法，测量了大气压氩气介质阻挡 放电中的等离子体电子温度。唐晓亮 。 。。 等，Ran[。。 等测量 了常压介质阻挡放电材料改性过程中的等离子体发射光谱， 选用氩元素两条原子谱线，由其相对强度比诊断该等离子体 的电子温度参量 ，以达到对材料表面改性过程的实时监控。 收稿日期：2007—01—29。修订日期：2007—05-08 基金项目：南京理工大学青年学者基金项目(Niust200303)资助 作者简介：吴 蓉，女，1 977年生，巢湖学院化学系讲师 e-mail：wurong@chc．edu．cn *通讯联系人 e-mail：yanli@mail．njust．edu．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 732 光谱学与光谱分析 第 28卷 Abdellatiff。 ]等，HuangE。 ]等在研究激光诱导等离子体 实验中，均采用该方法获得等离子体电子温度。结果表明该 方法要精确测量，所选择的两条谱线波长要求比较靠近，且 谱线具有显著的线性特征。 LarijaniI2。 等研究了高频直流放电条件下金刚石成核过 程中等离子体发射光谱，由Ha和gp的谱线相对强度比得 到等离子体的电子温度。 使用双谱线法进行测温时，需要知道跃迁概率等光谱参 数，但是这些光谱参数的理论计算值往往有很大的不确定 性，因此得到的电子温度可能会有较大的误差。实验中如果 能够选择可靠的光谱参数，改进计算方法及仪器设备等，可 以大大减少实验误差。 2 多谱线斜率法 多谱线斜率法是目前等离子体温度测量技术中采用最为 广泛的光谱方法[27 38]。从原子发射光谱原理 。 知，在 TE或 LTE状态下 In 一导+c (2) 其中 j是光谱线的相对谱线强度， 是光谱的波长，g是 谱线的上能级统计权重，A为跃迁概率，ED是上能级能量，k 是Boltzmann常数，丁是等离子体电子温度，c是常数。(2) 式表示ln(／2／gA)和ED成线性关系，使用某一原子的若干条 光谱线，测得它们的光谱线的相对谱线强度，绘成直线图求 其斜率，由此可计算出等离子体电子温度。 上式光谱参数的选择非常重要 ，一些研究小组[27-30]在用 该方法测量电热等离子体电子温度时，HankinsI2 ]等，Sue— da[。。 等，Kohel[。。 等均采用了文献[15]中的光谱参数值，处 理结果实验误差高达 17 ～3O ，而 Zhou_3。。等采用了文献 E14]中的光谱参数值，实验误差仅为6．5 。 Mildn[。1]等，NarayananE。。]等在研究激光烧蚀 Si等离子 体时，选用 si的多条原子谱线，采用文献E33]中的光谱参数 得到等离子体的电子温度。Dengc。 ]等也采用该法获得飞秒 激光脉冲下 Cu等离子体的电子温度。实验认为要减少该方 法的误差，选择的谱线需尽可能靠近，谱线强度适中，且有 可靠的跃迁概率及较大的上能级差等。 HamedE。 在研究空气一C2 Hz混合气体燃烧火焰产生的 等离子体温度时，选用了铁的 7条原子谱线。实验分别采用 12篇文献中的光谱参数值进行计算，认为，采用文献E36]所 得到的误差最小 ，其对应的电子温度值也最合理。实验还将 此方法与原子吸收光谱法进行比较，其结果也是一致的。 靳丽红E。 ]等也用该方法对激光等离子体的温度进行了 测量，并认为该测温方法的优点在于没有测量温度范围的限 制，同时由于是直接测量线辐射强度，光谱光源就是火焰本 身，光路上极具方便性。 屠昕_3。]等通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩等离 子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱，用该法计算得到 了射流的电子温度。 用多谱线斜率法测等离子体温度时，由于应用了多条谱 线的信息，因此测温精度较高。值得注意的是，用此类方法 测定温度的误差主要是由跃迁概率 A值的不准确性所引起， 所以实际应用中，第一，要查到可靠的跃迁数据；第二，谱 线应尽可能靠近，以减少检测系统的误差；第三，上能级激 发能之差要大一些以便提高温度测量的精确度。 3 等电子谱线法 近 1O年来发展起来的双示踪元素等电子谱线法是诊断 等离子体电子温度的一种新方法_39 ，它是利用原子序数略 微不同(△Z一1或 2)的两种示踪元素的等电子离子同一跃迁 谱线强度比来确定电子温度。 Marjoribanks[。 0]等认为该方法可用于电子温度小 于 100 eV以及大于 1 keV的等离子体的诊断，且不受电子密度 的影响，对光谱分辨率的要求也不高。 ShepardE 。 等将该方法应用于大尺寸激光等离子体电 子温度的测定，认为与传统的谱线强度法相比，对不透明 的、瞬态的及电子密度变化较大的等离子体不甚敏感，用于 此处非常合适。 BackE 。 等也选择该方法测定了激光诱导黑体辐射空腔 靶产生的等离子体电子温度，认为该方法是可靠的，并计算 出温度误差值在 1O％之内。陈波_44“ ]等选择 Mg和 Al作为 诊断示踪元素，并在局部热力学平衡条件下建立了双示踪离 子谱线强度比随电子温度变化关系，获得激光等离子体的电 子温度。 许华E 。 等在用该方法诊断电子温度的 Mg／Si混合膜制 备工艺研究中指出，此方法具有可靠性高、误差小等优点， 有利于提高诊断精度。 LiE “。]等认为用等电子谱线法诊断温度时，两示踪元 素的混合比和温度的灵敏度是两个关键的因素。为此他们做 了不同的实验，对温度的理论计算结果进行了比较，证实了 以上的结论。 与通常采用的单一示踪元素线强比方法比较，等电子谱 线法有两个显著的优点 ：第一，谱线强度比随电子温度的 变化关系对在确认离子占据机理及进行定量化处理时产生的 偏差不甚敏感，由线强 比确定电子温度的可靠性高；第二， 在一定范围内线强比几乎与等离子体电子密度无关 ，而主要 依赖于电子温度。并且，用于确定电子温度所比较的谱线通 常是两条较强的共振线，实验测量误差较小。因此，采用等 电子谱线法测量等离子体电子温度有利于提高诊断准确性。 4 Saha-Boltzmann法 在某些情况下，难以找到许多来自同一电离态的谱线， 或是这些谱线间的能级差很小而无法进行准确的电子温度测 定 ，这时可以考虑采用 Saha-Boltzmann法 。假定在 LTE条 件下，由 Saha-Boltzmann方程 。 得 工1 工2 g ! !皇 ! ： Azgz2t1 h。 e冲(一 (3) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期 光谱学与光谱分析 733 式中1，2分别代表相邻电离级次中的高和低级次， 为电子的静止质量，h为 Plank常数， 是 Boltzmann常数 ，E 为低电离级次的电离电势，AE为等离子体中由于相互作用 而产生的电离势的修正值， 为电子密度， 值可以通过对 谱线 Stark展宽的测量来计算得到。用 代替方程中的温度 T，通过实验得到两条谱线的相对强度 比后，从而可求得电 子温度。 Golightly[ 9]等认为在用该式进行计算时要注意波长是 否接近，是否可查到可靠的跃迁概率和是否存在光谱干扰 等。 Konjevic[ ]认为对此方程的应用，需在 LTE条件下，因 为对于同种元素不同电离阶段的谱线，由于能量通常变化很 大，相对谱线强度的方法非常灵敏。用该方法求等离子体的 电子温度具有一个明显的优点，那就是它比多谱线斜率法具 有更高的准确度，因为它可以选用不同电离态的发射谱线， 其上能级具有更大的能级差。 DesaiE ]等分别用该方法和朗谬尔探针法测定了低压氩 辉光放电等离子体的电子温度，比较两种方法，其结果非常 吻合，认为发射光谱法作为一种简单的、非介入的等离子体 诊断技术 ，用于电子温度的测定是非常可靠的。 Deng[。 等，Harilal【5 ]等在研究激光诱导等离子体发射 光谱时，认为同种电离态下的两条谱线其上能级差小，不能 依据此精确判断电子温度，提高其灵敏度可以选择同种元素 相邻电离态的谱线。 OhnoE 。]等在研究大气压力范围内射频电感放电产生的 等离子体时，认为在相对低的电子密度条件下，用多谱线斜 率法不能精确地测定电子温度，提出要准确地获得 电子温 度 ，可先通过 stark展宽法得到 电子密度后，再通过 Saha- Boltzmann方程得到。 Garcia[ 等，J∈rome[ 等还分别用此方法获得了大气压 力下Ar原子的稳态持续放电以及电感耦合等离子体(ICP) 的电子温度。 5 绝对谱线强度法 除了上述几种方法以外 ，谱线绝对强度法也可以用于等 离子体温度的测定。Yang[55]等从氩原子的跃迁和连续谱线 的绝对强度中获得等离子体的电子温度。Dor4 ]等将实验 得到的等离子体电子密度结合谱线发射系数，通过该方法获 得等离子体的电子温度。MaouhoubE ]等认为在 LTE状态 下，通过测定氢和碳原子谱线的绝对强度，再经过 Abel转换 可得出实验等离子体电子温度的径向分布。实验证明在热力 学平衡态下，绝对谱线强度法是一种 比较精确的测温方法， 但是对于处于热力学非平衡态的系统，它的精度与系统偏离 热力学平衡的程度密切相关。 6 结束语 光谱测量是一种简单而又常用的获取等离子体信息的手 段，也是一种实时、瞬态探测技术，其中发射光谱最容易实 现，长期以来在等离子体诊断中起着重要作用。需要注意的 是，测定电子温度的各种光谱数据技术需以满足某种局部平 衡条件为前提。通过发射光谱法诊断等离子体的电子温度， 可进一步理解等离子体内部的反应机制，这些光谱法的应 用，也为等离子体的参数诊断提供了有力的手段。 参 考 文 献 [1] Orlando Auciello，Daniel L Flamm，FA．Translated by ZHENG Shao-bai，HU Jian-fang，GUO Shuding，et al(郑少白，胡建芳，郭淑静， 等译)．Plasma Diagnosuies(等离子体诊断)．Beijing：Publishing House of Electronics Industry(：tl',京：电子工业出版社)，1994． [2] XIANG Zhi-lin，YU Chang-xuan(项志遴，俞昌旋)．Diagnostics of High Temperature Plasma(高温等离子体诊断技术)．Shanghai： Shanghai Scientific and Technical Press(上海：上海科学技术出版社)，1982． 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Emission Spectroscopy Diagnostics of Plasma Electron Temperature WU RongI一，LI YanI ，ZHU Shun-guanI，FENG Hong—yanI，ZHANG Lin ，WANG Jun-de 1．Laboratory of Advanced Spectroscopy，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China 2．Department of Chemistry，Chaohu College，Chaohu 238000，China Abstract Electron temperature is one of the important parameters of plasma．It is very difficult tO measure the electron tempera— ture exactly and instantly owing tO its complexity during discharge．As a plasma diagnostics technique，emission spectroscopy is widely applied in the study and diagnosis of any kind of plasma ，because of its simple instrument system，noninterference of measurement，high sensitivity and faSt responsibility．In the present paper，some methods for plasma electron temperature diag- nosis，such as two lines method，muhiline slope method，isoelectronic line method，Saha-Boltzmann equation，absolute intensity method，were introduced．And the applications of these methods were reviewed tO provide reference for choosing appropriate methods in practice． Keywords Plasma；Electron temperature；Emission spectroscopy；Diagnostics *Corresponding author (Received Jan．29，2007；accepted May 8，2007) 《光谱学与光谱分析》2008年征订启事 欢迎投稿 欢迎订阅 《光谱学与光谱分析》1981年创刊，国内统一刊号：CN 11—2200／o4，国际标准刊号：ISSN 1000- 0593，CoDEN码：GYGFED，国内外公开发行，大 16开本，240页，月刊；是中国科协主管，中国光学 学会主办，钢铁研究总院、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学共同承办的学术性刊物。北京大 学出版社出版，每期售价 30．00元，全年 360元；国内邮发代码 82—68，国外发行代码 M905。刊登主要内 容：激光光谱测量、红外、拉曼、紫外、可见光谱、发射光谱、吸收光谱、X射线荧光光谱、激光显微光 谱、光谱化学分析、国内外光谱化学分析领域内的最新研究成果、开创性研究论文、学科发展前沿和最新 进展、综合评述、研究简报、问题讨论、书刊评述。 《光谱学与光谱分析》适用于冶金、地质、机械、环境保护、国防、天文、医药、农林、化学化工、商 检等各领域的科学研究单位、高等院校、制造厂家、从事光谱学与光谱分析的研究人员、高校有关专业的 师生、管理干部。 《光谱学与光谱分析》为我国首批自然科学核心期刊，中国科协优秀科技期刊，中国科协择优支持基础 性、高科技学术期刊，中国科技论文统计源刊，“中国科学引文数据库”，“中国物理文摘”，“中国学术期刊 文摘”，同时被国内外的 CSCI，SCI，AA，CA，EI， ，MEDLINE等文献机构收录。根据国家科技部 信息研究所发布信息，中国科技期刊物理类影响因子及引文量 《光谱学与光谱分析》都居前几位。欢迎国 内外厂商在 《光谱学与光谱分析》发布广告 (广告经营许可证：京海工商广字第 8094号)。 《光谱学与光谱分析》的主编为黄本立院士。 欢迎新老客户到全国各地邮局订阅，若有漏订者可直接与光谱学与光谱分析期刊社联系。 联系地址：北京市海淀区学院南路 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