（等离子体物理专业论文）静电探针和发射光谱技术在等离子体诊断中的应用.pdf

摘 要 摘要 随着能源，材料，航天和电子等相关领域的发展，人们对等离子体科学与技 术的需求日益广泛，而等离子体参数的准确诊断是实现技术应用的前提。由于等 离子体参数变化范围很大( 电子密度范围1 0 3 1 0 2 0 c m ，电子温度范围1 0 0 0 1 0 9 k ) ，导致不同状态下的等离子体性质差异很大。所以我们很难建立一种通用 的诊断方法。如今，在电子学，光学，微波技术蓬勃发展的基础上，人们针对不 同的等离子体或等离子体参数发展了许多诊断方法，它们各有优势和局限。对于 低温等离子体，静电探针和发射光谱是较为常见而有效的诊断手段。本论文即围 绕这个主题展开。 本论文涉及的等离子体主要是低温、低密度、无磁场的等离子体，但某些特 殊环境情况下需要考虑流场环境对等离子体参数的影响。我们开展诊断工作前广 泛调研了国内外相关文献，认真总结了前人的工作经验。我们力图从最基本的理 论和方法出发，结合对象特点对传统的方法进行改进和修正，以期得到合理的实 验结果。 文章的主要内容如下： 1 ，调研有关静电探针和发射光谱诊断的文献，分析各种方法的特点和使用 范围，并了解诊断实验中需要注意的技术细节。具体内容包括，静电探针( 朗缪 尔探针) 的基本原理和诊断参数；单探针，双探针，三探针和发射探针各自的特 点和使用范围：静电探针理论的局限性和不同条件下的修正方法；探针实验中需 要注意的技术问题等。等离子体辐射原理和线谱辐刺跃迁机制；谱线展宽原理； 等离子体发射光谱的诊断方法：发射光谱诊断中需要注意的问题等。 2 ，根据项目要求，我们研制了可以十个通道同时实时采集的阵列探针。针 对常用分立元件搭建的探针系统存在集成度低、抗干扰能力差、携带和操作不便 等缺点，我们开发的阵列探针系统具有高集成度，优良的电气性能，工作参数可 调节等特点，很好地满足飞行环境下等离子体流场诊断的要求。我们用m a t l a b 软件编写了探针曲线分析软件，实现了数据处理的自动化。我们还搭建了发射光 谱诊断系统，利用j o b i ny e o n 公司生产的t r 5 5 0 型光栅光谱仪配合光纤和成像 摘 要 透镜组成的光学系统，实现对可见光波长范围内的等离子体辐射的采集工作。以 上两套系统在气体工质等离子体发生器产生的喷流流场的诊断试验中发挥了重 要作用，初步获得了流场的信息。 3 ，粉末激波管内电离气体的诊断实验中，考虑到此种等离子体生存时间很 短( 毫秒量级) ，我们选择三探针作为诊断工具并设计了尖劈型的探针支架，以 减少测量系统对激波的干扰。同时，我们开发了高速数据采集系统用以采集探针 信号。激波管内超声速流场的特点也使得传统的探针曲线处理方法不再适用，我 们通过调研相关的文献利用类比的方法对原理论进行修正。我们获得了粉末激波 管内等离子体电子密度和电子温度，并与理论估计的结果相符合。 4 ，我们开展了对某型号固体燃剂等离子体发生器性能的诊断工作。利用热 电偶，阵列探针和发射光谱三套系统，对该发生器的工作性能进行了的检测，获 得了很好的结果。这为该发生器的使用和性能鉴定提供了可靠依据，为进一步的 发生器参数的改进工作提供了实验基础。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs o u r c e ，m a t e r i a l ，a i r c r a f ta n de l e c t r o n i c ss c i e n c er e q u i r e s m o r ew i d e l ya p p l i c a t i o n so fp l a s m as c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dt h ed i a g n o s i so f p l a s m a sp a r a m e t e r si st h ef i r s ts t e po fa p p l i c a t i o n t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p l a s m a s c h a r a c t e r i s t i c s a r es i g n i f i c a n ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s ot h e r ei sn o ta u n i v e r s a lm e t h o df o r d i a g n o s i sa l lo fp l a s m a s ，w h o s e e l e c t r o nd e n s i t yr a n g e f r o m10 3c m - 3t ol0 2 0c m 一3a n de l e c t r o nt e m p e r a t u r er a n g ef r o m10 0 0 kt ol0 9k f o rt h e l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m a ，l a n g m u i rp r o b ea n do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y a r e c o m m o na n de f f e c t i v em e t h o d s ，w h i c hw i l lb ed i s c u s s e db e l o wi nt h i st h e s i s w ef o c u so u ra t t e n t i o no nt h ep l a s m a ，w h i c hi sl o w - t e m p e r a t u r e ，l o w - d e n s i t ya n d n o n - m a g n e t i c ，a n dt h ee f f e c to f f l o ws h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti ns o m e c o n d i t i o n s w eh a v el o o k e do v e rp l e n t yo fa r t i c l e si nr e l e v a n tf i e l d o u rd i a g n o s i si sb a s e do nt h e c l a s s i c a lm e t h o da n ds k i l l sw i t hs o m em o d i f i c a t i o n si fn e c e s s a r y t h em a i nc o n t e n t s i nt h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w ： 1 ，t h ep r i n c i p l ea n dd e t a i l e ds k i l l so fl a n g m u i rp r o b ea n do p t i c a le m i s s i o n s p e c t r o s c o p yh a v eb e e ns t u d i e d s u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep r o b e ，d o u b l e p r o b e ，t r i p l ep r o b ea n de m i s s i o np r o b e ，h o wt om o d i f yt h ec l a s s i c a lp r o b em e t h o d s ， d e t a i l e ds k i l lt i p si np r o b ed i a g n o s i s ，t h em e c h a n i s mo fp l a s m ar a d i a t i o n ，t h e m e c h a n i s mo fl i n es p e c t r u mb r e a d t h ，d i a g n o s i sm e t h o du s i n go p t i c a le m i s s i o n s p e c t r o s c o p y , d e t a i l e ds k i l lt i p si ns p e c t r u md i a g n o s i s 2 ，at e n - c h a n n e lp r o b ea r r a yw a sd e v e l o p e dt om e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s t h en e ws y s t e m sa r es u p e r i o rt ot h ef o r m e ro n e si nt h ef a c t st h a ti ti so fh i g h l y c o m p a c ts t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tt os c h l e p ，c a na d a p tt om a n yc o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t s d u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c ee v e nu n d e rs t r o n gd i s t u r b a n c e 、i t hs c a nf r e q u e n c ya n d s a m p l i n gf r e q u e n c ya d j u s t e di naw i d er a n g e m o r e o v e r , t h ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r ei n m a t l a bw a sd e v e l o p e df o rt h i ss y s t e m ，w h i c hc a np r o c e s sd a t ae f f e c t i v e l y a no p t i c a l e m i s s i o ns p e c t r o s c o p ys y s t e mw a se s t a b l i s h e du s i n gas p e c t r o m e t e r ( j o b i ny e o n t r 5 5 0 ) ，q u a r t zf i b e r s ，a n dl e n s w i t ht h i ss y s t e m ，p l a s m ar a d i a t i o n si nt h ev i s i b l e a b s t r a c t r a n g ec a nb eg a t h e r e da n da n a l y z e de a s i l y t h e s et w os y s t e m sw e r ea p p l i e dt o d i a g n o s et h ep l a s m af l o wf i e l d sg e n e r a t e db yag e n e r a t o ru s i n g a r g o ng a sa sw o r k i n g m e d i u mt oa c q u i r et h es e c t i o np a r a m e t e r s 3 ，t h ep a r a m e t e rd i a g n o s i so fi o n i z a t i o ng a si nas h o c k w a v et u b ew a sc a r r yo u t w i t l lt h et r i p l ep r o b ea n dh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u eb e c a u s eo ft h es h o r t l i f et i m eo ft h i sp l a s m a m o r e o v e r ，t h eh i g hv e l o c i t yi nt h es h o c k w a v et u b em a k e st h e c l a s s i c a lm e t h o df o rp r o c e s s i n gp r o b ec u r v eo u to fw o r k ，s or e l e v a n tm o d i f i c a t i o n s w e r e ，n e c e s s a r y t h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ea l eo b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t ，a n dt h e s er e s u l t sw e r ei na c c o r dw i t ht h et h e o r ya s s u m p t i o n 4 ，t h et e s tf o rt h ef u n c t i o np r o p e r t yo fap l a s m ag e n e r a t o rw i t hs o l i df u e lw a s p r o c e s s e du s i n gt h r e ed i a g n o s t i cs y s t e m s ：at h e r m o c o u p l ef o rm o n i t o r i n gt h e t e m p e r a t u r eo ft h eb u r n i n gc h a m b e r t h eo e sg a t h e r i n gt h es p e c t r u mi nt h ev i s i b l e r a n g e r a d i a t e df r o mt h ep l a s m a ，t h et e n c h a n n e l p r o b ea r r a yd i a g n o s i n g t h e d i s t r i b u t i o n so ft h ee l e c t r o nd e n s i t ya n de l e c t r o nt e m p e r a t u r ei nt h ef l o wf i e l d t h i s w o r kp r o v i d e sr e l i a b l ed a t af o r t h e a p p r a i s a la n df u r t h e ru p g r a d eo ft h i st y p eo f p l a s m ag e n e r a t o r 4 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字e t 期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， 函公开 作者签名： 签字日期： 导师签名： 替嗍：气业丛 第一章引言 第一章引言 “等离子体”一词首先由朗缪尔在提出，他长期从事气体辉光放电的研究工 作并于1 9 2 8 年将放电产生的电离气体命名为等离子体。通常，等离子体被人们 称为物质的第四态，比如日光灯、等离子体显示器、电弧的高温部分等都是生活 中常见的等离子体。在地球以外的宇宙空间，等离子体是几乎所有可见物质的存 在形式。据印度天体物理学家沙哈计算，宇宙中9 9 9 的物质均处于等离子体状 态。什么是等离子体? 一般性定义为：等离子体是由大量的正负带电粒子组成的 电荷呈准中性的体系，并具有宏观的时间和空间尺度。 常见描述等离子体的方法有三种，单粒子模型( 研究等离子体作为独立粒子 在电磁场中的运动特征，忽略其“集体效应”和其对电磁场的反作用) 流体模型 ( 将等离子体看作电磁流体，利用流体方程结合麦克斯韦方程描述) 和动理学方 法( 在统计力学背景下，研究粒子分布函数和动理学方程) 。这三种方法各有特 点，基本上可以表征不同状态下等离子体的特征。但是，等离子体终究是一门实 验科学，任何理论或模拟结论终究要回归到实验上去。经过实验验证的理论才是 正确的理论，能够预测实验或指导实验方向的理论结果才是有用的结果。当然， 人们从事等离子体科学实验也仅是研究过程的一个过渡，将等离子体科学转化为 技术手段和应用成果才是研究的最终目的。 如今，等离子体技术已经应用于诸多专业领域。在能源领域，核聚变一直是 一个令人瞩目的具有诱人前景的方向，而各类等离子体光源和显示设备则已经在 生活中随处可见；在材料领域，等离子体刻蚀、表面改性、气相沉积是现代工业， 尤其是微电子业的关键技术；在军事方面，特别是航空航天领域，诸如等离子体 隐身、等离子体天线，等离子体诱饵等等倍受关注。 不同的应用领域，对等离子体参数有着不同的要求，而实现等离子体参数的 正确诊断是一切应用的依据和出发点。因此，不断发展和完善各种等离子体诊断 方法和诊断技术具有重要意义。 迄今，等离子体的诊断方法有很多，分类方法也莫衷一是。从研究对象角度 可以分为，等离子体通量诊断、等离子体折射率( 介电常数) 诊断、等离子体辐 第一章引言 射诊断，等离子体粒子诊断等等。更常见的分类方法是从诊断技术角度，包括探 针诊断( 静电探针、磁探针、焓探针和马赫探针等) ，光谱诊断( 发射光谱、吸 收光谱和激光诱导荧光光谱等) ，微波和激光诊断( 二f 涉测量，散射测量) ，质谱 诊断等。我们又可以将诊断方法按介入式诊断和非介入式诊断分成两大类。探针 是典型的介入式诊断方法实验中探针需要直接与等离子体接触采集电信号；而 发射光谱则是典型的非介入式测量手段，一般情况下，只需用光学仪器被动收集 等离子体辐射信息即可。 本文不可能对所有的诊断方法都给予介绍，结合作者硕士期间的工作特点， 选择其中两种诊断方法一二一静电探针和发射光谱进干亍较详细讨论。但是这个主题 ， 仍旧显得空泛，作者再加入以下限定内容，进一步明确其研究对象的特征。 1 ，诊断对象是低温、低密度无磁场( 或磁场影响可盼忽略) 等离子体， 但在特殊环境下需要考虑流场恃征。 2 ，选用的静电探针仅仅是一根圆柱形的金属钨丝外接相应探针回路， 材料本身没有任何特别之处。诊断也只关注等离子体电子密度和电 子温度等常规信息。 3 ，等离子体辐射诊断限 j i f 在可见光( 4 0 0 r a m 至7 6 0 h m ) 波长范围内， 且只研究线状发射光谱。没有使用任何激励和诱导设备，实验时只 是被动收集等离子体辐射信息。 按照本文的行文思路，第二、三和四章将遵循“诊断原理诊断实验一一 应用案例 的思路展开。让我们尽快翻过这一页，开始了解文章的主旨吧。 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 2 1 静电探针诊断原理 2 1 1 静电探针的经典理论 静电探针，又称为朗缪尔探针【1 ，2 1 ，是一种古老的诊断手段，自1 9 2 3 年 l a n g m u i r 和m o r t s m i t h 首次利用探针诊断等离子体参数至今，这种诊断技术已 有八十多年历史了。现在，人们根据不同需求发展出了各种各样的探针，但它们 的基本原理与朗缪尔使用的第一根静电探针没有本质区别。 经典的单探针结构简单，它往往只是一根金属丝，除端点工作部分外，其它 部分都套着陶瓷或玻璃等绝缘体( 如图2 1 所示) 。探针相对与等离子体加上一 定的偏置电压( 图2 1 中利用“扫描电源 ) ，并相对于某参考电极构成回路。探 针所加的偏置电压与收集的回路电流( 图2 1 中利用取样电阻两端的电压差信号 转为电流信号) 构成探针伏安特性曲线，我们再依照某些理论假设对曲线进行处 理，从而获得探针附近局域区间的等离子体参数。 图2 1静电探针诊断系统框图 探针诊断的适用条件也很宽松。一般情况下，当等离子体参数的量级在以下 范围内我们均可以选择探针作为诊断手段【3 1 ，等离子体电子密度从1 0 2c m 3 到 1 0 1 3 c m 。3 ；电子温度从0 1 e v 到l o o e v ；等离子体电位从0 1 v 到1 0 0 0 v 。 使用探针前，我们需要对探针和等离子体性质做一些假设。假设条件如下， 9 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 电中性条件，即等离子体宏观电中性；等离子体的平均自由程远大于探针尺度； 等离子体是“冷”的，即电子温度远大于离子温度：探针尺度远大于德拜半径； 电子、离子速度分布函数为麦氏分布，或者至少应满足离子迁移率为0 ：探针鞘 层外的等离子体不受探针干扰；无磁场或磁场作用可以忽略；探针的二次电子发 射、复合、次级中性粒子等效应的影响均可忽略；等离子体的电离度不大于 1 0 - 4 【4 1 。 实验中我们还需要考虑一些技术细节。例如，采用圆柱形探针时，要选择合 适的长径比从而消除探针端部效应的影响；又如，回路中采样电阻阻值和扫描频 率的选择问题，特别对于较高的扫描频率，探针回路中采样电阻的电感和电容效 应将对信号产生影响；还有探针信号的屏蔽( 空间电磁干扰) 和滤波( 软件滤波 和硬件滤波) 技术等等。 基于上文理论假设，我们可以利用采集的探针伏安特性曲线( 如图2 2 所示) 获得若干等离子体参数，如电子密度他、电子温度( 或尼t ) 、空间电位圪、 悬浮电位，电子能量分布函数( s ) 等等【5 , 6 】。处理方法如下所列： l l a n g m u i r f i i 单探针曲线 ， i i l | l i 圪i ： 虼s c a n p r o b e l i i f 图2 2 典型的单探针曲线 探针收集的电子饱和流和离子饱和流为， 彳1 嘱眨1 峨赝， ( 2 - ) 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 f l a t = p 碍可s ， ( 2 - 2 ) 4 其中，r ，r 表示电子和离子饱和流；p 为电子电荷，为电荷质量，疋，s 为 探针收集电子流和离子流的有效收集面积，s 可以视为探针表面积，而在偏压不 是很大时，也可以做此近似。若要更精确的讨论探针收集面积问题，需要考 虑探针鞘层的作用。 等离子体电子温度可以由下式求得： 圮= ( 2 3 ) 即，通过半对数曲线l n ( ，+ 矿) 一0 的直线部分的斜率求得z ；由( 2 1 ) 式推出电 子密度，而等离子体电位由探针曲线的拐点得出，我们也可以使用离子饱和流来 计算密度( 公式2 4 ) ： = c t n ，乃璧s ， ( 2 4 ) 式中的系数口取值在0 4 1 之间，z 为离子电荷数。再根据等离子体的电中性假 设，即可认为电子密度心。 电子能量分布函数应该服从麦克斯韦分布，计算方法是根据d r u y v e s t e y n 公 式【7 1 ， 蹦s = - e v ，= 薏c 秽嘉， 协5 ， g 。( 占) ：s g 口( 占) ， ( 2 6 ) 式中g p ) 为e e p f ，p ) 为e e d f ，a p 为探针收集面积，为电子能量。从( 2 - 5 ) 式中可以看出，e e p f 与d 矿2 成正比。 等离子体空间电位可以从探针曲线在过渡段与电子饱和段的拐点处得到，即 对探针曲线滤波平滑后，由d i d v 最大值点获得等离子体空间电位的信息。但是 一般这样得到的空间电位比实际值要小，一个更为常用的做法是利用发射探针。 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 2 1 2 其它类型的探针 为了满足不同的等离子体环境需求，人们从基本的单探针模型出发，设计发 双探针，它只是将单探针电路中的参考电极换作另一根探针【4 】。理想条件是 两根探针完全相同( 而当两根探针面积相差很大时，双探针就成为单探针了) 。 实验时，因为两根探针距离较近，可以认为它们所处的局部等离子体是均匀的( 具 有相同的等离子体参数) ，因而我们获得的伏安特性曲线也应该是对称的( 如图 2 3 所示) 。其探针回路中的电流和电压满足公式( 2 - 7 ) ( 2 1 0 ) ： i d = i 嚣一i e 2 = i 一i 嚣， ( 2 _ 、) = k k ， ( 2 8 ) 小1 肌x p ， 协9 ， 驴扣趴x p ， 协 式中，下标1 ，2 为两根探针的标号，为两根探针间的电位差，厶为双探针回 电子温度可以由双探针曲线l = 0 处的斜率求得： 弘藐 ( 2 1 1 ) d y i ，一。 然后可以用公式( 2 - 1 2 ) 得到电子密度值： m2 丽面两瓦r 1 2 ( 2 1 2 ) 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 jk p r o b e 典型 c u r r e n t l a n g m u i r i 嚣 双探针曲线 厂 ， s c a np r o b e ! 遥 图2 3 典型的双探针曲线 与单探针相比，双探针测量电子温度可以避免空间电位变化造成的影响，且 在有磁场的情况下，磁场对双探针曲线影响也比较小【8 】。同时，双探针主要通过 离子饱和电流来计算电子密度，与单探针利用电子饱和电流计算电子密度相比干 扰要小得多。因此，双探针被广泛应用于射频放电等离子体和空间等离子体的诊 断中。 三探针【9 1 ，它是由一根单探针( p 2 ) 和一对双探针( p 1 和p 3 ) 构成( 如图 2 4 所示) 。其中，单探针悬浮在等离子体中，双探针之间则加有足够大的偏压 v b 。实验中，我们收集探针p 2 和p l 间的电压信号和流经探针p 3 和p l 回路内 的电流信号( 通过采样电阻r s 获得) 。 p 2 p 1p 3 图2 4 典型的三探针系统示意图 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 与双探针类似，我们假设三根探针完全相同，且它们测量的局域等离子体参 数也是相同的。设流经三根探针的电流分别为，厶，厶。探针p 1 和探针 p 3 间加一个足够大的偏压( p 1 为高电位) ，设它们的偏压分别为k ，巧。探 针的电子饱和流和离子饱和流分别为r 和r 。第三根探针为悬浮探针，悬浮 电位为。三根探针的电流电压如下公式( 2 - 1 3 ) 一( 2 - 1 5 ) 所示： 另外，探针回路中电流的约束关系为 o = = 厶， 电压的约束关系为， 矿移唧， ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) = k 一巧， ( 2 - 1 8 ) p 1 和p 3 间足够大的偏压可以写为k _ l ； 解上述方程，我们可以获得电子温度与电子密度的计算公式( 2 1 9 ) 和( 2 - 2 0 ) ： 坦= 丽e ( k 一吩) ，( 2 - 1 9 ) 铲磊一o ，q 圳 口p e 4 e x p ( 二 彳上) 一1 】 三探针与单、双探针相比，其优点在于探针回路中无需扫描电压( 探针p 1 和p 3 之间为足够大的固定偏压) 。对于特殊情况下生存时间很短的等离子体，扫 描探针已经不能满足需要，这时三探针则可作为一种合理的诊断手段。另一方面， 三探针应用也存在一些技术问题，这主要体现在悬浮探针p 2 上( 直接影响p 1 和p 2 之间的电压信号) 。等离子体放电过程中，p 2 极容易受电磁干扰。我们曾 1 4 r 竺t ， 一 p 一七 、。，。“1l 、k一乙 婶 e 卜 ，r、 ， 0 叫r 户 争 俨 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 发射探针主要用于测量等离子体空间电位【1 0 ，1 。根据灯丝加热到一定程度会 l r 0 = e a , t w 2 e x p ( 一争吨 ( 2 2 1 ) 式中，l 。加为饱和发射电流，a 为探针发射常数，4 为探针收集面积，a w 为 功函数，瓦为热丝温度，e 为电子电荷。 l = l i + ( v - v p ) t 。 2y 圪， ( 2 2 2 ) l = l e x p ( v 一) 乙】v 0 ， ( 2 2 3 ) 乙订= 一l ov ， ( 2 - 2 4 ) 厶j f = l 加e x p - ( v - v p ) t w 1 + ( v 一) 瓦】2v ，( 2 - 2 5 ) ，= z o i + ( v - v p ) t 。 “2 一乙打ov ，( 2 - 2 6 ) ，= l i + ( v - v p ) t 。 2 一l i f o e x p - ( v - v p ) t w 1 + ( v - v p ) t , , , 2v 巧， 嘉寺e x p ( 等 哗心瑚， 争每( ，+ 半产等e x p ( 一半取+ 等九- + 等列 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 y ( 2 2 9 ) 猁，可以看到在y = 处，西册存在一个值为( 等+ 等) 脚峰配5 所示) 。 v ，v ( v ) p 图2 5 强发射下，柱状发射探针收集流对偏压的微分( d i d v ) 【l l 】 由图2 5 可知，等离子体电位两侧存在间断。以上推导是针对探针强发射条 件的，但此时发射探针附近就会存在强的空间电荷效应。实际上由于空间电荷效 应，探针发射电流和收集电流都会有所减少，从而可以抵消这个间断。但在等离 子体电位附近应存在一个极大值。当探针发射不是很强，空间电荷效应不是很明 显时，探针的伏安特性曲线的导数存在一个极大值，这个值对应得电位就是等离 子体电位。这种测量等离子体电位的方法称为拐点测量法。 2 1 3 探针诊断需要注意的几个问题 探针材料一般选择熔点高，耐腐蚀的金属，如钨丝，不锈钢丝，镍丝和钽丝 等等，某些低温低密度等离子体，我们可以使用铜丝做探针【8 1 。金属探针要悬在 玻璃或陶瓷等绝缘管中，由于探针材料的溅射，绝缘管和探针接触，测试时，应 防止探针的表面形状的变化和漏电流的增加。探针与外电路焊接工艺也应注意。 特别是发射探针，工作时探针上载有安培量级的电流，这就要求焊点尽量小，以 减少电流的热效应。探针的尺寸选择要兼顾测量精度和加工工艺两方面。从空间 1 6 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 分辨上看，探针尺寸越小越好，可以减少对等离子体的干扰。但是尺寸太小，加 大了制作工艺上的困难。通常，我们多采用直径为零点零几至零点几毫米，长度 为几毫米的圆柱形探针。 探针污染一般指等离子体中各种杂质在探针表面的沉积，也包括实验过程中 探针表面形成的各种氧化层。这些污染会使探针表面形成一个电阻层，直接影响 我们的测量结果( 电子温度偏高) ；但污染更为严重时，我们根本无法测量正常 的探针信号。清洗探针主要有两种方式，一是在制作探针时对金属材料进行化学 清洗，以除去其表面的油污，二是在实验前对探针进行放电清洗( 探针上加几十 伏的偏压，使粒子轰击探针表面) 。 探针在等离子体流场中的应用。l a f r a r n b o i s e 1 2 , 1 3 , 1 4 等对稳态、无碰撞、麦克 斯韦分布的等离子体中的球探针和圆柱探针发展了一套精确的理论并得出完整 的模拟结果，成为自由分子流探针理论的经典。但是在流场中，这种理论的基本 假设可能并不满足或不完全满足，因而衍生出各种新的探针理论，如连续理论 ( c o n t i n u u mt h e o r y ) ，m a c l a t c h y 和s m i t h 1 5 】做了很多工作，p r s m y t l 6 , 1 7 】的多篇 文章系统研究了高气压流场中探针的应用。 2 2 发射光谱诊断原理 2 2 1 等离子体辐射原理 。等离子体的电磁波辐射分为如下几类：自由一自由过程：由做热运动的电子和 离子碰撞时电子在库仑场中被减速而产生的辐射，即轫致辐射，这种辐射呈连续 谱：自由束缚过程：电子和离子的碰撞而彼此复合起来而产生的辐射，即复合 辐射，这种辐射也是连续谱；束缚束缚过程：由原子中的处于较高的激发态的 束缚电子跃迁到较低能态而产生的辐射，这种辐射呈分立的线状谱。由于这种辐 射谱的波长位置完全取决于原子或离子的能级跃迁过程，故又称为原子或离子的 特征辐射1 4 j 。 本文主要的研究对象为气体放电产生的低温等离子体，其在可见光波长范围 内的辐射特征为连续谱强度很低，并且具有大量的谱型清晰的线状谱。因此，特 征谱线是我们关注的焦点。通过分析它们，我们可以获得等离子体的许多参数信 1 7 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 息。下面简要介绍一下特征辐射原理。 由量子力学原理知，物质与光场相互作用主要涉及三种过程，即自发辐射、 受激辐射和受激吸收，它们的作用机理如图2 6 所示， ff l 七u 七上 & 可 m m m 驴_ 卜 i i 自发辐射受激辐射受激吸收 图2 6 自发辐射、受激辐射和受激吸收 三种过程分别由三个方程描述，如下公式( 2 3 0 ) ( 2 3 2 ) ， 自发辐射， 百d n k j = 4 m ， 受激辐射， 受激吸收， 警= 既p ( u ) m ， 百d n t k = 玩p ( u ) ， ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 式中，m 和m 为上能级七和下能级i 的粒子数密度( 单位体积内粒子数) ，帆和 心为能级跃迁的粒子数，以为自发辐射系数，既为受激辐射系数，玩为受激 吸收系数，p ( d ) 为辐射场能量密度。并且，这三种过程可通过粒子数守恒方程 相联系： 盟+ 盟：盟， ( 2 3 3 ) md tm 此即，爱因斯坦关系【1 8 】，又称为细致平衡条件。在通常条件下，自发辐射几率远 大于受激辐射几率，因此自发辐射占压倒性优势。 1 8 点 d 卜点 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 2 2 2 谱线展宽机制 理论上，原子或离子特征谱线应该是波长为某确定值而宽度为零的几何线， 但实测谱线的宽度均不为零，而是在一定波长范围内谱线的强度随波长逐渐变化 而形成的一定轮廓形状的分布曲线，通常特征波长只是此谱线强度最大值处对应 的波长值( 中心波长) 。为了描述谱线的展宽效应，人们引入半高全宽度 ( f w h m ) ，即谱线强度为最大值的一半处的波长差。影响谱线展宽的因素有很 多，与诊断实验相关的机制有以下几种：自然展宽、多普勒展宽、斯塔克展宽和 仪器展宽等等。 谱线的自然展宽可以用量子力学中的不确定关系来描述。当电子处于某一能 量定态e 时，具有一定寿命。据不确定关系丝a t = 芝知，电子处于某能级时， 存在一个能量不确定值a e 。处于相同能级上的电子有的寿命长，有的寿命短， 可以用平均寿命t 来描述。不确定性正是表明能级间隔与平均寿命间的关系。 由于每一个能量状态都有一能级间隔，因此在确定的两个能级巨和e ，之间的跃 迁，相应的频率就不是严格的：墨；墨，而是包括了u o 的一段频率范围。不 确定性表明丝只能确定到旦一。我们记e 和e ，之间的跃迁频率为 d r - a t 。 。：+ 。，则。：垒生# 竺2 可以当作谱线的自然宽度。谱线自然展宽一般在 1 0 弓n n l 量级，并且各种元素特征谱线的自然展宽差别不大，因此谱线自然宽度的 影响在大多数光谱学研究和分析工作中往往可以忽略不计。 谱线的多普勒宽度是由光源中原子相对于光谱仪观察方向的随机热运动引 起。它与光源的温度、原子质量和谱线波长等因素有关。谱线多普勒展宽轮廓呈 高斯函数分布，中心波长为谱线的特征波长。其半高全宽度为： 从- 7 6 8 1 0 。5 旯偿， ( 2 - 3 4 ) 式中，名表示波长，单位为( 埃) ，碣表示温度，单位为电子伏，m 表示粒子 的质量数。 式( 2 3 4 ) 表明，对于确定的辐射粒子，其离子温度越高，谱线的多普勒展 1 9 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 宽越显著。而在低温等离子体中，谱线的多普勒展宽一般很小。例如，汞蒸气放 电，设温度t = 1 0 0 0 k ，取谱线波长为5 4 6 0 a ，算得旯= 0 0 0 9 a 。所以，在分 析谱线轮廓时也可以忽略多普勒宽度。 斯塔克展宽是由带电粒子间的碰撞引起的，它反应了电场对谱线的影响。斯 塔克展宽原理存在两种不同的近似理论：碰撞理论和准静态理论。碰撞理论认为 辐射体在碰撞之间的大多数时间内是完全不受扰动的，只是在碰撞瞬时与碰撞粒 子发生作用，因而在一系列的碰撞过程中，形成了一系列的独立的波列。对这些 波列进行傅里叶分析，并对所有可能的时间取平均就得到了谱线的强度分布。准 静态理论则认为辐射体在发出辐射期间都在不断地受到许多其它的带电粒子的 干扰，并且假设这些干扰粒子的运动是很缓慢的，从而可以认为它们所产生的干 扰电场是准静态的。然后在此假设的基础上计算由干扰电场效应所引起的谱线分 裂，并求出等离子体中所有的各种干扰电场( 斯塔克效应) 的几率分布，最后将 斯塔克频移对该分布取平均就可以得到该近似下的谱线强度分布。当然，这两种 近似理论是两种极端情况下的近似，碰撞理论适合于快运动的电子效应，准静态 理论适合于慢运动的重离子效应。之后，在这两种假设基础上提出了更普遍的量 子力学理论，它同时考虑了离子和电子的碰撞展宽效应。简单的说，是将电子和 离子总效应对各种离子电场分布取平均得到总的谱线轮廓【4 】。 实测谱线的线型展宽还包括仪器展宽的贡献，它依赖于光学仪器的分辨率， 特别是谱仪的分辨率。一般认为，仪器展宽具有高斯型分布，实验中可以通过单 色性较高的激光标定它。仪器展宽对谱线轮廓存在重要影响，特别是诊断中需要 利用谱线展宽计算时，当仪器展宽大于其它机制产生的谱线展宽时，就不能再利 用此方法。一般情况下，仪器展宽至少要比其它效应的展宽小一个量级才可以使 用。当仪器展宽不能忽略时，可以利用模拟计算的方法构建出仪器展宽的谱型， 有的文献中为了计算简便，用三角形分布代替高斯型分布【1 8 】。当然，商品化的 光谱仪或单色仪，生产厂商均应保证仪器展宽足够小并提供详细的仪器展宽参 数。 2 2 3 基于线谱的诊断方法 在光谱诊断实验中，我们收集等离子体辐射的主要工具为光栅光谱仪。基本 采集方式为等离子辐射通过光纤传输到谱仪入射狭缝上成像，进入谱仪的光经过 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 色散光栅分光后由探测器( 一般为光电倍增管或电荷敏感器件，c c d ) 转为电信 号存入计算机( 如图2 7 ( a ) 所示) 。图2 7 ( b ) 是我们采集的标准氩光源在可 见光波长范围内的谱线图。 瑙 礤 兹 霉 ( a ) ( b ) 图2 7( a ) 光谱诊断原理( b ) 标准氩光源谱线图 等离子体发射光谱携带着大量的信息：一是谱线波长或频率，据此可以推定 等离子体的化学成分，二是谱线的强度及强度分布，三是谱线线型。因此，针对 不同的目的，光谱诊断方法也很多。如根据谱线的相对强度计算电子激发温度； 根据谱线的多普勒展宽可以计算出原子或离子温度( 即表观温度) ；根据谱线的斯 塔克展宽可以计算出电子密度；通过分子光谱可以得到分子转动温度( 即气体温 度) 等等。下面分别予以介绍。 利用谱线相对强度计算电子激发温度。我们可以通过测量相同元素相同电离 态的两条不同波长( 频率) 谱线的相对强度，利用公式( 2 3 5 ) 计算电子激发温 度。计算时尽可能选择波长相近而上能级相差较大的两条谱线【1 9 】。 尼乙= h c ( 巨一臣) 面可万瓦磊碉 ( 2 3 5 ) 式中，下标1 和2 表示两条谱线的标号，尼乙为电子激发温度，单位电子伏，e 表示上能级能量，表示谱线相对强度，彳表示跃迁几率，g 表示朗德因子，d 为谱线对应频率。谱线参数g ，a 可通过幽：遁墨! ：g q y 查到。 为了提高计算精度，可以选择多条谱线做最小二乘法拟合( 公式2 - 3 6 ) 得到 电子温度，即玻尔兹曼斜率法。 第二章静电探针和发射光谱诊断原理 h a ( 玉盘、：一旦+ c o 瑚r ， ( 2 3 6 ) 乳心7七乙 谱线相对强度比较法的使用条件是等离子体处于局部热平衡( l o c a lt e m p e r e q u i l i b r i u m ，l t e ) 状态，即电子分布函数符合麦克斯韦分布，束缚电子在各个能 级上的分布满足玻尔兹曼分布，带电粒子浓度服从沙哈方程。此时等离子体电子 激发温度就等于电子温度。一般情况下，低温高密度的平衡等离子体，如大气压 电弧等离子体( 电子温度约为1 至2 电子伏，电子密度1 0 1 6 c m 。至1 0 1 8 c m 3 量级) 可满足上条件。低温低密等离子体一般不能满足局部热平衡条件。此外，还存在 一种部分局部热平衡模型【2 0 1 ( p l t e ) ，也可以利用类似方法计算。 利用谱线展宽计算电子密度。对于电子密度较高的等离子体，我们可以利用 谱线展宽测量电子密度。一般情况下，当仪器展宽可以忽略时，我们只要考虑多 普勒展宽和斯塔克展宽两种效应，首先利用公式( 2 3 4 ) 检验多普勒展宽是否可 以忽略。当可忽略时，只需考虑斯塔克展宽对谱线线