王加偉,張芝濤,俞 哲

(大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連116026)

光纖光譜法對(duì)Ar和He輝光放電管的參量診斷

王加偉,張芝濤,俞 哲

(大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連116026)

應(yīng)用光纖光譜法分別對(duì)Ar和He的輝光放電等離子體的電子密度進(jìn)行了診斷,并與應(yīng)用朗繆爾雙探針診斷法所得的結(jié)果進(jìn)行了比較,兩種方法的結(jié)果具有相同的變化規(guī)律,驗(yàn)證了光纖光譜法的正確性和適用性.

光纖光譜法;朗繆爾診斷法;電子密度

1 引 言

近年來,放電等離子體以迅猛的勢頭在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到深入研究和廣泛應(yīng)用,各種等離子體診斷技術(shù)也隨之發(fā)展起來[1].對(duì)等離子體性質(zhì)、狀態(tài)和表征參量(主要是電子溫度和電子密度)的診斷測定就是首先需要解決的一個(gè)問題.盡管目前用于放電等離子體的診斷方法有很多,但對(duì)表征等離子體最重要的2個(gè)參量的診斷并沒有取得質(zhì)的進(jìn)展.張芝濤教授在光學(xué)發(fā)射光譜法的基礎(chǔ)上引入了放電電流,建立了一種新的可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)診斷放電等離子體電子溫度、電子密度的實(shí)時(shí)、在線、原位、無擾動(dòng)的簡便診斷方法——光纖光譜協(xié)同電流密度診斷放電等離子體參量方法[2].光纖光譜協(xié)同電流密度法(光纖光譜法)的實(shí)驗(yàn)思路是同時(shí)用朗繆爾雙探針診斷法(LP)與光纖光譜法(OFES)對(duì)放電管中的相同位置進(jìn)行對(duì)比測量,并以朗繆爾雙探針[3]所測得的電子溫度作為“真實(shí)值”,來驗(yàn)證光纖光譜協(xié)同電流密度法正確性.該方法所用工作氣體為Ne,本文將工作氣體換成Ar和He,運(yùn)用該方法對(duì)其等離子體參量進(jìn)行了診斷,得出了結(jié)果并進(jìn)行了比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的正確性和適用性.

光纖光譜法要用發(fā)射光譜測電子激發(fā)溫度,并對(duì)工作氣體的發(fā)射光譜譜線進(jìn)行選擇,然后再作圖計(jì)算.譜線的選擇要遵循一定的條件,不同的氣體的譜線各異.本文對(duì)2種工作氣體的譜線進(jìn)行了選擇,通過比較不同譜線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了相對(duì)較好的譜線.

2 光纖光譜協(xié)同電流密度診斷實(shí)驗(yàn)原理與裝置

由氣體分子運(yùn)動(dòng)論,電子在單位時(shí)間內(nèi)穿越某一方向單位截面的電子數(shù)為neˉue/4,由此可得通過某一截面S的電流為

其中,電子的平均速度為

由式(1)～(2)可求得電子密度為

式中,電流I的單位為A,截面S的單位為m2,電子溫度Te的單位為eV,電子密度ne的單位為m-3.根據(jù)式(3),只要測得通過截面S的電流I和電子溫度Te就可求得電子密度ne.

對(duì)電子溫度Te的測量采用光學(xué)光譜法中常用的多譜線斜率法或雙線法[4-7].計(jì)算電子激發(fā)溫度所用到的光譜譜線是需要進(jìn)行選擇的,其選擇條件是:沒有其他譜線干擾;發(fā)射譜線波長范圍寬;譜線能量差盡可能大;可獲得精確的躍遷概率;相對(duì)小的自吸收[8-9].

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,由氣體放電組件、激勵(lì)電源組件、光纖光譜協(xié)同電流密度診斷組件和朗繆爾雙探針診斷組件4部分組成.實(shí)驗(yàn)時(shí),首先關(guān)閉真空閥,開啟真空泵,將放電管內(nèi)壓力抽至50 Pa以下,打開真空閥,調(diào)節(jié)減壓閥,注入工作氣體量至所需氣壓,穩(wěn)定后即可施加激勵(lì)電壓點(diǎn)燃放電管.

圖1 光纖光譜協(xié)同電流密度診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 Ar的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

光纖光譜法診斷電子激發(fā)溫度用的是發(fā)射光譜的原理,即需要通過多條譜線的信息計(jì)算得到電子激發(fā)溫度[10-11],然而由于譜線眾多,不可能將全部譜線都應(yīng)用到計(jì)算中,這就需要依據(jù)譜線選擇條件對(duì)譜線進(jìn)行一定的選擇,本實(shí)驗(yàn)中,對(duì)Ar的譜線進(jìn)行了對(duì)比選擇,得到了最適合于計(jì)算電子激發(fā)溫度的譜線,從而簡化其他相關(guān)的實(shí)驗(yàn),節(jié)省時(shí)間,提高效率.

實(shí)驗(yàn)對(duì)Ar的譜線進(jìn)行分組對(duì)比,作圖計(jì)算,再參考雙探針診斷的結(jié)果,最終確定696.543, 706.722,763.511,801.479,811.531 nm這5條譜線,雖然其沒有公共的下能級(jí),但是根據(jù)這5條譜線作出的玻耳茲曼圖具有很好的直線性,且計(jì)算結(jié)果相對(duì)于雙探針標(biāo)準(zhǔn)誤差較小.圖2所示為由上述5條譜線繪制而出的玻耳茲曼示意圖.圖中L,p,Vd,Id,dd分別表示放電管長度、放電管內(nèi)壓強(qiáng)、放電電壓,放電電流、放電管直徑.

圖3是在直流激勵(lì)的不同放電功率P情況下雙探針法與光纖光譜法診斷工作氣體Ar電子溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較.從圖中可以看出,2種方法測量得到的電子溫度具有相同的變化規(guī)律,電子溫度隨放電功率的變化先減小后增加.光纖光譜法測量的結(jié)果要低于雙探針的結(jié)果,因?yàn)樵诓粷M足熱力學(xué)平衡的狀態(tài)下,光纖光譜法測得的電子溫度是電子激發(fā)溫度,而電子激發(fā)溫度要小于電子溫度.

圖2 測量Ar的Te的玻耳茲曼示意圖

圖3 探針法與光譜法測量Ar的電子溫度結(jié)果比較

圖4是2種方法測得的電子密度的結(jié)果比較,從圖中可知,兩者保持了很好的一致性,光纖光譜法測得的數(shù)值低于雙探針法的結(jié)果.可能的原因是光纖光譜法所用的電流是平均電流,而雙探針的電流是局部的測量區(qū)域的電流,導(dǎo)致了雙探針測得的數(shù)值高于光纖光譜法的實(shí)驗(yàn)數(shù)值.

圖4 探針法與光譜法測量Ar的電子密度結(jié)果比較

3.2 He的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與對(duì)工作氣體Ar的譜線選擇一樣,依據(jù)譜線選擇條件,分組對(duì)He的譜線進(jìn)行了結(jié)果對(duì)比,參照雙探針診斷法的結(jié)果,確定了用于計(jì)算的5條譜線388.865,468.58,667.815,706.522, 728.135 nm,圖5是用這5條譜線做出的玻耳茲曼示意圖.

圖5 測量He的Te的玻耳茲曼示意圖

圖6是雙探針法測得的電子溫度與光纖光譜法測得的He電子溫度比較圖,從圖中可知,兩者測得的電子溫度隨著放電功率的變化曲線具有相同的趨勢,只是在數(shù)值上存在著微小的差別,光纖光譜法測得的電子溫度的數(shù)值低于雙探針測得數(shù)值,其可能原因,可參照3.1.圖7是兩者測得的電子密度的比較結(jié)果,同樣從圖中可以看出2種方法測得電子密度隨著放電功率的變化具有相同的變化規(guī)律,都是隨著放電功率的增加電子密度基本是線性增加的,其原因可參照3.1.

圖6 探針法與光譜法測量He的電子溫度結(jié)果比較

圖7 探針法與光譜法測量He的電子密度結(jié)果比較

4 結(jié)束語

通過應(yīng)用光纖光譜法對(duì)工作氣體Ar和He的電子密度和電子溫度進(jìn)行了診斷,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,光纖光譜法測得的結(jié)果與雙探針的結(jié)果同樣具有很好的一致性,所以這種方法不僅僅適用于Ne,同樣適用于Ar和He氣體.本實(shí)驗(yàn)中對(duì)工作氣體Ar和He通過不同的譜線組合進(jìn)行了比較得出了最優(yōu)的譜線,可能由于實(shí)驗(yàn)條件的不同本實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)譜線不會(huì)適用于所有的實(shí)驗(yàn),但是相對(duì)來說還是為以后相關(guān)的需要進(jìn)行譜線選擇的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

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Ar and He glow discharge plasmas diagnosis by optical fiber emission spectrum

WANGJia-wei,ZHANG Zhi-tao,YU Zhe
(Department of Physics,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

The electron densities in Ar and He glow discharge plasmas are measured by optical fiber emission spectrum.Compared with Langmuir double probe method,the similar experimental results prove that the optical fiber emission spectrum method is correct and feasible.

optical fiber emission spectrum;Langmuir diagnosis;electron density

O461.21

A

1005-4642(2010)12-0021-03

[責(zé)任編輯:郭 偉]

2010-03-17;修改日期:2010-06-01

王加偉(1987-),男,山東臨沂人,大連海事大學(xué)物理系碩士研究生,研究方向?yàn)榉烹姷入x子體診斷.