孫殿平，戚小華，王春梅，沈國土

（華東師范大學(xué) 物理系，上海200062）

1 引 言

氫燈是實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備，其主要發(fā)光機(jī)制是交流放電產(chǎn)生等離子體，其中處在激發(fā)態(tài)的粒子（原子、分子和離子）躍遷到基態(tài)而發(fā)射光子.等離子體是 “物質(zhì)第四態(tài)”，等離子體診斷是物理學(xué)研究的重要課題之一.常用的診斷手段主要是光學(xué)診斷技術(shù)、Langmuir探針和質(zhì)譜技術(shù)［1-3］.

光學(xué)測量方法特別適合于等離子體原位診斷，因?yàn)樗恢苯咏佑|等離子體因而不會(huì)造成干擾.作為等離子體無接觸診斷的一種方法，與探針測量手段相互補(bǔ)充，它能提供粒子組成、熱力學(xué)溫度和粒子能量分布等狀態(tài)參量，也可以得到其中的碰撞、傳能、電離、解離和輸運(yùn)等微觀物理過程的信息，還可以獲得物種轉(zhuǎn)化與生成、基元吸附與相變等物理化學(xué)過程的基本規(guī)律，同時(shí)還能得到時(shí)間和空間分辨的信息.從實(shí)驗(yàn)設(shè)備上來講，發(fā)射光譜法也是比較容易實(shí)現(xiàn)的.但是由于大量干擾譜峰的存在，因此在實(shí)踐中這種方法主要用于簡單分子的等離子體診斷.

本文利用單色儀測量得到的氫燈中氫原子和氫分子的光譜，假定等離子體處于局部熱力學(xué)平衡和光學(xué)薄狀態(tài)，通過計(jì)算得到等離子體電子溫度、振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度［4］.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖1所示.氫燈是實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備，型號(hào)為GH-Ⅱ.單色儀為71SW301.氫燈管中氫氣氣壓為13Pa～1kPa，氫燈電源接調(diào)壓器，以便于改變放電電壓.正常使用時(shí)，電壓接220V，放電電壓為800V（由高壓探頭和示波器測量），在高壓交流電源的激勵(lì)下，在兩電極的間隙空間可形成類輝光放電，中間發(fā)出淺紅的光，靠近電極發(fā)出白色明亮的光.測量時(shí)，所測輻射光來自靠近放電電極處的發(fā)光部分，將要測量的發(fā)光經(jīng)透鏡聚焦到光柵單色儀入口，再經(jīng)單色儀分光后，由光電倍增管探測，探測信號(hào)送入計(jì)算機(jī)處理.如要測量氫燈不同放電區(qū)域的發(fā)光，可把氫燈外殼拆掉.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為實(shí)際測量的氫燈放電發(fā)光的325～675nm之間的光譜圖，其中原子光譜的強(qiáng)度很強(qiáng).圖3是位于600～650nm的光譜圖，主要是氫分子的d3Πu-—a3Σg＋Fulcher-α帶的振轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu).實(shí)際計(jì)算時(shí)，還需要考慮測量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)系數(shù)［5］.

圖2 氫燈放電發(fā)光的325～675nm之間的光譜圖

圖3 氫分子d3Πu-—a3Σg＋ Fulcher-α帶的振轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光譜圖

3.1 電子激發(fā)溫度

等離子體的激發(fā)溫度用來表征其中離子、分子和原子的激發(fā)過程的發(fā)生強(qiáng)度［4-5］.如果激發(fā)過程主要是由電子碰撞過程實(shí)現(xiàn)的，那么激發(fā)溫度的變化反映了等離子體中電子能量的變化，即電子溫度的高低.當(dāng)處于一定激發(fā)能量范圍內(nèi)的激發(fā)態(tài)能級(jí)上的粒子布居數(shù)與此能量范圍的電子達(dá)到碰撞激發(fā)平衡時(shí)，處于第i能級(jí)的粒子數(shù)密度ni由玻爾茲曼分布給出［4-5］：

等離子體中原子發(fā)射光譜的峰強(qiáng)度為

其中，Aim是i能級(jí)躍遷到m能級(jí)的自發(fā)射躍遷概率；C是儀器收集和傳遞常量，一般情況下可視為常量，但在空間分辨發(fā)射光譜的測量中由于儀器與輻射區(qū)相對(duì)位置的改變，C可能發(fā)生變化，如果位置改變不大，則可以視C為常量.

通過測量這些激發(fā)態(tài)粒子的光輻射強(qiáng)度，可以得到相應(yīng)激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)布居數(shù)之比，進(jìn)而利用玻爾茲曼圖解法可以得到激發(fā)溫度［6-7］：

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，由直線斜率可求得電子激發(fā)溫度Texc.

為了計(jì)算氫氣等離子體的激發(fā)溫度，從光譜中選取H的巴爾未系譜線，其光譜學(xué)參量見表1.

表1 選定HⅠ譜線的光學(xué)參量

根據(jù)氫氣放電發(fā)射光譜強(qiáng)度和表1的光學(xué)參量，以ln（Iiλi／giAi）為縱坐標(biāo)，Ei為橫坐標(biāo)畫出玻爾茲曼曲線如圖4所示，然后對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合，擬合直線的斜率m＝-11 605（eV-1·K-1）／Texc＝-2.234 21，由此求得電子激發(fā)溫度Texc＝（5 194±350）K.

圖4 氫原子發(fā)射光譜的玻爾茲曼曲線

作圖中的光譜強(qiáng)度根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)系數(shù)和玻璃管材料的透射系數(shù)作了修正，由于397.1nm和389.0nm較小，實(shí)驗(yàn)中未被采用.

激發(fā)溫度和電子溫度在平衡態(tài)下數(shù)值相等，但在熱力學(xué)非平衡態(tài)下激發(fā)溫度和電子溫度是不相等的［4］.

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)溫度

分子氣體溫度不太高時(shí)會(huì)激發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.分子布居數(shù)按玻爾茲曼分布，處于給定的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí).雙原子分子振轉(zhuǎn)譜線發(fā)射強(qiáng)度測量法是一種傳統(tǒng)的測量等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)溫度的方法.轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Trot可通過測量R，P或者Q支的各條譜線的發(fā)射強(qiáng)度I，并將其作為轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)能量E的函數(shù)做曲線的方法求得［9-10］：

式中，λ是躍遷波長，Trot即為轉(zhuǎn)動(dòng)溫度，g是核自旋統(tǒng)計(jì)權(quán)重.E是上能級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量［4］：

式中J＝1，2，…是轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)，I是分子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Be＝是轉(zhuǎn)動(dòng)常量（cm-1）.

圖5 氫分子放電Fulcher-α帶（2，2）Q 支發(fā)射光譜的玻爾茲曼曲線

3.3 振動(dòng)溫度

在局部熱平衡條件下，H2激發(fā)態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)的粒子數(shù)密度，遵循玻爾茲曼分布規(guī)律［10］，即：

同樣，利用圖4的數(shù)據(jù)和（6）式擬合直線，如圖6，m＝-1／（0.695Tvib）＝-0.000 219 4，得到H2激發(fā)態(tài)的振動(dòng)溫度為Tvib＝（6 560±450）K.

圖6 氫分子放電光譜Fulcher-α帶的振動(dòng)帶玻爾茲曼曲線

4 結(jié) 論

在實(shí)驗(yàn)所測的氫等離子體光譜中，氫原子的巴爾未系譜線最明顯，可以將巴爾未系譜線作為特征譜線，由此譜線的強(qiáng)弱可以定性地表征活性氫原子的多少，由氫原子巴爾未系的光譜強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可以表征等離子密度的變化.由氫分子Fulcher-α帶光譜，根據(jù)玻爾茲曼圖解法擬合計(jì)算氫分子振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度，了解振動(dòng)能級(jí)粒子數(shù)分布，及由轉(zhuǎn)動(dòng)溫度得到氣體溫度.

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