光纤光谱法对Ar和He辉光放电管的参量诊断

王加伟,张芝涛,俞 哲

(大连海事大学物理系,辽宁大连116026)

光纤光谱法对Ar和He辉光放电管的参量诊断

王加伟,张芝涛,俞 哲

(大连海事大学物理系,辽宁大连116026)

应用光纤光谱法分别对Ar和He的辉光放电等离子体的电子密度进行了诊断,并与应用朗缪尔双探针诊断法所得的结果进行了比较,两种方法的结果具有相同的变化规律,验证了光纤光谱法的正确性和适用性.

光纤光谱法;朗缪尔诊断法;电子密度

1 引 言

近年来,放电等离子体以迅猛的势头在国民经济各个领域得到深入研究和广泛应用,各种等离子体诊断技术也随之发展起来[1].对等离子体性质、状态和表征参量(主要是电子温度和电子密度)的诊断测定就是首先需要解决的一个问题.尽管目前用于放电等离子体的诊断方法有很多,但对表征等离子体最重要的2个参量的诊断并没有取得质的进展.张芝涛教授在光学发射光谱法的基础上引入了放电电流,建立了一种新的可在相当宽范围内诊断放电等离子体电子温度、电子密度的实时、在线、原位、无扰动的简便诊断方法——光纤光谱协同电流密度诊断放电等离子体参量方法[2].光纤光谱协同电流密度法(光纤光谱法)的实验思路是同时用朗缪尔双探针诊断法(LP)与光纤光谱法(OFES)对放电管中的相同位置进行对比测量,并以朗缪尔双探针[3]所测得的电子温度作为“真实值”,来验证光纤光谱协同电流密度法正确性.该方法所用工作气体为Ne,本文将工作气体换成Ar和He,运用该方法对其等离子体参量进行了诊断,得出了结果并进行了比较,进一步验证了该方法的正确性和适用性.

光纤光谱法要用发射光谱测电子激发温度,并对工作气体的发射光谱谱线进行选择,然后再作图计算.谱线的选择要遵循一定的条件,不同的气体的谱线各异.本文对2种工作气体的谱线进行了选择,通过比较不同谱线的实验结果得出了相对较好的谱线.

2 光纤光谱协同电流密度诊断实验原理与装置

由气体分子运动论,电子在单位时间内穿越某一方向单位截面的电子数为ne¯ue/4,由此可得通过某一截面S的电流为

其中,电子的平均速度为

由式(1)～(2)可求得电子密度为

式中,电流I的单位为A,截面S的单位为m2,电子温度Te的单位为eV,电子密度ne的单位为m-3.根据式(3),只要测得通过截面S的电流I和电子温度Te就可求得电子密度ne.

对电子温度Te的测量采用光学光谱法中常用的多谱线斜率法或双线法[4-7].计算电子激发温度所用到的光谱谱线是需要进行选择的,其选择条件是:没有其他谱线干扰;发射谱线波长范围宽;谱线能量差尽可能大;可获得精确的跃迁概率;相对小的自吸收[8-9].

实验装置如图1所示,由气体放电组件、激励电源组件、光纤光谱协同电流密度诊断组件和朗缪尔双探针诊断组件4部分组成.实验时,首先关闭真空阀,开启真空泵,将放电管内压力抽至50 Pa以下,打开真空阀,调节减压阀,注入工作气体量至所需气压,稳定后即可施加激励电压点燃放电管.

图1 光纤光谱协同电流密度诊断实验系统示意图

3 实验结果

3.1 Ar的实验结果

光纤光谱法诊断电子激发温度用的是发射光谱的原理,即需要通过多条谱线的信息计算得到电子激发温度[10-11],然而由于谱线众多,不可能将全部谱线都应用到计算中,这就需要依据谱线选择条件对谱线进行一定的选择,本实验中,对Ar的谱线进行了对比选择,得到了最适合于计算电子激发温度的谱线,从而简化其他相关的实验,节省时间,提高效率.

实验对Ar的谱线进行分组对比,作图计算,再参考双探针诊断的结果,最终确定696.543, 706.722,763.511,801.479,811.531 nm这5条谱线,虽然其没有公共的下能级,但是根据这5条谱线作出的玻耳兹曼图具有很好的直线性,且计算结果相对于双探针标准误差较小.图2所示为由上述5条谱线绘制而出的玻耳兹曼示意图.图中L,p,Vd,Id,dd分别表示放电管长度、放电管内压强、放电电压,放电电流、放电管直径.

图3是在直流激励的不同放电功率P情况下双探针法与光纤光谱法诊断工作气体Ar电子温度的实验结果比较.从图中可以看出,2种方法测量得到的电子温度具有相同的变化规律,电子温度随放电功率的变化先减小后增加.光纤光谱法测量的结果要低于双探针的结果,因为在不满足热力学平衡的状态下,光纤光谱法测得的电子温度是电子激发温度,而电子激发温度要小于电子温度.

图2 测量Ar的Te的玻耳兹曼示意图

图3 探针法与光谱法测量Ar的电子温度结果比较

图4是2种方法测得的电子密度的结果比较,从图中可知,两者保持了很好的一致性,光纤光谱法测得的数值低于双探针法的结果.可能的原因是光纤光谱法所用的电流是平均电流,而双探针的电流是局部的测量区域的电流,导致了双探针测得的数值高于光纤光谱法的实验数值.

图4 探针法与光谱法测量Ar的电子密度结果比较

3.2 He的实验结果

与对工作气体Ar的谱线选择一样,依据谱线选择条件,分组对He的谱线进行了结果对比,参照双探针诊断法的结果,确定了用于计算的5条谱线388.865,468.58,667.815,706.522, 728.135 nm,图5是用这5条谱线做出的玻耳兹曼示意图.

图5 测量He的Te的玻耳兹曼示意图

图6是双探针法测得的电子温度与光纤光谱法测得的He电子温度比较图,从图中可知,两者测得的电子温度随着放电功率的变化曲线具有相同的趋势,只是在数值上存在着微小的差别,光纤光谱法测得的电子温度的数值低于双探针测得数值,其可能原因,可参照3.1.图7是两者测得的电子密度的比较结果,同样从图中可以看出2种方法测得电子密度随着放电功率的变化具有相同的变化规律,都是随着放电功率的增加电子密度基本是线性增加的,其原因可参照3.1.

图6 探针法与光谱法测量He的电子温度结果比较

图7 探针法与光谱法测量He的电子密度结果比较

4 结束语

通过应用光纤光谱法对工作气体Ar和He的电子密度和电子温度进行了诊断,由实验结果可以看出,光纤光谱法测得的结果与双探针的结果同样具有很好的一致性,所以这种方法不仅仅适用于Ne,同样适用于Ar和He气体.本实验中对工作气体Ar和He通过不同的谱线组合进行了比较得出了最优的谱线,可能由于实验条件的不同本实验得出的最优谱线不会适用于所有的实验,但是相对来说还是为以后相关的需要进行谱线选择的实验奠定了基础.

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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

[责任编辑:郭 伟]

2010-03-17;修改日期:2010-06-01

王加伟(1987-),男,山东临沂人,大连海事大学物理系硕士研究生,研究方向为放电等离子体诊断.