基于Hα线等离子体电子密度的光谱诊断

罗文峰， 刘崇琪， 刘 娟， 谢东华， 付 勇

(1．西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121； 2. 安阳凯信变压器有限责任公司 技术部， 河南 安阳 455000)

基于Hα线等离子体电子密度的光谱诊断

罗文峰1， 刘崇琪1， 刘 娟1， 谢东华1， 付 勇2

(1．西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121； 2. 安阳凯信变压器有限责任公司 技术部， 河南 安阳 455000)

为了实时准确测量等离子体的电子密度，利用Lorentz函数拟合Hα发射谱线，测出该谱线的Stark展宽，从而算出等离子体的电子密度为5.14×1016cm-3。基于实验结果，计算得到等离子频率为5.14×1016Hz，该值远大于1064 nm激光光子频率1014Hz，证明等离子体对激光的反射作用远小于吸收作用。

等离子体；发射光谱；Hα谱线；电子密度

电子密度是表征等离子体性质的基本参数之一，在等离子体应用中起着重要的作用，例如许多动力学反应速率都直接或间接依赖于该参数[1]。由于等离子体放电过程非常复杂，要实时准确测量等离子体的电子密度非常困难。这也是等离子体物理长期存在的一个难题，即如何准确而又无干扰地诊断等离子体的特征参数[2]。

通常获取等离子体特征参数的实验装置是Langmuir探针，但是这种侵入式测量方法，不可避免地对等离子体产生干扰，从而影响测量的准确度和精密度[3]。

发射光谱诊断作为一种非侵入式诊断技术，因其测量速度快、灵密度高、仪器简单，近年来发展迅速，在医药、材料、生物和化学等领域都具有广泛的应用[4-5]。本实验以Hα线(656.2 nm)为研究对象，通过测量其Stark展宽得到等离子体的电子密度，进而研究了等离子体的其它参数。

1 理论分析

等离子体中谱线的展宽主要是Stark展宽，是电场对谱线的影响造成的[6]。谱线的Stark展宽线型不严格依赖于等离子体温度，而主要取决于等离子体的电子密度，且与等离子体是否处于局部热力学平衡状态无关，也就是说从谱线的线型就可以确定等离子体的电子密度。因此，基于原子发射谱线的Stark展宽求解电子密度是诊断等离子体特征参数最可靠的方法之一[7]。

Stark展宽分为非类H谱线的Stark展宽和类H谱线的Stark展宽[8]。实验表明，Hα线的Stark展宽较大，与其相比，Doppler展宽和仪器展宽等均可忽略。在忽略其它展宽机制的作用下，等离子体的电子密度与Hα谱线的半高全宽具有关系[9]

(1)

其中λ1/2(nm)是Hα谱线的半高全宽，Ne(cm-3)是等离子体的电子密度，α1/2(nm)是比例常数。因此，只要测量出Hα谱线的半高全宽就可以得到等离子体的电子密度。

2 实验装置及Hα谱线

实验系统如图1所示，光源系统采用调Q Nd: YAG脉冲激光器(激光器输出脉冲宽度19.7 ns，波长1064 nm，脉冲能量135 mJ，重复频率1 Hz)。激光光束经焦距f = 150 mm的石英透镜聚焦到样品上。采集系统是快触发型5通道光谱仪(AvaSpec-2048FT-5-RM，Avantes, Holland)。光谱仪的触发信号来自激光器的Q信号。光谱仪光谱覆盖范围是200～720 nm，分辨率是0.06～0.08 nm(2400～1800 lines/mm)，所测样品光谱信息的处理与分析由光谱仪所带分析软件完成。

图1 实验装置

实验是在常温常压下进行的，因为实验室不可避免地存在水蒸气，由于水蒸气电离就会在等离子体光谱中就探测到氢原子发射谱线Hα线，如图2所示。

图2 Hα线光谱

3 等离子体电子密度求解

氢元素谱线的Stark展宽法中Hα(656.2 nm)谱线在实际应用最广泛，同时理论发展也最完善。由图2可知，和其它谱线相比，Hα谱线的强度较强。Hα谱线的归一化谱图如图3所示，从中可见，该谱线非常光滑，既没有平顶现象，又没有自蚀现象，也就是说不存在自吸收现象，因此，Hα谱线非常适合求解等离子体的电子密度。

图3 Hα谱线归一化谱图及其Lorentz拟合

在忽略其它展宽机制的情况下，等离子体的电子密度与谱线的半高全宽满足式(1)。理论分析表明，Stark展宽后的谱线满足Lorentz线型。Lorentz函数表达式为[10]

(2)

其中Δλ是谱线的半高全宽，A是谱线的积分强度，xc是谱线的中心波长，y0是背景辐射强度。图3中的实线部分即为Hα谱线的Lorentz函数拟合曲线。由拟合数据及式(1)，经计算即可得到等离子体的电子密度为5.14×1016cm-3。

4 等离子体频率

等离子体频率是另一个描述等离子体的重要参数，利用等离子体频率就可以定性地描述等离子体对激光的屏蔽效应。等离子体对激光的屏蔽效应主要通过两种机制，即等离子体对激光的反射和吸收[11]。等离子体频率与等离子体电子密度的关系是[12]

(3)

其中ωp是等离子体频率，Ne是等离子体电子密度。将等离子体的电子密度代入上式计算得到等离子体频率为5.14×1016Hz。而1 064 nm对应的光子频率约为1014Hz，因此，等离子对激光的反射作用可以忽略[12]。相反，等离子体对激光光子的吸收便是主要机制了，这种吸收机制又被称为韧制吸收，或逆韧制辐射，其原理是通过与离子或原子的碰撞，电子获得足够的能量，进一步与原子发生碰撞电离，而且，等离子体的电子密度越大，逆韧制辐射系数越大[13]，即有

(4)

其中αIB是逆韧制辐射系数，Ne是等离子体电子密度。

综上，在等离子体碰撞过程中，等离子体吸收激光光子，通过韧制吸收对等离子体加热，造成等离子体的产生、膨胀和辐射。

5 结语

电子密度是表征等离子体性质的一个重要参数。为避免测量对等离子体的干扰，实验利用光谱分析方法得到Hα谱线，通过测量其Stark展宽算出等离子体电子密度为5.14×1016cm-3，再由等离子体电子密度求得离子体的频率为5.14×1016Hz，该值远小于1064 nm激光光子频率1014Hz，这足以说明等离子体对激光光子的吸收作用远强于反射作用。实验结果有助于激光诱导产生等离子体加热机制的理解。

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[责任编辑:王辉]

Emission spectroscopy diagnostics of
plasma electron density based on Hαemission line

LUO Wenfeng1， LIU Chongqi1， LIU Juan1， XIE Donghua1， FU Yong2

(1．School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China；2．Department of Technology, Anyang Kaixin Transformer company limited，Anyang 455000，China)

In order to reduce the disturbance on plasma, and calculate the electron density more accurately, the Hαemission line is obtained and fitted with Lorentz function. With the Stark broadening, the electron density of 5.14×1016cm-3is inferred. Based on the experimental results, the plasma frequency of 5.14×1016Hz is also computed, which is smaller than the laser frequency. Therefore, the absorption of the plasma on the laser is stronger than the reflection.

plasma, emission spectroscopy, Hαemission line, electron density

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.015

2013-09-17

陕西省教育厅科研计划基金资助项目(2013JK0607)；西安市科技计划基金资助项目(CX12189WL02)；西安邮电大学青年教师科研基金资助项目(ZL2013-14)

罗文峰(1974-)，男，博士，讲师，从事等离子体光子学研究。E-mail: luowenfeng@xupt.edu.cn 刘崇琪(1964-)，男，硕士，副教授，从事光通讯研究。E-mail: liu100th@aliyun.com

O53

A

2095-6533(2014)01-0070-03