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激光诱导等离子体发射光谱的实验研究及理论拟合

激光诱导等离子体发射光谱的实验研究及理论拟合

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作者：付洪波山东师范大学

学位级别：硕士

等离子体温度和电子数密度是描述等离子体性质非常重要的参数。如何确定等离子体的温度和电子数密度的问题已经引起了众多研究者的关注。许多学者普遍使用玻尔兹曼图表法和线宽法确定等离子体温度和电子数密度。然而,这两种方法都只适... 详细信息

等离子体温度和电子数密度是描述等离子体性质非常重要的参数。如何确定等离子体的温度和电子数密度的问题已经引起了众多研究者的关注。许多学者普遍使用玻尔兹曼图表法和线宽法确定等离子体温度和电子数密度。然而,这两种方法都只适用于连续谱相对于特征谱线很弱的情况和发射光谱没有明显的自吸收结构的情况。然而，在等离子体产生初期，连续谱相对于特征谱线来说很强，几乎观察不到特征谱线。这样原先通过玻尔兹曼或者萨哈-玻尔兹曼图表法测定等离子体温度就变得不再可行。这是因为无论是哪种图表法，实际上都是特征谱线强度的比值。如果谱线强度无法准确测定时，这两种方法就不再适用了。与此同时，当等离子体发射的特征谱线具有明显的自吸收结构时，谱线的半高全宽及其强度都不能准确测定，那么用线宽方法测定等离子体电子数密度就会产生很大的误差。这时主要的诊断方法就是理论模拟。Tetsuo Sakka等人基于先前的研究阐述了等离子体发射和吸收光谱理论的特点。与此同时，他们基于一维辐射传输计算发展了一套完善的等离子体模型，并用它模拟了拥有自吸收结构的发射光谱。同时，他们也讨论了各种参数对计算结果的影响。但是，他们没有考虑连续谱线的影响，而且人为假设的参数过多。***等人也利用一维辐射传输方程来建立等离子发射光谱模型，同时考虑了连续谱线的影响。他们减少了人为给定的参数，从理论上模拟了自吸收明显情况下的铝等离子体发射光谱，得到了不同延迟时间下铝等离子体的温度和电子数密度以及各类粒子数密度的空间分布。但是，他们得到的结果并没有与先前方法得到的结果进行比较，不能说明模拟结果的合理性。本文通过对激光诱导铅等离子体光谱的理论拟合，分别做了如下工作：实验上，我们采集了激光诱导铅等离子体的发射光谱与图片。分析了激光诱导铅等离子体的发射光谱的时间演化特性和不同的延迟时间下等离子体羽的图像。分别用萨哈-玻尔兹曼图表法和线宽法测定了等离子体温度和电子数密度。理论上，用***等人给出的理论编译了一套程序，并理论模拟包括自吸收明显和不明显两种情况的铅等离子体发射光谱,与此同时确定了在不同延迟时间下两种情况的等离子体温度、电子数密度和处于低能级的原子数密度。此外，比较了当靶材位于透镜焦点和透镜焦点前6 mm时这些等离子体参数的不同。同时分析了自吸收产生的原因。我们对先前理论模型进行改进，同时模拟了不同延迟时间的发射光谱。对不同参数对拟合结果的影响分别做了论述。对由萨哈-玻尔兹曼图表法获得等离子体温度、通过线宽法获得的电子数密度与通过拟合得到的结果进行了比较。

关键词：光谱学激光诱导等离子体击穿光谱 Stark展宽修正半经验公式谱线模拟一维辐射转移方程自吸收自蚀

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激光等离子体辐射谱线展宽和频移研究

激光等离子体辐射谱线展宽和频移研究

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作者：王超山东师范大学

学位级别：硕士

激光诱导等离子体是一种光谱源,它在光谱分析和激光脉冲沉积方面有着重要的研究价值。激光诱导等离子体的光发射谱(也称激光诱导击穿光谱)包含了从等离子体发出的各种波段的电磁辐射,其形式主要为线状谱和连续谱。这些谱线是等离子体中... 详细信息

激光诱导等离子体是一种光谱源,它在光谱分析和激光脉冲沉积方面有着重要的研究价值。激光诱导等离子体的光发射谱(也称激光诱导击穿光谱)包含了从等离子体发出的各种波段的电磁辐射,其形式主要为线状谱和连续谱。这些谱线是等离子体中微观粒子变化过程信息的载体,因此通过研究激光诱导等离子体的光发射谱能够获取等离子体中微观粒子的时空分布和能级结构等方面的信息。此外,激光诱导击穿光谱技术还具有其它重要的优点,比如研究对象的可选范围广泛、用量少,它可以对大多数物质能够进行快速无接触分析。作为一种研究激光与物质相互作用的基础工具,近年来它受到研究者们的青睐。等离子体一些定性结论的得出是建立在直观实验结果的定量分析基础上的,在实验当中能够获取的比较直观结果有谱线的展宽、频移和强度,而谱线的相对强度也是间接获取谱线的展宽和频移的参量之一,因此研究谱线的展宽和频移对于了解等离子体的性质具有重要的意义。.本文通过对高纯度材料钛和铝的激光诱导等离子体光谱的时间分辨诊断,分别做了如下两方面的工作:一是根据钛等离子体早期的时间演化对两条钛的二价谱线的展宽和频移进行的了测量,分析了其谱线强度的变化。利用修正的半经验公式对这两条谱线的Stark展宽和频移进行了理论计算,并对实验和理论结果进行了比较。利用平方Stark效应对这两条谱线的频移进行了定性分析。二是利用一维辐射转移方程对铝的发射光谱进行了模拟,并考察了该理论模型中某些参数对谱线线形的影响。在具体的操作过程中,我们改进了该模型中对参数的处理方法,并根据谱线模拟的结果给出了原子能级粒子数密度随延迟时间演化的空间分布情况。根据以上两方面的工作,我们在具体的研究过程中取得了一些新的成果,概括起来具体如下:1.根据钛等离子体的早期(60ns—200ns)的光谱时间分辨诊断确定了其电子密度和电子温度的时间演化。在考察的时间范围内,从原子能级结构的角度对TiⅢ(237.4986 nm)的强度总是小于TiⅢ(241.3989 nm)的现象进行了解释。并根据谱线随强度的变化得出三体复合辐射机制在考察的时间范围内扮演了重要的角色。2.根据实验结果给出了两条TiⅢ高价谱线(237.4986 nm和241.3989 nm)的Stark展宽的经验公式。利用半经验的修正公式对这两条谱线的Stark展宽进行了计算,在该理论方法的误差范围内,计算结果和实验结果能够很好的符合。这两条谱线在频移方面都表现出了蓝移,从平方Stark效应方面对其进行了定性解释。同时将两条谱线的蓝移大小关系与理论计算的结果进行了比较并取得了一致的结果。3.基于一维辐射转移方程的理论模型,对AlⅠ(394.4 nm和396.1nm)谱线在不同延迟时间下的光谱图像进行了模拟,并得出了考察能级粒子数密度空间分布随延迟时间的演化图。4.我们还考察了模型中一些参数对于谱线线形的影响。给出了谱线自蚀深度随高低能级粒子数空间分布半径比变化的关系,并给以解释。另外通过研究自蚀现象存在时频移参数与线形的关系得到了定性判断谱线频移的直观方法并从实验上进行了验证。.

关键词：光谱学激光诱导等离子体击穿光谱 Stark展宽 Stark频移修正半经验公式谱线模拟蓝移一维辐射转移方程自吸收自蚀

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利用LIBS测量煤油空气局部当量比的初步探索

利用LIBS测量煤油空气局部当量比的初步探索

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第四届高超声速科技学术会议

作者：余西龙张少华李飞康国剑张新宇中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室

发展了一种采用激光诱导等离子体击穿光谱(LIBS)技术定量测量燃料/空气混合气中局部当量比的激光诊断方法。在解决液体煤油完全雾化、冷凝等问题后,以在线测量时的实验条件为依据,确定了不同气压下煤油/空气混合气体中燃料和空气当量比... 详细信息

发展了一种采用激光诱导等离子体击穿光谱(LIBS)技术定量测量燃料/空气混合气中局部当量比的激光诊断方法。在解决液体煤油完全雾化、冷凝等问题后,以在线测量时的实验条件为依据,确定了不同气压下煤油/空气混合气体中燃料和空气当量比数值与LIBS中的H/O和H/N原子发射光谱相对强度之间的对应关系,以及氢原子发射谱线宽度对压力的依赖关系,为下一步在线定量测量

关键词：激光诱导等离子体击穿光谱当量比激光诊断煤油空气混合物

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