專利名稱：一種發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有空間高分辨能力的高靈敏發(fā)射光譜測量技術，用于對等離子體炬尤其是低氣壓等離子體炬進行診斷，可得到等離子體炬的發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子轉動溫度、分子振動溫度等空間分布信息。
背景技術：
等離子體炬技術作為工業(yè)中一種常用的方法，已經被廣泛應用在噴涂、切割、化學氣相沉積、有害廢料處理、等離子體與托卡馬克壁材料相互作用等領域中。等離子體炬的基本原理是在兩電極間形成電弧放電，兩電極間通入氣流，氣體被電離、加熱、膨脹，形成的等離子體從噴嘴噴出，產成等離子體射流，即等離子體炬。根據(jù)工作環(huán)境氣壓不同，可分為大氣壓等離子體炬和低氣壓等離子體炬。根據(jù)放電類型不同，可分為直流電弧等離子體炬和交流電弧等離子體炬。根據(jù)陰極和陽極的位置關系還可分為轉移弧等離子體炬和非轉移弧等離子體炬。低氣壓等離子體炬在工業(yè)生產和實驗室環(huán)境下都有著廣泛的應用，由于其具有高溫、高熱焓等優(yōu)點，是制備金剛石薄膜、模擬研究托卡馬克PWI過程等常用手段。等離子體炬的工作狀態(tài)、性能等，直接由電極形狀、放電電流、背景氣壓、放電氣體等參數(shù)決定。等離子體的電子激發(fā)溫度、電子密度、分子轉動溫度、分子振動溫度等信息直接反映了等離子體的狀態(tài)。所以若想準確了解等離子體炬的工作狀態(tài)，需要對等離子體炬的這些參數(shù)進行診斷，準確獲得這些等離子體參數(shù)，對研究等離子體炬的性質、合理應用等離子體炬，有著重要的意義。等離子體炬是等離子體在空間呈現(xiàn)的一種射流分布，根據(jù)實驗條件不同，等離子體炬的長度由幾厘米至幾米不等，直徑也可由幾毫米至十幾厘米不等，只研究某一點的等離子體性質，對于整個等離子體炬的研究意義不大，尤其是等離子體射流斑圖現(xiàn)象和超音速等離子體射流激波現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得等離子體炬在空間上出現(xiàn)明暗變化的條紋，目前這些現(xiàn)象的出現(xiàn)機理還在研究中，所以獲得這些等離子體炬空間分布特征十分必要。這就需要一種可行有效的方法對等離子體炬空間分布特性進行診斷，尤其是低氣壓等離子體炬的空間分布更是測量的難點。探針法(Probe)是測量等離子體電子溫度和電子密度的常用方法，它是將電極插入等離子體的內部，使等離子體為回路一部分，通過測量等離子體的導電能力一伏安特性， 獲得等離子體電子密度電子溫度等信息。但由于探針電極需插入等離子體內部，所以必將對等離子體的性質和空間分布造成影響，而且由于等離子體炬通常溫度較高，合適的耐高溫、二次電子發(fā)射少的電極材料較少。此外探針法還無法測量發(fā)光強度、分子振動、轉動溫度等{曰息。發(fā)射光譜法(Optical Emission Spectroscopy)是一種分析診斷等離子體重要方法，其特點是裝置簡單，對等離子體完全沒有干擾。等離子體中的生成物種從激發(fā)態(tài)躍遷到低能態(tài)時發(fā)出光，即可觀測到發(fā)射光譜。由于其具有結構簡單、非接觸式測量、靈敏度高、響應速度快等特點，已廣泛應用于等離子體特性診斷。發(fā)射光譜法不僅可以用于測量電子溫度和電子密度，還可以定量測量等離子體炬的發(fā)光強度以及分子的振動溫度和轉動溫度等 fn息ο用發(fā)射光譜法對等離子體炬進行測量已有很多報道，但多用于固定位置的測量， 即測量點固定。若想改變測量位置需手動重新調整，目前的報道也僅限于對等離子體炬軸向或徑向的一維分布的測量。在大氣壓環(huán)境下，已有采用點陣光纖和手動位移臺的方法對等離子體炬進行一維或二維分布測量的報道。這兩種方法設備相對簡單，便于操作。但由于真空環(huán)境和真空室的限制，在大氣壓環(huán)境下可行的方法在低氣壓環(huán)境下很難操作，若每次均停止實驗、打開真空室，調整探測位置再重新抽真空進行實驗，不僅浪費時間，還會影響實驗條件和測量精度。而且點陣光纖進行空間分辨的方法空間分辨率較低。

發(fā)明內容
發(fā)明目的針對上述方法的不足，提供了一種發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，通過高分辨的手動電動精密平臺，對等離子體炬尤其是低氣壓等離子體炬進行空間分布特性診斷，通過分析所得的全光譜，可獲得等離子體炬發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子轉動溫度、分子振動溫度的空間二維分布，具有較高的靈敏度和空間分辨率。技術方案提供一種發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，包括以下步驟
第一步、搭建診斷系統(tǒng)將精密電動二維平臺和手動三維平臺放置于真空室內，手動三維平臺位于精密電動二維平臺的上方，精密電動二維平臺通過真空導線、真空電極法蘭與真空室外部的驅動模塊連接，驅動模塊由計算機軟件控制；真空光纖被固定在手動三維平臺上，放于等離子體炬下方，真空光纖前端放置一或兩個透鏡，組成聚焦系統(tǒng)；真空光纖通過專用的真空法蘭與真空室外的普通光纖連接，真空室外的光纖與全波段的光譜儀連接， 光譜儀由計算機軟件控制。第二步、通過三維平臺的手動調節(jié)旋鈕調整光纖聚焦系統(tǒng)的焦點，即探測點，位于被探測的等離子體炬的位置。第三步、通過計算機軟件和驅動模塊，控制精密電動二維平臺，改變探測點位置。第四步、通過計算機軟件控制光譜儀進行光譜采集，將每一位置的光譜信息存入計算機，并通過分析所得的全光譜進行發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子振動溫度及分子轉動溫度的空間分布分析。其中，所述第四步的發(fā)光強度空間分布分析具體是光譜信息中的等離子體炬的原子譜線或分子譜線或離子譜線在不同位置對應的峰高即為等離子體炬的相對發(fā)光強度空間分布，通過校準光譜儀效率及與標準光源(NIST燈)的光譜信號進行比對，獲得絕對發(fā)光強度信息。其中，所述第四步的電子溫度分析具體是采用波爾茲曼斜率法，選取光譜信息中的等離子體炬的原子譜線峰值，代入公式(5)
K兮)=—+C……公式(5)，以 為橫坐標，UM為縱坐標，作直線擬合，該直 StAA·gtA
5線的斜率負倒數(shù)即為電子溫度碼。其中，厶為峰強度，毛為該峰波長，&為該躍遷的上能級的簡并度，4為躍遷概率，
A為躍遷的上能級的能級，為常數(shù)；厶從光譜儀計算機軟件中讀出；&、4、4從美國國家標準技術研究所數(shù)據(jù)庫中查得。其中能夠，所述第四步的電子密度分析具體是通過Mark展寬效應測得，Stark展寬效應譜線輪廓的半高全寬可表示成公式(7)。A^5 =2x^ 11.75x10 jlA^Vxil 0.0681^ VJ)]xIQ^vNt ……公式(7)。其中，‘是通過反卷積計算消除儀器展寬后所得到的；義為電子密度，w=aNe,
α為展寬系數(shù)，7；為該點的電子溫度；將光譜信息中的原子譜線的輪廓的半高全寬，代入上述公式(7)，即可得到該探測點的電子密度信息。其中，所述步驟D的分子振動溫度分析具體是根據(jù)波爾茲曼斜率法得出，選取分
2K
子的三組振動帶序的對應各帶頭的波長代入公式(12)，Μ^^·) = -;^ + ^……公式
(12)，并以％為橫坐標，以f^)為縱坐標，作直線擬合，該直線的斜率負倒數(shù)即為分子振動溫度fc2；。其中，為峰強度，‘為該波長，Λ··為躍遷概率，馬為躍遷的上能級的能級，C為常數(shù)。i村從光譜儀計算機軟件中讀出，能級根據(jù)公式(10)
K = .(^+- +~jr++A)3+.........公式(10)求得。其中，Wf是上能級的振動量子數(shù)，振動常數(shù)、 F、fiU^和躍遷概率為f由相關文獻查得。其中，所述步驟D的分子轉動溫度的分析具體是根據(jù)波爾茲曼斜率法得出，對分子支譜線進行測量，并將該譜線帶不同轉動量子數(shù)對應的峰強度代入公式(14)
……公式(⑷，
并以SrJV^WfC為橫坐標，hYl^為縱坐標，作直線擬合，擬合直線的斜率負倒數(shù)， 即為分子轉動溫度戰(zhàn)。其中，為峰強度，由光譜儀計算機軟件獲得；Sjy為亨耳-倫敦系數(shù),為上
能級的轉動量子數(shù)，^y為振動態(tài)的轉動常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為真空中光速；所需常數(shù)可由相關文獻查得。其中，所述步驟D的發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子振動溫度、分子轉動溫度空間分布分析，在一個全光譜圖中測出。有益技術效果本發(fā)明采用一種發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，可對等離子體炬尤其是針對低氣壓等離子體炬，進行空間分布特性的診斷，通過全光譜儀，高靈敏高分辨快速獲得等離子體炬的發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子振動溫度、 分子轉動溫度的空間分布信息。


圖1本發(fā)明的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法的診斷系統(tǒng)結構圖。附圖標識1.真空室、2.真空泵、3.陰極、4.陽極、5.等離子體炬、6.精密電動二維平臺、7.手動三維平臺、8.真空光纖、9.透鏡、10.真空法蘭、11.普通光纖、12.光譜儀、 13.計算機、14.真空導線、15.真空電極法蘭、16驅動模塊。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法原理如下
產生等離子體炬的方法有很多種，其基本原理就是通過放電，使流動的氣體產生膨脹的等離子體，這些等離子體由特定的噴嘴噴出，即形成等離子體炬。如工業(yè)和實驗室環(huán)境下常用的直流電弧等離子體炬，在兩電極之間加以直流電壓，采用高頻引弧，即在柱狀陰極和環(huán)狀陽極間通以高頻電壓，使兩極間的氣體被擊穿電離，產生的大量電子在直流電壓產生的電場作用下，快速移動，產生電子雪崩，引起直流電弧，發(fā)生直流電弧放電，并在陰極和陽極間通以放電氣體，氣體被放電電弧加熱、電離、膨脹，形成等離子體，從陽極中心的噴口噴出，形成等離子體炬。改變放電氣體、氣體流速、放電電流、背景氣壓等參數(shù)，可獲得實驗所需的等離子體炬?？臻g分布測量，通過放置在真空室內的真空位移平臺實現(xiàn)。采用手動三維平臺與精密電動二維平臺結合的方案。收集信號的光纖與透鏡被固定在該平臺上。透鏡與光纖端面距離可調，通過選擇不同焦距的透鏡和光纖與透鏡距離，可調節(jié)光纖對光的收集角度，收集角度越小，空間分辨率越高，耦合進入光纖的光信號也就也少；收集角度越大，空間分辨率越低，但耦合進入光纖的光信號多，實驗時刻根據(jù)實驗情況的需要，選擇合適的距離。精密移動平臺由兩部分構成，下端是一個精密電動二維平臺，在其上端放置一個手動三維平臺。手動三維平臺用于在準備實驗時，調節(jié)透鏡焦點(探測點)至所需要診斷位置附近。手動平臺的分辨率為 μ m，精密電動平臺的精度為 nm，這種精度完全滿足我們對等離子體炬空間分布診斷的需要。精密電動平臺通過真空導線、真空電極法蘭，與真空室外部的驅動模塊連接，驅動模塊由計算機軟件控制，通過計算機軟件，可在不打開真空腔室的條件下，對精密電動平臺進行操作。實驗時通過軟件控制精密電動平臺，調節(jié)光纖透鏡焦點至所需要探測的位置。光纖將光信號，通過光纖真空法蘭，傳至真空室外部的光纖，外部光纖將光信號再傳入全光譜儀中，光譜儀由計算機軟件控制，可在Is內，給出輸入信號的全光譜(200-980nm)，由于常用原子、分子的發(fā)射光譜譜線分布在200-980nm間，并且等離子體炬的工作狀態(tài)可能會隨
7時間的變化而改變，所以一個快響應的全光譜儀對于準確診斷等離子體炬的特性尤為重要。精密電動平臺計算機軟件可記錄當前平臺所處的位置，將其和光譜儀計算機軟件配合使用，可對等離子體炬的空間分布進行二維掃描，并將不同位置的不同全光譜圖進行保存， 供下一步分析。發(fā)光強度是人們對等離子體炬的直觀反映，由于炬在真空腔室中，直接觀察炬受腔室窗口限制，如果發(fā)光強度過大強，易對人眼有傷害，而且人眼不能定量的給出發(fā)光強度的空間分布。采用發(fā)射光譜法可以定量對炬的發(fā)光強度進行分析，可以精確的給出發(fā)光強度的空間分布。等離子體炬相對發(fā)光強度的空間分布可以根據(jù)測量每一原子、分子或者離子的譜線的強度隨不同位置的變化而得到，通過校準光譜儀效率及與標準光源(NISI^T)W 光譜信號進行比對，還可獲得絕對發(fā)光強度信息。電子溫度和電子密度是等離子體的重要參數(shù)，通過發(fā)射光譜診斷等離子體的電子溫度和電子密度，可揭示等離子體內部反應機理，對于進一步的理論及實驗研究具有重要
眉、ο目前比較常用的診斷等離子體電子溫度的方法有探針法和光譜法。在發(fā)射光譜法中，目前有雙譜線法，多譜線斜率法，等電子譜線法，Saha-Boltmarm法以及絕對譜線強度法等。雙譜線法可用于瞬時測量，對電子溫度進行實時監(jiān)測，但其躍遷概率等光譜參數(shù)的不確定性往往導致電子溫度的較大誤差。等電子譜線法是利用原子序數(shù)相差1到2的兩種示蹤元素的等電子離子同一躍遷譜線強度比來確定電子溫度，通過采用較強的共振線，可減小實驗測量誤差，有利于提高診斷準確性，但由于需要雙示蹤元素，實驗手段較為復雜。 Saha-Boltzmann法用在難以找到來自同一電離態(tài)的譜線或譜線間能級差很小的情況，而絕對譜線強度的精度與等離子體系統(tǒng)偏離熱力學平衡的程度相關。比較而言，多譜線斜率法由于應用了多條譜線的信息，并且可以選擇性使用譜線，因此測溫精度較高，同時實驗方法簡便，實驗裝置并不復雜，在測定電子溫度時可同時測定電子密度，因此得到廣泛應用。在放電等離子體中，高能電子與樣品氣體原子發(fā)生非彈性碰撞，使氣體原子的外層電子獲得一定能量，從低能級激發(fā)到較高能級。這些處于激發(fā)態(tài)的電子會向較低的能級躍遷，并放出光子，由于激發(fā)態(tài)的電子會有不同的低能級，所以會產生多種不同波長的光子，形成幾條譜線，其波長為
權利要求
1.一種發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，包括以下步驟A.搭建診斷系統(tǒng)將精密電動二維平臺(6)和手動三維平臺(7)放置于真空室(1)內， 手動三維平臺(7)位于精密電動二維平臺(6)的上方，精密電動二維平臺(6)通過真空導線 (14)、真空電極法蘭(15)與真空室(1)外部的驅動模塊(16)連接，驅動模塊(16)由計算機 (13)軟件控制；真空光纖(8)被固定在手動三維平臺(7)上，放于等離子體炬(5)下方，真空光纖(8)前端放置一或兩個透鏡(9)，組成聚焦系統(tǒng)；真空光纖(8)通過專用的真空法蘭 (10)與真空室(1)外的普通光纖(11)連接，真空室(1)外的光纖(11)與全波段的光譜儀 (12 )連接，光譜儀(12 )由計算機(13 )軟件控制；B.通過手動三維平臺(7)的手動調節(jié)旋鈕調整光纖(8)聚焦系統(tǒng)的焦點，即探測點，位于被探測的等離子體炬的位置；C.通過計算機(13)軟件和驅動模塊(16)，控制精密電動二維平臺(6)，改變探測點位置；D.通過計算機(13)軟件控制光譜儀(12)進行光譜采集，將每一位置的光譜信息存入計算機(13)，并通過分析所得的全光譜進行發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子振動溫度及分子轉動溫度的空間分布分析。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，其特征在于，所述步驟D的發(fā)光強度空間分布分析具體是光譜信息中的等離子體炬的原子譜線或分子譜線或離子譜線在不同位置對應的峰高即為等離子體炬的相對發(fā)光強度空間分布，通過校準光譜儀效率及與標準光源的光譜強度信號進行比對，獲得絕對發(fā)光強度信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，其特征在于，所述步驟D的電子溫度分析具體是采用波爾茲曼斜率法，選取光譜信息中的等離子體炬的原子譜線峰值，代入公式(5)H^y=-會+c……公式(5)，以 為橫坐標，以κ兮)為縱坐標，作直線擬合，該直 ^tAgtAt線的斜率負倒數(shù)即為電子溫度《；；其中，Ik為峰強度，Λ為該峰波長，gk為該躍遷上能級的簡并度，Ak為躍遷概率，Ek為躍遷上能級的能級，C =為常數(shù)；厶從光譜儀計算機軟件中讀出；&、4、4從美國國家標準技術研究所數(shù)據(jù)庫中查得。
4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，其特征在于，所述步驟D的電子密度分析具體是通過Mark展寬效應測得，Stark展寬效應譜線輪廓的半高全寬可表示成公式(7)A^f2 = 2χ杠 + 1.75x10 4JVfVx(l 0.068^ V2)]x 10 1W,......公式(7)，其中，A^2是通過反卷積計算消除儀器展寬后所得到的;凡為電子密度，『二〃凡，α為展寬系數(shù)，Te為該點的電子溫度；將光譜信息中的原子譜線的輪廓的半高全寬，代入上述公式(7 )，即可得到該探測點的電子密度信息。
5.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，其特征在于，所述步驟D的分子振動溫度分析具體是根據(jù)波爾茲曼斜率法得出，選取分子的三組振動帶序的對應各帶頭的波長代入公式(12)，
6.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，其特征在于，所述步驟D的分子轉動溫度的分析具體是根據(jù)波爾茲曼斜率法得出， 對分子譜線進行測量，并將該譜線帶不同轉動量子數(shù)對應的峰強度代入公式(14)，
7.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法，其特征在于，所述步驟D的發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子振動溫度、分子轉動溫度空間分布分析，在一個全光譜圖中測出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)射光譜診斷低氣壓等離子體炬空間分布特性的方法。該方法通過計算機控制精密二維電動平臺控制測量點移動；對等離子體炬尤其是低氣壓等離子體炬進行空間分布特性的診斷，通過分析所得的全光譜，可獲得等離子體炬發(fā)光強度、電子溫度、電子密度、分子轉動溫度、分子振動溫度的空間二維分布，具有較高的靈敏度和空間分辨率。
文檔編號H01J47/00GK102184831SQ20111005670
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權日2011年3月10日
發(fā)明者丁洪斌, 吳興偉, 張辰飛, 李聰, 王宏北 申請人:大連理工大學